Xem mẫu
- CHƯƠNG 2
NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ BIOMASS
2.1.1. Khái niệm về biomass
Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch),
bao gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, ….
Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy
nhiên biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng
cả trên phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. Gần đây, nhu cầu về năng
lượng cung cấp cho các phương tiện chuyển động ngày càng tăng đồng thời ý thức
về môi trường cũng tăng lên trong khuôn khổ toàn cầu đã buộc chúng ta phải suy
nghĩ lại về việc sử dụng biomass.
Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn.
Biomass có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành
các dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí. Hình 2.1. trình bày tổng quát các phương
pháp sử dụng biomass.
Nguồn Biomass: gỗ,
thân cây, cành cây,
rơm rạ, phân gia Nhiệt
súc, năng
Các quá
trình chế
biến: Nhiên
nhiệt liệu
Điện
phân, lên Biomass Máy
năng
men, yếm phát
khí, … điện
Động cơ
nhiệt
Nhiên liệu trung
gian: than củi, khí
Cơ
tổng hợp, khí metan,
năng
nhiên liệu lỏng,
etanol, …
Hình 2.1. Các phương pháp sử dụng biomass.
Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích lấy ra từ biomass gấp khoảng 6 lần nhu
cầu năng lượng hiện nay trên toàn thế giới. Tuy nhiên, để có thể thay thế nhiên
liệu hoá thạch bằng năng lượng từ biomass là cả một vấn đề lớn, lâu dài, bởi vì
63
- bên cạnh những ưu điểm, việc sử dụng năng lượng từ biomass hiện tại còn gặp
một số khó khăn như sau:
- Ưu điểm:
1. Rất sẵn có và phân bố rộng khắp trên toàn thế giới.
2. Có thể dự trữ được
3. Có khả năng tái tạo
4. Chuyển đổi dễ dàng
5. Mức đầu tư đa dạng tuỳ thuộc vào công nghệ, có thể giảm đến mức tối
thiểu nên phù hợp với mọi đối tượng có mức độ thu nhập khác nhau.
6. Có thể có tính kinh tế trong những điều kiện đặc thù của địa phương,
nhất là những đơn vị kinh tế nhỏ có điều kiện vận chuyển phù hợp.
7. Có thể phát triển ở trình độ thủ công.
8. Tạo việc làm và tăng thu nhập.
9. Không gây hại cho hệ sinh thái và an toàn đối với môi trường.
10. Không làm tăng lượng khí nhà kính CO2 trong khí quyển.
- Hạn chế:
1. Đòi hỏi diện tích đất sử dụng lớn, cạnh tranh với đất canh tác
2. Nguồn cung cấp không chắc chắn trong thời gian đầu.
3. Yêu cầu chi phí về phân bón, đất và nước.
4. Cồng kềnh, khó khăn trong khâu vận chuyển và dự trữ.
5. Thay đổi thất thường theo điều kiện khí hậu.
2.1.2. Các nguồn nguyên liệu biomass
Các nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học bao gồm phế thải
nông nghiệp, các loại thực vật cho năng lượng, thực vật biển và tảo. Các nguồn
biomass này trải rộng trên toàn cầu và được coi là nguồn nhiên liệu bổ sung quan
trọng cho dầu mỏ.
a) Nguồn phế thải nông nghiệp
- Phế thải thực vật
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định số lượng phế thải thực vật
được sản xuất trên nhiều vùng khác nhau. Thông tin thu thập đ ược từ các chương
trình nghiên cứu này bao gồm: sản lượng hàng năm, cách sử dụng hiện tại, phương
pháp sử dụng đề nghị và những cản trở việc sử dụng phế thải đúng cách.
Các phế thải dễ tiếp cận như vỏ trấu, thân, cành cây, lá, cuống hoa, dây leo
và rễ luôn là những nguồn năng lượng quan trọng ở vùng nông thôn tại các nước
đang phát triển. Số lượng phế thải của mỗi loại cây trồng được ước tính dựa vào
hệ số phế thải như trình bày trong bảng 2.1. Khoảng giá trị của mỗi hệ số tương
đối rộng do phương pháp thu hoạch khác nhau, đồng thời có thể do số liệu thu
thập không chính xác, nhưng một điều hiển nhiên là số lượng phế thải thu được
hàng năm là rất lớn. Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây
64
- trồng có thể ước tính lượng phế thải sản xuất ở các nước khác nhau và trên toàn
thế giới (bảng 2.2).
Bảng 2.1. Hệ số phế thải đối với một số cây trồng chính
Cây trồng Hệ số phế thải
STT
1 Lúa 0,75 – 2,51
2 Lúa mì 1,10 – 2,57
3 Ngô 0,55 – 1,30
Lúa mạch
4 0,82 – 1,50
Yến mạch
5 1,20 – 1,75
Luá miến
6 0,85 – 1,90
7 Khoai tây 0,20 – 0,30
Đậu tương
8 1,10 – 2,60
9 Mía 0,20 – 0,25
10 Bông 1,40 – 3,00
Cải dầu
11 1,85 – 2,0
Bảng 2.2. Sản lượng phế thải của một số loại cây trồng chính trên thế
giới
Khu vực Tổng sản
STT Ngũ Cây Cây Mía %
cốc có củ họ đường lượng
đậu
(Mt) (Mt) (Mt)
(Mt)
(Mt)
1 Nam Mỹ 430 3 2 5 440 19
2 Châu Âu 330 22 4 - 356 15
3 Liên Xô (cũ) 203 18 8 - 229 10
Mỹ Latin
4 118 9 7 58 192 8
5 Châu Phi 99 15 8 10 132 6
6 Châu Á 836 44 38 54 972 41
Châu Đại Dương
7 29 - - 5 34 1
Các nước phát
8 1035 46 14 13 1108 47
triển
9 Các nước đang 1009 66 53 119 1247 53
phát triển
10 Toàn thế giới 2044 112 67 132 2355 100
Không phải tất cả các loại phế thải đều có thể sử dụng làm nhiên liệu. Phế
thải nói chung có rất nhiều công dụng, như làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón,
làm nguyên liệu công nghiệp và nguyên liệu chế biến. Cần phân biệt lượng phế
thải tổng cộng và lượng phế thải có thể sử dụng được trong thực tế. Một loại phế
thải có thể có nhiều công dụng khác nhau. Ví dụ: thân cây lúa (rơm rạ) có thể s ử
65
- dụng để che phủ bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật
hoạt động, tăng khả năng trao đổi cation và giảm cacbonic. Năng lượng chứa trong
phế thải thực vật có thể tính theo số liệu ở bảng 2.3.
Bảng 2.3. Năng suất phế thải từ ngũ cốc ở các nước đang phát triển
Năng suất cây trồng Tỷ số cây Sản lượng phế thải
trồng/phế
(t/ha.năm) (t/ha.năm)
Tên nước
STT
thải
Khoảng Khoảng
Trung Trung
bình bình
1 Lúa 0,7 – 5,7 2,5 1:2 1,4 – 11,4 5,0
2 Lúa mì 0,6 – 3,6 1,5 1:1,75 1,1 – 6,1 2,6
3 Ngô 0,5 – 3,7 1,7 1:2,5 1,3 – 9,3 4,3
Luá miến
4 0,3 – 3,2 1,0 1:2,5 0,8 – 8 2,5
Lúa mạch
5 0,4 – 3,1 2,0 1:2 0,7 – 5,4 3,5
6 Kê 0,5 – 3,7 0,6 1:2 1,0 – 7,4 1,2
Năng lượng thu được từ phế thải của ngũ cốc tính theo đầu người ở một số
nước đang phát triển được đánh giá một cách tương đối như trình bày ở bảng 2.4.
