NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ XĂNG ĐÃ QUA SỬ DỤNG, DÙNG NHIÊN LIỆU BIOGAS THAY THẾ CHO XĂNG CUNG CẤP ĐIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ
------o0o------

NGUYỄN SINH PHÚ
VÕ TRƯỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ XĂNG ĐÃ QUA SỬ
DỤNG, DÙNG NHIÊN LIỆU BIOGAS THAY THẾ
CHO XĂNG CUNG CẤP ĐIỆN

TP.Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ
------o0o------

NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ XĂNG ĐÃ QUA SỬ
DỤNG, DÙNG NHIÊN LIỆU BIOGAS THAY THẾ
CHO XĂNG CUNG CẤP ĐIỆN.

Chuyên nghành:

Cơ Khí Nông Lâm

Giáo viên huớng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Th.s Trần Mạnh Quý
Th.s Thi Hồng Xuân

Nguyễn Sinh Phú
Võ Trường Giang

TP. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING
NONG LAM UNIVERSUTY
FACULTY OF ENGINEERING & TECHNOLOGY
------o0o------

RESEARCHING AND FITTING UP OF GASOLINE ENGINE
WHICH WAS USED, USING FUEL AS BIOGAS TO REPLACE
OF GASOLINE SUPPLYING ELECTRICITY

Speciality: Agricultural Engineering

Supervisors:
Master: Tran Manh Quy
Master: Thi Hong Xuan

Students:
Nguyen Sinh Phu
Vo Truong Giang

-Ho Chi Minh City-August, 2008-


LỜI CẢM ƠN

Các thành viên nhóm thực hiện đè tài chân thành cảm tạ:


Ban giám hiệu Trường Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.



Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ khí - Công nghệ - Trường Đại Học Nông Lâm TP.
Hồ Chí Minh.



Quý thầy cô, cán bộ công nhân viên khoa Cơ Khí- Công Nghệ đã truyền đạt
những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho chúng tôi trong suốt quá trình học.
Chân thành cảm ơn:
Thầy Th.s: Trần Mạnh Quý
Thầy Th.s: Thi Hồng Xuân
Thầy K.s: Kiều Văn Đức
Các cán bộ công nhân viên Trung Tâm Công Nghệ và Thiết Bị Nhiệt Lạnh.
Đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Chúng con vô cùng biết ơn công lao cha mẹ, những người thân trong gia đình
đã làm tất cả mọi việc để chúng con có được như ngày hôm nay.
Cám ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên chúng tôi trong suốt quá trình học
tập và sinh hoạt tại trường.

Sinh viên
Nguyễn Sinh Phú
Võ Trường Giang


TÓM TẮT
Được sự đồng ý của ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí- Công Nghệ trường Đại Học
Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh. Chúng tôi đã thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU, LẮP
ĐẶT, ĐỘNG CƠ XĂNG ĐÃ QUA SỬ DỤNG, DÙNG NHIÊN LIỆU BIOGAS
THAY THẾ CHO XĂNG CUNG CẤP ĐIỆN”
Mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo một hệ thống dùng biogas để sản xuất
năng lượng cơ điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt tại các trại chăn nuôi.
Các kết quả thực hiện bao gồm:
- Nghiên cứu, tham khảo tài liệu các nguồn biogas ở các tỉnh trong nước.
Nguồn Biogas này sẵn có dồi dào không chỉ từ các trại chăn nuôi mà còn từ các hộ dân
và các bãi rác thải.
- Thiết kế chế tạo một hệ thống máy phát điện chạy bằng biogas. Cụm máy gồm
một máy động cơ chạy xăng đã qua sử dụng truyền động với máy phát điện bằng bộ
truyền đai.
- Chạy thử bằng xăng và khảo sát thực tế chạy bằng biogas ở chế độ không tải
và có tải tại phòng thực tập Bộ môn Công nghệ ôtô – Khoa Cơ khí Công nghệ Trường
Đại học Nông Lâm Tp.HCM và cơ sở chăn nuôi heo Xã Bà Điểm, Huyện Hóc môn,
Tp.Hồ Chí Minh.
Sinh viên thực hiện

