THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS – DIESEL CHO ĐỘNG CƠ 1 XILANH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
--------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU
BIOGAS – DIESEL CHO ĐỘNG CƠ 1 XILANH

Đà Nẵng - 2012


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
--------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU
BIOGAS – DIESEL CHO ĐỘNG CƠ 1 XILANH

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Chánh Pháp
Trƣơng Việt Hƣng

Lớp:

07C4A

Giáo viên hƣớng dẫn:

PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng

Giáo viên duyệt:

TS. Dƣơng Việt Dũng

Đà Nẵng – 2012


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
Lớp:
Khoá:
Ngành:
Khoa:

NGUYỄN CHÁNH PHÁP
TRƢƠNG VIỆT HƢNG
07C4A
2007
Cơ khí Động lực
Cơ khí Giao thông

1. TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS – DIESEL
CHO ĐỘNG CƠ 1 XILANH.
2. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU
Theo tài liệu nhà chế tạo.
3. NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN
1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu. (phần chung)
2. Tìm hiểu tính chất của nhiên liệu khí biogas và công nghệ sản xuất và xử lý
khí biogas. (Phần chung)
3. Hệ thống lọc, nén và lƣu trữ khí biogas trong quá trình sử dụng. (Phần
chung)
4. Các phƣơng án cải tạo động cơ. (Hƣng)
5. Khảo sát đặc điểm kết cấu và tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB. (Pháp)
6. Tính toán thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas-diesel cho động cơ 1
xylanh EV2600-NB:
6.1. Khảo sát nguyên lý hoạt động bộ điều tốc. (Hƣng)
6.2. Tính toán thiết kế bố trí hệ thống cung cấp biogas. (Pháp)
6.3. Thiết kế cơ cấu điều khiển van cánh. (Pháp)
6.4. Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu điều chỉnh lƣợng diesel phun mồi. (Hƣng)
7. Lắp đặt và chạy thử nghiệm. (phần chung)
8. Kết luận. (phần chung)

4. PHẦN BẢN VẼ

1

Bản vẽ mặt cắt dọc động cơ EV2600-NB (Pháp)

1 A3

2

Bản vẽ đồ thị công (Pháp)

1A3

3

Bản vẽ lắp bộ hòa trộn, van tiết lƣu (Pháp)

1 A3

4

Bản vẽ kết cấu các bộ phận của bộ hòa trộn (Pháp)

1 A3

5

Bản vẽ quy trình công nghệ gia công bộ hòa trộn (Pháp)

1 A3

6

Bản vẽ quy trình công nghệ gia công van tiết lƣu (Pháp)

1 A3

7

Bản vẽ công nghệ lọc khí biogas (Hƣng)

1A3

8

Bản vẽ sơ đồ hệ thống cung cấp Biogas (Hƣng)

1 A3

9

Bản vẽ kết cấu bộ quả văng, trục quay bộ quả văng (Hƣng)

1A3

10

Bản vẽ sơ đồ nguyên lý điều khiển việc cấp Biogas (Hƣng)

1 A3

11

Bản vẽ cơ cấu điều chỉnh lƣợng diesel (Hƣng)

1A3

12

Bản vẽ sơ đồ lắp đặt động cơ lên băng thử (Hƣng)

1A3

Tổng

(12) A3

5. Ngày giao nhiệm vụ:

07/03/2012

6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/06/2012
THÔNG QUA BỘ MÔN..................
Ngày .......... tháng ........ năm 2012
TRƢỞNG BỘ MÔN

TS. Dƣơng Việt Dũng

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng
SINH VIÊN ĐÃ NỘP
ĐỒ ÁN VỀ CHO KHOA
Ngày .......... tháng ........ năm 2012
GIÁO VỤ KHOA

NGUYỄN QUANG TRUNG


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh

Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 4
1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu ........................................................................... 5
1.1. Những vấn đề về môi trƣờng của Việt Nam và toàn cầu hiện nay. ..................... 5
1.2. Tổng quan về vấn đề năng lƣợng hiện nay và sự cần thiết phải có nguồn nhiên
liệu thay thế. ................................................................................................................ 5
1.2.1. Tổng quan về vấn đề năng lƣợng hiện nay ....................................................5
1.2.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế ..............................................6
1.3. Tổng quan về các nguồn năng lƣợng tái sinh thay thế và ƣu thế khi sử dụng
nhiên liệu Biogas. ........................................................................................................ 6
1.3.1. Tổng quan về các nguồn năng lƣợng tái sinh thay thế ..................................6
1.3.2. Ƣu thế khi sử dụng nhiên liệu Biogas ...........................................................9
1.4. Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu. ....................................... 10
1.4.1. Mục đích của đề tài nghiên cứu ...................................................................10
1.4.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu ......................................................10
2. Tìm hiểu tính chất của khí nhiên liệu Biogas và công nghệ sản xuất và xử lý
khí Biogas ................................................................................................................. 11
2.1. Đặc tính,các điều kiện yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành khí Biogas. 11

2.1.1. Đặc tính khí Biogas ..................................................................................... 11
2.1.2. Các điều kiện yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành khí Biogas ........12
2.2. Yêu cầu của khí Biogas khi sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong...... 15
2.3. Sơ đồ và quá trình sản xuất khí Biogas. ............................................................. 15
2.4. Tính năng và khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi qua quá trình xử lý. . 16
2.4.1. Tính năng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý ...........................16
2.4.2. Khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý ............16
2.5. Tình hình ứng dụng của khí Biogas hiện nay. ................................................... 17
3. Hệ thống lọc, nén và lƣu trữ khí Biogas trong quá trình sử dụng.................. 17
3.1. Tìm hiểu hệ thống lọc và quá trình nén khí Biogas. .......................................... 17
3.1.1. Thiết bị hấp phụ H2S ...................................................................................18
3.1.2. Thiết bị hấp phụ CO2 ...................................................................................19
3.1.3. Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas ...............................................................21
3.1.4. Sơ đồ hệ thống nén khí ................................................................................ 23
3.2. Quá trình lƣu trữ để bảo đảm an toàn cho nhiên liệu. ........................................ 23
4. Các phƣơng án cải tạo động cơ .......................................................................... 24

1


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
4.1. Phƣơng án cải tiến động cơ chạy lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel, dùng diesel
làm nhiên liệu mồi. .................................................................................................... 24
4.1.1. Thiết kế van cung cấp biogas (van tiết lƣu).................................................24
4.1.2. Thiết kế bộ hòa trộn .....................................................................................25
4.1.3. Thiết kế cơ cấu hạn chế lƣợng phun diesel làm mồi ...................................25
4.1.4. Thiết kế bộ điều tốc biogas ..........................................................................25
4.2. Phƣơng án cải tiến động cơ sang chạy 100% Biogas, đánh lửa cƣỡng bức bằng
bugi. ........................................................................................................................... 25
4.2.1. Thay đổi tỷ số nén động cơ..........................................................................26

