Xem mẫu
- 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
- 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.
iii
- 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
iv
- 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
v
- 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
vi
- 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
vii
- 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
viii
- 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
H2 S 50 - 5000 ppm
Chất khác
- 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 vi khuẩn yếm khí như lignin.
Hình 2.1. Sơ đồ phân hủy kỵ khí tạo CH4
2.1.4. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo khí biogas
2.1.4.1. Điều kiện kỵ khí tuyệt đối
Sự lên men để phân hủy một hợp chất hữu cơ trong bình ủ đòi hỏi phải ở điều
kiện kỵ khí hoàn toàn, vì sự có mặt của oxy sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động
của nhóm vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm hay ngừng hẳn.
2.1.4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ cũng làm thay đổi quá trình sinh gas trong bình ủ, vì nhóm vi sinh vật
yếm khí rất nhạy cảm với nhiệt độ. Chúng hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 310C -360C,
dưới 100C nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến áp lực gas sẽ yếu đi. Tuy nhiên,
nhiệt độ cho chúng hoạt động cũng có thể thấp hơn nhiệt độ tối ưu, trung bình vào
khoảng 200C - 300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Nhóm vi khuẩn sinh khí
- 6
mêtan rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Nhiệt độ thay đổi cho phép
hằng ngày là 10C (UBKHKT Đồng Nai - 1989).
2.1.4.3. Ẩm độ
Ẩm độ cao hơn 96 % thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo
ra ít. Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 - 96 %.
2.1.4.4. pH
pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi sinh vật tạo khí
mêtan. Vi khuẩn sinh khí mêtan ở pH 4,5 - 5 (Young Fu, 1989), khi pH > 8 thì hoạt
động của vi sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991).
2.1.4.5. Thời gian ủ
Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra. Với nhiệt độ, độ pha
loãng, tỉ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày
(UBKHKT Đồng Nai, 1989).
2.1.4.6. Hàm lƣợng chất rắn
Hàm lượng chiếm dưới 9 % thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt. Hàm lượng chất rắn
thay đổi trong khoảng 7 - 9 % và phụ thuộc vào khả năng sinh gas tốt hay xấu. Ở Việt
Nam vào mùa khô nhiệt độ cao sự phân hủy tốt, nên hàm lượng chất rắn trong bình
giảm, vì thế việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận được và ngược lại
(UBKHKT Đồng Nai,1989).
2.1.4.7. Thành phần dinh dƣỡng
Để dảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường, liên tục thì phải cung cấp
đầy đủ nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Thành phần
chính của nguyên liệu là cacbon (ở dạng cacbonhydrate, tạo năng lượng) và nitơ (ở
dạng nitrate, protein, amoniac tham gia vào cấu trúc tế bào).
Để đảm bảo sự cân đối dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí thì cần
chú ý đến tỉ lệ C/N. Tỉ lệ thích hợp là từ 25/1 - 30/1 (UBKHKT Đồng Nai, 1989).
- 7
Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí
Nhiệt độ
Tiến trình mesophylic 950F
Tiến trình Thermophylic 1300F
pH 7-8
Độ kiềm 2500 mg/L minimum
Thời gian lưu trữ 10 - 30 ngày
Tỉ lệ các chất dinh dưỡng 0,15 - 0,35 Ib VS/ft3/d
Sản lượng biogas 3 - 8 ft3/Ib VS
Lượng mêtan 70 %
2.1.4.8. Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men
Vi khuẩn sinh mêtan rất dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ.
Theo nghiên cứu của Nguyễn Việt Năng hàm lượng các chất sau có khả năng ức chế
quá trình lên men của vi sinh vật kỵ khí.
Bảng 2.3. Hàm lƣợng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí [2]
Tên hóa học Hàm lượng
SO42- 5.000 ppm
NaCl 40.000 ppm
NO2 5 mg/100 ml
Cu 100 mg/l
Cr 200 mg/l
Ni 200 - 500 mg/l
CN- 25 mg/l
Alkyl benzen sulfonate 20 - 40 ppm
NH3 1.500 - 3000 mg/l
Na 3.000 - 5.500 mg/l
K 2.500 - 4.500 mg/l
Ca 2.500 - 4.500 mg/l
Mg 1.000 - 1.500 mg/l
Ngoài các yếu tố trình bày ở trên lượng gas sinh ra còn phụ thuộc vào một số
yếu tố khác như chiều dài và chiều rộng túi ủ, loại phân…
- 8
2.1.5. Ảnh hƣởng của biogas đến môi trƣờng
2.1.5.1. Cải thiện vệ sinh môi trƣờng nông thôn
Các thiết bị khí sinh học gia đình thường được nối với nhà xí. Phân người và
động vật được đưa vào đây để xử lý nên hạn chế mùi hôi thối, ruồi nhặng không có
chỗ để phát triển nên hạn chế bớt những dịch bệnh truyền nhiễm như sốt xuất huyết,
dịch tả…
Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt lượng chất thải của gia súc. Nó làm giảm đáng
kể những mầm bệnh, lượng vi sinh vật có trong chất thải vật nuôi. Khi chất thải được
xử lý bằng biogas mùi hôi sẽ giảm, ký sinh trùng và vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt
đáng kể (Ủy Ban Khoa Học Kỹ Thuật Đồng Nai, 1989).
