Khảo Sát Hoạt Động Của Máy Phát Điện 5 KVA Chạy Bằng Khí Biogas Từ Phân Heo

Luận văn tốt nghiệp kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 5 kva chạy bằng khí biogas ủ từ phân heo, điều tra thực trạng, phân tích số liệu,

• Đề tài: Khảo Sát Hoạt Động Máy Phát Điện 5 KVA Chạy Bằng Biogas Từ Phân Heo

Mục lục chi tiết

• Lời cảm tạ
• Tóm tắt
• Danh sách các chữ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• Danh sách các biểu đồ
• 1. Chương 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục đích và yêu cầu
• 1.2.1. Mục đích
• 1.2.2. Yêu cầu
• 2. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Lý thuyết về biogas
• 2.1.1. Sơ lược về biogas
• 2.1.2. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas
• 2.1.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas
• 2.1.4. Các sản phẩm của hệ thống biogas
• 2.1.5. Định nghĩa về biogas
• 2.1.6. Tính chất của biogas
• 2.1.7. Tiềm năng và ứng dụng của biogas
• 2.1.7.1. Ứng dụng của biogas
• 2.1.8. Một số hầm yếm khí tạo biogas hiện nay
• 2.1.8.1. Dạng hầm giếng có khoang chứa gas nổi
• 2.1.8.2. Dạng hầm ủ túi dẻo
• 2.1.8.3. Hầm ủ dạng bê tông, composit
• 2.2. Sơ lược động cơ đốt trong
• 2.2.1. Lý thuyết cơ bản về động cơ đốt trong
• 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ 4 kỳ
• 2.2.3. Cấu tạo động cơ đốt trong
• 3. Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài
• 3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng
• 3.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm
• 3.3.1. Chạy máy phát điện tại Hóc Môn bằng nhiên liệu biogas
• 3.3.1.1. Chạy máy phát điện bằng biogas khi mang tải
• 3.3.1.2. Chạy máy phát điện bằng biogas ở chế độ không mang tải
• 3.3.2. Chạy máy phát điện bằng nhiên liệu xăng tại Hóc Môn
• 4. Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả máy chạy bằng biogas hoặc xăng ở chế độ không tải
• 4.2. Kết quả máy chạy bằng biogas và xăng ở chế độ có tải
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Khám phá máy phát điện 5 KVA chạy biogas từ phân heo

Việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo đang trở thành ưu tiên hàng đầu trong bối cảnh cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và ô nhiễm môi trường. Trong lĩnh vực nông nghiệp, xử lý chất thải chăn nuôi không chỉ là một thách thức về môi trường mà còn là cơ hội để tạo ra năng lượng. Một trong những giải pháp đột phá là sử dụng khí sinh học (biogas) từ phân heo để vận hành máy phát điện. Mô hình này không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng mà còn góp phần vào mô hình kinh tế tuần hoàn, biến chất thải thành tài nguyên có giá trị. Báo cáo nghiên cứu khoa học về máy phát điện 5 KVA chạy bằng biogas từ phân heo được thực hiện nhằm đánh giá tính khả thi, hiệu quả và các thông số kỹ thuật của giải pháp này. Nghiên cứu tập trung vào việc so sánh hiệu suất hoạt động, mức độ phát thải và hiệu quả kinh tế khi sử dụng biogas so với nhiên liệu xăng truyền thống. Kết quả ban đầu cho thấy đây là một giải pháp năng lượng cho trang trại cực kỳ tiềm năng, giúp người chăn nuôi tự chủ về điện năng, giảm thiểu ô nhiễm và tăng thêm thu nhập. Việc ứng dụng công nghệ này mở ra một hướng đi bền vững, tận dụng tối đa nguồn tài nguyên tại chỗ, đồng thời góp phần giảm phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường sống.

