THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM BUỒNG HÒA TRỘN BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ XĂNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO,
KHẢO NGHIỆM BUỒNG HÒA TRỘN BIOGAS
CHO ĐỘNG CƠ XĂNG

Họ và tên sinh viên: ĐÀO CÔNG HUY
NGUYỄN VĂN TUẤN
Ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
Niên khóa: 2004 - 2008

TP. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO,
KHẢO NGHIỆM BUỒNG HÒA TRỘN BIOGAS
CHO ĐỘNG CƠ XĂNG

ĐÀO CÔNG HUY
NGUYỄN VĂN TUẤN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Công nghệ Nhiệt lạnh

Giáo viên hướng dẫn

TS. PHAN HIẾU HIỀN
KS. TRẦN VĂN TUẤN

TP. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


Hội đồng chấm báo cáo khoá luận tốt nghiệp đại học, Khoa Cơ khí – Công
nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh xác nhận khoá luận
“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM BUỒNG HÒA TRỘN BIOGAS
CHO ĐỘNG CƠ XĂNG” do ĐÀO CÔNG HUY và NGUYỄN VĂN TUẤN sinh
viên khoá 30, ngành Công nghệ Nhiệt Lạnh đã bảo vệ thành công trước hội đồng vào
ngày____________

TS. PHAN HIẾU HIỀN

KS. TRẦN VĂN TUẤN

Người hướng dẫn,

Người hướng dẫn,

________________________

________________________

Ngày

tháng

năm

Ngày

tháng

năm

Chủ tịch hội đồng chấm báo cáo

Thư kí hội đồng chấm báo cáo

___________________________

_________________________

Ngày

tháng

năm

Ngày

tháng

năm


LỜI CẢM ƠN

Chúng con xin thành kính ghi ơn ba má, hai đấng sinh thành đã suốt đời vất vả,
dốc hết công lao cho chúng con được ngày hôm nay. Chúng tôi xin cảm ơn của cô
Hường nguời đã thường xuyên nâng đỡ, dìu dắt tôi vượt qua những khó khăn của cuộc
sống xa nhà.
Chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:
Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, Ban Chủ nhiệm
Bộ Môn Công nghệ Nhiệt lạnh, cùng Quý thầy cô đã tạo những điều kiện tốt nhất cũng
như truyền đạt kiến thức cho chúng tôi trong suốt quá trình học tập tại trường.
Thầy TS. Phan Hiếu Hiền và thầy KS. Trần Văn Tuấn, cùng các giảng viên
Khoa Cơ khí Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM đã hết lòng hướng dẫn và truyền
đạt những kinh nghiệm quý báu cho chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận
tốt nghiệp.
Ban Giám đốc Trung tâm Năng lượng và Máy Nông nghiệp đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho chúng tôi trong quá trình thực hiện đề tài tại đây.
Ông Nguyễn Văn Dục, chủ Trại heo Cẩm Dục ở Ấp Đoàn Kết Xã Giang Điền
Huyện Trảng Bom - Đồng Nai, người đã truyền đạt cho chúng tôi những kinh nghiệm
quý báu được đúc kết trong thực tế, và tích cực hướng dẫn, cũng như tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi tiến hành chế tạo và khảo nghiệm thành công.
Bà Dung, chủ trại heo ở Huyện Trảng Bàng Tỉnh Tây Ninh, đã tận tình giúp đỡ
và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng tôi trong quá trình tiến hành khảo nghiệm tại
đây.
TP. HCM Ngày 10 tháng 08 năm 2008
Sinh viên
Đào Công Huy
Nguyễn Văn Tuấn


TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Mục tiêu đề tài là sử dụng ga sinh ra từ phân heo được lên men yếm khí để chạy
động cơ nổ. Cụ thể là động cơ xăng Vikyno loại 168 F – 2 có công suất định mức là
4,0 kW.
Đề tài đã được tiến hành từ ngày 01/04/2008 – 15/08/2008 tại Trung tâm Năng
lượng và Máy Nông nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM, đã được khảo
nghiệm tại Trại Thực nghiệm của Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM, tại Trại heo ở
Trảng Bàng, Tỉnh Tây Ninh, và Trại heo Cẩm Dục Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai
Kết quả: Sau khi đi khảo sát ở Hóc Môn để trao dồi kinh nghiệm, khảo nghiệm
trên nhiên liệu xăng làm cơ sở, và kết hợp với lý thuyết chúng tôi đã tiến hành thiết kế
và chế tạo buồng hòa trộn kiểu venturi nhiều lỗ, sau đó bố trí khảo nghiệm bằng biogas
tại Trại Thực nghiệm Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM, Trại heo Tỉnh Tây Ninh
bằng phương pháp mồi gián tiếp nhưng động cơ không nổ, nguyên nhân chủ yếu là do
mức độ chính xác của cánh bướm không khí khi làm việc là không cao, đường kính
ống dẫn ga quá lớn làm động cơ bị ngộp.
Sau đó, chúng tôi thiết kế và chế tạo buồng hòa trộn kiểu một ống dựa theo kinh
nghiệm của Ông Nguyễn Văn Dục ở Trại heo Cẩm Dục Tỉnh Đồng Nai. Chúng tôi đã
tiến hành nhiều cuộc khảo nghiệm tại Trại heo Cẩm Dục cũng như tại Tây Ninh ở chế
độ không tải và có tải trong khoảng thời gian 5 tuần. Do gặp nhiều trục trặc trong quá
trình khảo nghiệm chẳng hạn như: động cơ bị quá tải, có nhiều nước trên đường ống
dẫn biogas…vv.
Cuối cùng, sau khi có sự điều chỉnh thích hợp, tại Trại heo Cẩm Dục Tỉnh Đồng
Nai, chúng tôi đã khảo nghiệm động cơ chạy ở mức 2/3 ga trong 2,5 giờ, với tải là quạt
ly tâm. Tiến hành đo số vòng quay trung bình của quạt ntb = 2247 v/p. Trước đó, chúng
tôi đã có tiến hành khảo nghiệm quạt bằng động cơ điện, đem đồng dạng với số vòng
quay số vòng quay trung bình của quạt ntb = 2270 v/p ứng với công suất 0,6 kW. Do
đó, theo quy luật đồng dạng công suất của quạt thì được công suất tiêu thụ của quạt khi
động cơ chạy bằng nhiên liệu khí sinh học biogas là 0,58 kW.


ABSTRACT

The objective of the thesis was to use biogas to operate engine, namely
Vikyno’petrol 168 F-2 with maximum output of 4 kW.
The thesis was conducted from April, 1 to August, 15, 2008; the fabrication and
basic tests were done at the Center for Agricultural Energy and Machinery, Nong Lam
University Ho Chi Minh City (NLU). Field tests were done at the NLU Research
Station on Appropriate Animal Production Methods, at a farm in Trang Bang District,
Tay Ninh Province; and at Cam Duc’pig farm in Trang Bom District, Dong Nai
Province.
Results:
After surveying at Hoc Mon to get experiences and experimenting with a
Vikyno’petrol engine 168 F-2, we designed, fabricated the venturi mixer and
experimented at Nong Lam University, and in Tay Ninh Province, but engine did not
operate. The reasons were lack of accuracy of air-control valve and the diameter of
biogas pipe was too big for engine to operate.
Next, we designed and fabricated the one - pipe mixer based on Mr. Duc’
experiences at Cam Duc’ Farm in Dong Nai Province. Several experiments were
conducted at Cam Duc’ pig farm and in Tay Ninh Province, without no load and with
load, for a total testing span of 5 weeks. But these got many troubles such as
overloaded engine, water on biogas pipe etc.
Finally, after proper adjustments, at Cam Duc’ pig farm, we experimented the
engine running at 2/3 throttle, with a centrifugal fan as load. The centrifugal fan speed
was 2247 rpm and the engine worked continuously for 2,5 hours. Before that test, we
had tested the same fan with the electric motor; the fan speed was 2270 rpm, and the
measured power was 0,6 kW. Thus, by the law of fan similitude, we derived that
power of the engine running with biogas in the above final test was 0,58 kW.


-1-

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................................x
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ xii
DANH MỤC PHỤ LỤC ............................................................................................. xiv
Chương 1 MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
1.1

Đặt vấn đề ........................................................................................................1

1.2

Mục đích, nội dung và yêu cầu ......................................................................2

1.2.1

Mục đích đề tài ........................................................................................2

1.2.2

Nội dung đề tài.........................................................................................2

1.2.3

Yêu cầu .....................................................................................................3

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................................4
2.1

Biogas trong cuộc sống ...................................................................................4

2.1.1

Khái niệm biogas .....................................................................................4

2.1.2

Tiềm năng và ý nghĩa của biogas ...........................................................4

2.2

Tính chất vật lý và tính chất hóa học của biogas.........................................5

2.2.1

Khí mêtan ( CH4 ) ....................................................................................5

2.2.2

Khí cacbonic ( CO2 ) ................................................................................5

2.2.3

Khí nitơ ( N2 ) ...........................................................................................6

2.2.4

Khí amoniac ( NH3 ) ................................................................................6

2.2.5

Khí hydro sulfua ( H2S )..........................................................................6

2.2.6

Hơi nước ...................................................................................................7

2.2.7

Các thành phần khác ..............................................................................7

2.3

Xử lý khí biogas trước khi vào động cơ ........................................................7

2.3.1

Loại bỏ nước ngưng tụ ............................................................................8

2.3.2

Loại bỏ hoặc giảm khí CO2 trong hỗn hợp khí.....................................8

2.3.3

Loại bỏ khí H2S........................................................................................8
-v-

2.3.4
2.4

Cung cấp khí ở áp suất ổn định cần chú ý mấy điểm sau....................9

Tình hình sử dụng biogas ở ngoài nước........................................................9