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Sinh Phú

Thầy Th.s: Trần Mạnh Quý

Võ Trường Giang

Thầy Th.s: Thi Hồng Xuân


SUMMARY
By the approval of the Mechanic Of Techology Nong Lam University
Chairman Departmet, we determine to do this subject: “Researching and fitting up
gasoline engine which was used, using fuel biogas to replace for gasoline
supplying electricity”
The subject’s purpose is to design and make the the system using Biogas to
manufacture electromechanical energy to serve the production and activities at raising
farmstead.
The performing results consist of:
- Researching and referring to document about the biogas resources in many
provinces. This available and plentiful biogas resources are not only from the breeding
farm but also from private house and the garbage park.
- Designing, manufacturing the system of dynamo that is worked with biogas.
The machine group includes a gasoline engine that was used, is being transmitted to
the dynamo by the belt.
-Test drive with gasoline and carring out a survey of a fact working with biogas
by no load then using load at the Practive Department in Automobile technology,
Falculty of Engineening and Technology, Nong Lam University and the breeding farm
with pigs at Ba Diem Commune, Hocmon District, Ho Chi Minh city.
Participating Students:

Instructors:

Nguyen Sinh Phu.

Master: Tran Manh Quy.

Vo Truong Giang.

Master: Thi Hong Xuan.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN. ..................................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................................ ii
MỤCLỤC ............................................................................................................................. iv
DÁNH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................................. vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH.................................................................................................. viii
Chương 1 MỞ ĐẦU............................................................................................................. 1
Chương 2. TRA CỨU TÀI LIỆU....................................................................................... 3
2.1 Sơ lược về biogas.............................................................................................. 3
2.2 Các sản phẩm của hệ thống biogas ................................................................ 3
2.2.1 Khí đốt ............................................................................................................ 4
2.2.2 Phân bón ......................................................................................................... 4
2.2.3 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas..................................... 5
2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến qua trình tạo khí biogas ............................... 5
2.3.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối .............................................................................. 5
2.3.2 Nhiệt độ .......................................................................................................... 5
2.3.3 Ẩm độ ............................................................................................................. 5
2.3.4 pH ................................................................................................................... 6
2.3.5 Thời gian ủ...................................................................................................... 6
2.3.6 Hàm lượng chất rắn ........................................................................................ 6
2.3.7 Thành phần dinh dưỡng.................................................................................. 6
2.3.8 Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men .................................................. 7

2.4 Ảnh hưởng của biogas đến môi trường ......................................................... 8
2.4.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn ......................................................... 8
2.4.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố...................................................... 8
2.5 Tính chất của biogas........................................................................................ 9
2.5.1 Tính chất vật lý ............................................................................................... 9
2.5.2 Tính chất hóa học của biogas ......................................................................... 10
2.6 Tiềm năng và ứng dụng của biogas.............................................................................. 12
2.6.1 Tiềm năng phát triển của biogas..................................................................... 12
2.6.2 Ứng dụng của biogas ...................................................................................... 13
2.7 Một số hầm ủ yếm khí tạo biogas hiện nay ................................................... 14


2.7.1 Dạng hầm vòm ............................................................................................... 14
2.7.2 Dạng hầm giếng có khoang chứa nổi ............................................................. 14
2.7.3 Dạng hầm ủ túi dẻo......................................................................................... 14
2.7.4 Hầm ủ dạng bê tong, composit ....................................................................... 15
2.8 Các loại động cơ chạy bằng khí sinh học....................................................... 15
2.8.1 Động cơ chạy bằng than củi ........................................................................... 16
2.8.1.1 Khái niệm .................................................................................................... 16
2.8.1.2 Nhiệm vụ và yêu cầu ................................................................................... 16
2.8.1.3 Cấu tạo của hệ thống ................................................................................... 16
2.8.1.4 Nguyên lý hoạt động.................................................................................... 17
2.8.1.5 Kết luận........................................................................................................ 17
2.8.2 Động cơ chạy bằng củi vụn ............................................................................ 17
2.8.2.1 Khái niệm .................................................................................................... 17
2.8.2.2 Cấu tạo của hệ thống ................................................................................... 18
2.8.2.3 Nguyên lý hoạt động.................................................................................... 19
2.8.2.4 Kết luận........................................................................................................ 19
2.8.3 Vấn đề lọc và sấy các tạp chất trong biogas ................................................... 20
2.8.3.1 Sấy biogas ....................................................................................................20

2.8.3.2 Lọc biogas ....................................................................................................20
2.8.4 Động cơ chạy bằng biogas ..............................................................................20
2.9 Khí thải của động cơ đốt trong....................................................................... 21
2.9.1 Oxit cacbon (CO2) .......................................................................................... 22
2.9.2 NOx, H2S và SO2............................................................................................ 22
2.9.3 Các chất hydrocacbua..................................................................................... 23
2.9.4 Các hợp chất của chì....................................................................................... 23
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN.......................................................... 24
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................................... 29
4.1Tìm hiểu động cơ xăng đã qua sử dụng.......................................................... 29
4.2 Tìm hiểu chọn máy phát điện ......................................................................... 30
4.3 Tính toán thiết kế chế tạo khung.................................................................... 30
4.3.1 Tính toán khung động cơ................................................................................ 30
4.3.2 Tính toán khung máy phát .............................................................................. 35


