Luận văn Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 KVA sử dụng nhiên liệu boigas được ủ từ phân heo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ************ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 2 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS ĐƢỢC Ủ TỪ PHÂN HEO Ngành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2003 – 2007 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC DŨNG Thành Phố Hồ Chí Minh - 2007 – BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ************ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 2 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS ĐƢỢC Ủ TỪ PHÂN HEO Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện TS. DƢƠNG NGUYÊN KHANG NGUYỄN QUỐC DŨNG Thành Phố Hồ Chí Minh - 2007 - iii LỜI CẢM ƠN Con xin thành kính ghi ơn ba má, hai ngƣời suốt đời trăn trở, dốc hết công lao cho con đƣợc ngày hôm nay. Em xin ghi khắc ơn sâu của các anh chị, những ngƣời luôn dành mọi điều kiện tốt đẹp cho em ăn học nên ngƣời. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến. Ban giám hiệu trƣờng Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, ban chủ nhiệm Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học cùng Quý thầy cô đã tạo điều kiện tốt đẹp cũng nhƣ truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng. Em xin trân trọng biết ơn thầy Dƣơng Nguyên Khang và Thầy Nguyễn Đình Hùng, đã hết lòng hƣớng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quí báu cho em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp. Em xin cảm ơn anh Huỳnh Công Bằng ngƣời đã tạo điều kiện cho em tiến hành đề tài trong suốt thời gian thực tập. Xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn An, Bảo, Thái, Kha và các bạn cùng phòng ngƣời đã chia sẽ những khó khăn, vui buồn trong suốt quá trình thực hiện. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhƣng do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu xót. Chúng tôi rất mong sự đóng góp của thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Quốc Dũng TÓM TẮT KHÓA LUẬN iv Nguyễn Quốc Dũng, đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2007, thực hiện đề tài: “khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 kVA sử dụng nhiên liệu khí biogas đƣợc ủ từ phân heo” dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Dƣơng Nguyên Khang. Đề tài đƣợc tiến hành: Từ ngày 15/ 3/2007 – 21/8/2007, tại trại heo gia đình anh Huỳnh Công Bằng số 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh và tại trại bò trƣờng Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh Mục tiêu của đề tài là tận dụng gas sinh ra từ phân heo đƣợc lên men yếm khí để chạy máy phát điện loại 2 kVA để sản xuất điện sạch đáp ứng tình hình thiếu điện trầm trọng hiện nay. Thí nghiệm đƣợc tiến hành so sánh động cơ chạy bằng khí biogas hoặc xăng ở ba mức tải nhỏ, vừa và cao đƣợc lặp lại 10 lần mỗi lần cách nhau 7 ngày trong thời gian khảo sát Kết quả thu đƣợc ở 3 mức tải nhƣ sau:  Độ chênh lệch giữa công suất máy chạy bằng biogas hoặc xăng tƣơng đƣơng nhau: ở xăng lần lƣợt từ thấp, trung bình, và cao là 161,6 W; 851,6 W; 1.618 W, còn ở biogas là 162,5 W; 700,2 W; 1163 W.  Khí thải khi chạy bằng biogas ít ô nhiễm môi trƣờng hơn so với khi chạy bằng xăng và đều đạt tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2. Hàm lƣợng CO HC NOx Thấp Tb Cao Thấp Tb Cao Thấp Tb Cao Xăng : 5 6 6 617 274 136 23 21 20 Biogas: 0.06 0.53 0.04 16,9 23,9 23,1 22,6 23,2 23,2 Euro 1: 3,16 3,16 3,16 1130 1130 1130 140 140 140 Euro 2: 2,2 2,2 2,2 500 500 500 190 190 190 v  Hiệu quả kinh tế khi chạy ở chế độ không tải công suất thấp thì 1 lít xăng tƣơng đƣơng 0,6 m3 gas; khi ở chế độ công suất trung bình thì 1 lít xăng tƣơng đƣơng với 0,58 m3; và ở công suất cao thì 1 lít xăng tƣơng đƣơng với 0,5 m3 gas.  