Bảng 2.4. Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas
(Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994. Trích dẫn Nguyễn Thị Hà Mỹ, 2002)
Chỉ tiêu Trước khi xử lý Sau khi xử lý
pH 7,4 7,8 - 7,9
COD (mg/l) 32.000 5.800 - 6.600
BOD (mg/l) 10.600 3.400 - 3.900
E.coli (MPN/ml) 15,76 x 107 12 - 15,26 x 104
Coliform (MPN/l) 18,97 x 1010 12,3 x 103 - 25,74 x 105
Streptococcus (MPN/l) 54,5 x 106 0,31 - 2,7 x 102
Trứng ký sinh trùng (trứng/g) 2.750 105 - 175
2.1.5.2. Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố
Xử lý kỵ khí ở quy mô tập trung lớn các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao
như rác thải, nước cống sinh hoạt, nước thải các lò mổ các trại chăn nuôi tập trung, các
nhà máy rượu bia… có nhiều ưu điểm như diện tích đất sử dụng nhỏ, ít để lại cặn bùn,
không tiêu tốn nhiều năng lượng… Ngoài ra, nó còn thu hồi được khí sinh học để phục
vụ chạy máy phát điện. Nước rác được xử lý bằng bể phản ứng khí sinh học khắc phục
được ô nhiễm do nước rác thấm vào đất.
2.1.5.3. Giảm phát thải khí nhà kính
Các chất thải hữu cơ trong điều kiện tự nhiên sẽ bị phân hủy một phần là kỵ khí
cho ra mêtan phát tán vào khí quyển. Khí mêtan là khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn
khí cacbonic. Một tấn khí mêtan tương đương 21 tấn khí cacbonic về hiệu ứng nhà
- 9
kính. Nếu các chất thải hữu cơ này phân hủy kỵ khí trong các hầm ủ thì mêtan sẽ được
thu lại làm nhiên liệu. Khi bị đốt cháy mêtan chuyển hóa thành cacbonic. Một tấn
mêtan sẽ chuyển hóa thành 2,75 tấn khí cacbonic. Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà
kính giảm đi 7,6 lần. Ngoài ra, sử dụng khí sinh học thay thế cho củi sẽ bảo vệ rừng là
nguồn hấp thụ cacbonic cũng như chống xói mòn bảo vệ đất [7].
Lượng CO2 này sẽ được cây xanh hấp thụ chuyển hóa thành tinh bột dưới tác
dụng của ánh sáng mặt trời rồi cung cấp trở lại cho động vật. Chất thải thu được từ
động vật chính là nguyên liệu cung cấp cho hệ thống biogas. Lượng nước thải sau khi
xử lý bằng hệ thống biogas cũng được sử dụng để bón cho cây trồng giảm nguy cơ ngộ
độc cho con người khi dùng những sản phẩm của cây trồng như rau, hoa quả… Tất cả
được thể hiện qua sơ đồ 2.2.
Hình 2.2. Sơ đồ chu chuyển CO2
2.1.6. Tính chất của khí biogas
2.1.6.1. Tính chất vật lý
Nhiệt trị 4 - 8 kWh/m3
Khối lượng riêng 1,2 kg/m3
Nhiệt độ bắt lửa 7000C
Thể tích tăng khi cháy 6 - 12 %
2.1.6.2. Tính chất hoá học của khí biogas
Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất nên nó mang tính chất hoá học của từng
chất có trong thành phần biogas.
Mêtan (CH4)
Mêtan thuộc nhóm parafin có công thức cấu tạo chung CnH2n+1.
Tính chất vật lý
- 10
Mêtan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ
đông đặc - 182,50C, nhiệt độ hoá lỏng - 161,60C. Ở 250C, áp suất 1 atm, mêtan
có khối lượng riêng 0,660 kg/m3.
Tính chất hoá học
Phương trình cháy: CH4 +O2 = CO2 + 2 H2O
Mêtan là chất dễ cháy; nhiệt độ bắt lửa 5370C; nhiệt độ khi cháy có thể đạt
đến 21480C; tỉ lệ có thể bắt lửa 5 - 15 % thể tích. Đốt cháy hoàn toàn 1 m3
mêtan sinh ra năng lượng khoảng (5500 - 6000) kcal.
Khí cacbonic (CO2)
Khí cacbonic không phản ứng với khí O2 nên không tham gia vào quá trình
cháy của động cơ. Tuy nhiên, lượng CO2 có trong biogas quá nhiều làm giảm thể tích
của CH4, làm ảnh hưởng đến công suất của động cơ.
Khí nitơ (N2)
Tính chất vật lý
Niơ là chất khí không màu, không mùi, không vị. Khối lượng riêng của nitơ là
1,146 kg/m3 ở 250C, 1 atm. Khí nitơ tồn tại ở khắp nơi, chiếm 78,084 % theo thể tích
không khí. Nitơ đông đặc ở 63,340K và hoá lỏng ở 77,40K.