4.3.3 Thiết kế khung ................................................................................................ 38
4.4 Gia công chế tạo ............................................................................................... 42
4.5 Tính toán, thíết kế, chế tạo bộ truyền đai...................................................... 42
4.5.1 Yêu cầu thiết kế .............................................................................................. 42
4.5.2 Tính toán......................................................................................................... 42
4.5.3 Thiết kế ........................................................................................................... 43
4.5.4 Chế tạo ............................................................................................................ 43
4.6 Vận hành hệ thống máy đo đạc chạy thử nghiệm ........................................ 44
4.7 Kết quả khảo nghiệm ...................................................................................... 45
4.8 Tổng hợp các số liệu khi đi khảo sát (chạy bằng xăng và biogas) như
sau

49
4.8.1 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và lượng nhiên liệu lên nồng độ

khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải ................................ 49
4.8.2 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải,
hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải..................................................... 54
4.8.3 Hiệu quả kinh tế của máy nổ phát điện sử dụng biogas hoặc xăng................ 60
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .............................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
.
TẬP BẢN VẼ


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Thành phần hoá học của biogas ......................................................................... .4
Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí........................................... .7
Bảng 2.3. Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí..................................... .8
Bảng 2.4. Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas .......................................................... 9.
Bảng 2.5. Năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc................................................... .13
Bảng 2.6. Bảng thống kê số lượng phân trong ngày của gia súc ..................................... .13
Bảng 2.7. Hàm lượng các chất trong khí thải động cơ ..................................................... .22
Bảng 4.4. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu
điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải. ................................................. 49
Bảng 4.5. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng ................... .50
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu
điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải......................................................... 55
Bảng 4.7. Giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng...................................... 59
Bảng 4.8. Bảng giá thành một số loại hầm biogas ........................................................... .59

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Sơ đồ chu chuyển CO2............................................................................................ 10
Hình 2.2 Hầm ủ dạng túi dẻo ......................................................................................................... 15
Hình 2.3 Hầm ủ dạng bêtông................................................................................................. 16
Hình2.4 Hệ thống nhiên liệu khí than củi ............................................................................. 17
Hình2.5 Hệ thống hóa ga liên hợp với cụm máy phát điện................................................... 19
Hình 3.1 Đo áp suất buồng đốt của động cơ. ........................................................................ 25
Hình 3.2 Đo số vòng quay của động cơ. ............................................................................... 26
Hình 3.3 Đo cường độ dòng điện bằng ampe cặp. ................................................................ 27
Hình3.4 Đo lượng tiêu hao nhiên liệu xăng. ......................................................................... 28
Hình 4.1 Sơ đồ chịu lực của khung. ...................................................................................... 31
Hình 4.2 Hình phản lực tác dụng lên khung động cơ............................................................ 31
Hình 4.3 Biểu đồ mặt cắt 1-1................................................................................................. 32
Hình 4.4 Biểu đồ mặt cắt 2-2................................................................................................. 32
Hình 4.5 Biểu đồ mặt cắt ...................................................................................................... 33
Hình 4.6 Biểu đồ momen....................................................................................................... 33
Hình 4.7 Mặt cắt của khung .................................................................................................. 34
Hình 4.8 Sơ đồ chịu lực của khung máy phát điện. .............................................................. 35
Hình 4.9 Hình phản lực tác dụng lên khung máy phát điện.................................................. 35
Hình 4.10 Biểu đồ mặt cắt 1-1............................................................................................... 36
Hình 4.11. Biểu đồ mặt cắt 2-2.............................................................................................. 36
Hình 4.12. Biểu đồ mặt cắt 3-3.............................................................................................. 37
Hình 4.13. Biểu đồ momen.................................................................................................... 37
Hình 4.14. Hình mặt cắt của khung....................................................................................... 38
Hình 4.15: Khung động cơ. ................................................................................................. 40
Hình 4.16: Khung máy phát điện. ....................................................................................... 41
Hình 4.17: Khung động cơ và máy phát lắp chung............................................................. 41
Hình 4. 18: Hệ thống động cơ chạy máy phát điện hoàn chỉnh. ......................................... 43
Hình 4.19 Phụ tải có công suất 1kW. ................................................................................. 46
Hình 4.20 Phụ tải công có công suất 3kW ......................................................................... 47