Bảng 2.4. Năng lượng thu được từ phế thải ngũ cốc ở một số nước trên
thế giới
Tên nước Năng lượng từ phế thải
STT
ngũ cốc (GJ/người.năm)
1 Achentina 25,0
2 Thái Lan 9,3
3 Malauy 8,6
4 Brasil 8,1
5 Nepal 7,1
Trung Quốc
6 6,8
Ấn Độ
7 5,5
8 Bănglađet 4,3
9 Ethiopia 3,3
10 Pêru 2,9
11 Somalia 2,1
12 Cônggô 1,1
Trung bình tại các nước đang phát triển 5,6
- Phân động vật là một dạng phế thải quan trọng ở các nước đang phát
triển. Cũng như phế thải thực vật, phân động vật có thể được sử dụng theo nhiều
cách như bón thẳng ra ruộng, ủ để làm phân hữu cơ hoặc sản xuất khí sinh hoc
(biogas).
b) Cây trồng làm nhiên liệu
66
- - Cây hàng năm: Nhiều loại cây trồng hàng năm có thể sử dụng làm nguyên
liệu để sản xuất nhiên liệu như ngô, mía, củ cải đường, … Tỷ số năng l ượng
của các loại cây này (là tỷ số giữa năng lượng đầu ra so với tổng năng lượng đầu
vào để sản xuất và chế biến một loại nhiên liệu từ biomass) nằm trong khoảng 1
÷ 17. Tuy nhiên hiện nay việc chế biến nhiên liệu từ sản phẩm của cây trồng hàng
năm còn gặp nhiều khó khăn do tính kinh tế thấp và tính cạnh tranh với cây l ương
thực.
- Cây rừng và cây lâu năm: Mặc dù rất khó đo đếm, nhưng phải thừa nhận
rằng nguồn tài nguyên rừng trên thế giới là vô cùng lớn. Theo ước tính, tổng diện
tích rừng trên thế giới vào khoảng 3800.106 ha, hàng năm có thể cho 19.109 m3 gỗ
với 51% từ các vùng nhiệt đới. Trong tổng sản lượng gỗ nói trên, có 11% đang
được sử dụng – 2% cho công nghiệp và 9% làm nhiên liệu.
Mặc dù diện tích rừng rất lớn và trải rộng nhưng phân bố không đ ều. Nạn
phá rừng đang là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển, và nhiều
thảm hoạ đã xảy ra ở những vùng mà tốc độ khai thác gỗ làm củi đun nhanh hơn
tốc độ phát triển của cây rừng hàng năm.
- Cây lấy dầu: Gần đây người ta quan tâm nhiều đến các cây lấy dầu như
hướng dương, đậu tương, lạc, cải dầu, cọ, đậu cọc rào, … Nhiều chương trình
nghiên cứu về kỹ thuật sản xuất, ép dầu và tinh chế dầu thực vật làm nhiên liệu
đang được tiến hành ở Nam Phi, Brasil, Úc, Mỹ và Đức.
c) Cây sống dưới nước:
- Cây nước ngọt: Cây nước ngọt rất đa dạng, từ vi tảo đến những cây lớn
sống ở đầm lầy như cây đuôi mèo, lan dạ hương, đước… Những loại cây này có
thể cho khối lượng lớn biomass, tới hơn 45 tấn/ha.năm. Số liệu về cây nước ngọt
hiện còn rất hạn chế.
- Cây nước mặn: Tảo khổng lồ được trồng và khai thác nhờ các trang trại
trên biển. Hàng năm trên thế giới thu được khoảng 2 triệu tấn loại tảo này, nhưng
các chuyên gia ước tính rằng tiềm năng thực tế phải lớn gấp 10 lần con s ố này.
Đây là nguồn nguyên liệu lớn để sản xuất khí đốt tự nhiên (methane). Tuy nhiên
việc canh tác trên biển đang gặp những khó khăn lớn mà đ ến nay vẫn ch ưa gi ải
quyết được.
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS
Năng lượng được coi là cơ sở để tạo ra công có ích trong các thiết bị nhiệt.
Nhiệt năng là một dạng của năng lượng. Biomass có thể được đốt trực tiếp để
sinh nhiệt hoặc chế biến thành các dạng nhiên liệu thuận tiện cho sử dụng, bao
gồm nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí.
2.2.1. Sản xuất nhiên liệu rắn từ biomass
Nhiên liệu rắn là loại biomass thô bao gồm gỗ, củi, phế thải nông nghiệp và
than củi. Đây là loại nhiên liệu chiếm ưu thế ở các nước đang phát triển đ ược s ử
dụng để đun nấu đồng thời cho các ứng dụng nhiệt quan trọng khác.
67
- Các phương pháp đốt gỗ để tạo than củi được biết đến từ lâu trên thế giới,
song phát triển cao nhất trong lĩnh vực này phải kể đến các thiết bị đ ốt gỗ khác
nhau, nhất là đốt gỗ cắt đoạn được sử dụng ở Đức và Áo với các giải pháp kỹ
thuật hoàn thiện.
Đối với các loại nguyên liệu sinh hoá khác nhau thì tuỳ theo yêu cầu mà có
thể tạo dạng buồng đốt khác nhau hoặc tiến hành điều chỉnh từng phần. Đối với
những hỗn hợp gồm nhiều nguyên liệu khác nhau cũng cần quan tâm đ ến việc s ử
dụng hỗn hợp đốt hoặc thiết kế quá trình đốt nối tiếp các nguyên liệu trong một
thiết bị mà vẫn giữ nguyên yêu cầu của khí đốt. Kỹ thuật đốt tuần hoàn xoáy theo
lớp có những truyền thống. Các thiết bị đốt cây thân thảo (cỏ, thân cây lương thực,
…) phát triển mạnh ở Đan Mạch.
2.2.2. Nhiên liệu lỏng từ biomass
Nhiên liệu lỏng sản xuất từ biomass gồm ba loại chính: methanol sản xuất
bằng việc tổng hợp các chất khí; ethanol là sản phẩm lên men từ đ ường, tinh bột
hoặc các chất xenlulô; dầu thực vật được sản xuất từ các loại hạt thực vật có dầu
dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Việc sản xuất rượu cồn từ vật liệu sinh học (bioethanol) xuất phát từ thực
vật chứa đường, tinh bột hoặc xenlulô. Trọng tâm của phương pháp là một quá
trình lên men để phân giải đường. Thực vật chứa đường như mía, củ cải đường là
vật liệu có khả năng chuyển hoá thành rượu nhanh nhất. Trong khi đó thực vật
chứa xenlulô cần phải qua rất nhiều cấp chuẩn bị để chuyển hoá xelulô thành
đường. Trong quá trình lên men thường phải trải qua nhiều cấp mới có thể lấy
được rượu. Ở điều kiện khí quyển có thể lấy được rượu 96%. Nếu muốn dùng
rượu này để trộn lẫn với nhiên liệu hoá thạch thì cần tách nước còn lại. Đ ể b ổ
sung làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cần thêm một cấp xử lý để tăng trị số
ốc tan.Nói chung việc sản xuất bioethanol là một quá trình có chi phí lớn làm cho
sản phẩm bioethanol có giá thành cao nên hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi.