Tính chất hoá học
Ở nhiệt độ bình thường, trong không khí, khí nitơ không phản ứng với các chất
khác. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao (khoảng 1600 0C) nitơ phản ứng với O2 có trong không
khí tạo thành các NOx. Tuỳ thuộc vào lượng O2 tham gia phản ứng mà chất tạo thành
có thể là N2O, NO, NO2, N2O5…
Khí amoniac (NH3)
Amoniac còn có tên là hydrogen nitride, spirit of hartshorn, nitrosil, NH3…
Amoniac tồn tại trong biogas ở thể khí.
Tính chất vật lý
Amoniac có mùi khai, không màu nhẹ hơn không khí 0,589 lần; khối lượng
riêng 0,6381 kg/m3; nhiệt độ đông đặc - 77,730C; nhiệt độ hoá lỏng - 33,340C. Ở 00C
88,9 g amoniac có thể hoà tan hoàn toàn trong 100 ml nước.
Tính chất hoá học
Ở nhiệt độ cao amoniac kết hợp với oxy để tạo thành các hợp chất NOx. Ví dụ
phản ứng sau xảy ra ở 8500C và cần có xúc tác.
4 NH3 +5 O2 = 4 NO + 6 H2O
- 11
Khí hydro sulfua (H2S)
Tính chất vật lý
Là chất khí không màu, có mùi trứng thối. Khối lượng riêng 1,363 Kg/m3, nhiệt
độ đông đặc - 82,30C, nhiệt độ hoá lỏng - 60,280C. H2S có thể hoà tan vào nước tạo
dung dịch acid H2S nhưng độ hoà tan thấp. Ở 400C 0,25 g H2S hoà tan hoàn toàn vào
100 ml nước.
Tính chất hoá học
H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Lượng H2S trong không khí
dưới 0,0047 ppm người ta ngửi thấy mùi trứng thối; trên 1000 ppm ảnh hưởng nghiêm
trọng đến đường hô hấp. H2S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại. Tuy
nhiên, ở nhiệt dộ cao H2S phản ứng với oxi, tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn,
có thể ăn mòn kim loại rất nhanh.
2 H2S + 3 O2 = 2 H2SO3
H2S + 2 O2 = H2SO4
Thành phần H2S trong biogas có khả năng làm mòn động cơ, do đó khi sử dụng
biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong người ta phải tiến hành khử, lọc và loại bỏ
H2S.
Hơi nƣớc
Trong không khí luôn luôn tồn tại một lượng hơi nước nên thành phần của
biogas cũng chứa một lượng hơi nước đáng kể có ảnh hưởng đến quá trình cháy làm
giảm lượng nhiệt sinh ra.
Các thành phần khác
Trong biogas còn có một số loại khí khác nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ,
không đáng kể và cũng không gây ảnh hưởng đến tính chất của biogas.
- 12
2.1.7. Tiềm năng và ứng dụng của biogas
2.1.7.1. Tiềm năng phát triển của biogas
Nước ta là một nước nông nghiệp phát triển có số lượng vật nuôi rất lớn với gần
5 triệu con bò, 3 triệu con trâu và 23 triệu con lợn nên lượng phân ủ yếm khí biogas rất
lớn.
Bảng 2.5. Năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc
Lượng khí biogas sinh ra Thành phần mêtan
Loại phân
(m3/ tấn phân) (% thể tích)
Trâu, bò 260 - 280
50 - 60
Heo 561
Bảng 2.6. Bảng thống kê số lƣợng phân trong ngày của gia súc
Vật nuôi Lượng phân (kg/ngày)
Trâu 14
Bò 14
Lợn 2,44
Lượng khí bigas có thể thu được trong một ngày từ trâu và bò:
(3.000.000 + 5.000.000) x 14 x 0,36 = 4.032.000 m3 gas/ ngày.
(1 kg phân trâu, bò ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,036 m3 gas.)
Lượng khí biogas có thể thu được trong 1 ngày từ heo:
23.000.000 x 2,44 x 0,045 = 2.525.400 m3 gas/ngày.
(1 kg phân heo ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,045 m3gas)
Tổng lượng gas có thể lấy được: 4.032.000 + 2.525.400 = 6.557.400 m3 gas/ngày.
Như vậy nếu tận dụng tốt, nguồn biogas này có thể cho ta nguồn năng lượng
tương đương với 1,15 x 6.557.400 = 7.541.010 lít xăng/ngày. Điều này làm giảm được
một lượng chi phí đáng kể trong việc nhập khẩu xăng dầu của cả nước, giảm áp lực
cho ngành kinh tế đồng thời có thể chủ động được nguồn năng lượng. Mặt khác, việc
sử dụng nhiên liệu biogas còn làm giảm đáng kể lượng khí thải thoát ra từ động cơ so
với nhiên liệu truyền thống; đảm bảo cho môi trường xanh, sạch.
nguon tai.lieu . vn