4.2.2. Thiết kế hệ thống đánh lửa ..........................................................................26
4.3. So sánh các phƣơng án cải tạo. .......................................................................... 26
5. Khảo sát đặc điểm kết cấu và tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB............... 27
5.1. Giới thiệu chung về động cơ khảo sát. ............................................................... 27
5.1.1. Đặc điểm kết cấu của động cơ .....................................................................27
5.1.2. Khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ EV2600-NB .....................28
5.2. Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB. ............................................................... 30
5.2.1. Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB khi sử dụng diesel ...........................30
5.2.2. Tính toán chu trình nhiệt động cơ sử dụng song song Biogas – Diesel ......39
5.2.3. So sánh kết quả tính toán .............................................................................55
6. Tính toán thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas-diesel cho động cơ 1
xilanh EV2600-NB ................................................................................................... 59
6.1. Kết cấu và nguyên lý hoạt động bộ điều tốc. ..................................................... 59
6.1.1. Bộ điều tốc diesel ........................................................................................59
6.1.2. Bộ điều tốc biogas .......................................................................................61
6.2. Tính toán thiết kế bố trí hệ thống cung cấp biogas. ........................................... 72
6.2.1. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn ......................................................................72
6.2.2. Tính toán van tiết lƣu...................................................................................76
6.3. Thiết kế cơ cấu điều khiển van cánh .................................................................. 81
6.4. Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu điều chỉnh lƣợng diesel. ........................................ 81
6.4.1. Cơ sở thiết kế ..............................................................................................81
6.4.2. Thiết kế cơ cấu điều chỉnh lƣợng nhiên liệu Diesel cho động cơ ..............82
6.4.3. Nhận xét, lựa chọn phƣơng án cải tạo ........................................................85
7. Lắp đặt và chạy thử nghiệm ............................................................................... 85
7.1. Mục đích và yêu cầu. ......................................................................................... 85
7.1.1. Mục đích: .....................................................................................................85
7.1.2. Yêu cầu ........................................................................................................85
2

Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
7.2. Địa điểm, trang thiết bị và sơ đồ lắp đặt thí nghiệm. ......................................... 86
7.2.1. Địa điểm thí nghiệm ....................................................................................86
7.2.2. Trang thiết bị thí nghiệm .............................................................................86
7.2.3. Sơ đồ lắp đặt động cơ lên băng thử .............................................................86
7.3. Khảo sát băng thử thủy lực FROUDE. .............................................................. 86
7.3.1. Sơ đồ nguyên lý băng thử FROUDE ...........................................................87
7.3.2. Nguyên lý làm việc của băng thử FROUDE ...............................................87
7.4. Quá trình chuẩn bị chạy thử nghiệm. ................................................................. 88
7.5. Xử lý số liệu và xây dựng đƣờng đặc tính. ........................................................ 88
7.5.1. Đo công suất của động cơ ............................................................................89
7.5.2. Đo lƣợng tiêu hao nhiên liệu .......................................................................90
7.5.3. Đo công suất của động cơ ứng với độ mở bƣớm ga và nồng độ của CH4 ..91
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 100

3


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh

LỜI NÓI ĐẦU
Vấn đề năng lƣợng và môi trƣờng trong thời gian gần đây là vấn đề cấp bách
mà tất cả các quốc gia trên thế giới đều phải quan tâm. Sự cạn kiệt tài nguyên thiên
nhiên và vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu đã buộc con ngƣời phải hành động nhằm
duy trì sự ổn định và phát triển của nhân loại. Không nằm ngoài quy luật chung của
nhân loại trong những năm gần đây nƣớc ta cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu
nhằm tìm ra nguồn năng lƣợng mới sạch hơn, thân thiện hơn với môi trƣờng.
Với tƣ cách là một sinh viên ngành Động lực thì vấn đề góp phần giảm thiểu
ô nhiễm môi trƣờng là một yêu cầu cần thiết.

Đây là lý do mà nhóm em chọn đề tài: “ Thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu
biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh ” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Sau một thời gian thực hiện đề tài với sự nổ lực của bản thân và sự giúp đỡ
nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ môn, bạn bè và đặc biệt là các thành viên trung
tâm nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng thay thế đã giúp em hoàn thành đề tài. Tuy
kết quả chƣa thật thành công nhƣng đây là bƣớc đệm giúp những sinh viên nhƣ em
tiến bƣớc trên con đƣờng của mình.
Sau cùng em xin gửi cảm ơn chân thành đến các thầy trong khoa đặc biệt là
thầy giáo PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng đã tận tình hƣớng dẫn em trong suốt quá
trình làm đồ án vừa qua.
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2012.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Chánh Pháp
Trƣơng Việt Hƣng

4


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
1.1. Những vấn đề về môi trường của Việt Nam và toàn cầu hiện nay.
Tài nguyên và môi trƣờng có vị trí đặc biệt quan trọng đối với con ngƣời và
sự phát triển của xã hội. Hàng ngày chúng ta sử dụng không khí, nƣớc, thực phẩm
để tồn tại và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng để đáp ứng
các nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Mỗi sự biến đổi của tự nhiên, của môi trƣờng
đều liên hệ mật thiết đến chúng ta, sự đe dọa nào đối với thiên nhiên, môi trƣờng
cũng chính là đe dọa đối với chúng ta.
Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt, con ngƣời đã và đang thải vào môi
trƣờng hàng triệu tấn các chất độc hại có rất nhiều nguyên nhân khác nhau nhƣ: Do