1.1. Tiềm năng của khí sinh học trong chăn nuôi heo quy mô lớn

Ngành chăn nuôi heo tại Việt Nam tạo ra một lượng chất thải hữu cơ khổng lồ. Nếu không được xử lý đúng cách, đây sẽ là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng. Tuy nhiên, phân heo lại là nguyên liệu lý tưởng để sản xuất khí sinh học thông qua quá trình ủ yếm khí. Lượng khí metan (CH4) sinh ra từ phân heo rất lớn, có thể cung cấp nguồn nhiên liệu ổn định cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất. Theo thống kê, 1 tấn phân heo có thể tạo ra khoảng 561 m³ khí sinh học. Với các trang trại quy mô lớn, việc xây dựng hầm biogas composite hoặc các loại hầm ủ hiện đại khác không chỉ giải quyết triệt để vấn đề môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng tại chỗ, giảm sự phụ thuộc vào lưới điện quốc gia và các nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ.

1.2. Tổng quan về máy phát điện công suất 5 kVA dùng biogas

Máy phát điện công suất 5 kVA là lựa chọn phổ biến cho các hộ gia đình và trang trại quy mô vừa và nhỏ, đủ khả năng cung cấp điện cho các thiết bị thiết yếu. Việc chuyển đổi hoặc thiết kế động cơ biogas chuyên dụng cho loại máy phát này là một bước tiến quan trọng. Về cơ bản, động cơ đốt trong được điều chỉnh để sử dụng nhiên liệu khí thay vì xăng. Khí biogas từ hầm ủ được lọc sơ bộ để loại bỏ tạp chất và hơi nước trước khi đưa vào bộ chế hòa khí. Nghiên cứu tập trung khảo sát khả năng vận hành, độ ổn định của dòng điện, và hiệu suất máy phát điện biogas khi hoạt động ở các mức tải khác nhau. Mục tiêu là xác định xem liệu điện từ phân heo có thể trở thành một nguồn cung cấp đáng tin cậy hay không.

II. Thách thức năng lượng và môi trường trong chăn nuôi hiện đại

Ngành chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi heo, phải đối mặt với hai thách thức lớn: chi phí năng lượng ngày càng tăng và áp lực xử lý chất thải để bảo vệ môi trường. Các trang trại hiện đại sử dụng nhiều thiết bị tiêu thụ điện như hệ thống quạt thông gió, máy cho ăn tự động, hệ thống chiếu sáng và sưởi ấm, khiến hóa đơn tiền điện trở thành một gánh nặng. Đồng thời, lượng phân và nước thải khổng lồ nếu không được xử lý chất thải chăn nuôi một cách hiệu quả sẽ gây ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí. Mùi hôi thối và sự phát tán của các loại khí độc hại như H2S và NH3 ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và vật nuôi. Đặc biệt, khí khí metan (CH4), một thành phần chính trong khí thải chăn nuôi, là một trong những loại khí nhà kính có khả năng gây hiệu ứng nóng lên toàn cầu cao gấp nhiều lần so với CO2. Do đó, việc tìm kiếm một giải pháp tích hợp, vừa cung cấp năng lượng giá rẻ, vừa xử lý triệt để chất thải là yêu cầu cấp bách, và máy phát điện 5 KVA chạy bằng biogas từ phân heo nổi lên như một ứng cử viên sáng giá.

2.1. Phân tích chi phí đầu tư hầm biogas và hệ thống phát điện

Mặc dù lợi ích lâu dài là rõ ràng, rào cản ban đầu đối với nhiều trang trại chính là chi phí đầu tư hầm biogas và máy phát điện. Chi phí này phụ thuộc vào quy mô trang trại, công nghệ hầm ủ (hầm xây gạch, hầm biogas composite, túi ủ nhựa dẻo) và chất lượng của máy phát điện. Một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm hầm ủ, hệ thống thu và lọc khí, và động cơ biogas. Việc tính toán chính xác quy mô hầm ủ sao cho lượng khí sinh ra đủ để vận hành máy phát điện một cách ổn định là rất quan trọng. Tuy nhiên, các phân tích kinh tế cho thấy thời gian hoàn vốn cho hệ thống này tương đối ngắn nhờ vào việc tiết kiệm chi phí điện và nhiên liệu, cũng như các lợi ích gián tiếp từ việc bán phân bón hữu cơ sau ủ.