Kết luận: sử dụng năng lƣợng mới gas sinh học đảm bảo máy phát điện vận hành tốt, công suất máy phát điện của 2 loại nhiên liệu chênh lệch không nhiều, nồng độ khí thải của nhiên liệu gas sinh học thấp và đạt tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2. Hiệu quả kinh tế so với sử dụng xăng là rất cao. vi MỤC LỤC Trang Tựa Trang Lời cảm ơn ..................................................................................................................... iii Tóm tắt ........................................................................................................................... iv Mục lục ............................................................................................................................ v Danh sách các bảng ....................................................................................................... vii Danh sách các hình ....................................................................................................... viii Danh sách chữ viết tắt .................................................................................................... ix Chƣơng 1 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 Chƣơng 2 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................................................... 3 2.1. Sơ lƣợt về thành phần hóa học và tính chất khí sinh học biogas ............................. 3 2.1.1. Định nghĩa ............................................................................................................. 3 2.1.2. Thành phần ............................................................................................................ 3 2.1.3. Tính chất vật lý, hóa học …… .............................................................................. 3 2.1.4. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas ........................................... 6 2.1.5. Một số mô hình tạo khí biogas đang đƣợc ứng dụng hiện nay ............................. 7 2.1.6. Tiềm năng và ý nghĩa của biogas ......................................................................... 9 2.2. Tình hình nghiên cứu biogas trong và ngoài nƣớc ................................................ 11 2.2.1. Tình hình trong nƣớc ........................................................................................... 11 2.2.2. Tình hình ngoài nƣớc .......................................................................................... 11 2.3. Sơ lƣợt vài nét về động cơ máy 2 kVA ................................................................. 12 2.3.1. Khái niệm động cơ đốt trong bốn kỳ .................................................................. 12 2.3.2. Cấu tạo động cơ đốt trong .................................................................................... 13 vii 2.3.2.1. Bộ phận phát lực ...................................................................................................... 13 2.3.2.2. Bộ phận đánh lửa ............................................................................................. 14 2.3.2.3. Bộ phận phân phối khí ..................................................................................... 15 2.3.2.4. Bộ phận nhiên liệu ........................................................................................... 15 2.3.3. Cấu tạo động cơ đã đƣợc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas ............... 17 2.3.4. Một số động cơ sử dụng biogas thƣờng gặp ...................................................... 18 2.3.5. Khí thải của động cơ đốt trong ............................................................................ 22 2.3.5.1. Oxit cacbon (COx) ...................................................................................................... 22 2.3.5.2. NOx , H2S và SO2 ......................................................................................................................................................... 22 2.3.5.3. Các chất hydrocacbua ......................................................................................... 23 2.3.5.4 . Các hợp chất chì ............................................................................................... 23 Chƣơng 3 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài ................................................................... 24 3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng .................................................................................... 24 3.3. Phƣơng pháp thí nhiệm .......................................................................................... 24 Chƣơng 4 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải. ..................................................... 28 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải ............................................................ 33 4.3. Hiệu quả kinh tế của máy nổ phát điện sử dụng biogas hoặc xăng. ...................... 37 Chƣơng 5 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1. Kết luận .................................................................................................................. 