NGHIÊN cứu và ỨNG DỤNG KHÍ SINH học BIOGAS CHO ĐỘNG cơ đốt TRONG

Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Mục lục
Chương 1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu.............................................................1
1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu........................................................................1
1.1.1 Giới thiệu............................................................................................... 1
1.1.2 Mục đích ý nghĩa của đề tài..................................................................... 1
1.1.2.1 Mục đích của đề tài..........................................................................1
1.1.2.2 Ý nghĩa của đề tài............................................................................1
1.2 Tổng quan về biogas........................................................................................2
1.2.1 Vấn đề năng lượng hiện nay.................................................................... 2
1.2.2 Tình hình phát triển biogas......................................................................2


Trên thế giới. .....................................................................................2

............................................................................... Việt
Nam............................................................................................3
1.2.3 Kết luận................................................................................................... 5
Chương 2. Đặc tính khí biogas...............................................................................6
2.1 Tính chất vật lý.................................................................................................6
2.1.1 Nhiệt trị và khối lương riêng. .................................................................7
2.1.2 Giới hạn cháy. ........................................................................................8
2.1.3 Nhiệt độ cháy cao nhất........................................................................... 9
2.1.4 Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octan..............................................................9
2.1.5 Vận tốc cháy............................................................................................10
2.2 Tính chất hóa học.............................................................................................11
2.2.1 Công thức phân tử....................................................................................11
2.2.2 Công thức cấu tạo..................................................................................... 11
2.2.3 Thành phần của khí biogas.......................................................................11
2.2.4 Cơ chế hình thành khí metan...................................................................11

2.2.5 Ảnh hưởng của các tạp chất đối với sự hoạt động của động cơ...............12
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

1


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

2.3 Công nghệ sản xuất biogas..............................................................................13
2.3.1 Nguồn nguyên liệu ban đầu.....................................................................13
2.3.2 Xử lý nguyên liệu....................................................................................13
2.3.3 Quá trình lên men....................................................................................14
2.3.4 Các hầm biogas......................................................................................15
2.3.5 Lọc biogas..............................................................................................18
2.3.5 Lưu trữ biogas........................................................................................23
2.4 Kết luận...........................................................................................................25
Chương 3. Ứng dụng làm nhiên liệu động cơ đốt trong..........................................27
3.1 Khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống......................................................27
3.1.1 Sơ lược về các loại nhiên liệu thay thế: LPG, CNG, biogas.....................27
3.1.2 Xác định tỉ lệ A/F và ảnh hưởng của %CO2 tới quá trình cháy................30
3.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ đốt trong..............................33
3.2.1 Kiểu cơ khí.................................................................................................33
3.2.1.1 Yêu cầu của bộ hỗn hợp

......................................................................33

3.2.1.2 Kết cấu một số bộ hỗn hợp.................................................................34

a) Bộ trộn Venturi.......................................................................................34
b) Van hỗn hợp điều khiển áp suất loại màng............................................38
3.2.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu phun khí biogas điều khiển điện tử...........40
3.3 Một số loại động cơ sử dụng nhiên liệu biogas.................................................43
3.4 Ứng dụng làm nhiên liệu động cơ đốt trong và dùng nấu ăn trong gia đình.. . .46
3.4.1 Ứng dụng trong gia đình dùng nấu bếp. ................................................46
3.4.2 Dùng cho động cơ đốt trong....................................................................48
3.4.2.1 Sử dụng trên ôtô..............................................................................48
3.4.2.2 Dùng cho máy phát điện................................................................50
3.4.2.3 Dùng cho xe gắn máy.....................................................................55
3.5 Kết luận..........................................................................................................58

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

2


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Chương 4. Hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu biogas

.........................................59

4.1 Tận dụng nguồn nhiên liệu phế thải, giảm ô nhiễm môi trường......................59
4.2 Nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống...................................60
4.3 Tính toán hiệu quả kinh tế của các phương án cung cấp biogas cho động cơ.. 60
4.3.1 Đối với động cơ biogas/xăng...............................................................61

4.3.2 Đối với động cơ biogas/diesel..............................................................62
4.4 Thuận lợi và khó khăn khi sử dụng nhiên liệu Biogas..................................... 62
4.4.1 Thuận lợi.................................................................................................62
4.4.2 Khó khăn. ...............................................................................................63
4.5 Hướng phát triển của đề tài......................................................................... 63