quá trình sản xuất công nghiệp thải ra khí thải độc hại, do quá trình khai thác tài
nguyên thiên nhiên, các loại hóa chất sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, do
việc sử dụng nhiên liệu của các phƣơng tiện giao thông vận tải gây ra…
Các phƣơng tiện giao thông vận tải chủ yếu sử dụng nhiên liệu truyền thống
nhƣ xăng và diesel. Chính vì vậy trong khí thải của động cơ chứa rất nhiều khí độc
hại nhƣ: NOX, SOX, HC cháy không hoàn toàn, kèm theo những hạt bụi rắn thải vào
môi trƣờng không khí làm cho hàm lƣợng khí độc hại trong bầu khí quyển ngày
càng tăng lên.
Với mức độ phát sinh ô nhiễm rất nghiêm trọng do khí thải của phƣơng tiện
giao thông vận tải gây ra, nếu ngay từ bây giờ không có những biện pháp hữu hiệu
để hạn chế đến mức thấp nhất mức độ phát sinh chất ô nhiễm thì trong tƣơng lai
không xa, chúng ta phải đƣơng đầu với những điều kiện khắc nghiệt của cuộc sống
do thiên nhiên tác động nhƣ: Trái đất nóng lên, mực nƣớc biển dâng cao, những trận
mƣa axit. Do đó việc nghiên cứu thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu)
bằng nguồn nhiên liệu thay thế nhƣ khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên
(CNG), khí sinh học (Biogas) là rất cần thiết nhằm hạn chế việc phát sinh các chất
độc hại. Đây là một trong những vấn đề đƣơc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải
quyết, kịp thời ngăn chặn mức độ ô nhiểm của bầu khí quyển.
1.2. Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay và sự cần thiết phải có nguồn
nhiên liệu thay thế.
1.2.1. Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay
Năng lƣợng là điều kiện tất yếu cho sự tồn tại và tiến hóa của mọi sinh vật.
Trong quá trình phát triển xã hội loài ngƣời nguồn năng lƣợng thƣờng xuyên
chuyển dịch từ dạng này sang dạng khác. Dạng năng lƣợng thiên nhiên đầu tiên
đƣợc con ngƣời sử dụng là năng lƣợng mặt trời, đƣợc sử dụng một cách tự nhiên để
soi sáng, sƣởi ấm, phơi khô lƣơng thực, thực phẩm và các đồ dùng. Tiếp đó là năng
5


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh

lƣợng gỗ củi, rồi tới năng lƣợng nƣớc, gió, năng lƣợng kéo của gia súc, năng lƣợng
khai thác từ than đá ngự trị trong thế kỷ 18-19. Năng lƣợng dầu mỏ thay thế vị trí
của than đá trong thế kỷ 20 và từng bƣớc phát triển năng lƣợng hạt nhân. Các dạng
năng lƣợng mới ít ô nhiễm nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng nƣớc, năng lƣợng
gió, thủy triều, năng lƣợng vi sinh vật với những phƣơng pháp và phƣơng tiện công
nghệ tiên tiến cũng đang mở rộng phạm vi hoạt động của mình.
1.2.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế
Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự
không ai có thể phủ nhận đƣợc. Nguồn năng lƣợng chúng mang lại hầu nhƣ là
chiếm ƣu thế hoàn toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn
chiếm ƣu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lƣợng vào
thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lƣợc của
dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới. Nhƣng theo dự đoán của các nhà
khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lƣợng dầu mỏ còn lại của trái đất
cũng chỉ đủ cho con ngƣời khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa.
Bên cạnh đó khi chúng ta sử dụng nhiên liệu dầu mỏ cho động cơ đốt trong
thì sẽ gây ra các hậu quả làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng
nhà kính. Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các động cơ thải ra là nguyên
nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời. Do đó,
con ngƣời đứng trƣớc một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế.
Một xu hƣớng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền
thống: Xăng, dầu diesel bằng các loại nhiên liệu mới sạch, nhiên liệu tái sinh cho
các loại động cơ nhƣ năng lƣợng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng,
năng lƣợng điện, khí sinh vật Biogas, năng lƣợng thủy điện.Việc chuyển dần sang
sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lƣợc trong chính
sách năng lƣợng của nhiều quốc gia phát triển.
1.3. Tổng quan về các nguồn năng lượng tái sinh thay thế và ưu thế khi sử dụng
nhiên liệu Biogas.
1.3.1. Tổng quan về các nguồn năng lượng tái sinh thay thế
1.3.1.1. Năng lượng mặt trời

Đối với cuộc sống của loài ngƣời, năng lƣợng mặt trời là một nguồn năng
lƣợng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lƣợng này thông qua hiệu ứng
quang điện, chuyển năng lƣợng các photon của mặt trời thành điện năng, nhƣ trong
pin mặt trời. Năng lƣợng của các photon cũng có thể đƣợc hấp thụ để làm nóng các
vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nƣớc mặt trời, hoặc

6


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
làm sôi nƣớc trong các máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ
thống nhiệt nhƣ máy điều hòa mặt trời.

Hình 1 - 1 Nhà máy điện mặt trời Nellis ở Hoa Kỳ
1.3.1.2. Năng lượng gió
Ý tƣởng dùng năng lƣợng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát
minh ra điện và máy phát điện. Đây là một loại năng lƣợng sạch chi phí để thu năng
lƣợng khá thấp nhƣng đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện địa lý ở từng vùng. Ở các
nƣớc khác việc sử dụng loại năng lƣợng này khá phổ biến. Đặc biệt ở các vùng hải
đảo.

Hình 1 – 2 Tuốc bin gió tại Tây Ban Nha
1.3.1.3. Năng lượng địa năng
Để thu đƣợc nhiệt năng của trái đất, ngƣời ta phải khoan sâu vào lòng đất thu
lấy hơi nóng từ các nguồn phóng xạ, các luồng hơi nóng từ tâm Trái đất và lớp vỏ
ngoài. Từ những năm 70 Mỹ đã nhận thấy đây là cách giúp họ thoát khỏi tình trạng
phải phụ thuộc vào nguồn năng lƣợng nhập khẩu. Tuy nhiên cho đến nay ngành
công nghiệp non trẻ này mới chỉ cung cấp ít hơn 1% nhu cầu năng lƣợng của nƣớc
7

Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
Mỹ. Một phần là do ngay cả chi phí cho cách đơn giản nhất để khai thác nhiệt năng,
đó là tập trung thẳng vào các mạch, các nguồn nhƣ suối nƣớc nóng hay núi lửa,
cũng là rất tốn kém.
1.3.1.4. Năng lượng hạt nhân
Nhà máy điện nguyên tử đầu tiên đi vào hoạt động năm 1954 tại Liên Xô,
sau đó các nƣớc ở châu Âu, châu Mỹ và một số nƣớc ở châu Á đã lần lƣợt xây dựng
và khai thác các nhà máy điện nguyên tử. Dự đoán đến năm 2020 nguồn năng lƣợng
hạt nhân sẽ chiếm 60-65% tổng công suất điện năng trên thế giới. Việc sử dụng điện
hạt nhân tránh đƣợc các dạng ô nhiễm thồng thƣờng, tại các nhà máy nhiệt điện
nhƣng lại là nguồn gây nguy hiểm lớn về môi trƣờng do các chât thải phóng xạ.