Dầu thực vật để làm nhiên liệu (biodiesel) được sản xuất bằng các phương
pháp và thiết bị khác nhau đều có chung một nguyên lý giống như sản xuất dầu ăn.
Hiện nay có thể chia làm 2 dạng sản xuất chủ yếu: ép dầu tập trung và ép dầu
phân tán. Phương pháp ép dầu tập trung được sử dụng trong các đơn vị sản xuất
lớn trong đó có hai cấp chiết dầu: chiết cơ học lấy được khoảng 85% và sau đó là
chiết hoá học lấy được khoảng 14%, đạt mức tận thu đến 99%. Tuy nhiên phương
pháp này yêu cầu đầu tư lớn. Ngược lại ở những nơi sản xuất phân tán sử dụng
dây chuyền rút ngắn với thiết bị nhỏ gọn, mức lấy dầu thấp hơn do bỏ qua công
đoạn chiết dầu hoá học. Để tách tạp chất có thể sử dụng các bộ lọc kiểu áp suất
hoặc đơn giản hơn là nhờ phương pháp lắng lọc.
2.2.3. Sản xuất nhiên liệu khí từ biomass
Nhiên liệu khí là sản phẩm của quá trình hoá khí các nguyên liệu biomass thô
thông qua các quá trình hoá học. Biomass thô là hợp chất của xenlulô, lignin và các
nguyên liệu khác được tạo thành từ cacbon, hydro và ôxy. Hoá khí là sự chuyển đổi
thành phần cacbon trong biomass thành chất khí dễ cháy bằng cách điều khiển tốc
độ dòng khí thổi qua lớp vật liệu.
68
- Để hoá khí nhiên liệu rắn có 3 phương pháp quen thuộc, đặc điểm của mỗi
phương pháp này tuỳ thuộc vào chiều dẫn chất mang nhiệt so với dòng chuyển
động của vật liệu, bao gồm:
- Hoá khí dòng đều hay dòng xuống.
- Hoá khí dòng ngược hay dòng lên.
- Hoá khí dòng xoáy theo lớp với các vùng lên và vùng xuống.
Quá trình hoá khí dòng đều phù hợp với gỗ nhưng không phù hợp với các loại
cây thân thảo do cần thiết phải tạo ra những bối vật liệu và nguy cơ tạo xỉ từ tro.
Việc hút khí nóng qua các bối vật liệu dẫn đến khả năng tách nhựa và cacburhydro
thành CO, CO2 và H2O, đây là một khả năng có lợi. Hiệu suất của lò hoá khí dòng
đều vào khoảng 50 – 80%, nguyên liệu ngoài gỗ cần có hàm lượng nước < 20%.
Lò hoá khí dòng ngược làm việc với quá trình hút khí đốt ở vùng vào của vật
liệu. Khí đốt nóng tác động làm khô sơ bộ vật liệu vào lò và phần nào làm tách các
phần tử lớn dẫn đến làm giàu khí đốt. Lò hoá khí dòng ngược có yêu cầu về hàm
lượng nước của vật liệu, về độ tách nhỏ và cấu trúc vật liệu ở khoảng rộng hơn
so với hoá khí dòng đều. Loại lò này còn dùng để hoá khí các vật liệu thân thảo,
cây lá có sinh khối lớn. Việc ngưng tụ khí đốt ẩm dẫn đến tạo nước, tạo nhựa
hoặc axit axetic và các hợp chất khác, cần quan tâm để loại bỏ. Hiệu suất của lò
dòng ngược vào khoảng 85%.
Quá trình hoá khí dòng xoáy về mặt kỹ thuật hoạt động như quá trình đốt
dòng xoáy theo lớp. Yêu cầu đảm bảo dòng vật liệu đều đặn đối với cả chất mang
nhiệt và vật liệu dẫn đến chi phí lớn cho thiết bị và cho điều khiển quá trình.
Nhiệt độ quá trình cần được giữ đúng ở nhiệt độ hoá tro của nguyên liệu để đảm
bảo hoạt động của quá trình.
Các quá trình hoá khí và sản phẩm của chúng được trình bày tổng quát trên
hình 2.2..
69
- 70
- BIOMASS
Không Nhiệt
Ôxy Hydro
Đầu vào khí
Hoá khí
Hoá khí dùng Hoá khí dùng
Hoá khí dùng
Kiểu nhiệt phân
ôxy hydro
không khí
hoá khí
Sản phẩm Khí năng lượng Khí năng lượng Dầu nhiệt phân Than củi
thấp (N2)
trung gian trung bình
Cơ năng Hơi nước Khí năng lượng Chất lỏng tổng
Sản phẩm
(động cơ đốt (dùng trong chế hợp Dầu nhiệt phân
trung bình và khí
cuối cùng
biến nhiệt và giàu năng lượng
trong) methanol
động cơ hơi (đưa vào đường ống ammonia
nước) khí đốt) gasoline
Hình 2.2. Các quá trình hoá khí và sản phẩm.
63
- 2.3. SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOGAS
2.3.1. Khái niệm về biogas
Biogas hay khÝ sinh häc lµ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh lªn men ph©n ®éng
vËt vµ c¸c phÕ th¶i h÷a c¬ kh¸c. Thµnh phÇn chñ yÕu cña biogas gåm
kho¶ng 50-70% Metan vµ 30 - 45% CO2 vµ mét phần nhá chÊt lu huúnh.
Tû lÖ gi÷a c¸c chÊt trong hçn hîp phô thuéc vµo lo¹i nguyªn liÖu vµ diÔn
biÕn cña qu¸ tr×nh sinh häc.
B¶ng 2.5. Thµnh phÇn cña c¸c chÊt khÝ trong biogas
Lo¹i khÝ Tû lÖ (%)
CH4 50 –70
CO2 30 – 45
N2 0–3
H2 0–3
O2 0–3
H2S 0–3
Mªtan (CH4) lµ thµnh phÇn chñ yÕu cña khÝ sinh häc. Nã lµ chÊt khÝ
kh«ng mµu, kh«ng mïi vµ nhÑ b»ng nöa kh«ng khÝ, Ýt hßa tan trong níc. ë ¸p
suÊt khÝ quyÓn, mªtan hãa láng ë nhiÖt ®é –161,50c.