2.4.1

Dùng biogas chạy động cơ nổ .................................................................9

2.4.2

Dùng biogas để sinh nhiệt.....................................................................10

2.5

Tình hình sử dụng biogas ở trong nước......................................................11

2.5.1

Dùng biogas chạy động cơ ....................................................................11

2.5.2

Dùng biogas để sinh nhiệt.....................................................................12

2.6

Biogas cho động cơ nổ ..................................................................................12

2.6.1

Các thông số kỹ thuật khi động cơ chuyển từ nhiên liệu gốc dầu hỏa

sang dùng biogas ..................................................................................................13
2.6.2

Một số phương pháp hòa trộn giữa biogas và không khí ..................13

2.6.3

Nguồn nhiên liệu đầu vào cần thiết cho động cơ ................................14

2.6.4

Buồng hòa trộn (BHT) biogas kiểu venturi nhiều lỗ..........................14

2.6.5

Buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ...................................................15

Chương 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP.............................................................18
A. PHƯƠNG TIỆN ...................................................................................................18
3.1

Động cơ khảo sát ...........................................................................................18

3.1.1

Thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno loại 168 F - 2 [Theo cataloge

động cơ] .................................................................................................................18
3.1.2

Đường đặc tính động cơ Vikyno loại 168 F - 2 [Theo cataloge động

cơ]

.................................................................................................................19

3.2

Vật liệu và các thiết bị khác .........................................................................19

B. PHƯƠNG PHÁP ..................................................................................................20
3.3

Buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ .............................................20

3.3.1

Kiến tập về buồng hòa trộn biogas kiểu venturi ở Hóc Môn ............20

3.3.2

Khảo nghiệm ở nhiên liệu xăng để làm cơ sở cho thiết kế buồng hòa

trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ ........................................................................20

3.3.3

Phương pháp thiết kế buồng hòa trộn biogas

kiểu venturi nhiều lỗ ............................................................................................21
3.3.4

Phương pháp chế tạo buồng hòa trộn biogas
-vi-


kiểu venturi nhiều lỗ ...........................................................................................21
3.3.5

Phương pháp khảo nghiệm buồng hòa trộn biogas

kiểu venturi nhiều lỗ ............................................................................................21
3.4

Buồng hòa trộn biogas kiểu một ống...........................................................22

3.4.1

Kiến tập về buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ở Đồng Nai...........22

3.4.2

Phương pháp thiết kế buồng hòa trộn biogas kiểu một ống theo lý

thuyết đồng dạng ..................................................................................................23

3.4.3

Phương pháp chế tạo buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ..............23

3.4.4

Phương pháp khảo nghiệm buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ....23

Chương 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN..........................................................................25
4.1

Khảo sát buồng hòa trộn biogas kiểu venturi tại Trại heo ở Huyện Hóc

Môn 25
4.1.1

Các thông số kỹ thuật (TSKT) của động cơ

ở đây khi dùng biogas ..........................................................................................25
4.1.2

Buồng hòa trộn biogas kiểu venturi.....................................................26

4.1.3

Bộ phận đánh lửa của động cơ Vinappro khi dùng biogas ...............27

4.1.4

Bộ phận khởi động máy bằng tự động (đề máy) ................................28

4.1.5

Kinh nghiệm thu thập được ở buổi kiến tập ở Hóc Môn...................28

4.2

Khảo sát buồng hòa trộn biogas kiểu một ống tại Trại heo Cẩm Dục ở

Trảng Bom Tỉnh Đồng Nai .....................................................................................29
4.2.1

Mô hình tổng thể của động cơ ô tô dùng biogas

để kéo máy phát điện ở Đồng Nai .......................................................................29
4.2.2

Cơ cấu điều chỉnh ga tự động...............................................................30

4.2.3

Hệ thống đánh lửa và hệ thống đề của động cơ khi chạy biogas ......30

4.2.4

Kinh nghiệm thu thập được ở buổi kiến tập ở Đồng Nai ..................30

A. BUỒNG HÒA TRỘN BIOGAS KIỂU VENTURI NHIỀU LỖ ......................31
4.3

Kết quả khảo nghiệm buồng hòa trộn xăng làm cơ sở cho thiết kế buồng

hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ.....................................................................31
4.3.1

Xác định lưu lượng không khí (KK) ở 2/3 ga có tải ...........................31

4.3.2

Lượng xăng động cơ tiêu thụ trong 1 giờ............................................34
-vii-


4.3.3

Đo các thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno loại 168 F - 2.............35

4.3.4

Khảo nghiệm buồng hòa trộn xăng .....................................................36

4.4

Kết quả thiết kế buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ .................39

4.4.1

Tỷ lệ hòa trộn giữa không khí và xăng................................................39

4.4.2

Tỷ lệ hòa trộn giữa không khí và biogas .............................................40

4.4.3

Thiết kế buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ .......................40

4.5

Kết quả chế tạo buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ..................43