Hình 1 – 3 Khung cảnh bên ngoài một nhà máy điện hạt nhân
1.3.1.5. Năng lượng từ khí sinh học (Biogas)
Việc sản xuất, xử dụng khí cần vốn đầu tƣ ít do tận dụng đƣợc nguồn có sẵn
từ trại chăn nuôi là chất thải hữu cơ của vật nuôi. Ƣu điểm của nguồn năng lƣợng
này là việc nó thay thế đƣợc các nguồn năng lƣợng khác nhau nhƣ: Than, củi, điện,
nhiên liệu khí hóa lỏng và dầu. Sau khi phân động vật đƣợc phân huỷ thì nó cho
chất lƣỡng hữu cơ giàu chất dinh dƣỡng và không có mùi đƣợc sử dụng để cải thiện
đất nông nghiệp tốt hơn phân bón tƣơi. Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng
bảo vệ môi trƣờng. Chính vì vậy hiện nay, biogas đƣợc sử dụng rộng rãi từ các
trang trại nhỏ đến các trang trại lớn.
Để lắp đặt một hầm Biogas củng khá đơn giản không đòi hỏi kỹ thuật cao và
chi phí lắp đặt thấp vì vậy rất nhiều các hộ gia đình chăn nuôi nhỏ và các trại chăn
nuôi sử dụng biogas cho các nhu cầu đun nấu, thắp sáng.

8

Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
1.3.1.6. Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG
LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí
hóa lỏng có thể thu đƣợc từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên.
Chúng thƣờng có trong phần còn lại(cặn) của quá trình chƣng cất dầu hỏa, đƣợc hóa
lỏng ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển và ở nhiệt độ môi trƣờng chúng thƣờng là
ở trạng thái khí. Về mặt lý thuyết LPG chữa 50% propan và 50% butan.
Ô tô sử dụng LPG ít gây ô nhiễm môi trƣờng nhờ giảm một lƣợng lớn các
chất độc hại nhƣ HC, CO2, NOx, CO. Lƣợng khí độc của động cơ chỉ bằng 10% đến
20% so với lƣợng khí độc thải ra do động cơ chạy bằng xăng và diesel. Do LPG có
các đặc tính kĩ thuật nhƣ tính chống kích nổ cao, không có chì nên sản phẩm không
có muội than không có hiện tƣợng đóng màng của động cơ, ít gây mòn xilanh,
piston, segment và các chi tiết kim loại khác trong động cơ. Trữ lƣợng khí thiên
nhiên trên thế giới để sản xuất ra LPG rất lớn, chi phí sản xuất ra LPG thấp và LPG
có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với nhiên liệu truyền thống.
1.3.1.7. Nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối Biofuel
Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ ô tô
chủ yếu là dầu thực vật và biodiesel. Dầu thực vật là loại dầu đƣợc chiết suất từ các
hạt các loại củ của cây chứa dầu với chiết xuất lớn nhƣ đậu phộng, đậu nành, dầu
cải, hƣớng dƣơng, hạt dừa, hạt cọ......
1.3.1.8. Hydro nguồn năng lượng trong tương lai
Hydro nguồn năng lƣợng an toàn, thân thiện với môi trƣờng. Vì trong thành
phần hóa hoc của hydro chỉ chứa các nguyên tố nhƣ cacbon (C), lƣu huỳnh (S), nitơ
(N) nên khi cháy sản vật cháy chỉ là H2O do đó hydro là một nguồn nhiên liệu sạch
lý tƣởng.
1.3.2. Ưu thế khi sử dụng nhiên liệu Biogas
Ngoại trừ năng lƣợng thuỷ điện và năng lƣợng hạt nhân, phần lớn năng
lƣợng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Tất cả các
nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng nhƣ hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt
hoàn toàn vào nữa cuối thế kỷ 21. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan

tâm về môi trƣờng ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn
năng lƣợng thay thế cho năng lƣợng có nguồn gốc dầu mỏ.
Biogas là năng lƣợng có thể tái sinh đƣợc, đây là một sự thay thế đầy tiềm
năng cho các nguồn nhiên liệu chính lấy từ dầu mỏ, đang sắp cạn kiệt trong vòng
khoảng 30-40 năm nữa.
Đối với nƣớc ta nguồn cung cấp nguyên liệu để sản xuất Biogas rất đa dạng
và có tiềm năng rất lớn đặc biệt là đối với các hộ gia đình chăn nuôi theo lối trang
9


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
trại. Đây là hƣớng đi nhằm góp phần làm giảm áp lực về nhu cầu năng lƣợng đối
với đất nƣớc và cũng góp phần giải quyết ô nhiễm môi trƣờng.
*Một số ưu điểm của nhiên liệu Biogas:
- Đối với môi trƣờng.
+ Giảm lƣợng khí phát thải CO2, do đó giảm đƣợc lƣợng khí thải là nguyên
nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh đƣợc các thảm họa về môi trƣờng.
+ Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lƣu huỳnh (<0,001% so với đến
0,2% trong dầu diesel).
+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thƣ.
+ Khí thiên nhiên biogas không chứa chì gây tác hại đến sức khỏe con ngƣời,
gây ô nhiễm môi trƣờng không khí.
+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn diesel 4 lần,
phân huỷ từ 85 - 88% trong nƣớc sau 28 ngày).
+ Giảm ô nhiễm môi trƣờng nƣớc và đất.
- Đối với kinh tế.
+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trƣờng nó
còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành
nông nghiệp nhƣ thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác
thải sẵn có.

+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền
nông thôn.
1.4. Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu.
1.4.1. Mục đích của đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas-diesel cho động cơ 1
xilanh để chạy động cơ máy phát điện ở trại chăn nuôi, qua đó tận dụng đƣợc nguồn
năng lƣợng tại chỗ. Việc tận dụng các nguồn năng lƣợng tại chỗ cho sản xuất sẽ
giúp cho ngƣời dân tiết kiệm đƣợc kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu
nhập cho ngƣời dân, góp phần đẩy mạnh công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa
nông nghiệp nông thôn, đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nƣớc.
1.4.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu
Sử dụng nhiên liệu khí biogas để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong sẽ làm
giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO … góp phần thực hiện các công ƣớc
quốc tế về môi trƣờng mà Việt Nam đã cam kết tham gia.
Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện
nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này.