Khi Mªtan ch¸y sÏ t¹o ra ngän löa mµu l¬ nh¹t vµ táa nhiÒu nhiÖt lîng
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 kJ
Qu¸ tr×nh lªn men c¸c phÕ th¶i h÷a c¬ ®Ó t¹o thµnh biogas gåm ba giai
®o¹n sau:
Giai ®o¹n 1: Díi t¸c dông cña ezin thñy ph©n c¸c chÊt h÷a c¬ lín ® îc
ph©n gi¶i thµnh c¸c chÊt h÷a c¬ ph©n tö nhá nh axit bÐo, axit amin
Giai ®o¹n 2: Díi t¸c dông cña vi khuÈn t¹o axit c¸c chÊt h÷a c¬ ph©n tö
nhá ®îc ph©n gi¶i thµnh c¸c axit bÐo dÔ bay h¬i.
Giai ®o¹n 3: C¸c axit bÐo dÔ bay h¬i ®îc chuyÓn hãa thµnh khÝ CH4 vµ
khÝ CO2 nhê c¸c vi khuÈn sinh mªtan (Methanogen).
Trong 3 giai ®o¹n trªn th× giai ®o¹n thø 2 vµ giai ®o¹n thø 3 x¶y ra d íi
®iÒu kiÖn yÕm khÝ chÆt chÏ (kÝn hoµn toµn). Cßn ë giai ®o¹n 1 th× nguyªn
liÖu ®îc ñ ë bÓ hë. Do ®ã qu¸ tr×nh lªn men c¸c chÊt th¶i h÷u c¬ cã thÓ chia
thµnh 2 pha: pha kh«ng kþ khÝ (giai ®o¹n 1) vµ pha kþ khÝ (gåm giai ®o¹n 2
vµ giai ®o¹n 3). Do vËy ®Ó t¹o ra khÝ sinh häc ng êi ta thêng thiÕt kÕ hÇm ñ
cho c¶ 2 pha cña qu¸ tr×nh lªn men (2 pha hçn hîp hoÆc cã v¸ch ng¨n 2 pha)
hoÆc hÇm ñ nguyªn liÖu ë bÓ hë kho¶ng 1 tuÇn cho pha kh«ng kþ khÝ råi
míi chuyÓn xuèng hÇm kÝn.
63
- 2.3.2. Nguyên liệu để sản xuất biogas
Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt biogas lµ c¸c chÊt th¶i h÷u c¬ nh ph©n ®éng
vËt, c¸c lo¹i thùc vËt nh bÌo, cá, r¬m r¹, phÕ th¶i h÷u c¬ sinh ho¹t… Kh¶ n¨ng
khai th¸c biogas vµ n¨ng lîng tõ mét sè nguyªn liÖu kh¸c nhau ®îc tr×nh bµy
trong b¶ng 2.6.
B¶ng 2.6. Kh¶ n¨ng khai th¸c biogas vµ n¨ng lîng cña mét sè vËt liÖu
h÷u c¬.
STT VËt liÖu Kh¶ n¨ng khai th¸c N¨ng lîng hµm chøa
biogas (l/kg v.c.kh«) (kWh/kg v.c. kh«)
1 Th©n lóa m¹ch 200 – 310 1,19 – 1,85
2 Th©n c©y ng« 380 – 460 2,27 – 2,75
3 Th©n c©y khoai t©y 280 – 490 1,67 – 2,93
4 L¸ cñ c¶i ®êng 400 – 500 2,39 – 2,99
5 Rau bá ®i 330 – 360 1,97 – 2,15
6 Ph©n bß 200 – 400 1,19 – 2,39
7 Ph©n lîn 340 – 350 2,02 – 3,28
8 Ph©n gµ 330 – 620 1,97 – 3,70
9 Bïn 310 – 740 1,85 – 4,42
10 PhÕ th¶i lß mæ 1200 – 1300 7,16 – 7,76
11 B· mÝa 450 2,69
12 Vá qu¶ 379 2,21
ViÖt Nam lµ níc cã nguån nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt khÝ sinh häc rÊt ®a
d¹ng. Do lµ mét níc n«ng nghiÖp nªn lîng chÊt th¶i h÷u c¬ trong ch¨n nu«i,
trång trät vµ sinh ho¹t gia ®×nh lµ rÊt lín. ViÖc x©y dùng c¸c hÇm ñ khÝ sinh
häc lµ vÊn ®Ò ®ang ®îc Nhµ níc vµ c¸c ®Þa ph¬ng quan t©m v× nã kh«ng
nh÷ng gi¶i quyÕt ®îc vÊn ®Ò m«i trêng mµ cßn t¹o ra ®îc mét lîng lín khÝ
sinh häc, mét nguån n¨ng lîng s¹ch vµ rÎ tiÒn phôc vô cho sinh ho¹t gia ®×nh
®em l¹i lîi Ých kinh tÕ ®¸ng kÓ cho c¸c hé n«ng d©n.
ViÖc ph©n hñy yÕm khÝ x¶y ra tèt nhÊt khi tû lÖ gi÷a c¸cbon vµ nit¬ (C/N)
trong vËt liÖu n»m ë kho¶ng 30 tøc lµ vi khuÈn trong qu¸ tr×nh lªn men sö dông
C nhanh h¬n N ®Õn 30 lÇn. Tû lÖ C/N ë mét sè vËt liÖu th«ng th êng ®îc giíi
thiÖu ë b¶ng 2.7.
B¶ng 2.7. Tû lÖ C/N cña mét sè lo¹i vËt liÖu
STT Nguyªn liÖu Tû lÖ C/N
1 Ph©n tr©u, bß 24 – 25
2 Ph©n lîn 12 – 20
3 Ph©n gia cÇm 5 – 15
4 Ph©n ngêi 2,9 – 10
5 BÌo t©y t¬i 12 – 25
64
- 6 R¬m r¹ kh«, trÊu 48 – 110
Qua b¶ng 2.7 cho thÊy r¬m r¹ kh« lµ lo¹i nguyªn liÖu cã tû lÖ C/N cao
nhÊt do ®ã viÖc thñy ph©n yÕm khÝ x¶y ra rÊt chËm ®«i khi cã thÓ kh«ng
thñy ph©n ®îc nh trÊu. Tuy nhiªn ®é chøa N vµ C cã thÓ thay ®æi theo ®iÒu
kiÖn ph¸t triÓn cña thùc vËt hoÆc møc ®é ¨n uèng, chÕ ®é nu«i nhèt cña
sóc vËt. Cô thÓ ®èi víi ph©n bß s÷a cã thÓ t¹o ra khÝ sinh häc sau 20 ngµy ñ
kho¶ng 200 –250 lÝt khÝ sinh häc trªn 1kg vËt liÖu h÷a c¬ cßn víi ph©n bß
thÞt th× ®îc ®Õn 350 – 450 lÝt. Ngoµi ra kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc cßn
chÞu t¸c ®éng cña thêi gian ñ. Thêi gian ñ t¨ng sÏ lµm t¨ng kh¶ n¨ng khai th¸c
khÝ sinh häc. Th«ng thêng theo kinh nghiÖm thùc tÕ th× ngêi ta chän thêi
gian ñ lµ 20 ngµy v× nÕu ñ l©u h¬n th× kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc còng
t¨ng lªn rÊt Ýt.