Hình 4.21. Biểu đồ so sánh lượng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc
biogas ở chế độ không tải ...................................................................................................... 52
Hình 4.22. Biểu đồ lượng khí CO, CO2, O2 và  thải ra của máy sử dụng xăng hoặc
biogas ở chế độ không tải ...................................................................................................... 52
Hình 4.24. Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2,  thải ra của máy bằng xăng hoặc
biogas ở chế độ có tải ........................................................................................................... .57
Hình 4.25 Biểu đồ lượng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở
chế độ có................................................................................................................................ .57


Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Việc sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống như: Xăng, dầu diesel.. cho động cơ đốt
trong tốn kém kinh phí rất lớn vì phải nhập khẩu, còn gây ô nhiễm môi trường nghiêm
trọng. Hiện nay sự thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề đang được
quan tâm hàng đầu. Chúng ta đang nỗ lực để tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho
nguồn năng lượng sắp cạn kiệt. Theo đó, những người nông dân nếu sử dụng các loại
nhiên liệu truyền thống trong công tác, nuôi trồng thì giá thành của nông sản sẽ tăng cao
và gây khó khăn trong việc tiêu thụ. Một trong những giải pháp đó là sử dụng các loại
nhiên liệu tái tạo, thay thế cho nhiên liệu truyền thống. Nếu sử dụng nguồn nhiên liêu
khác như khí sinh học (biogas) lấy từ chất thải của động vật và rác thải sinh hoạt sẽ giúp
họ giảm chi phí và tăng lợi nhuận. Biogas đã và đang được các nước trên thế giới cũng
như ở Việt Nam phát triển một cách rộng rãi. Sử dụng nhiên liệu biogas, chúng ta có thể
chủ động được nguồn năng lượng là chất thải từ các trạng trại, các hộ chăn nuôi gia đình.
Biogas được sử dụng làm chất đốt và nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ đem lại nhiều

lợi ích sau:
- Làm giảm đáng kể ô nhiễm môi trường: Do chất thải từ chuồng trại chưa xử lý thải
ra, khi phân hủy sẽ phóng thích khí metan(CH4) vào không khí, lâu dài sẽ ảnh hưởng
nghiêm trọng đến tầng ôzôn.
- Biogas cháy sẽ sinh ra một lượng khí CO2 làm nguồn năng lượng cho các loại thực
vật(quang hợp).
- Cặn bã từ hầm ủ biogas làm phân bón hữu cơ rất tốt.

-1-


Tóm lại, việc sử dụng nhiên liệu Biogas cho động cơ đốt trong không những có lợi
cho môi trường mà còn có lợi cho con người về kinh tế, sức khỏe, giải quyết được việc
làm cho bà con nông dân.
Đựợc sự chấp thuận của Khoa Cơ khí Công nghệ Trường Đại Học Nông Lâm T.P Hồ
Chí Minh, sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Th.S Trần Mạnh Quý và thầy Th.S Thi
Hồng Xuân chúng tôi đã thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ XĂNG
ĐÃ QUA SỬ DỤNG, DÙNG NHIÊN LIỆU BIOGAS THAY THẾ CHO XĂNG, CUNG
CẤP ĐIỆN”
1.2 Mục đích
Mục đích đề tài là sử dụng động cơ ôtô đã qua sử dụng, bảo dưỡng thay thế lại để
dùng khí sinh học (Biogas), chạy máy phát điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt tại các trại
chăn nuôi.
Các nội dung bao gồm:
 Tìm hiểu về nhiên liệu Biogas, các loại hầm ủ.
 Bảo dưỡng chăm sóc động cơ ôtô đã qua sử dụng. Tìm hiểu các thông số kĩ thuật
và kiểm tra tình trạng kỹ thuật của động cơ.
 Tính toán, thiết kế và chế tạo khung để lắp đặt động cơ và máy phát điện.
 Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ truyền đai truyền động cho máy phát điện.
 Khảo nghiệm thu thập số liệu.

1.3 Thời gian và địa điểm tiến hành đề tài.
Đề tài được tiến hành từ tháng 4-2008 đến tháng 8-2008.
Địa điểm tiến hành đề tài là xưởng Thực tập - Bộ môn Công nghệ Ôtô(XTTBMCNOT) - Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.