10


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
2. Tìm hiểu tính chất của khí nhiên liệu Biogas và công nghệ sản xuất và xử lý
khí Biogas
2.1. Đặc tính, các điều kiện yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí
Biogas.
2.1.1. Đặc tính khí Biogas
2.1.1.1. Định nghĩa khí Biogas
Biogas còn gọi là khí sinh học (KSH) là một hỗn hợp khí đƣợc sản sinh từ sự
phân hủy những hợp chất hữu cơ dƣới tác dụng của vi khuẩn trong môi trƣờng yếm
khí. Hỗn hợp khí này chiếm tỉ lệ gồm: CH4 (60% - 70%), CO2 (30% - 40%). Phần

còn lại là một lƣợng nhỏ khí: N2, H2, CO,…CH4 có số lƣợng lớn và là khí chủ yếu
tạo ra năng lƣợng khí đốt. Lƣợng CH4 chịu ảnh hƣởng bởi quá trình phân hủy sinh
học. Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nƣớc, nhiệt độ môi trƣờng, tốc độ dòng
chảy…trong hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí.
2.1.1.2 Đặc tính khí sinh học
a. Tính chất vật lý
Bảng 2 – 1 Một số tính chất của khí Biogas
Các tính chất vật lý

Methane (CH4)

Cacbon dioxide (CO2)

Trọng lƣợng phân tử

16,04

44,01

Tỷ trọng

0,554

1,52

Điểm sôi

259,0 0F (=1440C)

60,80C

Điểm đông

-296,6 0F(-164,80C) -69,9 0F (-38,830C)

Khối lƣợng riêng

0,66kg/m3

Nhiệt độ nguy hiểm

116,0 0F (=64,440C) 88,0 0F(=48,890C)

Áp suất nguy hiểm

45,8 at

Nhiệt dung Cp (1atm)

6,962,10-4 J/ kg-0C

Tỷ lệ Cp/Cv

1,307

Nhiệt cháy

55,403J/kg

Giới hạn cháy

5-15% Thể tích

Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí

0,0947 Thể tích
0,0581 Khối lƣợng

1,82kg/m3

72,97at

1,303

11


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
Khí sinh học có 2 thành phần chủ yếu là khí cacbonic (CO2: 30-40%) và khí
methane (CH4: 60-70%). Khí methane là khí cháy đƣợc nên khí sinh học cháy đƣợc.
Ngọn lửa khí sinh học có màu xanh da trời và tỏa sáng yếu. Khí sinh học có chứa
khí hiđro sunfua (H2S) nên có mùi trứng thối. Khí sinh học không duy trì sự sống
nên có thể gây ngạt thở, dẫn tới tử vong. Khí sinh học có khối lƣợng riêng là 1,2196
kg/m3. Khí sinh học có tỷ khối là 0,94. Nó nhẹ hơn không khí một chút.
b. Nhiệt trị của khí sinh học
Nhiệt trị của khí sinh học chủ yếu đƣợc xác định bằng hàm lƣợng methane
trong thành phần của nó. QKSH = QCH4 × %CH4.
Trong đó QKSH là nhiệt trị của khí sinh học, QCH4 là nhiệt trị của methane và
%CH4 là hàm lƣợng methane theo thể tích.
2.1.2. Các điều kiện yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí Biogas

Trong thực tế, sản lƣợng khí sinh học của các nguyên liệu không thể đạt giá
trị lý thuyết vì quá trình phân huỷ không xảy ra trong điều kiện lý tƣởng, nguyên
liệu không phân huỷ hoàn toàn vì nhiều yếu tố ảnh hƣởng.
2.1.2.1. Môi trường kỵ khí
Trong các bể phân huỷ kỵ khí bắt buộc phải không có oxy. Vi khuẩn kỵ khí
lấy oxy từ nguồn cung khác, chứ không phải từ không khí. Nguồn oxy này có thể
lấy từ chính nguyên liệu hữu cơ hoặc từ các oxit vô cơ trong nguyên liệu nạp vào.
Khi oxy lấy từ các nguyên liệu hữu cơ, thì sản phẩm trung gian cuối cùng sẽ là rƣợu
cồn, aldehyt và các axit hữu cơ cùng với cacbonic. Đa số vi khuẩn tham gia vào quá
trình tạo khí sinh học đều thuộc loại kỵ khí bắt buộc hoặc không bắt buộc, nhạy cảm
với oxy. Vi khuẩn sinh methane sẽ bị chết khi bị phơi ngoài không khí. Vì vậy, môi
trƣờng kỵ khí là một yếu tố bắt buộc để các vi khuẩn hoạt động đƣợc. Quá trình
phân huỷ sinh khí sinh học là cả một quá trình đan xen các giai đoạn. Các nhóm vi
khuẩn khác nhau với điều kiện riêng khác nhau, nhƣng lại cùng đồng thời hoạt động
và hỗ trợ lẫn nhau.
2.1.2.2. Tỷ lệ cacbon/nitơ (C/N)
Khí sinh học sinh ra do quá trình phân huỷ các chất hữu cơ đƣợc quyết định
bởi quần hệ vi khuẩn. Môi trƣờng dinh dƣỡng tối ƣu cho vi khuẩn sinh tổng hợp cấu
trúc tế bào khi nguyên liệu phân huỷ có tỷ lệ C/N trong khoảng 20 – 30. Nếu tỷ lệ
C/N quá cao, lƣợng nitơ không đủ cho vi khuẩn sinh methane sử dụng để đáp ứng
nhu cầu protein của chúng, trong khi lƣợng cacbon lại thừa. Kết quả sẽ làm giảm
sản lƣợng khí sinh học. Nếu C/N quá thấp, nitơ thừa bị tích tụ dƣới dạng amôn
(NH4), làm tăng pH môi trƣờng. Khi pH cao hơn 8,5 quần hệ vi khuẩn trong môi
trƣờng sẽ bị nhiễm độc. Chất thải động vật nói chung có C/N khoảng 24, nguyên
12


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
liệu thực vật có C/N cao hơn nhiều. Nói chung tỷ lệ C/N của cùng một loại nguyên
liệu biến đổi trong phạm vi rộng.