2.3.3. Mét sè yÕu tè ¶nh hëng tíi qu¸ tr×nh s¶n xuÊt khÝ sinh häc
Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt khÝ sinh häc chÞu ¶nh h ëng cña rÊt nhiÒu yÕu tè
nhng ë ®©y chóng ta chØ xÐt ®Õn nh÷ng yÕu tè quan träng nhÊt cÇn thiÕt
nhÊt trong x©y dùng vµ vËn hµnh ®Ó ®¶m b¶o cho thiÕt bÞ ho¹t ®éng tèt
nhÊt
Møc ®é kþ khÝ: KhÝ sinh häc ®îc sinh ra do ho¹t ®éng cña nhiÒu vi
sinh vËt trong ®ã c¸c vi khuÈn sinh mªtan lµ quan träng nhÊt (vi khuÈn
methanogen). Nhng vi khuÈn nµy chØ sèng ®îc trong m«i trêng tuyÖt ®èi
kh«ng cã «xy (kþ khÝ b¾t buéc). V× vËy ®¶m b¶o m«i trêng ph©n hñy tuyÖt
®èi kþ khÝ lµ mét yÕu tè quan träng ®Çu tiªn.
NhiÖt ®é: Ho¹t ®éng cña vi khuÈn sinh mªtan chÞu ¶nh hëng rÊt nhiÒu
cña nhiªt ®é m«i trêng. Trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn nhiÖt ®é thÝch hîp nhÊt ®èi
víi chóng lµ 30 – 400C. NhiÖt ®é thÊp hoÆc thay ®æi ®ét ngét ®Òu lµm cho
qu¸ tr×nh sinh mªtan yÕu ®i. NhiÖt ®é m«i trêng ph©n hñy xuèng díi 100C th×
qu¸ tr×nh ph©n hñy gÇn nh dõng l¹i. V× vËy ë nh÷ng vïng l¹nh cÇn ®¶m b¶o
c¸ch nhiÖt tèt ®Ó gi÷ Êm cho thiÕt bÞ. ViÖc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm d íi
lßng ®Êt lµ biÖn ph¸p tèt ®Ó gi÷ æn ®Þnh nhiÖt ®é cho m«i trêng ph©n hñy.
Tû lÖ C/N cña nguyªn liÖu: Tû lÖ gi÷a träng lîng cña C vµ N cã trong
thµnh phÇn nguyªn liÖu lµ chØ tiªu ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng ph©n hñy cña nã. Vi
khuÈn tiªu thô c¸cbon nhiÒu h¬n nit¬ kho¶ng 30 lÇn. V× vËy tû lÖ C/N cña
nguyªn liÖu b»ng 30 lµ tèi u. Tû lÖ qu¸ cao th× qu¸ tr×nh ph©n hñy x¶y ra
chËm, ngîc l¹i tû lÖ nµy qu¸ thÊp th× qu¸ tr×nh ph©n hñy ngõng trÖ v× tÝch
lòy nhiÒu am«ni¨c lµ mét lo¹i ®éc tè ®èi víi vi khuÈn ë nhiÖt ®é cao. Nãi
chung ph©n tr©u, bß vµ ph©n lîn cã tû lÖ C/N thÝch hîp nhÊt, ph©n ng êi vµ
ph©n gia cÇm cã tû lÖ C/N thÊp. C¸c nguyªn liÖu thùc vËt cã tû lÖ C/N cao.
§Ó ®¶m b¶o tû lÖ C/N thÝch hîp ta nªn dïng hçn hîp c¸c lo¹i nguyªn liÖu
ch¼ng h¹n dïng ph©n ngêi, ph©n gia cÇm kÕt hîp víi r¬m r¹
Hµm lîng chÊt kh«: Khi ta sÊy kh« nguyªn liÖu níc sÏ bay h¬i hÕt vµ cßn
l¹i lµ phÇn chÊt kh« cña nguyªn liÖu. Hµm lîng chÊt kh« lµ tû lÖ gi÷a träng l-
65
- îng chÊt kh« vµ tæng träng lîng cña nguyªn liÖu vµ ®îc tÝnh b»ng phÇn tr¨m
(%).
Qu¸ tr×nh ph©n hñy sinh mªtan x¶y ra thuËn lîi nhÊt khi m«i tr êng cã
hµm lîng chÊt kh« thÝch hîp. §èi víi c¸c lo¹i ph©n hµm lîng chÊt kh« tèi u vµo
kho¶ng 7 – 9%. §èi víi bÌo t©y hµm lîng nµy lµ 4 –5%. §èi víi r¬m ra hµm lîng
chÊt kh« tèi u lµ 5 –8%. Nguyªn liÖu ban ®Çu thêng cã hµm lîng chÊt kh« cao
h¬n gi¸ trÞ tèi u nªn khi n¹p vµo thiÕt bÞ cÇn ph¶i pha thªm n íc. Tû lÖ pha
lo·ng thÝch hîp lµ tõ 1 –3 lÝt níc cho 1kg ph©n.
Thêi gian lu: Thêi gian lu lµ thêi gian tõ lóc n¹p nguyªn liÖu vµo ®Õn lóc
lÊy nguyªn liÖu ra. §èi víi chÕ ®é n¹p liªn tôc nguyªn liÖu sau ph©n hñy ® îc
®Èy dÇn tíi lèi ra do bÞ nguyªn liÖu míi bæ xung chiÕm chç. Thêi gian l u lµ
thêi gian nguyªn liÖu ®îc n¹p vµo cho tíi khi bÞ ®Èy ra khái bÓ ph©n hñy vµ
thêng ®îc t×nh b»ng tû sè gi÷a thÓ tÝch ph©n hñy vµ thÓ tÝch nguyªn liÖu ®-
îc n¹p bæ xung hµng ngµy (®· pha lo·ng).
Qu¸ tr×nh ph©n hñy cña nguyªn liÖu trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn x¶y ra
trong mét thêi gian dµi. §èi víi ph©n ®éng vËt thêi gian nµy cã thÓ kÐo dµi tíi
hµng th¸ng. §èi víi nguyªn liÖu thùc vËt thêi gian nµy cã thÓ tíi hµng n¨m. §èi
víi c¸c thiÕt bÞ ho¹t ®éng liªn tôc, thêi gian lu cµng lín th× khÝ thu ®îc tõ mét l-
îng nguyªn liÖu nhÊt ®Þnh cµng nhiÒu. Song nÕu lµm nh vËy th× thÓ tÝch
bÓ ph©n hñy ph¶i lín vµ vèn ®Çu t x©y dùng cao. Nh vËy ngêi ta chän thêi
gian lu sao cho trong thêi gian nµy tèc ®é sinh khÝ m¹nh nhÊt. Do ®ã thêi
gian thêng ®îc chän c¨n cø vµo thiÕt bÞ cña ®Þa ph¬ng vµ nguyªn liÖu n¹p.
C¸c ®éc tè: Ho¹t ®éng cña vi khuÈn chÞu ¶nh hëng cña mét sè hãa
chÊt. Khi hµm lîng cña hãa chÊt nµy vît qu¸ giíi h¹n quy ®Þnh c¸c vi khuÈn cã
thÓ bÞ tiªu diÖt.
Trong thùc tÕ s¶n xuÊt khÝ sinh häc cÇn tr¸nh c¸c ®éc tè hãa häc (thuèc
trõ s©u, thuèc s¸t trïng), chÊt kh¸ng sinh, níc xµ phßng, níc nhuém.