2.2. Vấn đề kỹ thuật trong vận hành hệ thống biogas phát điện

Việc vận hành hệ thống biogas để phát điện đòi hỏi kiến thức kỹ thuật nhất định. Chất lượng biogas không ổn định, tỷ lệ khí metan (CH4) và các tạp chất như H2S, CO2 có thể thay đổi tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ và chế độ vận hành hầm ủ. Tạp chất H2S có tính ăn mòn cao, có thể gây hư hại cho các chi tiết kim loại của động cơ. Do đó, hệ thống lọc khí hiệu quả là yêu cầu bắt buộc. Ngoài ra, việc điều chỉnh tỷ lệ hòa trộn giữa biogas và không khí trong bộ chế hòa khí để đạt được hiệu suất đốt cháy tối ưu cũng là một thách thức kỹ thuật. Đảm bảo áp suất khí cung cấp cho máy phát điện luôn ổn định cũng là yếu tố then chốt để máy hoạt động không bị gián đoạn.

III. Phương pháp khảo sát hiệu suất máy phát điện biogas 5 KVA

Để đánh giá khách quan hiệu quả của máy phát điện 5 KVA chạy bằng biogas từ phân heo, một phương pháp thí nghiệm khoa học đã được thiết lập. Báo cáo nghiên cứu khoa học của Kim Gia Bảo (2007) đã tiến hành so sánh trực tiếp hoạt động của cùng một máy phát điện khi sử dụng hai loại nhiên liệu: biogas và xăng. Thí nghiệm được thực hiện tại một trang trại chăn nuôi thực tế, đảm bảo các điều kiện gần nhất với ứng dụng thực tiễn. Quá trình khảo sát được chia thành nhiều giai đoạn, với các mức tải khác nhau (thấp, trung bình, cao) để đánh giá khả năng đáp ứng của máy trong các điều kiện vận hành đa dạng. Các chỉ số quan trọng như công suất thực tế (Watt), hiệu điện thế (Volt), cường độ dòng điện (Ampe), lượng nhiên liệu tiêu thụ và thành phần khí thải (CO, CH, NOx) đều được ghi nhận một cách cẩn thận bằng các thiết bị đo chuyên dụng. Phương pháp này cho phép đưa ra những kết luận xác đáng về hiệu suất máy phát điện biogas so với tiêu chuẩn của nhiên liệu truyền thống, làm cơ sở khoa học cho việc nhân rộng mô hình.

3.1. Quy trình bố trí thí nghiệm và thu thập dữ liệu chi tiết

Thí nghiệm được bố trí lặp lại 10 lần cho mỗi mức tải và mỗi loại nhiên liệu để đảm bảo tính chính xác và loại bỏ các sai số ngẫu nhiên. Khí sinh học được thu từ hầm biogas và trữ trong túi nhựa dẻo chuyên dụng trước khi cung cấp cho động cơ. Phụ tải được tạo ra bằng cách sử dụng các thiết bị điện có công suất khác nhau như bóng đèn và bàn ủi. Dữ liệu về công suất được tính toán dựa trên hiệu điện thế và cường độ dòng điện đo được. Lượng nhiên liệu tiêu thụ được ghi nhận trong một giờ vận hành. Đặc biệt, thành phần khí thải được phân tích bằng máy đo chuyên dụng, đặt trực tiếp tại ống xả của máy phát điện, cung cấp số liệu quan trọng để đánh giá mức độ thân thiện với môi trường của giải pháp năng lượng cho trang trại này.

3.2. Các chỉ số so sánh chính Công suất tiêu thụ và khí thải

Ba nhóm chỉ số chính được dùng để so sánh. Thứ nhất là hiệu suất phát điện, thể hiện qua công suất thực tế đạt được ở các mức tải. Thứ hai là hiệu quả kinh tế, được đánh giá qua lượng nhiên liệu (lít xăng/giờ hoặc m³ biogas/giờ) cần thiết để tạo ra 1 kWh điện. Thứ ba là tác động môi trường, được đo lường thông qua nồng độ các khí độc hại trong khí thải như CO (carbon monoxide), CH (hydrocarbon chưa cháy hết) và NOx (oxit nitơ). Việc so sánh các chỉ số này không chỉ cho thấy hiệu suất máy phát điện biogas mà còn chứng minh lợi ích kép về kinh tế và môi trường của việc chuyển đổi điện từ phân heo.

