Luận văn Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 10 kva sử dụng nhiên liệu khí biogas ủ từ phân heo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM T P. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ************* KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS Ủ TỪ PHÂN HEO NGÀNH HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2003-2007 Sinh viên thực hiện: ĐẶNG BÌNH AN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 9 /2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ************* KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS Ủ TỪ PHÂN HEO Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện TS. DƢƠNG NGUYÊN KHANG ĐẶNG BÌNH AN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 9/2007 iii LỜI CẢM TẠ Em xin chân thành cảm tạ:  Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tại trường.  TS.Dương Nguyên Khang Khoa Chăn Nuôi Thú Y đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.  Th. S Nguyễn Đình Hùng Bộ môn Ô tô – máy động lực trường Đại học Bách Khoa đã hết lòng hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.  Gia đình anh Huỳnh Công Bằng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài.  Các anh chị tại trung tâm biogas trường Đại học Nông Lâm TPHCM đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài  Các bạn bè thân yêu của lớp công nghệ sinh học khóa 29 đã chia xẻ cùng tôi những vui buồn trong thời gian học cũng như hết lòng hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gian thực tập.  Các bạn bè ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực tập tốt nghiệp. iv MỤC LỤC Trang Lời cám ơn ........................................................................................................................... i Tóm tắt ................................................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................................... iii Danh sách các bảng ............................................................................................................ iv Danh sách các hình và sơ đồ ................................................................................................ v 1.MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1 1.2.Mục đích và yêu cầu ................................................................................................. 2 1.2.1. Mục đích ........................................................................................................... 2 1.2.2. Yêu cầu ............................................................................................................. 2 2.TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................................. 3 2.1. Lý thuyết vê biogas .................................................................................................. 3 2.1.1. Sơ lược về biogas .............................................................................................. 3 2.1.2. Các sản phẩm của hệ thống biogas ................................................................... 4 2.1.2.1. Khí đốt ........................................................................................................ 4 2.1.2.2. Phân bón ..................................................................................................... 4 2.1.3. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas ....................................... 4 2.1.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas ..................................... 5 2.1.4.1. Điều kiện kỵ khí tuyệt đối .............................................................................. 5 2.1.4.2. Nhiệt độ .......................................................................................................... 5 2.1.4.3. Ẩm độ ............................................................................................................. 6 2.1.4.4. pH ................................................................................................................... 6 2.1.4.5. Thời gian ủ ..................................................................................................... 6 2.1.4.6. Hàm lượng chất rắn........................................................................................ 6 2.1.4.7. Thành phần chất dinh dưỡng ......................................................................... 6 2.1.4.8. Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men ................................................. 7 v 2.1.5. Ảnh hưởng của biogas đến môi trường............................................................. 8 2.1.5.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn ......................................................... 8 2.1.5.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố ...................................................... 8 2.1.5.3 Giảm phát thải khí nhà kính ............................................................................ 9 2.1.6. Tính chất của khí biogas ................................................................................... 9 2.1.6.1. Tính chất vật lý ........................................................................................... 9 2.1.6.2. Tính chất hoá học ..................................................................................... 10 2.1.7. Tiềm năng và ứng dụng của biogas ................................................................ 12 2.1.7.1.. Tiềm năng phát triển của biogas ............................................................. 12 2.1.7.2. Ứng dụng .................................................................................................. 13 2.1.8. Một số hầm ủ yếm khí tạo biogas hiện nay .................................................... 14 2..1.8.1. Hầm ủ dạng vòm ..................................................................................... 14 2.1.8.2. Dạng hầm giếng có khoang chứa gas nổi ................................................. 14 2.1.8.3. Dạng hầm ủ túi dẻo .................................................................................. 14 2.1.8.4. Hầm ủ dạng bê tông composit .................................................................. 14 2.2. Lý thuyết cơ bản về động cơ đốt trong .................................................................. 14 2.2.1. Định nghĩa ....................................................................................................... 14 2.2.2. Khái niệm động cơ đốt trong 4 kỳ .................................................................. 15 2.2.3. Cấu tạo động cơ đốt trong ............................................................................... 16 2.2.3.1.. Bộ phận phát lực ..................................................................................... 16 2.2.3.2 Bộ phận đánh lửa....................................................................................... 17 2.2.3.3. Bộ phận phân phối khí ............................................................................. 17 2.2.3.4. Bộ phận nhiên liệu ................................................................................... 18 2.2.3.5. Bộ phận làm mát ...................................................................................... 19 2.2.3.6. Bộ phận bôi trơn ....................................................................................... 19 2.2.4. Cấu tạo động cơ đã được chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas ....... 20 2.2.5. Khí thải của động cơ đốt trong ............................................................................. 20 2.5.1. Oxit cacbon ..................................................................................................... 