2.1.2.3. Tỉ lệ chất khô và độ pha loãng nguyên liệu
Các nguyên liệu hữu cơ có hàm lƣợng chất khô khác nhau. Hàm lƣợng chất
khô phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣ tuổi của nguyên liệu, điều kiện sinh trƣởng của cây
cối, điều kiện nuôi dƣỡng của vật nuôi. Đối với nguyên liệu là chất thải (CT – gồm
phân và nƣớc tiểu) động vật, phân thƣờng có hàm lƣợng chất khô vào khoảng 18 –
40%, nƣớc tiểu có hàm lƣợng chất khô vào khoảng 5 – 10%. Chất thải động vật có
hàm lƣợng chất khô cao hơn giá trị tối ƣu. Để giảm hàm lƣợng chất khô khi nạp vào
bể phân huỷ nên pha loãng với nƣớc. Nƣớc sẽ làm giảm khả năng tạo thành các chất
nhƣ nitơ, sulfua. Các chất này dễ dàng chuyển thành amôn và hyđro sulfua làm ức
chế quá trình phân huỷ kỵ khí. Sự phân huỷ các chất rắn ở nồng độ cao sẽ tạo ra các
sản phẩm có nồng độ cao gây ức chế quá trình phân huỷ kỵ khí.
2.1.2.4. Độ pH
Vi khuẩn sinh methane rất nhạy cảm với pH của môi trƣờng, chúng chỉ sinh
trƣởng tốt trong khoảng pH 6,8 – 8,5 và bị ức chế khi pH < 6,2. Các vi khuẩn sinh
axit đều sinh trƣởng nhanh hơn vi khuẩn sinh methane. Nếu loại vi khuẩn sinh axit
phát triển quá nhanh thì chúng sẽ tạo ra quá nhiều axit mà vi khuẩn sinh methane
không sử dụng hết. Kết quả của quá trình này là pH giảm, môi trƣờng phản ứng mất
cân bằng, và tất nhiên sản lƣợng khí sinh học sẽ suy giảm. Chính vì vậy, hệ thống
hồi lƣu sinh khối dùng trong các bể phân huỷ dòng chảy liên tục và trộn đều sẽ duy
trì tốt cho sự phát triển cân bằng quần hệ vi khuẩn.
2.1.2.5. Nhiệt độ lên men
Nhiệt độ là một biến số của quá trình phân huỷ nói chung, ảnh hƣởng đến
hoạt động của hệ thống vi khuẩn cũng nhƣ độ ẩm của khí sinh học. Độ ẩm của khí
sinh học tăng theo hàm số mũ của nhiệt độ. Nhiệt độ cũng ảnh hƣởng đến sản lƣợng
khí và các chất hữu cơ bay hơi bị hoà tan vào nguyên liệu cũng nhƣ hàm lƣợng
amon và khí hyđro sulfua. Các loài vi khuẩn khác nhau có thể tồn tại trong những
biên nhiệt khác nhau. Các loài vi khuẩn sống đƣợc trong biên nhiệt 35 – 400C thuộc
nhóm ƣa ấm, sống trong biên nhiệt 55 – 600C thuộc nhóm ƣa nhiệt. Do vậy sự lên
men kỵ khí có thể diễn ra trong khoảng nhiệt độ 35 – 700C, và có thể đƣợc chia
thành 3 giới hạn ứng với 3 loại quần hệ vi khuẩn ƣa lạnh, ƣa ấm và ƣa nhiệt. Nhiệt

độ lạnh < 200C, nhiệt độ trung bình 200C – 400C, nhiệt độ cao > 400C
2.1.2.6. Thời gian lưu
Thời gian lƣu (Retention Time - RT) là thời gian chất hữu cơ nằm trong bể
phân huỷ. Thời gian lƣu tuỳ thuộc vào các yếu tố nhƣ nhiệt độ xử lý, thành phần
13


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
nguyên liệu, kiểu thiết bị. Thời gian lƣu gồm hai loại: thời gian lƣu thuỷ lực và thời
gian lƣu chất rắn.
2.1.2.7. Lưu lượng nạp nguyên liệu
Lƣu lƣợng nạp nguyên liệu (L) là lƣợng nguyên liệu đƣợc nạp hàng ngày cho
một đơn vị thể tích phân huỷ (kg/m 3/ngày). Đây cũng là một thông số để tối ƣu hoá
thể tích bể phân huỷ đối với các thiết bị sản xuất khí sinh học hoạt động kiểu liên
tục. Khi chọn lƣu lƣợng nạp hợp lí thì pH nguyên liệu có thể đƣợc duy trì trong
phạm vi 8 – 8,5. Nếu lƣu lƣợng nạp quá cao sẽ tích tụ axit, gây ức chế khả năng
sinh Methane và ngƣợc lại, sẽ làm giảm sản lƣợng khí.
2.1.2.8. Chất xúc tác
Các quần hệ vi khuẩn kỵ khí phải mất một thời gian khá dài để tự thiết lập
nên môi trƣờng phát triển của chúng. Vì vậy, trong thực tế, nhằm thúc đẩy nhanh
quá trình phân huỷ sinh khí, ngƣời ta thƣờng “cấy” thêm các vi khẩn này và nguyên
liệu (ví dụ bổ sung thêm phân gia súc, chất lắng cặn cống rãnh). Có nhiều loại chất
xúc tác nhƣ: enzym, muối vô cơ, các nguyên liệu vô cơ và hữu cơ. Ví dụ, men
xenlulaza làm tăng đáng kể sự phân huỷ xenlulôza của nguyên liệu, bổ xung 0,5%
đất hiếm (R2O5) thì sản lƣợng khí tăng 17%. Bổ xung phân đạm, ví dụ
hydrocacbonat amôn, tốc độ sinh khí từ thân cây tăng mạnh. Thêm một lƣợng nhỏ
than hoạt tính hoặc than bùn sẽ làm tăng sản lƣợng Methane. Ngoài ra các kim loại
nặng nhƣ đồng, niken, crôm, kẽm, chì,..., các ion khoáng nhƣ natri, lân, canxi,
magiê, amôn, sunphua, với một nồng độ thích hợp sẽ kích thích vi khuẩn phát triển.
2.1.2.9. Khuấy đảo

Khi không khuấy đảo, nguyên liệu trong bể phân hủy thƣờng phân tầng
thành 3 lớp: Lớp trên là váng, lớp giữa là lỏng, lớp đáy là lắng cặn. Vi khuẩn khó
phân bố đều trong môi trƣờng lên men, kết quả là vi khuẩn khó tiếp xúc đƣợc với
nguyên liệu mới để hấp thụ các chất dinh dƣỡng, trong bể phân huỷ có nhiều “vùng
chết” ở đó mật độ vi khuẩn thấp, sự phân huỷ xảy ra yếu, nguyên liệu có thể tích tụ
và đọng lại ở đó. Nếu khuấy đảo, ta có thể khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trên khiến
quá trình phân huỷ xảy ra nhanh hơn, đồng đều hơn, sản lƣợng khí thu đƣợc cao
hơn.
2.1.2.10. Các chất gây ức chế
Các ion khoáng (K+, Na+, Cu++, Ca++…), kim loại nặng (Mg): (khi vƣợt
quá nồng độ cho phép), thuốc trừ sâu, các chất kháng khuẩn, các chất tẩy rửa (xà
phòng, chất tẩy hữu cơ), đều tác động mạnh đến hệ vi khuẩn trong chuỗi phản ứng
phân huỷ kỵ khí.