IV. Phân tích kết quả Biogas vượt trội xăng về kinh tế và môi trường

Kết quả từ nghiên cứu thực nghiệm đã cung cấp những bằng chứng thuyết phục về lợi ích của việc sử dụng máy phát điện 5 KVA chạy bằng biogas từ phân heo. Về mặt công suất, sự chênh lệch giữa hai loại nhiên liệu là không đáng kể. Cụ thể, ở mức tải cao, công suất khi chạy bằng xăng là 2211W, trong khi với biogas là 2129W. Điều này cho thấy động cơ biogas hoàn toàn có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng tương đương với động cơ xăng. Tuy nhiên, sự khác biệt lớn nhất nằm ở khía cạnh môi trường và kinh tế. Lượng khí thải độc hại khi sử dụng biogas thấp hơn đáng kể. Nồng độ CO và CH trong khí thải của biogas chỉ bằng một phần rất nhỏ so với xăng, đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Về mặt kinh tế, chi phí để sản xuất 1 kWh điện từ biogas rẻ hơn gấp nhiều lần. Đây là một báo cáo nghiên cứu khoa học quan trọng, khẳng định mô hình này là một giải pháp năng lượng cho trang trại bền vững và hiệu quả, góp phần hiện thực hóa mô hình kinh tế tuần hoàn trong nông nghiệp.

4.1. So sánh hiệu suất và công suất thực tế của hai nhiên liệu

Theo dữ liệu từ nghiên cứu của Kim Gia Bảo (2007), công suất phát điện ở 3 mức tải thấp, trung bình và cao khi chạy bằng biogas lần lượt là 740W, 1210W và 2129W. Các con số tương ứng khi chạy bằng xăng là 630W, 1316W và 2211W. Sự chênh lệch này là không lớn và cho thấy máy phát điện công suất 5 kVA có thể vận hành hệ thống biogas một cách ổn định. Điều này phá vỡ quan niệm cho rằng năng lượng từ biogas yếu và không ổn định, khẳng định khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ này trong việc cung cấp điện cho các hoạt động sản xuất tại trang trại.

4.2. Đánh giá mức độ giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm

Đây là ưu điểm vượt trội nhất của biogas. Nghiên cứu chỉ ra rằng, dư lượng khí CO khi chạy bằng xăng là 1,57%, trong khi với biogas chỉ là 0,04%. Tương tự, dư lượng CH (hydrocarbon) từ xăng là 38 ppm, còn từ biogas chỉ là 6,8 ppm. Các chỉ số này cho thấy việc đốt cháy biogas sạch hơn rất nhiều, giúp giảm phát thải khí nhà kính và các chất gây ô nhiễm không khí. Việc tận dụng khí metan (CH4) từ phân heo để phát điện thay vì để nó phát tán tự do ra môi trường đã trực tiếp biến một tác nhân gây hiệu ứng nhà kính thành một nguồn năng lượng tái tạo hữu ích.

4.3. Hiệu quả kinh tế Chi phí sản xuất điện từ biogas rẻ hơn 7 lần

Phân tích chi phí cho thấy hiệu quả kinh tế đáng kinh ngạc. Để tạo ra công suất khoảng 1.2-1.3 kW trong một giờ, máy phát điện cần 2,52 lít xăng (tương đương 28.476 VNĐ tại thời điểm nghiên cứu), trong khi chỉ cần 3,55 m³ biogas (tương đương 2.840 VNĐ). Như vậy, chi phí sản xuất điện từ phân heo rẻ hơn gần 10 lần so với dùng xăng. Kết luận của nghiên cứu khẳng định hiệu quả kinh tế khi chạy bằng nhiên liệu khí sinh học cao gấp 7 lần so với nhiên liệu xăng. Đây là con số cực kỳ hấp dẫn, giúp người nông dân tiết kiệm một khoản chi phí vận hành khổng lồ, tăng khả năng cạnh tranh và lợi nhuận.