2.3.3. Các loại hầm sản xuất biogas
§Ó s¶n xuÊt khÝ sinh häc, tríc hÕt cÇn cã hÇm chøa (hÇm ph¶n øng
biogas) lµ n¬i ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh t¹o khÝ. Theo quan ®iÓm kü thuËt c«ng
nghÖ, hÇm ph¶n øng cã thÓ ho¹t ®éng nh mét thiÕt bÞ lu gi÷. ViÖc n¹p
nguyªn liÖu cã thÓ ®îc thùc hiÖn theo 2 c¸ch:
N¹p tõng mÎ: Toµn bé nguyªn liÖu ®îc n¹p vµo thiÕt bÞ mét lÇn. MÎ
nguyªn liÖu nµy ®îc ph©n hñy dÇn dÇn vµ cho khÝ sö dông. Sau mét thêi
gian ®ñ ®Ó cho nguyªn liÖu ph©n hñy gÇn hÕt th× toµn bé mÎ nguyªn liÖu ®-
îc lÊy ®i vµ thay thÕ vµo ®ã lµ mét mÎ nguyªn liÖu míi. Th«ng th êng ph¬ng
ph¸p nµy ®îc ¸p dông cho c¸c nguyªn liÖu lµ thùc vËt v× chóng ph©n hñy
trong thêi gian dµi (thêng tõ 3 – 6 th¸ng)
N¹p liªn tôc: Nguyªn liÖu ®îc n¹p ®Çy lóc míi ®a thiÕt bÞ vµo ho¹t ®éng.
Sau ®ã nguyªn liÖu ®îc bæ sung thêng xuyªn, khi cã mét phÇn nguyªn liÖu
®· ph©n hñy sÏ ®îc lÊy ®i nhêng chç cho phÇn nguyªn liÖu míi n¹p vµo. Ph-
¬ng ph¸p nµy phï hîp víi ®iÒu kiÖn nguyªn liÖu kh«ng cã s½n ngay mét lóc
mµ ph¶i thu gãp h»ng ngµy nh ph©n ngêi, ph©n sóc vËt.
66
- Trong thùc tÕ ngêi ta thêng ¸p dông c¶ 2 ph¬ng ph¸p trªn: Nguyªn liÖu
thùc vËt ®îc n¹p tõng mÎ, cßn ph©n ngêi vµ ph©n xóc vËt ®îc n¹p liªn tôc h»ng
ngµy. Ph¬ng ph¸p nµy gäi lµ b¸n liªn tôc
Trong qu¸ tr×nh ph©n hñy chØ cã mét phÇn nguyªn liÖu chuyÓn hãa
thµnh khÝ sinh häc, phÇn cßn l¹i ®îc lÊy ra cïng víi níc lo·ng gäi lµ b· th¶i
Dùa vµo c¸ch thu tÝch khÝ ngêi ta chia hÇm s¶n xuÊt biogas thµnh hai
lo¹i lµ n¾p næi vµ n¾p cè ®Þnh.
2.3.3.1. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi
5
3 4
2
1
H×nh 2.3. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi
1. BÓ ph©n hñy; 2. BÓ chøa khÝ; 3. BÓ n¹p nguyªn liÖu;
4. BÓ x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra.
Bé phËn chøa khÝ 2 lµ mét n¾p cã d¹ng thïng ®îc óp trùc tiÕp vµo dÞch
ph©n hñy (h×nh 2.3) hoÆc vµo mét ®ai níc quanh miÖng bÓ ph©n hñy (h×nh
2.4). KhÝ ®îc tÝch l¹i cµng nhiÒu th× n¾p næi cµng cao. Träng l îng cña n¾p
sÏ nÐn vµo khÝ t¹o ra ¸p suÊt. Khi lÊy khÝ ra sö dông n¾p sÏ ch×m dÇn
xuèng.
Khi n¹p nguyªn liÖu míi qua bÓ n¹p 35th× nguyªn liÖu ®· ph©n hñy sÏ trµn
2
ra qua lèi tho¸t 4.
3 4
1
67
H× 2.3. ThiÕ bÞkhÝsinh häc n¾ næ cã gi¨ ng n- í c
nh t pi
- Hình 2.4. Hầm sản xuất biogas nắp nổi có gioăng nước.
N¾p thêng ®îc chÕ t¹o b»ng s¾t hay xim¨ng cã líi thÐp. Yªu cÇu cña
n¾p lµ ph¶i ®¶m b¶o ®é kÝn khÝt. Ngoµi ra träng l îng cña n¾p sÏ t¹o ra ¸p
suÊt khÝ. Tuy vËy, nÕu chÕ t¹o n¾p b»ng thÐp th× gi¸ thµnh cao (30 – 40%
gi¸ c«ng tr×nh) vµ khã kh¨n khi tù s¶n xuÊt t¹i chç. N¾p thÐp th êng lµm cho
dÞch ph©n hñy mÊt nhiÖt vÒ mïa ®«ng nªn n¨ng suÊt gi¶m. Lo¹i cã ®ai n íc
h¹n chÕ ®îc nhîc ®iÓm nµy, ®ång thêi kh¾c phôc ®îc níc ma trµn vµo bÓ
ph©n hñy khiÕn dÞch ph©n hñy tiÕp xóc víi kh«ng khÝ, kh«ng ®¶m b¶o ®iÒu
kiÖn kþ khÝ. Tuy nhiªn do x©y thªm ®ai níc nªn t¨ng chi phÝ chÕ t¹o.
2.3.3.2. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ®Þnh
CÊu t¹o: Bé phËn chøa khÝ 2 vµ bÓ ph©n hñy 1 ®îc g¾n liÒn víi nhau
thµnh mét bÓ kÝn. DÞch ph©n hñy ®îc chøa ë díi vµ khÝ ®îc thu gi÷ ë phÝa
trªn.
KhÝ sinh ra ë phÝa trªn sÏ t¹o ra ¸p suÊt nÐn xuèng mÆt dÞch ph©n hñy,
®Èy mét phÇn dÞch ph©n hñy trµn lªn bÓ ®iÒu ¸p 6 ®îc th«ng víi lèi ra 4
H× 2.5. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ®
nh Þnh vßm
cÇu.
1. BÓ ph© huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n¹p;
n
Gi÷a bÒ mÆtng dÉn; 5. Cöa lÊy khÝ ra; 6. Cöa th¶i b·.kh«ng khÝ cã mét
4. è dÞch ph©n hñy vµ mÆt tho¸ng ë ngoµi
®é chªnh lÖch nhÊt ®Þnh, thÓ hiÖn ¸p suÊt khÝ trong thiÕt bÞ. KhÝ tÝch l¹i
cµng nhiÒu th× ®é chªnh lÖch nµy cµng lín. Khi lÊy khÝ sö dông dÞch ph©n
hñy tõ bÓ ®iÒu ¸p l¹i dån vµo bÓ ph©n hñy vµ ®Èy khÝ ra ngoµi, ¸p suÊt khi
®ã sÏ gi¶m dÇn tíi 0.
