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.

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 bên cạnh

63

Nguồn Biomass: gỗ, thân cây, cành cây,

rơm rạ, phân gia súc,

Các quá trình chế

biến: nhiệt phân, lên men, yếm khí, …

Nhiên liệu trung gian: than củi, khí

tổng hợp, khí metan, nhiên liệu lỏng,

etanol, …

Nhiên liệu Biomass

Nhiệt năng

Điện năng

Cơ năng

Động cơ nhiệt

Máy phát điện

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 vậtNhiều 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 được 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.

64

Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây 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

STT Cây trồng Hệ số phế thải

1 Lúa 0,75 – 2,51

2 Lúa mì 1,10 – 2,57

3 Ngô 0,55 – 1,30

4 Lúa mạch 0,82 – 1,50

5 Yến mạch 1,20 – 1,75

6 Luá miến 0,85 – 1,90

7 Khoai tây 0,20 – 0,30

8 Đậu tương 1,10 – 2,60

9 Mía 0,20 – 0,25

10 Bông 1,40 – 3,00

11 Cải dầu 1,85 – 2,0

Bảng 2.2. Sản lượng phế thải của một số loại cây trồng chính trên thế giới

STT Khu vực Ngũ cốc

(Mt)

Cây có củ (Mt)

Cây họ đậu (Mt)

Mía đường (Mt)

Tổng sản lượng (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

4 Mỹ Latin 118 9 7 58 192 8

5 Châu Phi 99 15 8 10 132 6

6 Châu Á 836 44 38 54 972 41

7 Châu Đại Dương 29 - - 5 34 1

8 Các nước phát triển

1035 46 14 13 1108 47

9 Các nước đang phát triển

1009 66 53 119 1247 53

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 sử dụng để che phủ bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động, tăng

65

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

STT Tên nướcNăng suất cây trồng

(t/ha.năm)Tỷ số cây trồng/phế

thải

Sản lượng phế thải (t/ha.năm)

Khoảng Trung bình

Khoảng Trung 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

4 Luá miến 0,3 – 3,2 1,0 1:2,5 0,8 – 8 2,5

5 Lúa mạch 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

STT Tên nước Năng lượng từ phế thải 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

6 Trung Quốc 6,8

7 Ấn Độ 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 lượng 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 lương 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 đều. 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 số 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 đến nay vẫn chưa giải 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 được sử dụng để đun nấu đồng thời cho các ứng dụng nhiệt quan trọng khác.

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 đốt gỗ khác nhau, nhất là đốt gỗ cắt đoạn được sử dụng ở Đức và Áo với các giải pháp kỹ thuật hoàn thiện.

67

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 đến việc sử 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 đường, 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. Để bổ 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.

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.

68

- 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

Hình 2.2. Các quá trình hoá khí và sản phẩm.

Đầu vào

BIOMASS

Không khí

Ôxy Hydro Nhiệt

Hoá khí dùng không khí

Hoá khí dùng ôxy

Hoá khí dùng hydro

Hoá khí nhiệt phân

Khí năng lượng thấp (N2)

Khí năng lượng trung bình

Dầu nhiệt phân Than củi

Cơ năng(động cơ đốt

trong)

Khí năng lượng trung bình và khí giàu năng lượng

(đưa vào đường ống khí đốt)

Chất lỏng tổng hợpmethanolammoniagasoline

Dầu nhiệt phânHơi nước

(dùng trong chế biến nhiệt và động cơ hơi nước)

Kiểu hoá khí

Sản phẩm trung gian

Sản phẩm cuối cùng

63

2.3. SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOGAS

2.3.1. Khái niệm về biogasBiogas 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 kJQu¸ 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 díi ®iÒu kiÖn yÕm khÝ chÆt chÏ (kÝn hoµn toµn). Cßn ë giai

63

®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 ngêi 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.

2.3.2. Nguyên liệu để sản xuất biogasNguyªn 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 biogas (l/kg

v.c.kh«)

N¨ng lîng hµm chøa

(kWh/kg v.c. kh«)

1 Th©n lóa m¹ch 200 – 310 1,19 – 1,852 Th©n c©y ng« 380 – 460 2,27 – 2,753 Th©n c©y khoai

t©y280 – 490 1,67 – 2,93

4 L¸ cñ c¶i ®êng 400 – 500 2,39 – 2,995 Rau bá ®i 330 – 360 1,97 – 2,156 Ph©n bß 200 – 400 1,19 – 2,397 Ph©n lîn 340 – 350 2,02 – 3,288 Ph©n gµ 330 – 620 1,97 – 3,709 Bïn 310 – 740 1,85 – 4,4210 PhÕ th¶i lß mæ 1200 – 1300 7,16 – 7,7611 B· mÝa 450 2,6912 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

64

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 thêng ®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/N1 Ph©n tr©u, bß 24 – 252 Ph©n lîn 12 – 203 Ph©n gia cÇm 5 – 154 Ph©n ngêi 2,9 – 105 BÌo t©y t¬i 12 – 256 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 hëng 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

65

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 díi 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 ngêi 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 lîng 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 trêng 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 níc. 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 lu 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 lîng 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.