-2-


Chương 2

TRA CỨU TÀI LIỆU

2.1 Sơ lược về biogas
Biogas, còn được gọi là khí sinh học, được phát hiện vào cuối thế kỷ 18 là sản phẩm
thu được sau một loạt các quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện
môi trường không có oxy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn dưới tác dụng của các vi
sinh vật kỵ khí. Biogas chứa chủ yếu là mêtan (50 - 70%) và CO2 (25 - 50%) và các tạp
chất khác như H2S, CO, NOx…Trong đó mêtan (CH4) được mệnh danh là nhiên liệu sạch,
có nhiệt trị cao. Một m3 CH4 khi đốt cháy toả ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3 kg
than đá; 1,15 lít xăng; 1,17 lít cồn; hay 9,7 kW điện.
Ở Việt Nam đến cuối thập niên 70 thì biogas mới bắt đầu được chú ý, do tình hình
thiếu hụt năng lượng và xu hướng đi tìm nguồn năng lượng mới, trong đó sự phát triển
khí sinh học từ hầm ủ được đặc biệt chú ý. Tuy nhiên, đến những năm gần đây, túi ủ khí
làm bằng nylon mới thực sự phát triển và được áp dụng rộng rãi trên cả nước. Ưu điểm là
giá thành rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình chăn nuôi hộ gia đình. Hệ thống biogas đã
xử lý rất tốt nguồn nước thải trong chăn nuôi, cung cấp nước tưới sạch và phân bón tốt
cho trồng trọt. Bên cạnh đó, người dân có thể tận dụng nguồn khí mêtan làm khí đốt cho
gia đình cũng như làm nguồn nhiên liệu cho các động cơ nhỏ như: máy phát điện, mô
tơ…góp phần nâng cao kinh tế cho nhà nông.
Biogas là hỗn hợp 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.

-3-


 Thành phần của biogas
Bảng 2.1. Thành phần hoá học khí biogas
CH4

50 - 70

% thể tích

CO2

20 - 50

% thể tích

Hơi nước

0,3

% thể tích

N2

0-5

% thể tích

O2

0-2

% thể tích

NH3

0-1

% thể tích

H2S

50 - 5000

ppm

Chất khác

<1

% thể tích

2.2 Các sản phẩm của hệ thống biogas
2.2.1 Khí đốt
Thành phần khí đốt của hệ thống biogas bao gồm 60 - 70% CH4; 25 - 40% CO2 là
một nguồn nguyên liệu mới thay thế cho than, củi, dầu… không để lại muội than hoặc tro
bếp nên việc làm vệ sinh dụng cụ nấu nướng cũng dễ dàng hơn, nâng cao chất lượng cuộc

sống cho con người. Biogas cháy hoàn toàn và có hiệu suất cao hơn trong các lò đốt dầu
tạo nhiệt, bởi vì nhiên liệu dầu đốt lò cần phải phun dầu trước khi đốt. Người ta ghi nhận
rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong lúc của khí mêtan là 35,9
MJ/m3. Như vậy 1,1 m3 mêtan có thể thay thế 1 lít dầu HFO. Tuy nhiên, trong thực tế do
hiệu suất đốt lớn hơn trong lò đốt dầu nên chỉ cần 1 m3 mêtan là đủ thay thế cho 1 lít dầu
HFO.
2.2.2 Phân bón
Thành phần của cặn nước thải sau khi qua hệ thống biogas có các chất dinh dưỡng
thấp hơn được dùng làm phân bón hoặc làm thức ăn cho cá. Đặc biệt theo một số nghiên
cứu cho thấy số lượng ấu trùng và giun sán giảm rõ rệt so với phân tươi, do đó an toàn
hơn khi dùng nước thải này để tưới cây.

-4-


2.2.3 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas
Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều phản ứng,
cuối cùng tạo ra CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này được thực hiện theo
nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác động của các vi sinh vật yếm khí để phân hủy những
chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí và các chất khác.
Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm trung
gian nhờ sự hoạt động của nhiều chủng loại vi sinh vật đa dạng. Đó là sự phân hủy
protêin, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi,
methylamin, cùng các chất độc hại như tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như
indole, scatole. Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy được bởi
vi khuẩn yếm khí như lignin.
2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas
2.3.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối
Sự lên men để phân hủy một hợp chất hữu cơ trong bình ủ đòi hỏi phải ở điều kiện
kỵ khí hoàn toàn, vì sự có mặt của oxy sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của

nhóm vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm hay ngừng hẳn.
2.3.2 Nhiệt độ
Nhiệt độ cũng làm thay đổi quá trình sinh gas trong bình ủ, vì nhóm vi sinh vật yếm
khí rất nhạy cảm với nhiệt độ. Chúng hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 310C -360C, dưới 100C
nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến áp lực gas sẽ yếu đi. Tuy nhiên, nhiệt độ cho
chúng hoạt động cũng có thể thấp hơn nhiệt độ tối ưu, trung bình vào khoảng 200C - 300C
cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Nhóm vi khuẩn sinh khí mêtan rất nhạy cảm với sự
thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Nhiệt độ thay đổi cho phép hằng ngày là 10C (UBKHKT
Đồng Nai - 1989).
2.3.3 Ẩm độ
Ẩm độ cao hơn 96 % thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo ra ít.
Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 - 96 %.