39 5.2. Đề nghị ................................................................................................................... 39 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO 7. PHỤ LỤC viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 2.1. Thành phần hoá học khí biogas .............................................................. 3 Bảng 2.2. Hàm lƣợng các chất trong khí thải ........................................................ 22 Bảng 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải ....................................... 28 Bảng 4.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng ......... 29 Bảng 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải ............................................. 33 Bảng 4.4. Giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng .......................... 37 Bảng 4.5. Bảng giá thành một số loại hầm biogas ................................................. 37 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH TÊN HÌNH TRANG Hình 2.1: Các kỳ động cơ đốt trong 4 kỳ ..................................................................... 13 Hình 2.2: Sơ đồ bộ chế hòa khí .................................................................................... 16 Hình 2.3: Động cơ gas sử dụng phƣơng pháp hòa trộn trƣớc ...................................... 18 Hình 2.4: Động cơ Diesel Gas ..................................................................................... 19 Hình 2.5: Động cơ gas sử dụng phƣơng pháp hòa trộn trƣớc có buồng cháy phụ ...... 19 Hình 2.6: Động cơ gas sử dụng phƣơng pháp phun trên đƣờng ống nạp .................... 20 Hình 2.7: Động cơ Gas Diesel ..................................................................................... 21 Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lƣợng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải ................................................................................... 30 Hình 4.2. Biểu đồ lƣợng khí CO, CO2, O2 và thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải .................................................................................... 31 Hình 4.3. Biểu đồ so sánh lƣợng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải .......................................................................................... 35 Hình 4.4. Biểu đồ so sánh lƣợng khí HC, NOx thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải. .................................................................................................. 35 x DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT 1. MCCT: Môi chất công tác 2. ĐCT: Điểm chết trên 3. Điểm chết dƣới 4. CNSH: Công nghệ Sinh Học 5. NLx: Nhiên liệu xăng 6. NLb: Nhiên liệu biogas 7. Wtt: Công suất thực tế 8. Wlt: Công suất lý thuyết 9. TS: Tiến sĩ 1 Chƣơng 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Nƣớc ta là nƣớc có nền nông nghiệp lâu đời, ngƣời nông dân chúng ta thƣờng sử dụng phân chuồng bón cho cây trồng, làm thức ăn cho cá…Ngoài ra, khi ủ phân heo và phân bò bằng cách lên men vi sinh vật trong điều kiện yếm khí sẽ cho lƣợng khí metan rất lớn, lƣợng khí metan này có thể tạo ra nguồn năng lƣợng lớn để thay thế nguồn năng lƣợng truyền thống, giảm thiểu chi phí điện năng. Việc tái sử dụng nguồn khí thải sinh học chạy máy phát điện còn góp phần hạn chế tối đa ô nhiễm môi trƣờng do các khí thải từ các động cơ nổ gây ra. Đây là một hƣớng nghiên cứu đầy hứa hẹn nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi, mang lại lợi ích kinh tế, cung cấp nguồn năng lƣợng sạch cho vùng sâu vùng xa mà điện lƣới quốc gia chƣa vƣơn tới. Từ trƣớc đến nay khí sinh học từ các hầm biogas chủ yếu đƣợc sử dụng vào việc đun nấu mà chƣa sử dụng vào nhiều mục đích khác. Trong lúc đó do nhu cầu sử dụng nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ, khí đốt ngày càng khan hiếm không đáp ứng đƣợc yêu cầu sản xuất. Vì lẻ đó tận dụng lƣợng gas sinh ra từ hầm ủ yếm khí biogas để chạy máy phát điện đang là vấn đề thời sự. Nhiều khảo sát đã cho thấy rằng máy nổ chạy bằng nhiên liệu gas sinh học có lƣợng khí xả sạch đạt tiêu chuẩn EURO I và sản xuất đƣợc năng lƣợng điện có giá thành rất rẻ. Ở Việt Nam hiện nay đã có một số cơ sở tƣ nhân lắp ráp chế tạo máy phát điện từ các động cơ nổ của xe hơi cũ đang vận hành rất tốt. Tuy nhiên chƣa có một đề tài nào ghi nhận các thông số kỹ thuật về mức sử dụng nhiên liệu, hàm lƣợng