68
- ThiÕt bÞ n¾p cè ®Þnh cã thÓ x©y dùng b»ng nh÷ng vËt liÖu th«ng th-
êng nh g¹ch, c¸t, xim¨ng… nªn gi¸ thµnh h¹ h¬n. Ngoµi ra cã thÓ ®Æt ch×m díi
mÆt ®Êt nªn ®ì tèn diÖn tÝch h¬n vµ gi÷ æn ®Þnh ®îc nhiÖt ®é. ThiÕt bÞ
lo¹i nµy cã thÓ t¹o ®îc ¸p suÊt khÝ cao ( tíi 100cm cét níc) nªn khÝ dïng rÊt cã
hiÖu qu¶.
Ngoµi ra cßn cã hÇm s¶n xuÊt biogas tói chÊt dÎo, ®ã lµ biÕn thÓ cña
n¾p cè ®Þnh. ¸p suÊt khÝ t¹o ra do ®é ®µn håi cña vá tói nªn kh«ng cÇn ph¶i
cã bÓ ®iÒu ¸p nhng l¹i cÇn cã träng vËt ®Ì lªn tói. Lo¹i nµy cã gi¸ thµnh h¹ nh-
ng tuæi thä ng¾n.
Trong sè c¸c lo¹i hÇm ñ khÝ sinh häc, lo¹i n¾p cè ®Þnh vßm cÇu lµ lo¹i
cã nhiÒu u ®iÓm nhÊt vµ ®ang ®îc øng dông réng r·i t¹i ViÖt Nam v× thiÕt
bÞ nµy cã mét sè u ®iÓm sau:
- Vßm cÇu cho phÐp tiÕt kiÖm vËt liÖu tíi møc tèi ®a v× cïng mét thÓ
tÝch th× diÖn tÝch bÒ mÆt nhá nhÊt vµ chÞu lùc khoÎ nhÊt nªn bÒ dµy cña t -
êng gi¶m tíi møc thÊp nhÊt( g¹ch ®îc x©y nghiªng). Ngoµi ra chØ sö dông c¸c
vËt liÖu th«ng thêng, h¹n chÕ sö dông s¾t thÐp t¬Ý møc tèi ®a. Nhê vËy gi¸
thµnh h¹
- BÒ mÆt gi÷ kÝn lµ ®íi cÇu cã diÖn tÝch nhá nhÊt vµ liªn tôc, kh«ng cã
gãc c¹nh nªn dÔ ®¶m b¶o kÝn khÝ vµ tr¸nh ®îc sù r¹n nøt vÕ sau nµy.
- BÓ ph©n huû cã bÒ mÆt nhá, ®îc ®¹t ngÇm díi ®Êt nªn h¹n chÕ ®îc
sù trao ®æi nhiÖt gi÷a dÞch ph©n huû vµ m«i trêng xung quanh, gi÷ nhiÖt ®é
æn ®Þnh, Ýt chÞu ¶nh hëng cña thêi tiÕt l¹nh vÒ mïa ®«ng.
- ThiÕt bÞ ®îc ®Æt ngÇm nªn dÔ vËn hµnh vµ Ýt tèn diÖn tÝch mÆt
b»ng.
- §îc thiÕt kÕ b»ng m¸y tÝnh, c¸c kÝch thíc ®îc tÝnh to¸n sao cho diÖn
tÝch x©y dùng nhá nhÊt ®Ó tiÕt kiÖm vËt liÖu tèi ®a, c¸c chi tiÕt ®Òu ®îc c¶i
tiÕn trªn c¬ së 10 n¨m tuæi cña kiÓu nhiªn liÖu.
HiÖn nay c¸c hÇm ñ lo¹i nµy ®îc x©y dùng phæ biÕn ë níc ta, c«ng suÊt
cña chóng th«ng thêng tõ 1 – 10 m3. Lîng biogas t¹o ra chñ yÕu ®îc dïng lµm
chÊt ®èt phôc vô sinh ho¹t gia ®×nh. Tuy nhiªn biogas lµ mét lo¹i khÝ láng nªn
kh«ng thÓ lu gi÷ sö dông l©u dµi hay nÐn vµo trong c¸c b×nh ¸p suÊt. ChÝnh
v× vËy viÖc nghiªn cøu ®Ó ®a lo¹i khÝ nµy vµo sö dông trong c¸c môc ®Ých
kh¸c ®ang lµ vÊn ®Ò cÇn thiÕt vµ cÇn ®îc quan t©m bëi v× nã võa gi¶i
quyÕt ®îc vÊn ®Ò m«i trêng do xö lý ®îc c¸c chÊt th¶i g©y « nhiÔm , võa tiÕt
kiÖm ®îc mét nguån n¨ng lîng ®¸ng kÓ.
H× 2.6. ThiÕt bÞ khÝ sinh häc kiÓu tói chÊt dÎo
nh 69
1. BÓ ph© huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa
n
n¹p; 4. Cöa x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra
- 2.3.4. Sử dụng biogas trong sản xuất và đời sống
Biogas sản xuất ra được sử dụng làm nhiên liệu phục vụ sản xuất và đ ời
sống. Tuỳ theo qui mô của thiết bị sản xuất biogas mà sản lượng cung cấp và
phương thức sử dụng sẽ khác nhau. Đơn giản nhất là sử dụng trực tiếp biogas từ
hầm phản ứng để đun nấu trong một gia đình. Phức tạp hơn là cung cấp biogas cho
mạng lưới sử dụng nhiên liệu khí phục vụ sinh hoạt của một khu chung c ư hay
một khu vực nào đó, hoặc để chạy máy phát điện cung cấp điện năng và nhiệt
năng cho một đơn vị sản xuất. Trong sản xuất nông nghiệp, nếu thiết bị đ ược
thiết kế hợp lý có thể vừa sản xuất biogas làm nhiên liệu lại vừa sản xuất phân
hữu cơ bón ruộng.
2.3.4.1. Đun nấu bằng biogas trong gia đình
Để sử dụng biogas trực tiếp từ hầm sản xuất của gia đình cần có bếp đun
dùng biogas. Loại bếp này có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.Dưới đây giới thiệu
một loại bếp đơn giản có năng suất tiêu thụ biogas 380 – 450 l/h với hiệu suất
nhiệt 50 – 55%.
Hình 2.7. Sơ đồ bếp đun dùng biogas đơn giản.
Các thông số cơ bản của bếp biogas đơn giản:
- Đường kính vòi phun khí: 2,25 mm
- Diện tích vòi phun: 3,98 mm2
- Đường kính vòi lửa: 6 mm
- Số vòi lửa: 20
70
- Tổng diện tích vòi lửa: 565 mm2
-
Chiều đài ống trộn khí: 200 mm
-
Đường kính ống trộn khí: 20 mm
-
Bếp được thiết kế sao cho biogas trộn lẫn với không khí trong ống trộn trước
khi đến vòi lửa với tỷ lệ đủ lớn để đảm bảo không có mùi lạ, ngọn lửa sẽ có màu
xanh. Tổng diện tích các vòi lửa lớn hơn diện tích miệng vòi phun khoảng 80 – 200
lần. Khoảng cách từ vòi lửa đến đáy nồi cần cao khoảng 2,5 cm để tạo điều kiện
cho không khí xung quanh tràn vào đảm bảo cháy hết biogas.