-5-


2.3.4 pH
pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi sinh vật tạo khí mêtan.
Vi khuẩn sinh khí mêtan ở pH 4,5 - 5 (Young Fu, 1989), khi pH > 8 thì hoạt động của vi
sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991).
2.3.5 Thời gian ủ
Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra. Với nhiệt độ, độ pha
loãng, tỉ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày (UBKHKT
Đồng Nai, 1989).
2.3.6 Hàm lượng chất rắn
Hàm lượng chiếm dưới 9 % thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt. Hàm lượng chất rắn thay
đổi trong khoảng 7 - 9 % và phụ thuộc vào khả năng sinh gas tốt hay xấu. Ở Việt Nam
vào mùa khô nhiệt độ cao sự phân hủy tốt, nên hàm lượng chất rắn trong bình giảm, vì thế
việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận được và ngược lại (UBKHKT Đồng
Nai,1989).

2.3.7 Thành phần dinh dưỡng
Để dảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường, liên tục thì phải cung cấp đầy đủ
nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Thành phần chính của
nguyên liệu là cacbon (ở dạng cacbonhydrate, tạo năng lượng) và nitơ (ở dạng nitrate,
protein, amoniac tham gia vào cấu trúc tế bào).
Để đảm bảo sự cân đối dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí thì cần chú
ý đến tỉ lệ C/N. Tỉ lệ thích hợp là từ 25/1 - 30/1 (UBKHKT Đồng Nai, 1989).

-6-


Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí
Nhiệt độ
Tiến trình mesophylic 950F
Tiến trình Thermophylic 1300F
pH

7-8

Độ kiềm

2500 mg/L minimum

Thời gian lưu trữ

10 - 30 ngày

Tỉ lệ các chất dinh dưỡng

0,15 - 0,35 Ib VS/ft3/d

Sản lượng biogas

3 - 8 ft3/Ib VS

Lượng mêtan

70 %

2.3.8 Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men
Vi khuẩn sinh mêtan rất dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ. Theo
nghiên cứu của Nguyễn Việt Năng hàm lượng các chất sau có khả năng ức chế quá trình
lên men của vi sinh vật kỵ khí.

-7-


Bảng 2.3. Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí
Tên hóa học

Hàm lượng

SO42-

5.000 ppm

NaCl

40.000 ppm

NO2

5 mg/100 ml

Cu

100 mg/l

Cr

200 mg/l

Ni

200 - 500 mg/l

CN-

25 mg/l

Alkyl benzen sulfonate

20 - 40 ppm

NH3

1.500 - 3000 mg/l

Na

3.000 - 5.500 mg/l

K

2.500 - 4.500 mg/l

Ca

2.500 - 4.500 mg/l

Mg

1.000 - 1.500 mg/l

Ngoài các yếu tố trình bày ở trên lượng gas sinh ra còn phụ thuộc vào một số yếu tố
khác như chiều dài và chiều rộng túi ủ, loại phân…
2.4 Ảnh hưởng của biogas đến môi trường
2.4.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn
Các thiết bị khí sinh học gia đình thường được nối với nhà xí. Phân người và động
vật được đưa vào đây để xử lý nên hạn chế mùi hôi thối, ruồi nhặng không có chỗ để phát
triển nên hạn chế bớt những dịch bệnh truyền nhiễm như sốt xuất huyết, dịch tả…
Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt lượng chất thải của gia súc. Nó làm giảm đáng kể
những mầm bệnh, lượng vi sinh vật có trong chất thải vật nuôi. Khi chất thải được xử lý
bằng biogas mùi hôi sẽ giảm, ký sinh trùng và vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt đáng kể (Ủy
Ban Khoa Học Kỹ Thuật Đồng Nai, 1989).