Chương 1.GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.
1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu.
1.1.1 Giới thiệu.
Biogas là từ ghép của Bio-fuel và Gas nghĩa là khí sinh học. Khí sinh học biogas là
tổ hợp metan (CH4), cacbonic (CO2) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trình
phân huỷ xác động vật và các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

3


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho quá trình sản xuất khí sinh học
biogas:
 Chất thải của con người.
 Chất thải của động vật như: lợn, trâu, bò, gia cầm.…
 Rác thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp.
Nguồn chất thải từ con người và động vật là nguồn sinh khí biogas vô tận, nếu
chúng ta biết tận dụng chúng để làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền

thống để sử dụng cho động cơ đốt trong thì đây là một phương pháp hữu ích.
1.1.2 Mục đích ý nghĩa của đề tài.
1.1.2.1 Mục đích của đề tài.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tìm hiểu những ứng dụng của nhiên liệu sinh học
biogas cho động cơ đốt trong.
1.1.2.2 Ý nghĩa của đề tài.
 Tận dụng nguồn phế phẩm mà chúng ta đang lãng phí.
 Biogas là nguồn nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu có nguy cơ cạn kiệt.
 Biogas là nguồn nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong, góp phần làm giảm ô
nhiễm môi trường ( đốt cháy được khí CH 4 ,gây hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần so
với khí CO2).
1.2 Tổng quan về biogas.
1.2.1 Vấn đề năng lượng hiện nay.
Dân số thế giới ngày càng tăng khiến cho nhu cầu tiêu thụ năng lượng cũng tăng
theo nên nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, trong khi các nguồn năng lượng dự trữ
như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến cho nhân
loại có nguy cơ đứng trước việc thiếu năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn
năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời … là một
trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Do đó, việc nghiên

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

4


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

cứu sử dụng các nguồn khí sinh học (biogas) đã được triển khai và đạt được một số thành
tựu đáng kể ở nhiều nước nhất là các nước đang phát triển Châu Á.
1.2.2 Tình hình phát triển biogas.
 Trên thế giới.
Hiện nay ở quy mô toàn cầu, biogas là nguồn năng lượng lớn. Tổng sản lượng ứng
dụng chiếm 9% đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới.
Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải toàn cầu thì hàng năm người
ta có thể tạo 200 tỷ m3 khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và kèm
theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao.
Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về
công nghệ xây dựng các bể lên men mêtan.
- Ấn Độ
Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897. Ban đầu, các trạm
biogas chỉ có quy mô hộ gia đình. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ
chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng biogas. Năm 1985, Ấn Độ có khoảng
1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la. Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9
triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình hầm khí tập thể xử lý phân
người được xây dựng. Ước tính số công trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và
0,7 triệu tấn Urê. Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu công trình hầm khí sinh học.
- Trung Quốc
Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX. Năm 1978
đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m 3 khí mêtan, tương đương
1,5 triệu tấn dầu mỏ. Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát
điện nhỏ sử dụng khí biogas. Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng công suất là
1.500kW. Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí mêtan. Từ những năm
cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, người ta đã tính toán đến việc sử dụng năng lượng sinh
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

5


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hoá thạch và biogas đã trở thành
đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm
Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc
(1994). Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn
quốc. Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m 3/năm. Biogas
chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện.
 Việt Nam.
Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm
1960. Lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành 4 thời kỳ chính.
- Thời kỳ 1960 – 1975:
Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí mêtan từ phân động vật nhưng cuối
cùng cũng không thành công. Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loại khí đốt Butan,
Propan và phân hóa học.
-

Thời kỳ 1976 – 1980:

Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng
gạch và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên,
việc thử nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý.
- Thời kỳ 1981 – 1990:
Trong hai kế hoạch 5 năm (1981-1985 và 1986-1990), công nghệ khí sinh học đã trở
thành một trong những lĩnh vực được ưu tiên.
Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 công trình, Đồng Nai có 468 công trình,

Hậu Giang có 240 công trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có 43 công
trình .....
Nói chung toàn quốc có khoảng 2000 công trình. Đa số các công trình đều hoạt động
tốt, với thể tích khoảng 2200 m3.
- Thời kỳ 1991 tới nay:
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