14


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
2.2. Yêu cầu của khí Biogas khi sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Vấn đề quan tâm và cần đƣợc nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao
hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng do khí thải động gây ra. Ta biết
rằng trong Biogas có một lƣợng đáng kể hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000ppm
thậm chí sau khi qua các thiết bị xử lý vẫn còn khoảng 200-400ppm H2S) là một khí
rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khi Biogas đƣợc sử dụng làm nhiên liệu,
khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một
khí rất độc cho con ngƣời (TCVN cho phép là 0,3mg/m3). Vì thế, hoàn thiện quá
trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa
kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải động cơ. Hàm lƣợng
của các chất này không đƣợc vƣợt quá mức cho phép.
Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas nhƣ carbon dioxide,

nhƣng hơi nƣớc có thể có ảnh hƣởng đáng kể đến các đặc trƣng của quá trình cháy
Biogas. Dù hàm lƣợng nhỏ nhƣng hơi nƣớc đã ảnh hƣởng đáng kể đến nhiệt độ
ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas.
Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lƣợng hơi
nƣớc có trong Biogas. Phụ thuộc vào nhiệt độ thông thƣờng Biogas lấy ngay từ hầm
phân huỷ có hàm lƣợng ẩm khoảng 50 mg/l, gần với nồng độ bão hoà.
2.3. Sơ đồ và quá trình sản xuất khí Biogas.

5

6

1

PHÂN TƢƠI
BỂ ÁP SUẤT

4
KHÍ BIOGAS

2

BỂ PHÂN HỦY

3

Hình 2 - 1 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas.
1 - Bể lắng cát; 2 - Ống dẫn phân; 3 - Ống dẫn bạ thải; 4 - Bể đựng chất thải;
5 - Hệ thống lọc H2S và CO2; 6 - Bình chứa khí biogas sạch.
15

Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
Nguyên lý làm việc của hệ thống
Phân tƣơi từ chuồng trại đƣợc đƣa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát...rồi qua
ống dẫn phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bệ phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí
sinh học nhƣ sau:
Giai đoạn I.

Giai đoạn II.

+ CH4
+ H2S,CO2

Vi khuẩn phân
Chất béo.

Hydrat
cacbon

Prôtêin

Vi khuẩn
sinh CH4

huỷ chất béo.
Vi khuẩn phân
huỷ Cenluloza

Các chất

tan

Giai đoạn
III.

Vi khuẩn

+ Axít hữu cơ
có KLPT nhỏ

sinh axít

+ CO2, H2

Vi khuẩn phân

+ Ancol ...

huỷ prôtêin
Hình 2 - 2 Các giai đoạn hình thành khí biogas
Sau khi lên men hỗn hợp khí biogas đƣợc dẫn vào hệ thống lọc khí H2S và
CO2, hỗn hợp đƣợc lọc chứa phần trăm H2S và CO2 nhỏ, thành phần trăm CH4
chiếm khoảng 97,9%. Sau đó hỗn hợp đƣợc dẫn vào bình chứa biogas (6), các chất
bã sau khi phân huỷ đƣợc dẫn ra bể chứa chất thải (4) và đƣợc tƣới cho cây trồng.
2.4. Tính năng và khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi qua quá trình xử
lý.
2.4.1. Tính năng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý
Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lƣợng tƣơng đối khác nhau và phụ
thuộc vào một số yếu tố nhất định. Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất
thải bị phân huỷ, độ dài của thời gian lƣu trong đó chất thải trải qua quá trình phân

huỷ. Biogas sinh ra từ quá trình phân huỷ kỵ khí là hỗn hợp của nhiều loại khí. Hỗn
hợp này thông thƣờng bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1% hydrogen
sulfide (H2S). Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2.
2.4.2. Khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý
Có thể nói rằng động cơ đốt trong sử dụng Biogas đã đƣợc ứng dụng nhiều
năm nay và mang lại những thành công ở nhiều mức độ khác nhau. Trong những
năm trở lại đây, khí biogas đã đƣợc ứng dụng rộng rãi cho các ngành sản xuất nông
nghiệp và công nghiệp dƣới sức ép của việc khan hiếm năng lƣợng hoá thạch trong
tƣơng lai.
16


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
2.5. Tình hình ứng dụng của khí Biogas hiện nay.
Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài nghiên cứu đƣợc nhiều
nhà quan tâm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lƣợng này càng trở nên
phong phú. Các xu hƣớng chính sử dụng nhiên liệu biogas trên thế giới nhƣ sau:
Nguồn biogas.

Động cơ.

Công suất trên
trục.

Quạt, bơm,
máy nén.

Tạo năng
lƣợng.

Phát nhiệt
điện.

Đốt trực tiếp.

Bán cho nhà
cung cấp.

Vận tải.

Xe khách,
Xe tải, Máy
kéo

Điều hoà
hay đun
nƣớc

Sấy.

Cấp nhiệt, làm
lạnh.

Turbin lỏng.

Turbin khí.

Máy phát thuỷ
lực.

Phát điện.

Hình 2 – 3 Sơ đồ các ứng dụng biogas.
3. Hệ thống lọc, nén và lƣu trữ khí Biogas trong quá trình sử dụng
3.1. Tìm hiểu hệ thống lọc và quá trình nén khí Biogas.
Khí H2S có trong khí biogas khi sử dụng sẽ tạo thành SOx gây ăn mòn thiết
bị, tạo ra ô nhiễm môi trƣờng.
Khí CO2 có trong khí biogas sẽ hấp thụ nhiệt của quá trình cháy của động cơ
do đó làm giảm hiệu suất của động cơ.
Vì vậy cần phải tách H2S và CO2 ra khỏi hỗn hợp khí.

17


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
3.1.1. Thiết bị hấp phụ H2S
Để tách H2S, ngƣời ta sử dụng phoi sắt, là sản phẩm phế thải trong gia công
tiện sắt. Phoi sắt trƣớc khi sử dụng phải đƣợc oxi hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt
trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện tự nhiên bằng cách phơi ngoài không khí
một thời gian hoặc có thể đốt để oxy hóa nhanh hơn. Phản ứng xảy ra nhƣ sau:
Fe + 1/2 O2 → FeO
2Fe + 3/2O2 → Fe2O3
3Fe + 2O2 →Fe3O4
Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3 (Fe3O4). Các phản
ứng trên có thể đƣợc xúc tiến nhanh hơn bằng cách tƣới nƣớc trên phoi sắt. Quá
trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám của phoi sắt
thành màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp nhƣ minh họa dƣới đây:

Hình 3 - 1 Phoi sắt trƣớc khi bị Oxi hóa (trái) và sau khi bị Oxi hóa (phải)

A

A

A-A

1- Lưới đỡ đệm
2- Phoi sắt

Hình 3.2 Thiết bị tách H2S
3- Tai cố định
5- Thân thiết bị
4- Nắp thiết bị
6- Đai ốc