Nếu muốn bếp có công suất khác có thể tự điều chỉnh chế tạo trên cơ sở các
thông số nói trên.
2.3.4.2. Sản xuất biogas và phân hữu cơ trong một trang trại
Trên thế giới đã có rất nhiều nông dân sử dụng phân gia súc để sản xuất
biogas đồng thời tự sản xuất phân hữu cơ chất lượng cao phục vụ sản xuất nông
nghiệp. Để tăng hiệu quả và tính kinh tế của thiết bị không những người ta quan
tâm đến việc xử lý kỹ thuật cho thiết bị cũng như khả năng thu gom vật liệu (tính
tập trung và thường xuyên) mà còn nghiên cứu cả khả năng và nhu cầu sử dụng
năng lượng và phân bón. Đối với một trang trại, mô hình đáng được quan tâm nhất
là mô hình sản xuất và sử dụng biogas – phân hữu cơ khép kín.
Ngoài việc quan tâm đến khả năng tận thu biogas, trong các mô hình này
người ta còn quan tâm đến những tác động hữu ích khác qua việc lựa chọn thiết kế
thiết bị biogas. Ở đây có thể kể đến việc giảm mùi hôi của phân đã qua ủ tạo khí,
sử dụng tốt hơn chất Nitơ cho cây trồng nhờ tăng thành phần NH 4(NO3)2, các tính
chất vệ sinh tốt hơn và việc giảm khả năng nảy mầm của cỏ dại. Do trong các
thiết bị biogas chỉ có các liên kết hữu cơ dễ phân huỷ được chuyển đổi thành
biogas còn các chất có liên kết bền hơn và các chất dinh dưỡng cho cây trồng được
giữ nguyên vẹn nên công nghệ biogas cũng là một công nghệ sản xuất phân hữu
cơ có nhiều ưu điểm.
Biogas được sử dụng hiệu quả hơn nếu kết hợp để chạy máy phát điện, khi
đó tạo được cả điện năng và nhiệt năng. Các hầm chứa phân đã phân huỷ không
chỉ hoạt động như là thiết bị chứa trực thuộc thiết bị biogas mà còn là một thiết bị
sản xuất phân bón cho nông nghiệp.
Trên hình 2.8 giới thiệu một mô hình sản xuất và sử dụng biogas và phân hữu
cơ. Mô hình này thực hiện chu trình luân chuyển khép kín của vật liệu và năng
lượng. Phân từ các chuồng trại chăn nuôi được thu gom vào các kênh gom qua bộ
phận trao đổi nhiệt được hâm nóng đến nhiệt độ thích hợp rồi đưa vào hầm phản
ứng. Tại hầm phản ứng xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí. Biogas được tạo ra
trong hầm phản ứng được dẫn đến để chạy máy phát điện. Điện năng và nhiệt
năng sau khi đã trích một phần để làm nóng và bơm khuấy trong hệ thống có thể
sử dụng phục vụ nội bộ trang trại hoặc bán ra ngoài. Phân đã phân huỷ được gom
lại ở bể chứa phân sau đó được xử lý thành phân hữu cơ bón cho cây trồng.
71
- Hình 2.8. Sơ đồ hoạt động của một hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ trong
một trang trại nông nghiệp.
Trong 1m biogas với hàm lượng methan 60% ẩn chứa một năng lượng 6kWh
3
được biến đổi nhờ máy phát điện thành điện năng và nhiệt năng. Trong đó có thể
sử dụng được 1,8 kWh là điện năng và 3,6 kWh là nhiệt năng, nghĩa là với hi ệu
suất 90%. Có 50% nhiệt năng lấy ra được sử dụng để làm nóng phân ( ở các vùng
lạnh), chiếm 30% năng lượng. Rõ ràng trong hệ thống luôn dư thừa nhiệt năng, do
đó cần tìm những giải pháp hợp lý để sử dụng hết nhiệt năng được tạo ra.
2.3.4.3. Sản xuất biogas và phân hữu cơ từ hỗn hợp phân gia súc và các
chất thải hữu cơ khác
Để tận dụng tất cả các loại phế thải hữu cơ khác nhau người ta đã tiến hành
nghiên cứu thiết kế những hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ mà có quan
tâm đến tính chất phân huỷ khác nhau của các dạng nguyên liệu khác nhau. Đối với
các nguyên liệu đơn lẻ như phân gia súc, chất thải sinh hoạt thì quá trình sản xuất
72
- cũng như kỹ thuật về thiết bị đã tương đối hoàn thiện và chắc chắn, còn mức độ
hiểu biết về hỗn hợp nguyên liệu hữu cơ vẫn còn quá ít ỏi. Tại Đ ức người ta đã
đưa ra một mẫu hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ từ nguyên liệu là hỗn
hợp phân gia súc và các chất thải hữu cơ khác từ công nghiệp thực phẩm như mỡ
thải, máu gia súc, chất thải trong công nghệ ép hạt cải dầu, … Sơ đồ hoạt động
của hệ thống được giới thiệu trên hình 2.9.
Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống biogas sử dụng nguyên liệu hỗn hợp.
Quá trình sản xuất biogas dựa trên nguyên lý làm việc của hầm phản ứng có
cánh khuấy truyền thống với vùng nhiệt độ mesophil 30 – 350C. Hai hầm phản ứng
R1 và R2 có dạng hình trụ với bộ phận truyền nhiệt đặt trong, hầm cách nhiệt
ngoài và có lắp bộ phận khuấy. Nguyên liệu chính cung cấp cho thiết bị là phân từ
các chuồng trại chăn nuôi có thành phần chất khô trung bình 5,3%. Ba hầm hình trụ
S1, S2 và S3 dùng để chứa các nguyên liệu hữu cơ khác nhau. Hầm S2 chủ yếu để
chứa nguyên liệu chứa mỡ, hầm S3 chủ yếu chứa nguyên liệu từ chất thải bẩn và
chất thải vệ sinh của các bếp ăn, hầm S1 luôn chứa nguyên liệu từ phân gia súc và
có thể bổ sung chất thải của công nghệ ép dầu hạt cải. Việc phân l ớp phản ứng
biogas với ba loại nguyên liệu khác nhau được thực hiện theo một chương trình
thời gian, điều đó tạo khả năng định lượng các tỷ lệ hỗn hợp khác nhau.
Đối với hỗn hợp đã phân huỷ người ta bố trí các hầm lưu trữ, tại đó hỗn hợp
được xử lý thành phân hữu cơ và sử dụng trực tiếp để bón cho cây trồng. Biogas
sản xuất ra được tách lưu huỳnh tại hai tháp xử lý trước khi đưa đến sử dụng cho
một trạm phát nhiệt điện.
Tuy trên đây là một hệ thống qui mô lớn, đầu tư lớn có thể nói chưa phù hợp
với điều kiện kinh tế nước ta, song có thể nhìn nhận như là một kinh nghiệm, một
thông tin về khả năng sản xuất biogas ở những nơi có nguồn nguyên liệu tập trung
lớn và đa dạng.
73
nguon tai.lieu . vn