6


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Những năm 1991 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển
khai nhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học biogas (mô hình hình cầu
của Viện năng lượng với thể tích 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3) đã tạo ra một nguồn phân
bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm
môi trường. Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mô hình bể biogas cũng được áp
dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình
của Trung tâm Năng lượng mới (Sở khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng, mô hình bể
biogas phá váng tự động của Phân Viện bảo hộ lao động và Bảo vệ Môi trường miền
Trung, Tây nguyên. Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt
Nam: họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở
nước ta. Các dự án năng lượng sinh khối có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM)
để thu hút vốn đầu tư. Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thương mại nên
Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ.
Hiện nay mô hình xử lý phân gia súc, gia cầm bằng hệ thống biogas đang ngày
càng phổ biến ở Việt Nam.

Đối với các cơ sở chăn nuôi lớn, hệ thống biogas được xây dựng với quy mô lớn,
trình độ kỹ thuật cao, điều kiện giám sát chặt chẽ. Các hệ thống này đem lại tác dụng rất
lớn trong việc xử lý phân và nước thải khổng lồ thải ra mỗi ngày, loại bỏ được nguy cơ
gây ô nhiễm môi trường, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng và sản xuất gas cho các hệ
thống phát điện nội bộ. Ngoài ra, khi xây dựng hệ thống biogas, người ta thường kết hợp
với dây chuyền sản xuất phân hưu cơ, đem lại thêm một nguồn lợi kinh tế đáng kể.
Đối với qui mô chăn nuôi hộ gia đình, mô hình xử lý biogas bằng plastic đang phát
triển rộng rãi do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình nông trại kết hợp.
Các mô hình nhỏ này giúp các hộ nông dân xử lý được phân và chất thải gia súc, tránh ô
nhiễm môi trường, nhất là các khu vực có các hộ chăn nuôi tập trung cao ở miền Bắc,
cung cấp gas làm giảm chi phí hoạt động cho gia đình và nước thải ra sau khi xử lý đem
bón cho cây trồng rất tốt.
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

7


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Các khu vực đang tập trung nhân rộng mô hình biogas hiện nay: ở niềm Bắc tập
trung các huyện Đan Phượng, Quốc Oai (Hà Nội) theo dự án SGP/VN/98/003, ở miền
Nam tập trung ở lân cận thành phố Hồ Chí Minh và ở Tây Nam Bộ thì tập trung ở Cần
Thơ.
1.2.3 Kết luận.
Các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả
thủy điện là có hạn khiến cho nhân loại có nguy cơ đứng trước việc thiếu năng lượng.
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng

lượng gió, năng lượng mặt trời … là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch
phát triển năng lượng.
Nguồn năng lượng sinh khối từ nhiên liệu tái tạo chiếm một vị trí quan trọng trong
nguồn năng lượng tổng số nhưng chỉ mới được tận dụng một phần. Chính vì vậy mong
rằng nhà nước ta chú trọng nghiên cứu sâu hơn nữa về nguồn năng lượng này để thay thế
kịp thời nguồn nhiên liệu truyền thống có nguy cơ cạn kiệt và tăng cao hiệu quả kinh tế.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

8


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Chương 2. ĐẶC TÍNH KHÍ BIOGAS.
2.1 Tính chất vật lý.
Tính chất vật lý của biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng
cho việc xử lý và đốt cháy biogas.
Thành phần chính của biogas là CH4 và CO2. Các tính chất vật lý liên quan đến
chúng và sẽ được liệt kê sau đây: (bảng 2.1).
Bảng 2.1 Một số tính chất của biogas [2], [6]
Các tính chất vật lý
Trọng lượng phân tử
Tỷ trọng
Điểm sôi (1at)
Điểm đông (1at)
Khối lượng riêng

Nhiệt độ nguy hiểm
Áp suất nguy hiểm
Nhiệt dung Cp (1at)
Tỷ lệ Cp/Cv

Methane (CH4)
16,04
0,554
144 0C
-164,8 0C
0,66 kg/m3
64,44 0C
45,8 at
6,962.10-4 J/ kg-0C
1,307

Nhiệt cháy

55,432 J/kg

Giới hạn cháy

5-15% Thể tích
Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong 0,0947 Thể tích
không khí

0,0581 Khối lượng

Carbon Dioxide (CO2)
44,01

1,52
60,8 0C
-38,83 0C
1,82 kg/m3
48,89 0C
72,97at
2,643.10-4 J/ kg-0C
1,303
───
───
───