4.6

Kết quả khảo nghiệm buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ........43

4.6.1

Khảo nghiệm tại Trại Thực nghiệm của Trường Đại học Nông Lâm

TP. HCM...............................................................................................................44
4.6.2

Khảo nghiệm tại Ấp Gia Định Huyện Trảng Bàng

Tỉnh Tây Ninh .....................................................................................................45
4.6.3

Nguyên nhân động cơ không nổ khi dùng buồng hòa trộn biogas

kiểu venturi nhiều lỗ ............................................................................................45

B. BUỒNG HÒA TRỘN BIOGAS KIỂU MỘT ỐNG..........................................46
4.7

Kết quả thiết kế buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ..............................46

4.7.1

Xác định nguồn nhiên liệu đầu vào cho động cơ nổ...........................46

4.7.2

Mô hình buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ....................................47

4.7.3

Kiểm nghiệm buồng hòa trộn (BHT) biogas kiểu một ống ...............48

4.8

Kết quả chế tạo buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ...............................50

4.9

Kết quả khảo nghiệm buồng hòa trộn biogas kiểu một ống .....................50

4.9.1

Khảo nghiệm tại Trại heo Cẩm Dục Huyện Giang Điền

Tỉnh Đồng Nai ......................................................................................................51

4.9.2

Khảo nghiệm tại Trại heo ở Ấp Gia Đình huyện Trảng Bàng Tỉnh

Tây Ninh................................................................................................................53
4.9.3

Kết quả đo các thông số kỹ thuật khi cho motor điện kéo quạt........57

4.9.4

Kết quả đo các thông số kỹ thuật tại Trung tâm khi cho động cơ

Vikyno loại 168 F - 2 kéo quạt ly tâm.................................................................57
4.9.5

Kết quả chạy có tải tại Trại heo Cẩm Dục ở Đồng Nai .....................59

4.9.6

Tính công suất quạt khi được chạy bằng biogas ................................62
-viii-


4.9.7

Tính công suất quạt khi được chạy bằng xăng...................................63

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................65
5.1 Kết luận...............................................................................................................65

5.2 Đề nghị ................................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................67
PHỤ LỤC

-ix-


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KK

Không khí

ĐLC

Độ lệch chuẩn

TB

Trung bình

BHT

Buồng hòa trộn

-x-


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của biogas......................................................................7
Bảng 2.2 Yêu cầu áp suất khí ga khi sử dụng ................................................................9
Bảng 4.1 Kết quả đo độ chênh áp không khí ở mức 2/3 ga có tải ...............................32
Bảng 4.2 Lượng xăng động cơ tiêu thụ trong 10 phút .................................................35
Bảng 4.3 Các thông số kỹ thuật động cơ chạy bằng xăng ở mức 2/3 ga có tải ...........36
Bảng 4.4 Kết quả đo số vòng quay của động cơ chạy quá tải ở các mức ga ...............53
Bảng 4.5 Các thông số kỹ thuật đo ở chế độ không tải ở mức 1/2 ga .........................55
Bảng 4.6 Kết quả đo các thông số kỹ thuật của quạt
và động cơ ở mức 1/2 ga có tải.....................................................................................61

-xi-


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Thiết bị tháo nước ngưng tụ tại ống dẫn khí.................................................8
Hình 2.2 Dự án xây dựng nhà máy điện công suất 1 MW tại Habeowal Dairy Comlex
Ludhiana, Punjab ...........................................................................................................10
Hình 2.3 Một người dân địa phương đang giúp một du khách nước ngoài...............10
Hình 2.4 Biên dạng venturi........................................................................................15
Hình 2.5 Biên dạng của hỗn hợp không khí không khí tại BHT ...............................15
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cho động cơ dùng lưỡng nhiên liệu .................................17
Hình 3.1 Đường đặc tính của động cơ Vikyno loại 168 F – 2...................................19
Hình 3.2 Túi biogas khảo nghiệm..............................................................................22
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý BHT của động cơ khi chạy bằng biogas..........................24
Hình 4.1 Động cơ Vinappro.......................................................................................26
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của BHT biogas kiểu venturi nhiều lỗ.............................27
Hình 4.3 Mô hình thực tế BHT biogas kiểu venturi nhiều lỗ ....................................27
Hình 4.4 Mô hình hệ thống đánh lửa thực tế .............................................................28
Hình 4.5 Mô hình khởi động máy bằng hệ thống tự động.........................................28