66

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 thêng 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.

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

1

2

3 4

67

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 lîng 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 3 th× nguyªn liÖu ®· ph©n hñy sÏ trµn ra qua lèi tho¸t 4.

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 lîng 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 thêng lµm cho dÞch ph©n hñy mÊt nhiÖt vÒ mïa ®«ng nªn n¨ng suÊt gi¶m. Lo¹i cã ®ai níc h¹n chÕ ®-îc nhîc ®iÓm nµy, ®ång thêi kh¾c phôc ®îc níc ma trµn vµo bÓ

H×nh 2.3. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi1. BÓ ph©n hñy; 2. BÓ chøa khÝ; 3. BÓ n¹p

nguyªn liÖu; 4. BÓ x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra.

Hình 2.4. Hầm sản xuất biogas nắp nổi có gioăng nước.

68

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 ®ÞnhCÊu 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

Gi÷a bÒ mÆt dÞch ph©n hñy vµ mÆt tho¸ng ë ngoµi kh«ng khÝ cã mét ®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.

ThiÕt bÞ n¾p cè ®Þnh cã thÓ x©y dùng b»ng nh÷ng vËt liÖu th«ng thêng 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 nhng 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

H×nh 2.5. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ®Þnh vßm cÇu.

1. BÓ ph©n huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n¹p; 4. èng dÉn; 5. Cöa lÊy khÝ ra; 6.

Cöa th¶i b·.

69

nhÊt nªn bÒ dµy cña têng 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.

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 đời 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

H×nh 2.6. ThiÕt bÞ khÝ sinh häc kiÓu tói chÊt dÎo

1. BÓ ph©n huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n¹p; 4. Cöa x¶; 5. Cöa lÊy

khÝ ra

70

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 cư 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 được 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- Tổng diện tích vòi lửa: 565 mm2

- Chiều đài ống trộn khí: 200 mm- Đường kính ống trộn khí: 20 mmBếp 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.

71

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 NH4(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.

72

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 1m3 biogas với hàm lượng methan 60% ẩn chứa một năng lượng 6kWh 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 hiệu 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 cũng

73

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 Đức 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 lớp 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.

74

2.3.5. Tính toán và vận hành hầm phản ứng đơn giản

Dung tích hầm phản ứng gồm hai phần: phần tự huỷ chứa vật liệu lên men tạo biogas và phần chứa biogas. Việc tính toán dung tích hầm dựa trên một số cơ sở sau:

- Yêu cầu sử dụng nhiên liệu, tiêu chuẩn hàng ngày của gia đình hay tập thể.- Loại nguyên liệu để tạo thành biogas.- Chu kỳ khai thác (thời gian nguyên liệu lưu lại trong hầm), qui mô nguồn

nguyên liệu. Các hầm sản xuất biogas theo thiết kế hiện nay được vận hành theo qui trình

liên tục (tính theo đơn vị thời gian là một ngày đêm):- Vận hành đợt đầu (hầm mới xây dựng hoặc khi thau rửa): Để việc sử dụng

được ổn định thường tập trung nguyên liệu nạp một lần đầy hầm. Nạp lần đầu khoảng 70% khối lượng tính toán, trường hợp này cần tăng khối lượng nước để đạt mức cốt thiết kế qui định. Nên đưa nước vào hầm khoảng 3/5 dung tích phần tự huỷ. Đổ nguyên liệu vào hầm từ miệng hầm, nạp đến đâu khuấy đều đến đó cho hỗn hợp trở thành dạng loãng. Sau khi nạp đậy nắp hầm lại, khoảng 3 – 5 ngày sau sẽ thu được biogas. Những ngày đầu cho hàm lượng khí methan thấp, ngọn lửa có màu vàng, những ngày sau sẽ chuyển sang màu xanh tím.

- Vận hành thường xuyên: Sau 20 – 25 ngày sử dụng đảm bảo cho hầm sản xuất biogas hoạt động ổn định, bắt đầu nạp nguyên liệu và nước thường xuyên hàng ngày. Đồng thời với việc nạp thường xuyên hàng ngày, phía hệ thống thải cũng tràn ra một khối lượng chất đã phân huỷ tương đương.

Nói chung các hầm trong gia đình cần kết hợp với hố xí tự hoại, hệ thống chuồng gia súc. Hàng ngày khi làm vệ sinh chuồng trại, nước rửa và phân theo hệ thống chảy vào hầm. Việc vận hành thường xuyên càng đều đặn thì hầm sản xuất biogas hoạt động càng ổn định. Chú ý không được cho nước xà phòng vào hầm, vì như vậy sẽ làm tăng độ pH làm xấu khả năng tạo biogas và có thể làm chết các vi khuẩn methanogen.