2.1.1 Nhiệt trị và khối lương riêng.
- Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng giải phóng ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg
nhiên liệu và sản phẩm được làm nguội tới điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị đo là kJ/kg hoặc
MJ/kg.
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

9


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

- Nhiệt trị Thấp Qh: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối
lượng (1 kg) hoặc 1 đơn vị thể tích (1 m3).
Qh = Qo – 2,512 x (9H - W) MJ/kg.
Trong đó: Qo – nhiệt trị cao; 2,512 MJ/kg – Nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg hơi nước

9H – Lượng hơi nước hình thành khi đốt cháy H kg Hydro có trong 1 kg nhiên liệu.
W – Lượng hơi nước chứa trong 1 kg nhiên liệu.

.

- Nhiệt trị Cao Qo: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối
lượng (1kg) nhiên liệu có kể cả số nhiệt lượng tỏa ra do ngưng tụ hơi nước chứa trong sản
phẩm cháy khi ta làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ trước khi cháy. Vì vậy, Qh thấp
hơn Qo một trị số = nhiệt ẩn hóa hơi của nước chứa trong sản phẩm cháy.
Thông thường biogas có nhiệt trị khoảng 37-50 MJ/kg. Nhiệt trị phụ thuộc vào lượng khí
mêtan có trong thành phần của khí biogas. Lượng khí CH 4 chiếm thể tích càng lớn thì
nhiệt trị càng cao (hình 2.1).

Hình 2.1 Nhiệt trị của biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH 4 [3].
- Khối lượng riêng của CH4 : 0,66 kg/m3

PBG
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

10


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Hình 2.2 Khối lượng riêng của khí biogas theo nhiệt độ và áp suất [3].
2.1.2 Giới hạn cháy.
Giới hạn cháy của biogas là giới hạn dưới và giới hạn trên hàm lượng biogas (% thể

tích biogas) trong hỗn hợp biogas/không khí mà hỗn hợp có thể cháy. Giới hạn cháy của
biogas phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH 4 trong khí biogas.

Hình 2.3 Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CH 4 và hơi nước trong khí biogas [3].
Từ đồ thị (hình 2.3) ta thấy rằng hàm lương khí mêtan trong khí biogas tăng thì giới
hạn cháy giảm, giới hạn cháy là một thông số quan trong trong việc thiết kế bộ hòa trộn
biogas/ không khí của thiết bị - động cơ nhiệt, cũng như hệ thống chống và báo cháy
biogas trong hệ thống lưu trữ và phân phối biogas.
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

11


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

2.1.3 Nhiệt độ cháy cao nhất.
Nhiệt độ cháy cao nhất của hỗn hợp biogas/không khí là một thông số quan trọng
ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của thiết bị - động cơ nhiệt và hàm lượng
NO x trong khí thải của các thiết bị động cơ nhiệt.

Hình 2.4 Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể tích CH 4 và hơi nước trong khí biogas[3].
Từ đồ thị (hình 2.4) ta thấy rằng % CH 4 trong biogas càng lớn thì nhiệt độ cháy
càng cao. Nhiệt độ cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế kết cấu buồng
cháy, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống thải,… của thiết bị- động cơ nhiệt.
2.1.4 Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octane.
Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ mà ở đó vật chất tự cháy mà không cần sự hiện diện
của tia lửa hay ngọn lửa mồi. CH

4

là nhiên liệu khí có nhiệt độ tự cháy rất cao, nên

biogas có nhiệt độ tự cháy cao khoảng 482-632 °C. Với nhiệt độ tự cháy cao như vậy CH 4
được đánh giá là nhiên liệu có khả năng cháy chống kích nổ cao với chỉ số octane 120.

Bảng 2.2 Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu [3].
Nhiên liệu
GVHD: Hồ Trọng Du

Nhiệt độ tự cháy

Chỉ số octane Chỉ số cetane
SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

12


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Methane
Butane
Propane
Diesel
Xăng

(oC)

580
420
480
256
280

(oF)
1076
788
842
494
536

120
109
109
83 - 95

45 - 60
-

2.1.5 Vận tốc cháy.
Vận tốc cháy của hỗn hợp biogas/không khí là vận tốc lan truyền màng lửa trong
hỗn hợp biogas/không khí. Thông số này quyêt định đến kết cấu buồng cháy của thiết bị
cháy, thời điểm đánh lửa hoặc thời điểm phun nhiên liệu mồi. Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc
vào % thể tích CH 4 trong hỗn hợp biogas/ không khí và % thể tích CO 2 trong biogas.