7- Đệm lót
8- Van dẫn khí ra
18


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
Quá trình hấp phụ H2S trên bề mặt phoi sắt là hấp phụ hoá học, dựa trên cơ
sở các phản ứng hoá học sau:
Quá trình hấp phụ:
Quá trình nhã hấp phụ:

Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + H2O
2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3+6S

Hình 3 - 3 Mô hình thiết bị tách H2S

Phoi sắt sau khi đƣợc đốt sẽ đƣợc trộn với vỏ bào cƣa với tỉ lệ 1:1 về thể tích,
sau đó đƣợc cho vào thiết bị chứa để tăng khả năng tiếp xúc giữa Biogas và phoi
sắt.
Hỗn hợp khí Biogas đƣợc dẫn vào thiết bị, trong thiết bị hàm lƣợng khí H2S
bị hấp phụ lại bằng các phản ứng trên. Sau khi hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hàm
lƣợng H2S rất ít.
Với cấu tạo nhƣ trên cho phép thiết bị có độ kín tuyệt đối đảm bảo không
thất thoát biogas. Có thể mở ra để tái sinh hoàn phoi sắt, hoặc thay thế phoi sắt.
Thiết bị có giá thành rẻ, dễ chế tạo nhƣng hiệu quả xử lý cao
3.1.2. Thiết bị hấp phụ CO2
Khí CO2 chiếm một thành phần lớn trong Biogas. Tuy nó không gây ra ăn
mòn, nhƣng nó làm giảm công suất của động cơ phát điện do những nguyên nhân
sau:
- CO2 làm giảm lƣợng khí CH4 nạp vào động cơ trong kỳ hút.
- CO2 hấp thụ nhiệt tạo ra do khí cháy.
Vì những nguyên nhân đó, nên CO2 cần đƣợc tách ra càng nhiều càng tốt.
Dựa vào khả năng hấp thụ của CO2 trong nƣớc, sử dụng phƣơng pháp hấp thụ CO2
bằng nƣớc. Nguyên lý của phƣơng pháp này là cho khí tiếp xúc ngƣợc chiều với
nƣớc trong đó, khí đi từ dƣới lên, còn nƣớc chảy từ trên xuống. Để tăng cƣờng sự
tiếp xúc của khí và nƣớc, sử dụng các vật liệu trơ nhƣ gỗ, đá để làm đệm. Để cố
định lớp đệm trong bên trong tháp, dùng một đĩa đục lỗ, đặt ở phần dƣới của tháp.

19


Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh
Trong các tháp hấp thụ đệm, bề mặt tiếp xúc khí phản ứng và chất lỏng rất
lớn trong thể tích nhỏ. Chất lỏng chảy trên bề mặt đệm ở dạng màng mỏng, khí
chuyển động ngƣợc chiều với pha lỏng. Vật liệu tháp và tháp đệm xác định bởi tính
chất của khí, chất lỏng, sản phẩm của phản ứng, các điều kiện làm việc (nhiệt độ, áp

suất).
Tháp hấp thụ kết cấu đơn giản có thể tạo từ vật liệu chịu đƣợc các điều kiện
phản ứng, chống đƣợc ăn mòn của môi trƣờng, vì vậy các tháp này khá rẻ, trở lực
thủy lực nhỏ nên tiêu tốn năng lƣợng để vận chuyển khí. Hiện nay các tháp hấp thụ
loại đệm đƣợc sử dụng rộng rãi.
Tháp đệm có các phần tháp, đệm, đĩa và bộ phận tƣới.
- Tháp: là khối trụ rỗng cấu tạo từ vật liệu ứng với các điều kiện làm việc.
- Đệm: sử dụng để tạo bề mặt tiếp xúc lớn giữa khí-lỏng. Sự làm việc bình
thƣờng của tháp phụ thuộc vào việc chọn vật liệu và dạng hình học của đệm. Tiêu
chuẩn của đệm: bề mặt riêng lớn, thể tích tự do, lớn, đủ nhẹ, bền cơ học, rẻ. Đệm có
trở lực thủy lực nhỏ đối với pha khí và thấm ƣớt chất lỏng tốt. Đệm có thể sắp đặt
trật tự hoặc không trật tự ở trong tháp.
3
4

1

5

2

6

7

Hình 3 - 4 Thiết bị tách CO2
1-Van đưa khí Biogas ra; 2-Thân thiết bị; 3-Lối vào của nước; 4-Vòi phun nước;
5-Đệm; 6-Van đưa khí Biogas vào; 7-Lối ra của nước

20

Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh

Hình 3 - 5 Mô hình thiết bị hấp thụ CO2
Với cấu tạo của tháp đã đáp ứng đƣợc yêu cầu làm việc cầu tháp:
Độ kín của tháp đảm bảo không thất thoát khí.
Đỉnh tháp có độ cao và không gian đủ lớn để tách nƣớc ra khỏi khí.
Tránh đƣợc khả năng bị ngập tháp khi lƣu lƣợng nƣớc quá lớn.
Đáy tháp có cấu tạo của van thủy lực có chiều cao cột nƣớc đủ lớn để tránh
trƣờng hợp biogas thoát ra cùng với dòng nƣớc.
3.1.3. Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas
Khí Biogas từ hầm đầu tiên đƣợc đƣa vào thiết bị tách nƣớc sơ bộ. Sau đó
khí biogas khí đi qua thiết bị hấp phụ với vật liệu hấp phụ là phoi sắt hấp phụ tách
H2S. Hệ thống thiết bị hấp phụ tách H2S gồm hai tháp một tháp hoạt động, còn tháp
kia dự phòng. Quá trình hấp phụ H2S trên bề mặt phoi sắt là quá trình hấp phụ hóa
học dựa trên phản ứng sau :
Fe2O3 + 3H2S → Fe2S3 + 3H2O
Fe3O4 + 4H2S →
FeS + Fe2S3 + 4H2O
FeO + H2S
→
FeS + H2O
Thiết bị hấp phụ đƣợc thiết kế nhƣ bản vẽ số 2, bên trong chứa phoi sắt sau
khi tạo oxit bằng cách đốt rồi đƣợc nén tạo hình, thời gian thay đổi chế độ làm việc
của hai tháp đƣợc điều khiển bởi hệ thống van, khi bão hòa của phoi sắt (tức là dựa
vào nồng độ khí H2S trong Biogas ra khỏi tháp). Quá trình tái sinh bằng cách thoát
phoi sắt để ngoài không khí thì nó đƣợc tái sinh theo phản ứng:
2Fe2S3 + 3O2 → 2Fe2O3 +6S
FeS + 3/2O2

→ FeO + S

21