V. Hướng tới tương lai Nhân rộng mô hình điện từ phân heo

Nghiên cứu về máy phát điện 5 KVA chạy bằng biogas từ phân heo đã chứng minh đây không còn là một ý tưởng lý thuyết mà là một giải pháp hoàn toàn khả thi và hiệu quả. Mô hình này giải quyết đồng thời ba vấn đề cốt lõi của ngành chăn nuôi: năng lượng, môi trường và kinh tế. Bằng cách biến chất thải thành tài sản, nó tạo ra một mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín ngay tại trang trại. Tiềm năng để nhân rộng mô hình này trên cả nước là rất lớn, đặc biệt tại các vùng chăn nuôi heo tập trung. Để làm được điều này, cần có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và các chính sách hỗ trợ từ nhà nước. Việc tiêu chuẩn hóa công nghệ hầm biogas composite, cải tiến động cơ biogas để tăng hiệu suất và độ bền, cũng như tổ chức các chương trình đào tạo, chuyển giao kỹ thuật vận hành hệ thống biogas cho người nông dân là những bước đi cần thiết. Tương lai của ngành chăn nuôi bền vững tại Việt Nam có thể được xây dựng trên nền tảng của những giải pháp năng lượng cho trang trại thông minh và thân thiện với môi trường như thế này.

5.1. Khuyến nghị chính sách để phát triển năng lượng tái tạo

Để khuyến khích nông dân đầu tư vào công nghệ này, nhà nước cần có các chính sách hỗ trợ cụ thể như: cung cấp các khoản vay ưu đãi cho chi phí xây dựng hầm biogas và mua máy phát điện, hỗ trợ kỹ thuật trong giai đoạn lắp đặt và vận hành ban đầu, và tạo ra cơ chế mua lại lượng điện dư thừa từ các trang trại. Việc đưa các tiêu chuẩn về xử lý chất thải chăn nuôi vào luật và quy hoạch cũng sẽ là động lực mạnh mẽ để các trang trại chuyển đổi sang mô hình sản xuất sạch và bền vững hơn.

5.2. Định hướng nghiên cứu và cải tiến công nghệ trong tương lai

Mặc dù kết quả hiện tại rất tích cực, công nghệ này vẫn còn không gian để cải tiến. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần khí sinh học bằng cách bổ sung các chủng vi sinh vật hiệu suất cao, phát triển các hệ thống lọc khí H2S nhỏ gọn và chi phí thấp, và thiết kế các loại động cơ biogas chuyên dụng với hiệu suất máy phát điện biogas cao hơn nữa. Việc tích hợp hệ thống phát điện biogas với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời cũng là một định hướng đầy hứa hẹn để đảm bảo an ninh năng lượng toàn diện cho các khu vực nông thôn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật, nhu cầu tiêu thụ năng lượng phục vụ sinh hoạt và sản xuất gia tăng nhanh chóng. Các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như dầu mỏ, than đá đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt trong tương lai gần (ước tính khoảng 100 năm tới), đồng thời việc khai thác và sử dụng chúng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang đẩy mạnh khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện và năng lượng sinh học.

Tại Việt Nam, ngành chăn nuôi gia súc phát triển mạnh với tổng đàn trâu, bò, heo lên đến hàng chục triệu con. Khối lượng chất thải hữu cơ từ phân gia súc nếu không được xử lý đúng kỹ thuật sẽ gây ô nhiễm nguồn nước, phát tán mùi hôi và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, khi được xử lý bằng quá trình lên men yếm khí trong hệ thống hầm ủ, chất thải này sẽ sinh ra khí sinh học (biogas) với thành phần chính là khí methane ($CH_4$), có nhiệt trị cao và khả năng cháy tốt. Nhằm giải quyết hài hòa giữa bài toán xử lý chất thải chăn nuôi và tạo ra nguồn năng lượng tại chỗ phục vụ sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, đề tài "Khảo sát hoạt động của máy phát điện 5 KVA chạy bằng khí biogas ủ từ phân heo" đã được thực hiện.