Một số qui tắc khi sử dụng biogas: Khí methan nhẹ rất dễ bắt lửa, khi cháy hoàn toàn cho nhiệt lượng cao tới

13300 kcal/kg. Quá trình cháy không tạo sản phẩm gì có hại cho sức khoẻ. Vì thế loại khí này đã được sử dụng trong công việc nội trợ gia đình ở nhiều nước trên thế giới. Khí methan rất dễ gây nổ và nổ mạnh ở nơi có nồng độ 6 – 14% khi có tia lửa hoặc nhiệt độ cao trên 7000C. Để phòng tránh các sự cố có thể xảy ra khi đun nấu bằng khí methan cần chú ý một số điểm sau:

- Bệ ủ, hệ thống tạo khí methan và hệ thống đường ống dẫn đến các bộ phận tiêu thụ phải tuyệt đối kín, cững vững. Nghiêm cấm mọi khả năng xuất hiện tia lửa quanh khu vực sản xuất và sử dụng biogas.

- Trước khi bật lửa mồi bếp phải mở rộng cửa thông gió 10 – 15 phút để loại trừ khả năng tích tụ khí methan do đường ống, van bị dò rỉ ra ngoài.

- Hệ thống dẫn khí vào các hộ tiêu thụ phải có đầy đủ van an toàn để kịp thời xử lý khi cần thiết.

- Khi châm lửa vào bếp biogas cần mở từ từ van dẫn khí, khi không đun nấu nữa phải vặn chặt van cấp khí.

75

- Trong quá trình sử dụng nếu thấy có hiện tượng khả nghi phải kiểm tra khắc phục ngay.

2.4. NHIÊN LIỆU TÁI TẠO DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.4.1. Giới thiệu chung

Phần lớn động cơ đốt trong dùng trên các loại xe hiện nay (ô tô, máy kéo, xe máy, … ) được thiết kể để sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng, diesel hoặc nhiên liệu tương đương. Tất cả các nhiên liệu này đều có nguồn gốc hoá thạch mà trữ lượng được đánh giá chỉ còn đủ dùng trong khoảng 50 - 60 năm nữa. Nguy cơ cạn kiệt nguồn nguyên liệu hoá thạch cùng với nhận thức về môi trường đã thúc đẩy việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế. Các loại nhiên liệu lỏng được sản xuất từ nguyên liệu có nguồn gốc thực vật như ethanol (C2H5OH), methanol CH3OH, gasoline C4-C12 và dầu thực vật có thể sử dụng cho động cơ đốt trong rất tốt. Các nhiên liệu này có khả năng tái tạo (trồng lại được) và có nhiều ưu thế như: không phá huỷ môi trường, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, tăng tính cạnh tranh trong sản xuất nông nghiệp và tiết kiệm nguồn năng lượng hoá thạch.

2.4.2. Các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất nhiên liệu tái tạo Ethanol, methanol và gasoline được sản xuất từ các nguyên liệu khác nhau theo

các qui trình khác nhau như trình bày trên hình 2.10.

Hình 2.10. Nguyên liệu để sản xuất methanol và ethanol.

Khí tự nhiên phân lập

Than đá

Than bùn

Gỗ

Thảo mộc

Chất thải sinh hoạt rắn

Hạt nông sản

Đường

Methanol

Ethanol

76

Hình 2.11. Qui trình sản xuất methanol.

Hình 2.12. Sơ đồ qui trình sản xuất ethanol.

Hoá khí bằng thổi khí ôxy

Thu khí

Thay đổi thành phần khí

Nén cùng với chất xúc tác

Chưng cất

Bảo quản

Methanol

Gỗ hoặc cây thân thảo

ÔxyTái sử dụng bã và dầu

Bảo quản Methanol thô

Ethanol

Tách đường

Cô đặc thành xirô để dự trữ (không

bắt buộc)

Pha loãng với nước

Lên men

Chưng cất tới 95% ethanol

Cây có đường

Hạt nông sản

Tách bán sản phẩm (đường)

Thức ăn gia súc Sấy khô bán sản

phẩm (hạt)

Chuyển thành đường

Chưng cất thành ethanol khô

Bảo quản

Bảo quản

77

Ethanol được sản xuất nhiều ở Brasil, họ sản xuất từ mía. Ở châu Âu phần lớn ethanol được sản xuất từ củ cải đường. Tuy nhiên quá trình chuyển đổi từ đường thành rượu là quá trình có chi phí năng lượng rất lớn. Năng lượng cần để sản xuất rượu lớn hơn nguyên liệu có thể đem sử dụng khoảng 20%.

Đối với mía đường thì nguyên liệu cần để sản xuất rượu và năng lượng có thể sử dụng từ rượu gần bằng nhau.

Methanol được sản xuất bằng cách thuỷ phân các vật liệu phế thải hoặc cây cỏ chứa xenlulô. Các chất thải này có khỗi lượng lớn ở các nhà máy chế biến gỗ, mía đường hoặc cây cỏ trong quá trình sản xuất nông nghiệp.