Hình 2.5 Vận tốc cháy phụ thuộc vào lượng CH 4 , CO 2 trong khí biogas.[3].
Từ đồ thị (hình 2.5) ta thấy rằng hàm lượng CO 2 tăng thì vận tốc lan tràn màng lửa sẽ
giảm. Tuy nhiên, vận tốc lan truyền màng lửa của hỗn hợp biogas/ không khí không biến

đổi tuyến tính theo sự thay đổi hàm lượng CH

4

trong hỗn hợp, và vận tốc lan truyền

màng lửa đạt giá trị lớn nhất khi % thể tích CH 4 khoảng 9%-10% thể tích hỗn hợp.
2.2 Tính chất hóa học.
2.2.1 Công thức phân tử: CH4
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

13


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

2.2.2 Công thức cấu tạo:

2.2.3 Thành phần của khí biogas.
Ngoài hai thành phần chính là CH4 và CO2 còn có các tạp chất cơ bản dạng khí có trong
biogas được liệt kê dưới đây:
Bảng 2.3 Thành phần khí biogas [7]
Thành phần
Methane, CH4
Carbon dioxide, CO2
H2O
Hydrogen sulphide, H2S

%
50-75
25-50
0-1
0-3

2.2.4 Cơ chế hình thành khí metan.
Cơ chế 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO 2, H2 và các sản
phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:
CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2
Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
CO + 3H2 → CH4 + H2O
4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2
4HCOOH

→ CH4 + 3CO2 + 3H2O

4CH3OH

→ 3CH4 + 2H2O + CO2

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

14

Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

CH3COOH → CH4 + H2O
2.2.5 Ảnh hưởng của các tạp chất đối với sự hoạt động của động cơ.
Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H 2S và CO2. H2S sau khi cháy sẽ tạo ra
SO2, sau đó nó có thể chuyển một phần thành SO 3. Phần lớn lượng khí này thoát ra ngoài
cùng khí cháy, nhưng có thể một phần kết hợp với hơi nước (nếu có) để tạo ra axit H 2SO4
gây ăn mòn các bề mặt chi tiết của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí. Sự
hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu , mặc dù không phải
là chất chiếm nhiều trong biogas như carbon dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh
hưởng 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 lượng hơi nước có trong biogas . Ngoài ra trong biogas còn có một số tạp chất
khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình cháy,
tuổi thọ của động cơ.
Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta
cần khử hai chất H2S và CO2.

2.3 Công nghệ sản xuất biogas.
2.3.1 Nguồn nguyên liệu ban đầu.
Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực
phẩm...), các chất thải từ quá trình chăn nuôi...
Bảng 2.4 Khả năng sinh gas của một số loại phân.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

15


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Loài gia súc

Lượng gas từ phân Lượng phân gia
(lít/Kg phân)

súc (Kg/ngày)

Trâu bò

22-40

10-15

Heo

40-60

2,5-3,5

Gia cầm

60-115

0,07-0,09

2.3.2 Xử lý nguyên liệu.
Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất là phong phú, đa dạng và trước khi sử
dụng cần phải chọn lọc kỹ và xử lý sao cho phù hợp với yêu cầu và chất lượng sau :
- Giàu cellulose.
- Ít Ligin
- NH4 ban đầu khoảng 2000mg/l
- Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30
- Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước, tỉ lệ phân nước là tốt nhất từ 1/12 – 1/4 khi
đó sự phân hủy trong hầm ủ rất tốt, dịch thải ra rất tốt có màu đen sậm.

2.3.3 Quá trình lên men.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

16


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas[4]
1- Bể lắng cát.

4- Bể đựng chất thải.

2-Ống dẫn phân.

5- Hệ thống lọc H2S và CO2.

3-Ống dẫn bã thải.

6- Bình chứa khí Biogas sạch.

Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát ...rồi qua ống
dẫn phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bể phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí sinh học
như sau:

Hình 2.7 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí sinh học[4]


Giai đoạn I:

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

17


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Những chất hữu cơ phức tạp (chất béo, hydrat cacbon, protein) được vi khuẩn phân
hủy thành những chất hữu cơ đơn giản (các chất tan)


Giai đoạn II: pha acid ( hình thành acid)

Nhờ vi khuẩn tổng hợp acetat các hydratescarbon → acid phân tử lượng thấp (C 2H5
COOH, C3H7 COOH, CH3 COOH…). Các vi khuẩn tham gia trong pha này là:
Bacillusereus, Clostridiumcarnefectium, Pseudomonas.


Giai đoạn III: hình thành khí mêtan

Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân hủy ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí
CH4, CO2, H2S, N2 ,H2 và muối khoáng.
Các vi khuẩn tham gia trong pha này: Methanobacterium omelianskii,
Methanoplopionicum, Methanosuboxydans.
2.3.4

Các hầm biogas.

Hiện nay ở Việt nam đã phát triển nhiều loại hầm biogas. Ngoài những loại hầm
biogas truyền thống được xây bằng xi măng (hình 2.8) và dạng túi (hình 2.9), còn có hầm
biogas được làm bằng vật liệu composite (hình 2.10)….
Khi xây hầm biogas phải xây thật kín đáo tránh việc rò rỉ ra ngoài, nguyên lý hoạt
động của hầm biogas rất đơn giản chỉ gồm 1 đường dẫn phân tươi từ trại chăn nuôi vào
hầm, ở đó phân tươi bị phân hủy tạo khí mêtan (CH 4). Khí mêtan bay lên theo ống dẫn
đến các thiết bị tiêu thụ.
Phân đã được phân hủy đến định mức sẽ theo đường dẫn tràn ra ngoài và hoạt động
này được lặp đi lặp lại tuần hoàn.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú

Nguyễn Văn Minh

18


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Hình 2.8 Mô hình hầm biogas được xây bằng gạch và xi măng.

Hình 2.9 Mô hình hầm biogas bằng túi.
 Theo nguồn tài liệu: ”Hướng dẫn sản xuất và sử dụng khí đốt sinh vật” dịch thuật
từ tài liệu của Liên Hợp Quốc do nhà xuất bản Đồng Nai xuất bản năm 1984. Thông
thường 1 m3 khí biogas có thể sử dụng:
- Chạy 1 động cơ 2HP trong 1giờ.
- Chạy 1 tủ lạnh 300 lít trong 3 giờ.
- Có thể phát sinh ra 1,25 KW điện.
- Thắp sáng đèn Măng Xơng 60 W trong 7 giờ.
- Nấu ăn cho một gia đình 4-6 người.
Phân gia súc như trâu, bò thì 1kg phân pha với 1 lít nước ủ trong 50 ngày phát
sinh 36 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 oC. Phân gia cầm như gà, vịt thì 1
kg phân pha với 1lít nước ủ trong 30 ngày phát sinh 44 lít gas ở điều kiện nhiệt độ
trong hầm 27 oC. Phân của con người thì 200g phân pha với 800ml nước tiểu cùng
với 1lít nước ủ trong 60 ngày phát sinh 24 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 oC.
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

19

Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Nhiệt độ thích hợp nhất cho các cuộc thử nghiệm luợng gas phát sinh là 25 oC
và đây cũng là nhiệt độ trung bình cho các công trình xây dựng hầm ủ khí biogas tại
các nước châu Á.
Ở nhiệt độ trung bình vào khoảng 22 - 26 oC, về mùa đông nhiệt độ thấp
hơn, do đó lượng Gas phát sinh thấp hơn nên đối với từng vùng khí hậu mà hầm ủ
cho ta lượng thể tích khí biogas khác nhau.
Lượng biogas phát sinh nhiều hay ít còn phụ thuộc vào bể chứa sinh khí có
vận hành và sử dụng đúng phương pháp hay không, loại chất thải và tỉ lệ nước – phân.
Lượng phân lấy được từ con người và gia súc gia cầm phụ thuộc vào nguồn
thức ăn, sức khoẻ của sinh vật và đây cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến lượng gas
phát sinh mà ta thu được.
 Giới thiệu về hầm biogas làm bằng vật liệu composite.
- Hầm biogas xây bằng chất liệu nhựa composite có độ bền cao và kín tuyệt đối, vì thế có
thể kiểm tra độ kín ngay sau khi lắp đặt. Không gãy nứt, không bị rò khí trong điều kiện
móng yếu, không bị axit, bazơ ăn mòn…
- Hiệu suất không khí của hầm biogas composite cao và chịu được áp suất lớn và kín tuyệt
đối, có khả năng tự động chuyển hoá lên men kỵ khí 100%.
- Lắp đặt hầm biogas composite không tốn nhiều thời gian và công nhân lắp đặt.
- Hầm biogas composite có áp lực khí gas cao đến 1,6m cột nước và khả năng tự điều áp
khí gas, gas quá nhiều hầm tự động xả khí thông qua hai cột điều áp không cần van an
toàn.
- Hầm biogas composite khi sử dụng không phải lấy phân bã ra khỏi bể mà phân đã phân
huỷ hết còn bã tự động đẩy ra ngoài.
- Hầm biogas composite có thể lắp đặt mọi địa hình khác nhau, đặc biệt vùng trũng khi
đào có nước việc lắp đặt rất đơn giản.
- Di chuyển dễ dàng nếu cần thiết.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