Mục tiêu và các yêu cầu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

• Mục tiêu: Tận dụng nguồn khí biogas sinh ra từ phân heo qua quá trình ủ yếm khí để vận hành máy phát điện công suất 5 kVA, phục vụ nhu cầu năng lượng trong sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nông thôn.
• Yêu cầu nghiên cứu:
  1. Ghi nhận và định lượng mức tiêu hao nhiên liệu (khí biogas hoặc xăng) cần thiết để vận hành máy phát điện công suất 5 kVA trong thời gian 1 giờ ở các chế độ làm việc.
  2. Ghi nhận, so sánh công suất thực tế và khả năng mang tải của máy phát điện khi vận hành bằng nhiên liệu biogas đối chứng với nhiên liệu xăng ở cả hai chế độ: không tải và có tải (tải nhỏ, tải trung bình, tải cao).
  3. Đo đạc và xác định thành phần, nồng độ các loại khí xả ($CO$, $CH$/$HC$, $NO_x$, $CO_2$) và hệ số dư lượng không khí từ máy phát điện ở chế độ không tải và có tải, đối chiếu với tiêu chuẩn môi trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Máy nổ phát điện công suất định mức 5 kVA được chuyển đổi hệ thống cấp nhiên liệu để hoạt động bằng khí biogas từ phân heo hoặc bằng nhiên liệu xăng.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại trại chăn nuôi heo của gia đình anh Huỳnh Công Bằng (địa chỉ: 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, TP. Hồ Chí Minh) và tại trại bò thực nghiệm của Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Quá trình chuẩn bị, lắp đặt và thu thập số liệu thực nghiệm diễn ra từ tháng 3 đến tháng 8 năm 2007.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Đề tài được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết vi sinh vật học về quá trình phân giải kỵ khí chất hữu cơ và nguyên lý nhiệt động lực học của động cơ đốt trong:

1. Lý thuyết về khí sinh học (Biogas):

   • Biogas là hỗn hợp khí sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp (protein, lipid, carbohydrate, cellulose) dưới tác động của quần thể vi sinh vật kỵ khí trong điều kiện không có oxy.
   • Cơ chế tạo khí methane diễn ra theo hai con đường chính:
     • Con đường 1: Acid hóa cellulose tạo thành acid hữu cơ ($\text{CH}_3\text{COOH}$), kết hợp với bazơ tạo muối hữu cơ ($\text{CH}_3\text{COONH}_4$), sau đó thủy phân muối hữu cơ thành $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$ và $\text{NH}_4\text{OH}$.
     • Con đường 2: Acid hóa tạo acid, thủy phân acid sinh ra $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2$, sau đó trực khuẩn kỵ khí tổng hợp methane theo phương trình $\text{CO}_2 + 4\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$.
   • Thành phần của biogas thông thường gồm: $CH_4$ (50 - 70% thể tích), $CO_2$ (20 - 50%), hơi nước (khoảng 0,3%), cùng các tạp chất như $N_2$ (0 - 5%), $O_2$ (0 - 2%), $NH_3$ (0 - 1%), và $H_2S$ (50 - 5.000 ppm). Nhiệt trị của biogas đạt khoảng 4 - 8 $\text{kWh/m}^3$, khối lượng riêng 1,2 $\text{kg/m}^3$, và nhiệt độ bắt lửa khoảng 700°C.
   • Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sinh khí gồm: điều kiện kỵ khí tuyệt đối, nhiệt độ (tối ưu ở vùng mesophilic từ 31°C - 36°C), ẩm độ (91,5% - 96%), pH (khoảng 7 - 8), thời gian lưu chất thải (10 - 40 ngày), hàm lượng chất rắn (7% - 9%), tỷ lệ dinh dưỡng C/N thích hợp (25/1 - 30/1), cùng sự kiểm soát các độc chất ức chế lên men ($\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_2^-$, kim loại nặng $Cu, Cr, Ni$, $CN^-$, $NH_3$).

2. Nguyên lý động cơ đốt trong 4 kỳ và hệ thống chuyển đổi nhiên liệu:

   • Động cơ 4 kỳ vận hành tuần hoàn qua 4 hành trình của piston tương ứng với 2 vòng quay trục khuỷu (720°): kỳ nạp, kỳ nén, kỳ cháy - giãn nở sinh công, và kỳ thải.
   • Trong quá trình cải tạo động cơ xăng để sử dụng nhiên liệu khí sinh học, bộ phận chế hòa khí được lắp thêm một bộ trộn khí (mixer) trước bộ chế hòa khí. Bộ trộn thực hiện việc hòa trộn sơ bộ giữa biogas và không khí theo tỷ lệ khối lượng thích hợp (khoảng 1:12,5 đối với biogas, so với 1:14,7 đối với xăng) trước khi nạp vào buồng cháy động cơ. Bộ phận điều tốc dùng động cơ bước để điều chỉnh trực tiếp bướm gas nhằm ổn định tốc độ quay khi thay đổi phụ tải.