khí xả vào môi trƣờng, tiếng ồn tạo ra…từ hoạt động của máy nổ. Xuất phát từ những nguyên nhân đó đƣợc sự đồng ý của Bộ môn Công Nghệ Sinh Học cùng với sự hƣớng dẫn của TS. Dƣơng Nguyên Khang chúng tôi tiến hành đề tài: “Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 kVA sử dụng nhiên liệu 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 đƣợc lên men yếm khí chạy máy phát điện loại 2 kVA để sản xuất điện sạch. 1.2.2. Yêu cầu  Ghi nhận lƣợng khí biogas hoặc xăng cần để chạy máy phát điện công suất 2 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. Sơ lƣợt về thành phần hóa học và tính chất khí sinh học biogas[1] 2.1.1. Định nghĩa Biogas là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau gồm: metan (CH4), cacbon dioxit (CO2), hydro sulfit (H2S), nitơ (N2), và một lƣợng 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 trƣờng yếm khí. 2.1.2. Thành phần Bảng 2.1. Thành phần hoá học khí biogas Loại khí Lƣợng Đơn vị CH4 40-70 % thể tích CO2 30-60 % thể tích Hơi nƣớc 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 2.1.3. Tính chất vật lý, hóa học a. Tính chất vật lý Nhiệt trị 4-8 KWh/m3 Khối lƣợng riêng 1,2 kG/m3 Nhiệt độ bắt lửa 700 C0 Thể tích tăng khi cháy 6-12 % b. Tính chất hoá học Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất nên nó mang tính chất hoá học của từng chất có trong thành phần biogas. Ở phần này chỉ nói về tính chất vật lý cũng nhƣ sơ lƣợc về tính chất hoá học của từng thành phần trong biogas còn cơ chế sinh ra các 4 chất đƣợc trình bày cụ thể trong phần lên men tạo CH4 là thành phần chính của biogas. Metan (CH4) Metan là dạng parafin có công thức cấu tạo chung CnH2n+1.  Tính chất vật lý Metan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ đông đặc -182,5 0C, nhiệt độ hoá lỏng -161,6 0C. Ở 25 0C, áp suất 1atm. Metan có khối lƣợng riêng 0,660 kg/m3. Metan là chất dễ cháy, nhiệt độ bắt lửa 537 0C, nhiệt độ khi cháy có thể đạt đến 2148 0C, tỉ lệ có thể bắt lửa (5 – 15)% thể tích. Đốt cháy hoàn toàn 1m3 metan sinh ra năng lƣợng khoảng (5500 – 6000) kcal.  Tính chất hoá học Phƣơng trình cháy: CH4 + O2 = CO2 + 2H2O + Q Khí cacbonic (CO2) Khí cacbonic không phản ứng với khí O2 nên không tham gia vào quá trình cháy của động cơ. Tuy nhiên, lƣợng CO2 có trong biogas chiếm 30 – 60% làm giảm thể tích của CH4, làm ảnh hƣởng đến công suất của động cơ. Khí nitơ (N2)  Tính chất vật lý Nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị. Khối lƣợng 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 63,34 0K và hoá lỏng ở 77,4 0K.  Tính chất hoá học Ở nhiệt độ bình thƣờng, 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 lƣợng 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. 5  Tính chất vật lý Amoniac có mùi khai, không màu nhẹ hơn không khí 0,589 lần, khối lƣợng riêng 0,6381 kg/m3, nhiệt độ đông đặc -77,730C, nhiệt độ hoá lỏng -33,340C. Ở 00C, 88,9g amoniac có thể hoà tan hoàn toàn trong 100 ml nƣớc.  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: phƣơng trình phản ứng: 4NH3 +5O2 = 4NO + 6H2O Khí hydro sulfua (H2S)  Tính chất vật lý Là chất khí không màu, có mùi trứng thối. Khối lƣợng riêng 1,363 Kg/m3, nhiệt độ đông đặc -82,30C, nhiệt độ hoá lỏng -60,280C, có thể hoà tan vào nƣớc tạo dung dịch acid H2S, độ hoà tan thấp, ở 40 0 C 0,25g H2S hoà tan hoàn toàn vào 100 ml nƣớc.  Tính chất hoá học H2S là khí độc ảnh hƣởng đến sức khoẻ con ngƣời. Lƣợng H2S trong không khí dƣới 0,0047 ppm ngƣời ta ngửi thấy mùi trứng thối, trên1000 ppm sẽ ảnh hƣởng nghiêm trọng đến đƣờng hô hấp. H2S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao H2S phản ứng với oxi tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn, có thể ăn mòn kim loại rất nhanh. Phƣơng trình phản ứng: 2 H2S + 3 O2 = 2 H2SO3 H2S + 2 O2 = H2SO4 Do trong biogas thành phần H2S có khả năng làm mòn động cơ nên biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ta phải tiến hành khử, lọc đi thành phần H2S. Hơi nƣớc Trong không khí luôn luôn tồn tại một lƣợng hơi nƣớc nên thành phần của biogas cũng chứa một lƣợng hơi nƣớc đáng kể có ảnh hƣởng đến quá trình cháy làm giảm lƣợng nhiệt sinh ra. 6 Các thành phần khác Trong biogas còn có một số loại khí khác nhƣng chỉ chiếm một lƣợng nhỏ, không đáng kể và cũng không gây ảnh hƣởng đến tính chất của biogas. 2.1.4. 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 đƣợc thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dƣới 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 chủ