Dầu thực vật nhận được từ quả và hạt của cây có dầu. Hàm lượng dầu và năng suất của một số loại cây có dầu chính được trình bày trong bảng 2.8.

Bảng 2.8. Hàm lượng dầu và năng suất của một số loại hạt dầu.

TT Tên sản phẩm Hàm lượng dầu (%)

Năng suất trung bình (kg/ha)

Dầu Tổng số

1 Cọ cao cây 60 - 65 - -

2 Cùi dừa khô Philippines 65 – 68 669 1045

3 Ngô hạt 4,8 254 5282

4 Hạt lanh 35 – 42 230 650

5 Hạt cọ dầu 45 – 50 3895 4455

6 Hạt lạc 45 – 50 790 2494

7 Hạt cải dầu 40 – 45 409 1166

8 Hạt hướng dương 35 – 40 589 1469

9 Hạt đậu tương 18 – 20 319 1788

10 Hạt vừng 50 260 -

Trong các loại cây có dầu, có ý nghĩa nhất là đậu tương với sản lượng 107 triệu tấn trong một năm (1989) và hạt cải dầu với 23 triệu tấn. Đối với châu Âu hạt cải dầu là loại hạt có dầu thích hợp nhất. Gần đây người ta phát hiện ra cây đậu cọc rào (tên khoa học là Jatropha) là loại cây rất thích hợp với khí hậu nhiệt đới, có thể sống trên đất xấu, có khả năng chịu hạn và chứa hàm lượng dầu 30 – 35%. Dầu đậu cọc rào dùng chạy động cơ rất tốt. Hiện nay ở Việt Nam đang triển khai chương trình trồng thử nghiệm cây đậu cọ rào ở một số tỉnh miền núi phía Bắc. Nếu thành công, cây đậu cọc rào sẽ rất có ý nghĩa trong việc phủ xanh đất trống đồi núi trọc và tăng thu nhập cho nông dân miền núi.

Dầu thực vật được ép ra từ hạt. Qui trình chế biến hạt dầu được trình bày trên hình 2.13.

Dầu thực vật sau khi ép từ hạt cần được làm sạch khỏi các chất lạ không mong muốn. Dầu thô chưa chế biến vẫn còn chứa mỡ, triglocerin và một loạt các chất kèm theo như các axit béo tự do, các phosphatide, chất màu và mùi. Axit béo tự do làm giảm độ nhớt và nhiệt độ bốc cháy của dầu. Phospatide không hoà tan trong dầu nếu hợp nước sẽ làm tắc bình lọc nhiên liệu. Hạt cải dầu sau khi chế biến chỉ còn lại 20% năng lượng sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

78

Mỡ thải từ các bếp ăn hoặc chỗ rửa cũng như mỡ động vật ở các lò mổ có thể xử lý nhiệt làm nóng chảy sau đó làm sạch thành nhiên liệu.

Khí hydro nhận được bằng điện phân, cháy trong động cơ tạo thành nước là một nhiên liệu lý tưởng song khó có thể trở thnàh hiện thực do phải chi phí năng lượng rất lớn cho việc sản xuất ở dạng điện năng. Người ta đã nhận thấy rằng, càng tăng việc sản xuất điện năng từ nhiệt điện, thuỷ điện và điện hạt nhân thì càng làm xấu đi cân bằng năng lượng tổng thể và trước hết là cân bằng sinh thái.

Hình 2.13. Sơ đồ qui trình chế biến biodisel từ dầu thực vật.

2.4.3. Các tính chất nhiên liệu Nhiên liệu từ dầu thực vật phù hợp nhất để thay thế nhiên liệu diesel. Cồn

ethanol và methanol phù hợp cho động cơ cháy cưỡng bức. Để sử dụng cho các loại động cơ sẵn có mà không cần thay đổi lớn về cấu trúc cần phải tìm hiểu về các tính chất lý hoá học của nhiên liệu như độ nhớt động học, nhiệt trị, tính bốc cháy và tính bay hơi. Bảng 2.9 và 2.10 trình bày các tính chất của các loại nhiên liệu tái sinh.

a) Độ nhớt

Độ nhớt của đa số dầu thực vật cao hơn nhiều so với nhiên liệu diesel, nghĩa là dầu thực vật là chất lỏng sánh hơn. Điều này dẫn đến các vấn đề trong việc cung cấp nhiên liệu, trong bình lọc và trong vòi phun. Độ nhớt là thông số quyết định đối với chất lượng tạo bụi nhiên liệu và qua đó đến chất lượng cháy. Ở nhiệt độ dưới 00C nếu không có chất phụ gia thì dầu thực vật không còn dùng làm nhiên liệu được nữa. Có thể làm giảm độ nhớt của dầu thực vật bằng cách đun nóng hoặc pha thêm nhiên liệu diesel, hoặc ester hoá.