Hình 4.6 Mô hình động cơ ô tô chạy bằng biogas phát điện ở Đồng Nai .................29
Hình 4.7 Cơ cấu điều chỉnh ga tự động .....................................................................30
Hình 4.8 Mô hình hệ thống đánh lửa .........................................................................30
Hình 4.10 Sơ đồ đo độ chênh áp của KK ở mức 2/3 ga có tải ....................................32
Hình 4.11 Vị trí cánh bướm ở mức ga 2/3...................................................................33
Hình 4.12 Sơ đồ đo lượng xăng động cơ tiêu thụ trong 1 giờ .....................................34
Hình 4.13 Kích thước cơ bản của BHT biogas kiểu venturi nhiều lỗ .........................43
Hình 4.14 Buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ..............................................44
Hình 4.15 Sơ đồ bố trí khảo nghiệm............................................................................45
Hình 4.16 Mô hình buồng hòa trộn biogas kiểu một ống............................................47
Hình 4.17 Buồng hòa trộn biogas kiểu một ống ..........................................................50
Hình 4.18 Sơ đồ điều chỉnh lửa ...................................................................................51
Hình 4.19 Sơ đồ điều chỉnh ga.....................................................................................52
-xii-


Hình 4.20 Sơ đồ bố trí khảo nghiệm............................................................................52
Hình 4.21 Khảo nghiệm BHT kiểu một ống ở chế độ không tải.................................54
Hình 4.22 Vị trí điều chỉnh không khí ở chế độ chạy không tải..................................54
Hình 4.23 Khảo nghiệm BHT kiểu một ống ở chế độ có tải .......................................56
Hình 4.24 Bố trí đo các thông số kỹ thuật của quạt và motor điện .............................57
Hình 4.25 Bố trí đo các thông số kỹ thuật của động cơ Vykino và quạt .....................58
Hình 4.26 Sơ đồ bố trí khảo.........................................................................................58
Hình 4.27 Hơi nước bám trên thành ống .....................................................................59
Hình 4.28 Sơ đồ bố trí khảo nghiệm có tải ..................................................................59
Hình 4.29 Vị trí van biogas mở khi kéo tải tại 2/3 ga..................................................60
Hình 4.30 Vị trí lỗ không khí khi chạy có tải tại 2/3 ga ..............................................60
Hình 4.31 Biểu đồ so sánh công suất của quạt khi ......................................................63

-xiii-

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1

Kế quả khảo nghiệm buồng hòa trộn biogas kiểu một ống khảo nghiệm

tại Huyện Trảng Bảng Tỉnh Tây Ninh.
Phụ lục 2

Kết quả nghiệm buồng hòa trộn biogas kiểu một ống tại Trại heo ở

Huyện Trảng Bàng Tỉnh Tây Ninh.
Phụ lục 3

Dụng cụ đo, vật liệu và các thiết bị khác phục vụ cho việc khảo nghiệm.

Phụ lục 4

Xác định tỷ lệ hòa trộn giữa không khí và xăng và giữa không khí và

biogas.
Phụ lục 5

Kết quả chế tạo buồng hòa trộn biogas kiểu venturi nhiều lỗ cho động cơ

Vikyno loại 168 F -2.
Phụ lục 6

Kết quả chế tạo buồng hòa trộn biogas kiểu một ống nhiều lỗ cho động

cơ Vikyno loại 168 F -2.
Phụ lục 7

Kết quả đo cá thông số kỹ thuật của quạt và motor điện.

Phụ lục 8

Kết quả đo cá thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno và quạt.

Phụ lục 9

Kết quả chế tạo khung đặt động cơ để kéo máy phát điện.

Phụ lục 10

Nhận xét của chủ Trại heo Cẩm Dục ở Đồng Nai về kết quả khảo

nghiệm có tải vào ngày 8/8/2008.

-xiv-


Chương 1
MỞ ĐẦU

1.1

Đặt vấn đề

Thế giới ngày nay của chúng ta đã và đang phải gánh chịu những hậu quả tất

yếu của sự phát triển không bền vững. Như về môi trường, ngày càng có nhiều hiện
tượng thiên nhiên lạ khó dự báo, các cơn bão ngày càng nhiều và cường độ cũng mạnh
hơn trước, sự dâng lên của mực nước biển, nhiệt độ trái đất tăng nhanh, hiệu ứng nhà
kính….vv. Kèm theo đó là giá các mặt hàng như lương thực, thực phẩm, đặc biệt giá
nhiên liệu từ dầu thô trên thế giới tăng cao liên tục.Cùng với sự mất ổn định về chính
trị ở khu vực được ví là lục địa vàng đen của thế giới làm cho giá cả của mặt hàng này
ngày càng leo thang, đẩy nền kinh tế của các nước trên thế giới rơi vào tình trạng trì
trệ. Và nó cũng chỉ ra rằng sự thiếu hụt nhiên liệu trong tương lai là không thể tránh
khỏi, các nhà khoa học cũng đã dự báo rằng nguồn nhiên liệu bây giờ chỉ có thể đáp
ứng trong vòng 10 – 20 năm sắp tới.
Chính vì vậy mà vấn đề cần thiết và cấp bách hiện nay là tìm ra nguồn năng
lượng thay thế. Và còn đường tìm kiếm đã mở ra với những công trình nghiên cứu
khoa học về nguồn nhiên liệu mới như dùng sức gió để phát điện, làm mát…vv, dùng
năng lượng mặt trời chạy động cơ hoặc phát sinh nhiệt …vv, và khí sinh học như
biogas hoặc biomass…vv.
Việc dùng sức gió, hay dùng năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng thay
thế khác còn phụ thuộc khá nhiều vào thời tiết và chi phí đầu vào cao. Riêng nguồn
năng lượng từ khí sinh học lại được sử dụng nhiều và mang lại hiệu quả thiết thực hơn,
trong đó biomass thì có thể gây ra sự mất cân bằng giữa cây lượng thực và cây năng
lượng. Tuy nhiên, khi dùng với biogas ta có thể hoàn toàn chủ động vì nguồn năng
lượng này chủ yếu là kết quả của quá trình lên men chất thải từ chăn nuôi hoặc từ ăn