20


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

- Hầm biogas composite có thể lắp đặt thêm nhiều các thiết bị phụ để nâng cao tính hiệu
suất sinh khí như: khử mùi, máy phát điện chạy bằng gas, bình nước nóng chạy bằng
gas...
- Thông thường hầm biogas composite có 3 loại kích thước:
+ Đường kính 1.9m
+ Đường kính 2.25m
+ Đường kính 2.4m

.

Hình 2.10 Mô hình hầm biogas composite.
2.3.5 Lọc biogas (lọc tạp chất).
2.3.5.1 Khử tạp chất của khí biogas.
Thành phần của khí biogas tại một số hầm biogas trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng như
bảng 2.5
Bảng 2.5 Thành phần trung bình khí biogas ở một số cơ sở sản suất
trên địa bàn Đà Nẵng.
CH4% CO2% H2S% N2%
H2O% H2%
68

22,9
5
3
0,1
1
Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H 2S và CO2. H2S sau khi cháy sẽ tạo ra
SOx gây ăn mòn các chi tiết kim loại của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí.
Sự hiện diện của khí CO 2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Ngoài ra trong
biogas còn có một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không
21
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

đáng kể đến quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ. Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất H 2S và CO2, để loại bỏ hai
chất này ta dùng phương pháp hấp phụ đối với H 2S và hấp thụ đối với CO2. Ngoài ra, ta có
thể sử dụng các phương pháp: truyền thống, xử lý thay thế và phương pháp sinh học khử
hai chất H2S và CO2.


Khử H2S

Việc loại bỏ H2S trong thực tế thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ.
Trong phòng thí nghiệm, để khử H2S với hàm lượng bé (như mẫu khí trước khi đưa qua
máy phân tích...) người ta thường dùng oxit kẽm làm chất hấp phụ. Phản ứng khử H2S

được viết như sau:
ZnO + H2S = ZnS + H2O

(1)

Khi oxít kẽm bão hòa, người ta thay hoàn toàn vật liệu mới chứ không hoàn nguyên
vì tính kinh tế thấp.
Để khử H2S với qui mô lớn hơn, người ta dùng oxít sắt. Quá trình hấp phụ và nhả hấp
phụ H2S trên oxít sắt được biểu diễn bằng các phản ứng sau:
- Hấp phụ: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O

(2)

- Nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S

(3)

Tốc độ phản ứng hấp phụ H2S của sắt oxit phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc giữa khí và
bề mặt vật liệu hấp phụ. Do đó để nâng cao tốc độ phản ứng, độ rỗng (xốp) của vật liệu
hấp phụ phải lớn. Điều kiện lý tưởng cho phản ứng hấp phụ H 2S bằng oxit sắt là nhiệt độ
nằm trong khoảng 28 ÷ 30oC và độ ẩm của vật liệu hấp phụ khoảng 30%.
Ngoài oxit sắt người ta còn có thể sử dụng quặng bùn có chứa sắt (III) hydroxit để
khử H2S theo phản ứng sau:
3H2S + 2Fe(OH)3 = Fe2S3 +H2O + 62,5 kJ/mol

(4)

Phản ứng trên diễn ra tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ 28 ÷ 30 oC, độ ẩm vật liệu
khoảng 30%. Sau khi bão hòa, vật liệu hấp phụ được hoàn nguyên bằng oxy trong không
GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