-8-


Bảng 2.4. Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas

(Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994. Trích dẫn Nguyễn Thị Hà Mỹ, 2002)
Chỉ tiêu

Trước khi xử lý Sau khi xử lý

pH

7,4

7,8 - 7,9

COD (mg/l)

32.000

5.800 - 6.600

BOD (mg/l)

10.600

3.400 - 3.900

E.coli (MPN/ml)

15,76 x 107

12 - 15,26 x 104

Coliform (MPN/l)

18,97 x 1010

12,3 x 103 - 25,74 x 105

Streptococcus (MPN/l)

54,5 x 106

0,31 - 2,7 x 102

Trứng ký sinh trùng (trứng/g)

2.750

105 - 175

2.4.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố
Xử lý kĩ khi ở quy mô tập trung lớn các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như
rác thải, nước cống sinh hoạt, nước thải các lò mổ các trại chăn nuôi tập trung, các nhà
máy rượu bia… có nhiều ưu điểm như diện tích đất sử dụng nhỏ, ít để lại cặn bùn, không
tiêu tốn nhiều năng lượng… Ngoài ra, nó còn thu hồi được khí sinh học để phục vụ chạy
máy phát điện. Nước rác được xử lý bằng bể phản ứng khí sinh học khắc phục được ô
nhiễm do nước rác thấm vào đất.
2.4.3 Giảm phát thải khí nhà kính
Các chất thải hữu cơ trong điều kiện tự nhiên sẽ bị phân hủy một phần là kỵ khí cho
ra mêtan phát tán vào khí quyển. Khí mêtan là khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn khí
cacbonic. Một tấn khí mêtan tương đương 21 tấn khí cacbonic về hiệu ứng nhà kính. Nếu
các chất thải hữu cơ này phân hủy kỵ khí trong các hầm ủ thì mêtan sẽ được thu lại làm
nhiên liệu. Khi bị đốt cháy mêtan chuyển hóa thành cacbonic. Một tấn mêtan sẽ chuyển

hóa thành 2,75 tấn khí cacbonic. Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà kính giảm đi 7,6 lần.
Ngoài ra, sử dụng khí sinh học thay thế cho củi sẽ bảo vệ rừng là nguồn hấp thụ cacbonic
cũng như chống xói mòn bảo vệ đất.

-9-


Lượng CO2 này sẽ được cây xanh hấp thụ chuyển hóa thành tinh bột dưới tác dụng
của ánh sáng mặt trời rồi cung cấp trở lại cho động vật. Chất thải thu được từ động vật
chính là nguyên liệu cung cấp cho hệ thống biogas. Lượng nước thải sau khi xử lý bằng
hệ thống biogas cũng được sử dụng để bón cho cây trồng giảm nguy cơ ngộ độc cho con
người khi dùng những sản phẩm của cây trồng như rau, hoa quả… Tất cả được thể hiện
qua sơ đồ 2.1.

Hình 2.1 Sơ đồ chu chuyển CO2
2.5 Tính chất của khí biogas
2.5.1 Tính chất vật lý
Nhiệt trị

4 - 8 kWh/m3

Khối lượng riêng

1,2 kg/m3

Nhiệt độ bắt lửa

7000C

Thể tích tăng khi cháy

6 - 12 %

2.5.2 Tính chất hoá học của khí biogas
Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất nên nó mang tính chất hoá học của từng chất
có trong thành phần biogas.
 Mêtan (CH4)
Mêtan thuộc nhóm parafin có công thức cấu tạo chung CnH2n+1.
 Tính chất vật lý

- 10 -


Mêtan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ đông
đặc - 182,50C, nhiệt độ hoá lỏng - 161,60C. Ở 250C, áp suất 1 atm, mêtan có khối
lượng riêng 0,660 kg/m3.
 Tính chất hoá học
Phương trình cháy: CH4 +O2 = CO2 + 2 H2O
Mêtan là chất dễ cháy; nhiệt độ bắt lửa 5370C; nhiệt độ khi cháy có thể đạt đến
21480C; 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.
 Khí cacbonic (CO2)
Khí cacbonic không phản ứng với khí O2 nên không tham gia vào quá trình cháy
của động cơ. Tuy nhiên, lượng CO2 có trong biogas quá nhiều làm giảm thể tích của CH4,
làm ảnh hưởng đến công suất của động cơ.
 Khí nitơ (N2)
 Tính chất vật lý
Nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị. Khối lượng riêng của nitơ là
1,146 kg/m3 ở 250C, 1 atm. Khí nitơ tồn tại ở khắp nơi, chiếm 78,084 % theo thể tích
không khí. Nitơ đông đặc ở 63,340K và hoá lỏng ở 77,40K.