uống. Do có những ưu điểm vượt trội như vậy và hơn nữa rất phù hợp với nền kinh tế
thiên về nông nghiệp như Việt Nam thì nguồn chất thải về chăn nuôi rất dồi dào.
Xuất phát từ những nguyên nhân đó và được sự đồng ý của Khoa Cơ khí Công
nghệ, Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM cùng với sự hướng dẫn của thầy TS. Phan
Hiếu Hiền và thầy KS. Trần Văn Tuấn chúng tôi đã tiến hành đề tài:“Nghiên cứu sử

dụng biogas chạy động cơ nổ”.
Đây là một mô hình mới vừa để xử lý ô nhiễm môi trường do nguồn chất thải
chăn nuôi tạo ra, vừa đem lại hiệu quả kinh tế thiết thực cho những hộ chăn nuôi gia
súc gia cầm. Tận dụng được nguồn chất thải và triệt tiêu mùi hôi khó chịu. Và hơn thế
nữa, nó còn góp phần quan trọng trong chiến lược an ninh năng lượng quốc gia.

1.2

Mục đích, nội dung và yêu cầu

1.2.1 Mục đích đề tài
Sử dụng ga sinh ra từ phân heo được lên men yếm khí để chạy động cơ nổ.
1.2.2 Nội dung đề tài
a) Tổng hợp tình hình sử dụng biogas
Tra cứu tài liệu về tình hình sử dụng biogas cho chạy động cơ nổ, và sinh nhiệt
ở trong và ngoài nước.
b) Thiết kế buồng hòa trộn cho động cơ xăng chạy bằng biogas
 Sử dụng động cơ xăng Vikyno loại 168 F – 2 cho quá trình chuyển đổi sang
dùng biogas.
 Ghi nhận nguồn biogas để chạy động cơ.
 Đo lưu lượng gió ở bộ chế hòa khí của động cơ Vikyno loại 168 F - 2 ở chế
độ không tải, và có tải, đo suất tiêu hao nhiên liệu.
 Đi khảo sát một vài địa điểm để lấy kinh nghiệm.
 Xác định kiểu, và tính toán thiết kế.
c) Chế tạo và khảo nghiệm.
 Kết hợp các gia công như tiện, khoan, mài, hàn để chế tạo buồng hòa trộn
biogas.
-2-

 Khảo nghiệm động cơ xăng gắn buồng hòa trộn biogas chạy bằng biogas ở
chế độ không tải, và có tải.
 Rút ra kết luận, nhận xét và đánh giá.
1.2.3 Yêu cầu
Làm chạy động cơ nổ và đo các thông số kỹ thuật.

-3-


Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Tổng quan tài liệu gồm: ứng dụng biogas trong cuộc sống; các tính chất vật lý
và hóa học của biogas; để từ đó có những giải pháp lọc trước khi đưa vào động cơ để
cho động cơ có thời gian sử dụng lâu; tình hình sử dụng biogas ở trong và ngoài nước;
và nghiên cứu biogas dùng cho động cơ nổ.

2.1

Biogas trong cuộc sống
Khái niệm về biogas; tiềm năng và lợi ích việc sử dụng biogas trong cuộc sống .

2.1.1 Khái niệm biogas
Là hỗn hợp của nhiều loại khí khác nhau gồm: mêtan (CH4), cacbon dioxit
(CO2), hydro sulfit (H2S), nitơ (N2) và một lượng nhỏ các tạp khí khác. Hỗn hợp các
loại khí trên sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường yếm
khí và cháy được. (Nguyễn Q Dũng, 2000)
2.1.2 Tiềm năng và ý nghĩa của biogas
Tiềm năng của biogas: Theo thống kê sơ bộ của Tổng cục Thống kê Việt Nam,
trong năm 2005 cả nước có trên 120.000 trang trại chăn nuôi. (Tổng cục Thống kê

Việt Nam, 2005)
Tổng lượng biogas thu được cả nước khoảng 5.000.000 m3 ga/ngày. Thực tế
1 m3 biogas ở áp suất 1 atm, nhiệt độ 28 oC có thể làm nguồn thắp sáng từ 60 – 100 W
trong khoảng 6 giờ, nấu ăn được ba bữa cho 5 - 6 người ăn và thay thế cho nhiên liệu
tương đương với 1,15 lít xăng.
Vì vậy, nếu tận dụng thu gom tất cả chất thải từ các trại chăn nuôi lợn, bò, trâu
trên cả nước, thì có thể có cho ta lượng khí biogas trong ngày quy ra nhiên liệu xăng
khoảng 7.000.000 lít xăng/ngày. Từ đó cho thấy tiềm năng biogas ở nước ta rất lớn.