Ép dầu

Lọc dầu

Phá gôm

Làm sạch

Bảo quản

Biodiesel

Hạt có dầu

Bã ép Thức ăn chăn nuôi

79

Bảng 2.9. Một số tính chất của ethanol, methanol và gasoline

TT Thông số Ethanol Methanol Gasoline

1 Công thức hoá học C2H5OH CH3OH C4-C12

2 Khối lượng phân tử (g) 46,0 32,0 100 – 105

3 Thành phần(% khối lượng): Cacbon Hydro Ôxy

52,213,134,7

37,512,649,9

85 – 8812 – 15

0

4 Khối lượng riêng (kg/lit) 0,794 0,796 0,72 – 0,78

5 Nhiệt độ sôi 78 65 27 – 225

6 Nhiệt ẩn hoá hơi (kJ/kg) 845 1100 353

7 Nhiệt trị (MJ/kg) 29,7 22,3 47,0

8 Nhiệt độ tự bốc cháy (0C) 423 464 257

9 Trị số ôctan nghiên cứu 107 109 93

10 Trị số ôctan khi pha trộn 126 130 -

Bảng 2.10. Một số tính chất vật lý của dầu thực vật

TT Loại dầu Khối lượng riêng (kg/m3 ở 210C hay 700F)

Độ nhớt động

Nhiệt độ đông đặc (0C)

Nhiệt trị (MJ/kg)

1 Dầu đậu tương 918 57,2 -10 đến - 16 34,3

2 Dầu hướng dương 918 60,0 - 17 36,5

3 Dầu dừa 915 51,9 14 – 22 -

4 Dầu lạc 914 67,1 3 36,2

5 Dầu cọ 898 88,6 35 – 42 36,5

6 Dầu olive 915 74,0 - 39,5

b) Tính bốc cháyỞ động cơ diesel nhiên liệu tự bốc cháy khi phun vào không khí nén ở nhiệt độ

cao trong buồng đốt. Điều này được thực hiện với trị số xetan > 45. Số xetan càng cao việc tự bốc cháy nhiên liệu càng dễ dàng.

Số xetan xác định được của dầu thực vật nằm trong khoảng < 50, của dầu hạt cải ester hoá đạt đến 55. Như vậy dầu hạt cải ester hoá (RME) vừa có độ nhớt thấp lại vừa có tính chất bốc cháy tương tự như nhiên liệu diesel.

Ở động cơ cháy cưỡng bức, tính chất quyết định không phải tính tự cháy mà là tính chống nổ, biểu hiện bằng số ôctan. Cồn có tính chống nổ tốt hơn các nhiên liệu còn lại dùng cho động cơ cháy cưỡng bức. Methanol phần nào làm tăng tính chống

80

nổ khi bổ sung vào xăng. Nhờ tăng tính chống nổ có thể tăng độ nén và qua đó tăng hiệu suất và công suất của động cơ.

Năng lượng đốt cháy của hỗn hợp không khí – hydro là rất nhỏ và bằng 10% năng lượng cần thiết để đốt cháy hỗn hợp xăng – không khí. Giới hạn đốt cháy rộng như vậy cho phép động cơ hoạt động với hỗn hợp rất nghèo và mặt khác có thể dẫn đến cháy sớm.

c) Nhiệt trị Nhiệt trị thể hiện năng lượng hàm chứa trong nhiên liệu. Nhiên liệu có nhiệt trị

cao sẽ có giá trị sử dụng cao. So với nhiên liệu diesel có nhiệt trị 45 MJ/kg, dầu thực vật có nhiệt trị nằm trong khoảng từ 34 MJ/kg đến 39,5MJ/kg, thấp hơn khoảng 12 – 20%. Khối lượng riêng của dầu thực vật nằm ở khoảng 900 920 kg/m3, trong khi của nhiên liệu diesel là 820 kg/m3 nên nhiệt trị theo thể tích chỉ nhỏ hơn khoảng 5%. Điều này dẫn đến hậu quả là nếu yêu cầu công suất như nhau thì cần thiết một lượng phun như nhau và như vậy chi phí nhiên liệu tương ứng sẽ tăng lên.

Nhiệt trị của cồn và của methanol rất thấp, methanol có nhiệt trị bằng khoảng một nửa nhiệt trị của xăng. Điều này tạo thành một chuẩn mới cho hệ thống tạo thành hỗn hợp (bơm nhiên liệu, vòi phun) để có thể nạp vào xilanh một hỗn hợp tương đương như chế độ làm việc với xăng. Theo quy luật yêu vầu phun vào một lượng nhiên liệu lớn hơn gấp hai lần.