21 2.5.2. NOx H2S và SO2 .............................................................................................. 21 2.5.3. Các chất hydrocacbua ..................................................................................... 22 2.5.4. Các hợp chất của chì ....................................................................................... 22 vi 3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 23 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài .................................................................. 23 3.2. Vật liệu, thiết bị sử dụng ....................................................................................... 23 3.3. Phương pháp, bố trí thí nghiệm ............................................................................ 23 3.3.1. Giai đoạn 1 ...................................................................................................... 23 3.3.1.1. Bước 1 ...................................................................................................... 24 3.3.1.2. Bước 2 ...................................................................................................... 24 3.3.1.3. Bước 3 ...................................................................................................... 24 3.3.2. Giai đoạn 2 .................................................................................................. 24 3.3.2.1. Bước 1 ...................................................................................................... 25 3.3.2.2. Bước 2 ...................................................................................................... 25 3.3.2.3. Bước 3 ...................................................................................................... 25 3.3.3. Giai đoạn 3 ...................................................................................................... 25 4. Kết quả và thảo luận ....................................................................................................... 26 4.1. 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 ............................................. 26 4.2 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. ................................................... 30 4.3. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng biogas ..................................................................... 35 5. Kết luận và đề nghị ........................................................................................................ 37 5.1. Kết luận .................................................................................................................. 37 5.2. Đề nghị .................................................................................................................. 37 6. Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 38 vii DANH SÁCH CÁC BẢNG TÊN BẢNG TRANG Bảng 2.1. Thành phần hoá học khí biogas ..................................................... 4 Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí ..................... 7 Bảng 2.3. Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí ................ 7 Bảng 2.4. Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas ...................................... 8 Bảng 2.5. Bảng thống kê số lượng khí biogas sinh ra từ phân gia súc ......... 12 Bảng 2.6. Bảng thống kê số lượng phân trong ngày của gia súc .................. 12 Bảng 2.7. Hàm lượng các chất trong khí thải động cơ ................................. 21 Bảng 4.1. 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 ....... 27 Bảng 4.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng .................................................................... 26 Bảng 4.3. 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. ............ 31 Bảng 4.4. Bảng giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng .......... 35 Bảng 4.5. Bảng giá thành một số loại hầm biogas ........................................ 35 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ TÊN HÌNH TRANG Hình 2.1 Sơ đồ phân hủy kỵ khí tạo CH4 ....................................................... 5 Hình 2.2 Sơ đồ chu chuyển CO2 .................................................................... 9 Hình 2.3 Các kỳ của động cơ đốt trong 4 kỳ .............................................. 16 Hình 2.4 Sơ đồ bộ chế hòa khí ...................................................................... 19 Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải ................ 28 Hình 4.2. Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải ..................... 28 Hình 4.3. Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải ........................... 33 Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải ...................... 33 1 Chƣơng 1. MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu cầu năng lượng về dầu mỏ nhằm đáp ứng nhu cầu cho các hoạt động sống của con người ngày càng lớn, nhưng khả năng cung cấp nó thì ngày càng giảm. Người ta dự tính khoảng 100 năm nữa nguồn năng lượng từ thiên nhiên như dầu mỏ, than đá … sẽ cạn kiệt. Đây thật sự là một thách thức to lớn đối với toàn thể ngành năng lượng của thế giới mà trong đó có Việt Nam. Vậy làm sao có nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống là điều mà nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu ứng dụng từ lâu. Riêng đối với Việt Nam là một nước đang phát triển, đời sống nhân dân còn nhiều khó khăn cộng với những vấn đề về môi trường nên nguồn năng lượng mới phải đáp ứng thêm hai yêu cầu sạch và rẽ tiền. Phân tích đặc điểm của nền kinh tế, và phát triển khoa học kỹ thuật của đất nước, chúng ta nhận thấy Việt Nam là nước đang trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá có nền nông nghiệp phát triển. Trong đó chăn nuôi quy mô lớn ngày càng phát triển, vì thế số lượng chất thải vô cùng lớn. Hiện nay người dân thường sử dụng phân chuồng bón cho cây trồng hoặc dùng làm thức ăn cho cá, gia súc… Điều đó rất có hại cho môi trường và lãng phí bởi vì phân bò, phân heo khi cho ủ lên men trong điều kiện yếm khí sẽ tạo ra một lượng khí mêtan (CH4) có thể dùng để đốt cháy như khí gas thiên nhiên. Ngoài ra, thiết kế hệ thống biogas còn giúp giảm đáng kể tác hại ô nhiễm môi trường do chăn nuôi. Hơn nữa, khí mêtan cũng có thể được sử dụng để sản xuất nguồn năng lượng quan trọng khác là năng lượng điện. Trên cơ sở đó, được sự đồng ý của bộ môn Công nghệ sinh học và sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Dương Nguyên Khang, chúng tôi tiến hành đề tài: “Bƣớc đầu khảo sát hoạt động của máy phát điện loại 10 kVA chạy bằng nhiên liệu khí biogas đƣợc ủ từ phân heo”. 2 1.2. Mục đích và yêu cầu 1.2.1 Mục đích Tận dụng gas sinh ra từ phân heo được lên men yếm khí để chạy máy phát điện loại 10 kVA để sản xuất điện. 1.2.2 Yêu cầu  Ghi nhận lượng khí biogas hoặc xăng cần để chạy máy phát điện công suất 10 kVA trong vòng 1 giờ ở chế độ không và có tải.  Ghi nhận công suất và khả năng tải của máy phát điện khi chạy bằng biogas hoặc xăng ở chế độ không tải và có tải.  Xác định thành phần khí xả ra từ máy khi chạy bằng biogas hoặc xăng ở chế độ không tải và có tải. 3 Chƣơng 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Lý thuyết về biogas 2.1.1. Sơ lƣợc 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 [9]. 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 [2]. 4  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 2.1.2. Các sản phẩm của hệ thống biogas 2.1.2.1. 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. Khí 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 [7]. 2.1.2.2. 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. 2.1.3. 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 5 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