Ý nghĩa thực tiễn của biogas: Với việc sử dụng động cơ chạy bằng biogas có ý
nghĩa rất to lớn trong đời sống thực tiễn ở vùng nông thôn trên thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng. Sử dụng rộng rãi động cơ chạy bằng biogas sẽ giảm được một
lượng chi phí rất lớn trong việc mua nhiên liệu truyền thống.
Mặt khác, đứng trước tình hình khai thác như hiện nay, thì trong tương lai
nguồn nhiên liệu truyền thống này sẽ bị cạn kiệt dần và đến một lúc nào đó sẽ không
còn khai thác được nữa. Trong khi đó, nhiên liệu biogas thu được từ sự phân hủy động
vật, thực vật, rác thải…vv thì vô tận. Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu biogas còn
giảm đáng kể lượng khí thải thoát ra từ động cơ so với nhiên liệu truyền thống, đảm
bảo cho môi trường xanh sạch.

2.2

Tính chất vật lý và tính chất hóa học của biogas
Tính chất vật lý của biogas: Nhiệt trị 4 – 8 kWh/m3, khối lượng riêng

1,2 kg/m3, nhiệt độ bắt lửa 700 oC, thể tích tăng khi cháy 6 – 12%.
Tính chất hóa học biogas: Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất, nên nó mang
tính chất hóa học của từng chất có trong thành phần biogas. Ở phần này chỉ nói về tính
chất vật lý cũng như sơ lược về tính chất hóa học của từng thành phần trong biogas.

2.2.1 Khí mêtan ( CH4 )
Mêtan chiếm 40 – 60% thể tích biogas, mêtan là dạng ankan no có công thức
cấu tạo chung CnH2n+1, mêtan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không
khí. Nhiệt độ đông đặc -182,5 oC, nhiệt độ hóa lỏng -161,6 oC. Ở 25 oC, áp suất 1 atm.
Mêtan có khối lượng riêng 0,660 kg/m3, là chất dễ cháy, nhiệt độ bắt lửa 537 oC, nhiệt
độ khi cháy có thể đạt đến 2148 oC, tỉ lệ có thể bắt lửa (5 – 15)% thể tích. Đốt cháy
hoàn toàn 1 m3 mêtan sinh ra năng lượng khoảng (5500 – 6000) kcal.
Phương trình cháy: CH4 + O2 = CO2 + 2 H2O + Q, (Q: Năng lượng )
2.2.2 Khí cacbonic ( CO2 )
Khí Cacbonbic chiếm khoảng 30 – 60% thể tích biogas, không phản ứng với
khí O2 nên không tham gia vào quá trình cháy của động cơ. Tuy nhiên, lượng CO2 có
trong biogas chiếm 30 – 60% làm giảm thể tích của CH4, làm ảnh hưởng đến công suất
của động cơ.
-5-


2.2.3 Khí nitơ ( N2 )
Khí nitơ chiếm khoảng 0 – 5% thể tích biogas, là chất khí không màu, không
mùi, không vị. Khối lượng riêng của nitơ là 1,146 kg/m3 ở 25 oC. Khí nitơ tồn tại ở
khắp nơi chiếm 78,08% theo thể tích không khí, nitơ đông đặc ở 63,34 K và hóa lỏng
ở 77,4 K.
Ở nhiệt độ bình thường trong không khí, khí nitơ không phản ứng với các chất
khác. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao (khoảng 1600 oC) N2 phản ứng với O2 có trong không
khí tạo thành các NOx tùy thuộc vào lượng O2 tham gia phản ứng, mà chất tạo thành
có thể là N2O, NO, NO2, N2O5,…vv.
2.2.4 Khí amoniac ( NH3 )
Amoniac chiếm khoảng từ 0 – 1% thể tích biogas, tồn tại trong biogas ở thể khí
có mùi khai, không màu, nhẹ hơn không khí 0,5 lần, khối lượng riêng 0,6381 kg/m3,
nhiệt độ đông đặc -77,7 oC, nhiệt độ hóa lỏng -33,3 oC. Ở 0 oC, 88,9 g amoniac có thể
hòa tan hoàn toàn trong 100 ml nước. Ở nhiệt độ cao amoniac kết hợp với oxy để tạo