Hydro lỏng có nhiệt trị khoảng 8,3 MJ/lít trong khi của xăng là 31,3 MJ/lít. Ở công suất động cơ như nhau sẽ yêu cầu chi phí nhiên liệu theo thể tích cao hơn gấp 3,7 lần. Do hydro trong liên kết với ôxy trong không khí là một chất khí rất dễ bốc cháy nên yêu cầu chi phí đặc biệt lớn khi cất giữ theo phương pháp hoá lỏng ôxy ở nhiệt độ cực thấp (- 2530C) hoặc tạo liên kết hydro hoá kim loại.

d) Cải thiện các tính chất nhiên liệu Muốn sử dụng mỡ hoặc dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế diesel cần phải tác

động vào tính chất của chúng sao cho động cơ vẫn hoạt động như bình thường, trong đó cần quan tâm trước hết là vấn đề cốc hoá màng dầu bôi trơn. Có thể áp dụng những biện pháp sau:

- Làm tương thích nhiên liệu với động cơ - Làm tương thích động cơ với nhiên liệu Biện pháp thứ nhất có ưu thế hơn vì tạo khả năng hoạt động thay đổi với nhiên

liệu diesel, khi đó nhiên liệu mới có thể có nhiều cơ hội sử dụng trong các động cơ diesel sẵn có. Giải pháp ở đây là tác động để giảm thiểu độ nhớt hoặc trộn lẫn với các nhiên liệu khác.

Nhờ chuyển đổi hoá học dầu thực vật thành methyester mà nó có các tính chất gần với nhiên liệu diesel, do đó người ta gọi nhiên liệu này là biodiesel. Việc tách nhỏ các liên kết phân tử làm cho nhiên liệu này cháy nhanh hơn và sự tạo cốc giảm đi.

2.4.4. Động cơ dùng nhiên liệu sinh học – biodieselDầu thực vật đã xử lý có thể sử dụng hầu như không có giới hạn cho các động

cơ buồng trước hoặc buồng xoáy theo hai hướng: dùng riêng hoặc trộn lẫn với nhiên liệu diesel. Với động cơ diesel phun trực tiếp không thể sử dụng dầu thực vật tinh khiết làm nhiên liệu. Trong quá trình làm việc lâu dài sẽ dẫn đến sự cốc hoá và kẹt

81

vòng găng. Điều đó hạn chế sự hoạt động của động cơ và dẫn đến nhanh hư hỏng. Nếu trộn lẫn 5% dầu thực vật vào nhiên liệu diesel thì tất cả các loại động cơ đều hoạt động không có vấn đề gì.

Trong khi các động cơ có buồng đốt phân chia sử dụng dầu thực vật không có những yêu cầu thay đổi lớn về kết cấu thì các động cơ phun trực tiếp lại cần thay đổi rất nhiều. Ở động cơ Elsbett buồng đốt dạng bán cầu được đặt ở giữa đáy piston, rãnh nạp khí có dạng đặc biệt tạo ra một dòng xoáy không khí rất mạnh. Từ đó dẫn đến sự phân lớp khí nạp mạnh và sự cháy phân cấp. Để tránh bó cứng vòng găng do cốc hoá, piston được phân cách làm hai phần, nhờ đó giảm dòng nhiệt ở vùng giữa vòng găng. Ngoài ra dòng khí xoáy gần vách trong buồng đốt còn tạo ra một vùng “lạnh” giữa piston và vùng khí cháy.

Trong chế độ làm việc với mỡ thực vật trước hết nhiên liệu cần được hoá lỏng và sau đó hâm nóng để phun. Nhờ một hệ thống nhiên liệu thứ hai, động cơ hoạt động bằng nhiên liệu diesel ở chế độ khởi động và ngắt tải. Nhờ có hoạt động kép như vậy mà các quá trình khởi động, hâm nóng động cơ và thời gian hâm nóng mỡ được thực hiện cũng như tránh được hiện tượng kẹt vòi phun.

2.4.5. Hoạt động của động cơ Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm trong sử dụng thực tế

về các tính chất hoạt động của động cơ như công suất, chi phí nhiên liệu, ổn định chuyển động và khí thải.

2.4.5.1. Công suất và chi phí nhiên liệu Với hiệu suất như nhau, công suất của động cơ phụ thuộc vào nhiệt trị thể tích

của các loại nhiên liệu khác nhau. Việc định lượng lượng phụ nhiên liệu trong một chu kỳ được thực hiện theo thể tích nhờ thiết bị phun. Nhiệt trị thể tích của dầu thực vật thấp hơn 5%, của RME thấp hơn 10% so với nhiệt trị của nhiên liệu diesel.

Khi lượng phun không đổi, công suất động cơ giảm theo lượng giảm nhiệt trị. Nếu tăng năng suất cung cấp của bơm nhiên liệu thì có thể giữ công suất như hoạt động với nhiên liệu diesel, tuy nhiên sẽ làm tăng chi phí nhiên liệu theo thể tích.

Khi sử dụng rượu cồn, chi phí nhiên liệu theo thể tích tăng mạnh do nhiệt trị của rượu rất nhỏ. Nếu so sánh tực tiếp với các động cơ xăng thông thường thì chi phí nhiên liệu khi động cơ chạy bằng rượu tăng khoảng 20%. Tuy nhiên lượng khí thải CO2 của động cơ dùng nhiên liệu là rượu cồn giảm nhiều.