22


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

khí với sự tham gia của hơi nước. Kết quả thu được là hydroxit sắt và lưu huỳnh đơn chất
theo phản ứng:
2Fe2S3 + 3O2 +6H2O = 4Fe(OH)3 + 6S +606 kJ/mol

(5)

Thể tích không khí cấp cho quá trình hoàn nguyên được điều chỉnh tuỳ theo nhiệt độ
và hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí đi vào hệ thống lọc. Vật liệu hấp phụ được xem là
hết tác dụng khi hàm lượng lưu huỳnh chiếm 50% khối lượng vật liệu. Lưu huỳnh tích tụ
trong vật liệu hấp phụ dần dần bao bọc các hạt Fe(OH) 3 và gây cản trở cho sự thâm nhập
của H2S vào bề mặt của các hạt vật liệu hấp phụ. [1]


Khử CO2

Đối với việc loại trừ khí CO 2 ra khỏi biogas, phương pháp đơn giản nhất là sử dụng
nước làm chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ của nước đối với CO 2 dựa trên
các phản ứng sau:
- Ở nhiệt độ thường: H2O + CO2  H2CO3 (hấp thụ)

(6)

- Ở nhiệt độ cao hơn: H2CO3  H2O + CO2 (nhả hấp thụ)

(7)

2.3.5.2 Hệ thống xử lý khí biogas để chạy động cơ đốt trong.
Trên cơ sở nguyên lý loại trừ H2S và CO2 trên đây, trong sơ đồ này, ta chọn phương
pháp đơn giản nhất để thực hiện việc loại bỏ hai chất trên, đó là dùng oxít sắt để khử H 2S
và dùng nước để khử CO2. Khí biogas từ bể sinh khí được dẫn đến bình tách ẩm để ngưng
tụ hơi nước chứa trong nhiên liệu. Sau đó nó được dẫn qua hệ thống lọc tạp chất. Để khử
H2S sử dụng phoi tiện sắt làm chất hấp phụ (hình 2.11).

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

23


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Hình 2.11 Lõi lọc H2S bằng phoi tiện. [1]

Hình 2.12 Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước. [1]
Phoi sắt trong môi trường không khí bị oxy hóa thành oxít sắt Fe 2O3. Quá trình
hấp phụ và nhả hấp phụ theo phản ứng (2), (3). Hệ thống khử H 2S gồm hai bình lọc đặt
song song. Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này có thể dừng lại để hoàn nguyên
hay thay thế vật liệu hấp phụ mới mà không gây cản trở cho việc cung cấp khí biogas.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

24


Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Hoàn nguyên lọc được thực hiện nhờ thổi không khí ấm qua lõi lọc phoi tiện. Nhiệt lượng
cung cấp cho không khí có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ.
Sau khi qua bình lọc H2S, khí biogas được dẫn đến hệ thống khử CO 2. Hệ thống này
gồm bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ. Khí biogas có chứa CO 2 và sương nước chuyển
động ngược chiều trong cột hấp thụ có đường kính 0,25m và chiều cao 3m (hình 2.13).
Sau khi hấp thụ CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phóng
CO2. Nước sạch thu lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hoàn trở lại trong hệ thống.
Nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống này có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải
của động cơ.Trước khi đưa vào động cơ, khí biogas được dẫn qua bình tách ẩm và bình
điều hòa.

Hình 2.13 Hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm. [1]
Kết quả phân tích khí biogas trước khi vào lọc, sau khi qua lọc H 2S và sau khi ra
khỏi hệ thống lọc như dưới bảng 2.6. Kết quả này cho thấy hàm lượng CH 4 tăng từ
69,33% lên 88,09% (tăng 30% so với giá trị ban đầu) do hàm lượng khí CO 2 đã bị nước
hấp thụ (giảm từ 20,63% xuống 8,3%). Hàm lượng H 2S chỉ còn 0,023%, tức chỉ bằng
0,5% so với hàm lượng của nó trong khí biogas trước khi qua lọc. Hàm lượng H 2S tiếp tục
giảm sau khi qua cột hấp thụ CO2 vì một bộ phận tạp chất này cũng bị nước hấp thụ.

GVHD: Hồ Trọng Du

SVTH: Hồ Minh Phú
Nguyễn Văn Minh

25