thành các hợp chất NOx.
Ví dụ: phản ứng sau xảy ra ở 850 oC và cần có xúc tác.
Phương trình phản ứng: 4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O
2.2.5 Khí hydro sulfua ( H2S )
Khí H2S chiếm khoảng 0 – 1%, là chất khí không màu, có mùi trứng thối, khối
lượng riêng 1,363 kg/m3, nhiệt độ đông đặc - 82,3 oC, nhiệt độ hóa lỏng - 60,2 oC, có
thể hòa tan vào nước tạo dung dịch axit H2S, độ hòa tan thấp, ở 40 oC 0,25g H2S hòa
tan hoàn toàn vào 100 ml H2O.
H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Lượng H2S trong không khí
dưới 0,0047 ppm người ta ngửi thấy mùi trứng thối, trên 1000 ppm sẽ ảnh hưởng
nghiêm trọng đến đường hô hấp. H2S là khí của axit yếu, ít có khả năng ăn mòn kim
loại. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao H2S phản ứng với oxy tạo ra các hợp chất có tính axit
mạnh hơn, có thể ăn mòn kim loại rất nhanh.
Phương trình phản ứng:

2 H2S + 3 O2 = 2 H2SO3
H2S + 2 O2 = H2SO4
-6-


Do trong biogas thành phần H2S có khả năng làm mòn động cơ nên biogas dùng
làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, ta phải tiến hành khử, lọc đi thành phần H2S.
2.2.6 Hơi nước
Trong không khí luôn luôn tồn tại một lượng hơi nước, nên thành phần của
biogas cũng chứa một lượng hơi nước đáng kể khoảng 0,3% nên có ảnh hưởng đến
quá trình cháy, làm giảm lượng nhiệt sinh ra.
2.2.7 Các thành phần khác
Trong biogas còn có một số loại khí khác nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ, dưới
1% nên cũng không gây ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của biogas. (Ngô K Sương,
Nguyễn L Dũng, 1997)

Bảng 2.1

Thành phần hóa học của biogas

Loại khí

Lượng

Ghi chú

CH4

40 – 70%

CO2

30 – 60%

Hơi nước

0,3%

N2

0 – 5%

O2

0 – 2%

NH3

0 – 1%

Có mùi

H2S

0 – 1%

Có mùi

Chất khác

< 1%

Khí mêtan chiếm từ 55 – 70% là tốt
nhất, khoảng 40 – 50% là kém
Làm giảm nhiệt trị, nhưng tác dụng
tích cực là giảm cháy nổ.

(Ngô K Sương, Nguyễn L Dũng., 1997)

2.3

Xử lý khí biogas trước khi vào động cơ
Ngoài khí mêtan, khí sinh vật còn chứa các khí tạp như: CO2, H2S và cả hơi

nước. Ở tỷ lệ cao các tạp khí này có thể gây nên những biến cố không lường trước
được như hơi nước ngưng tụ có thể làm tắc ống dẫn khí, khí cacbonic ảnh hưởng đến

-7-


sự đốt trong của động cơ, khí H2S gặp nước biến thành axit dễ dàng làm hỏng máy. Vì
vậy nhất thiết phải xử lý khí trước khi dùng.
2.3.1 Loại bỏ nước ngưng tụ
Khí thoát khỏi buồng thu khí và tiếp xúc với bề mặt của ống dẫn, hơi nước dễ bị
ngưng tụ. Để tránh ngưng tụ làm tắc nghẽn đường ống, cần lắp thêm một hệ thống
thoát nước. Bằng cách dùng một ống nối 3 cửa, một cửa nối với ống dẫn khí đến nơi
sử dụng và cửa cuối cùng tới một ống thủy tinh hình chữ U nhúng trong phuy nước.
Nước ngưng tụ sẽ theo ống chữ U ra ngoài và do đó sẽ không ảnh hưởng gì đến đường
ống.
Khí sinh vật

Khí sử dụng

Hình 2.1

Thiết bị tháo nước ngưng tụ tại ống dẫn khí

(Ngô K Sương, Nguyễn L Dũng., 1997)
2.3.2 Loại bỏ hoặc giảm khí CO2 trong hỗn hợp khí
Khí sinh vật có nhiệt lượng càng cao khi lượng chứa mêtan trong đó càng lớn
và lượng chứa CO2 càng nhỏ. Mặc dù hỗn hợp khí sinh vật với tỷ lệ CH4/CO2 là 50/50
vẫn còn cháy được, song CO2 nhiều sẽ ảnh hưởng đến sự đốt trong của động cơ. Để
loại bỏ bớt CO2 thì tốt nhất và tiện lợi nhất là cho hỗn hợp khí chạy qua dung dịch
nước vôi loãng.
2.3.3 Loại bỏ khí H2S
Khi gặp nước, khí này dễ dàng biến thành các axit sunfuric hoặc sunfurơ. Hai

axit này ăn mòn kim loại và do đó dễ làm hỏng máy. Để loại bỏ chúng, người ta
thường cho hỗn hợp khí chạy qua chất hấp thụ bề mặt, hoặc qua oxit sắt và bột sắt.
Oxit sắt có thể tái sinh bằng cách để ra ngoài không khí một thời gian.

-8-