2.4.5.2. Tính ổn định làm việc Việc sử dụng dầu thực vật tinh khiết làm nhiên liệu trong chế độ hoạt động lâu

dài của động cơ phun trực tiếp nhanh chóng dẫn đến mất ổn định như giảm công suất đến mức chết máy, trong buồng đốt và ở đầu vòi phun xuất hiện cốc hoá mạnh. Sự tạo bụi nhiên liệu và tạo thành nhiên liệu bị xấu đi do hậu quả của việc bốc cháy không tốt.

Nguyên nhân của việc cốc hoá là tính chất bay hơi kém, tính ổn định nhiệt thấp và trọng lượng phân tử lớn của dầu thực vật. Ở động cơ có buồng trước có nhiều thời gian để tạo hỗn hợp, quá trình cháy được tiến hành không bị nhiễu và nhờ đó ít bị cốc hoá.

82

Khi sử dụng RME, cả động cơ phun trực tiếp và động cơ có buồng đốt phân chia đều hoạt động tốt không bị cốc hoá và muội. Độ sạch của piston có phần nào tốt hơn, còn độ bám cặn muội ở các vòi phun và xupap thì tương đương như ở chế độ làm việc với nhiên liệu diesel.

Trong khi động cơ làm việc có một lượng nhỏ nhiên liệu lọt qua vòng găng xuống dầu bôi trơn. Hậu quả của hiện tượng này là làm xấu việc tạo màng dầu bôi trơn ở thành xilanh. Việc làm loãng dầu bôi trơn thể hiện mạnh ở động cơ phun trực tiếp hơn là ở động cơ có buồng trước hoặc buồng xoáy. Nếu giữ chính xác khoảng thời gian thay dầu thì khi động cơ hoạt động với RME hiện tượng loãng dầu bôi trơn không có biểu hiện gì đáng chú ý.

2.4.5.3. Tính chất vật liệu RME có thể làm bong sơn và thậm chí hoà tan sơn, do đó không được chứa

RME trong thùng có sơn bảo vệ. Sơn hoà tan di chuyển theo nhiên liệu có thể làm tắc bình lọc và vòi phun. Ống dẫn nhiên liệu và đệm kín bằng cao su sẽ dễ bị vỡ và hoá cứng do ester. Các vật liệu từ cao su – flour liên kết phù hợp với RME.

Dầu hạt cải có ưu thế hơn các loại nhiên liệu truyền thống về mặt phân huỷ sinh học. Điều này làm giảm thiểu tai hoạ xảy ra khi vận chuyển và cất giữ, kể cả các trường hợp có thể hoặc không tránh khỏi sự tiếp xúc của dầu với môi trường. RME và dầu thực vật tự phân huỷ sinh học trong vòng 3 tuần, có nghĩa là vết dầu trên mặt đất sau đó không còn nhận thấy nữa. Với một chút bẩn do dầu diesel hoặc dầu bôi trơn cần lượng đất lớn hơn nhiều để làm mất vết và phải chi phí lớn hơn nhiều để làm sạch so với các loại vết bẩn khác.

Methanol có các tính chất xâm thực hoá học mạnh, do đó đòi hỏi sự thích ứng về vật liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu. Kể cả dầu bôi trơn cũng cần phải có tính thích ứng với methanol.

2.4.5.4. Tính thích ứng với mùa đôngĐối với chế độ hoạt động mùa đông, dầu và mỡ thực vật chỉ phù hợp trong

những điều kiện nhất định. Do có độ nhớt cao nên việc sử dụng dầu thực vật khó khăn khi nhiệt độ thấp hơn 200C.Việc khởi động động cơ ở vùng nhiệt độ này không thể thực hiện được nếu không có các biện pháp trợ giúp. Dưới 100C phần lớn dầu tinh khiết bị cứng hoặc sệt lại. Khi đó cần phải hâm nóng bình lọc và đốt nóng bình chứa, …Nhờ bổ sung thêm chất phụ gia, chất làm tăng tính lưu động mà RME có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ - 100C.

2.4.5.5. Khí thải Các thành phần chính của khí thải như CO2, NOx và carburhydro CH được giới

hạn bởi các luật quốc gia và quốc tế đối với động cơ và xe cộ. Khi sử dụng động cơ tĩnh tại như ở các trạm phát điện đã có các qui định về giá trị giới hạn đối với CO2, NOx, SO2 và muội than.

Mức lan toả SO2 từ nhiên liệu dầu thực vật là không đáng kể và có thể bỏ qua bởi vì dầu thực vật chứa rất ít lưu huỳnh.

Khi động cơ hoạt động với dầu hạt cải tinh khiết thấy rằng cả lượng thải CO và CH đều tăng rõ hơn so với trường hợp động cơ hoạt động với nhiên liệu diesel. Mức thải NOx giảm không đáng kể.