 Tính chất hoá học
Ở nhiệt độ bình thường, trong không khí, khí nitơ không phản ứng với các chất
khác. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao (khoảng 16000C) nitơ phản ứng với O2 có trong không
khí tạo thành các NOx. Tuỳ thuộc vào lượng O2 tham gia phản ứng mà chất tạo thành có
thể là N2O, NO, NO2, N2O5…
 Khí amoniac (NH3)
Amoniac còn có tên là hydrogen nitride, spirit of hartshorn, nitrosil, NH3…
Amoniac tồn tại trong biogas ở thể khí.
 Tính chất vật lý
Amoniac có mùi khai, không màu nhẹ hơn không khí 0,589 lần; khối lượng riêng
0,6381 kg/m3; nhiệt độ đông đặc - 77,730C; nhiệt độ hoá lỏng - 33,340C. Ở 00C 88,9 g
amoniac có thể hoà tan hoàn toàn trong 100 ml nước.
- 11 -


 Tính chất hoá học
Ở nhiệt độ cao amoniac kết hợp với oxy để tạo thành các hợp chất NOx. Ví dụ
phản ứng sau xảy ra ở 8500C và cần có xúc tác.
4 NH3 +5 O2 = 4 NO + 6 H2O
 Khí hydro sulfua (H2S)
 Tính chất vật lý
Là chất khí không màu, có mùi trứng thối. Khối lượng riêng 1,363 Kg/m3, nhiệt độ
đông đặc - 82,30C, nhiệt độ hoá lỏng - 60,280C. H2S có thể hoà tan vào nước tạo dung
dịch acid H2S nhưng độ hoà tan thấp. Ở 400C 0,25 g H2S hoà tan hoàn toàn vào 100 ml
nước.
 Tính chất hoá học
H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Lượng H2S trong không khí
dưới 0,0047 ppm người ta ngửi thấy mùi trứng thối; trên 1000 ppm ảnh hưởng nghiêm
trọng đến đường hô hấp. H2S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại. Tuy
nhiên, ở nhiệt dộ cao H2S phản ứng với oxi, tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn, có

thể ăn mòn kim loại rất nhanh.
2 H2S + 3 O2 = 2 H2SO3
H2S + 2 O2 = H2SO4
Thành phần H2S trong biogas có khả năng làm mòn động cơ, do đó khi sử dụng
biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong người ta phải tiến hành khử, lọc và loại bỏ
H2S.
 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 có ảnh hưởng đến quá trình cháy làm giảm lượng
nhiệt sinh ra.
 Các thành phần khác
Trong biogas còn có một số loại khí khác nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ, không
đáng kể và cũng không gây ảnh hưởng đến tính chất của biogas.

- 12 -


2.6 Tiềm năng và ứng dụng của biogas
2.6.1 Tiềm năng phát triển của biogas
Nước ta là một nước nông nghiệp phát triển có số lượng vật nuôi rất lớn với gần 5
triệu con bò, 3 triệu con trâu và 23 triệu con lợn nên lượng phân ủ yếm khí biogas rất lớn.
Bảng 2.5. Năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc
Lượng khí biogas sinh ra Thành phần mêtan

Loại phân

(m3/ tấn phân)

Trâu, bò

260 – 280

Heo

561

(% thể tích)
50 - 60

Bảng 2.6. Bảng thống kê số lượng phân trong ngày của gia súc
Vật nuôi

Lượng phân (kg/ngày)

Trâu

14

Bò

14

Lợn

2,44

Lượng khí bigas có thể thu được trong một ngày từ trâu và bò:
(3.000.000 + 5.000.000) x 14 x 0,36 = 4.032.000 m3 gas/ ngày.
(1 kg phân trâu, bò ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,036 m3 gas.)
Lượng khí biogas có thể thu được trong 1 ngày từ heo:

23.000.000 x 2,44 x 0,045 = 2.525.400 m3 gas/ngày.
(1 kg phân heo ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,045 m3gas)
Tổng lượng gas có thể lấy được: 4.032.000 + 2.525.400 = 6.557.400 m3 gas/ngày.
Như vậy nếu tận dụng tốt, nguồn biogas này có thể cho ta nguồn năng lượng tương
đương với 1,15 x 6.557.400 = 7.541.010 lít xăng/ngày. Điều này làm giảm được một
lượng chi phí đáng kể trong việc nhập khẩu xăng dầu của cả nước, giảm áp lực cho ngành
kinh tế đồng thời có thể chủ động được nguồn năng lượng.

Mặt khác, việc sử dụng

nhiên liệu biogas còn làm giảm đáng kể lượng khí thải thoát ra từ động cơ so với nhiên
liệu truyền thống; đảm bảo cho môi trường xanh, sạch.

- 13 -