83

Trong trường hợp động cơ hoạt động với RME thì mức thải các chất CH, CO, NOx lại giảm một chút so với khi sử dụng nhiên liệu diesel.

Mức thải chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ làm việc của mỗi động cơ nên kết quả nghiên cứu có phần nào phân tán.

Mức thải muội than, biểu hiện bởi độ đen, khi động cơ hoạt động với dầu cải nhỏ hơn đáng kể so với khi động cơ hoạt động với nhiên liệu diesel, xét trong cả vùng hoạt động của động cơ và còn nhỏ hơn nữa khi sử dụng RME. Mức thải andehyd và keton và cả chất thơm khi hoạt động với dầu cải cao hơn so với khi sử dụng diesel. Đối với động cơ sử dụng RME lượng thải các chất cacburhydro thơm mạch vòng thấp hơn khi sử dụng diesel khoảng 30%. Dầu cải có mức thải mùi khá mạnh do có thành phần Acrlein.

Khi sử dụng các bộ xúc tác ôxy hóa có thể giảm đáng kể tất cả các thành phần độc hại của khí xả. Lượng thải mang tính pháp lý CO2, CH và NOx được qui định kể cả với dầu cải và RME khi sử dụng và không sử dụng katalysator.

Khi đốt cháy rượu cồn có khả năng cải thiện lượng thải độc hại thể khí từ 10 đến 50%.

Hydro là nhiên liệu sạch nhất theo cách nhìn về môi trường và hiệu ứng nhà kính, chỉ xuất hiện NOx do lượng ôxy thừa trong phản ứng cháy với hydro. Lượng thải ở đây cũng tương đương với trường hợp động cơ hoạt động có katalysator. Nhờ chế độ làm việc nghèo ôxy mà có thể tiếp tục giảm lượng thải NOx. Do không có cacburhydro tham gia phản ứng cháy nên chỉ xuất hiện lượng thải CO và CO2 rất nhỏ tạo bởi sự cháy theo một lượng rất nhỏ dầu bôi trơn.

2.4.6. Ảnh hưởng đến môi trường Trong tương lai, triển vọng về sử dụng bổ sung dầu và mỡ thực vật làm nhiên

liệu là rất lớn. Việc sản xuất dầu thực vật từ cây có dầu được nhìn nhận là một quá trình có ưu điểm về mặt sinh thái, trước hết là cân bằng CO2 hợp lý.

Về việc nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ thì không có gì cần nghi ngờ vì khi cháy động cơ chỉ thải ra CO2 mà trước đó trong quá trình phát triển thực vật đã lấy từ khí quyển. Để nghiên cứu chính xác hơn cân bằng CO2 cần khảo sát toàn bộ quá trình tạo thành nhiên liệu sinh học, nghĩa là cần tính toán cả việc sản xuất phân bón và phương tiện bảo vệ thực vật cũng như quá trình canh tác trong nông nghiệp. Điều này có nghĩa là sự cân bằng CO2 không còn là trung tính nữa nhưng so với cân bằng CO2 của nhiên liệu hoá thạch thì rõ ràng là tốt hơn nhiều.

2.4.7. Tính kinh tế

Ở châu Âu, việc sản xuất nhiên liệu thực vật đã là một thực tại và ngày càng phát triển. Thí dụ, diện tích nông nghiệp ở Đức năm 1990 là 18 triệu ha, còn diện tích trồng cây cải dầu khi đó là 570000 ha. Đến năm 2000 diện tích trồng cây cải dầu đã tăng gấp đôi.

Giá sử dụng nhiên liệu biodiesel khi không phải tính thuế tương đối phù hợp so với giá nhiên liệu diesel truyền thống.

Động cơ chạy bằng rượu cồn có ưu điểm trội hẳn về mặt sử dụng năng lượng và tính chất khí thải so với các động cơ diesel truyền thống. Tuy nhiên cũng có vấn

84

đề CO2 mà các nhà sản xuất nhiên liệu rượu cồn được khuyến cáo chỉ nên sử dụng nguyên liệu tái tạo được. Giá sản xuất nhiên liệu rượu cồn hiện nay còn cao so với nhiên liệu từ dầu mỏ nên theo quan điểm thị trường thì rõ ràng nhiên liệu rượu cồn chưa có cơ hội sử dụng. Việc thay thế nhiên liệu hoá thạch về lâu dài sẽ còn phải thay đổi.

Đối với hydro chúng ta còn thiếu hoàn toàn một cơ cấu cung cấp. Nhược điểm mang tính quyết định hiện nay là chi phí quá lớn cho sản xuất và cất giữ hydro. Về lâu dài so với các loại nhiên liệu truyền thống hydro sẽ là loại nhiên liệu tốt nhất trong tương lai bởi vì vấn đề sinh thái ngày càng được coi trọng hơn vấn đề kinh tế.

85