Phương pháp nghiên cứu và bố trí thực nghiệm

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm so sánh đối chứng trực tiếp giữa hai loại nhiên liệu: khí biogas (thu từ túi ủ kỵ khí phân heo) và xăng thương phẩm trên cùng một cụm máy phát điện 5 kVA.

• Vật liệu và thiết bị:

  • Máy phát điện động cơ xăng 4 kỳ công suất danh định 5 kVA.
  • Túi chứa khí biogas làm bằng vật liệu nhựa dẻo (chiều dài 4,5 m, đường kính 0,75 m), hệ thống ống dẫn khí bằng nhựa PVC đường kính $\phi 21$.
  • Tải điện trở thử nghiệm gồm cụm bóng đèn công suất 100 W, 300 W, 500 W và bàn ủi điện công suất 1.000 W được mắc song song.
  • Đồng hồ đo điện đa năng (đo hiệu điện thế $V$ và cường độ dòng điện $A$).
  • Thiết bị đo khí xả chuyên dụng phân tích nồng độ các thành phần khí xả ($CO, CH, NO_x, CO_2$) với đầu dò gắn trực tiếp vào ống xả động cơ (thời gian đo chuẩn hóa 30 giây/lần).

• Bố trí thí nghiệm:

  • Chế độ không tải: Khảo sát ở 3 mức điều chỉnh tốc độ máy (thấp, trung bình, cao). Mỗi nghiệm thức được lặp lại 10 lần ($n = 10$), mỗi lần cách nhau 7 ngày.
  • Chế độ có tải: Khảo sát ở 3 mức phụ tải tương ứng: mức tải nhỏ (công suất lý thuyết 1.000 W), mức tải trung bình (công suất lý thuyết 2.100 W), và mức tải cao (công suất lý thuyết 3.200 W). Thí nghiệm lặp lại 10 lần ($n = 10$), mỗi lần cách nhau 7 đến 10 ngày.
  • Ghi nhận các thông số: điện áp (V), dòng điện (A), công suất thực tế ($W_{tt}$), lượng tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ (lít xăng/giờ hoặc $\text{m}^3$ biogas/giờ), thành phần khí xả và hệ số dư lượng không khí $\lambda$.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng và trữ lượng suy giảm. Tác giả phân tích tiềm năng to lớn của nguồn chất thải chăn nuôi gia súc tại Việt Nam, qua đó xác định mục đích tận dụng khí biogas từ phân heo để vận hành máy phát điện 5 kVA. Các yêu cầu kỹ thuật cụ thể được lượng hóa nhằm đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu, đặc tính công suất phát điện và mức độ phát thải khí độc hại ra môi trường.

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Chương 2 trình bày có hệ thống các cơ sở lý luận và tổng hợp nghiên cứu liên quan:

• Khái quát lịch sử phát triển biogas, cơ chế sinh hóa của quá trình lên men kỵ khí qua các giai đoạn acid hóa và methane hóa, các chủng vi sinh vật phân giải cellulose (Clostridium, Plectridium...).
• Phân tích các yếu tố sinh học và môi trường tác động đến sản lượng khí (nhiệt độ, pH, độ ẩm, tỷ lệ C/N, hàm lượng chất rắn, độc chất ức chế).
• Đánh giá tiềm năng biogas từ đàn gia súc Việt Nam: thống kê lượng phân thải hàng ngày (trâu, bò thải 14 kg/ngày; lợn thải 2,44 kg/ngày) và sản lượng khí thu được (1 kg phân heo sinh ra 0,045 $\text{m}^3$ gas; 1 kg phân trâu bò sinh ra 0,036 $\text{m}^3$ gas).
• Giới thiệu các mô hình hầm ủ yếm khí: hầm vòm, hầm giếng có khoang gas nổi, hầm túi dẻo nylon, và hầm composite/bê tông.
• Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong 4 kỳ theo chu trình lý thuyết và thực tế; cấu tạo chi tiết các hệ thống cơ bản: hệ thống phát lực (piston, xéc-măng, chốt, thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà), hệ thống đánh lửa (bôbin tạo cao áp 45 - 50 kV, bộ chia điện với thứ tự nổ 1-3-4-2, bugi), hệ thống phân phối khí (xupap, đũa đẩy, con đội, đòn bẩy, trục cam), hệ thống cung cấp nhiên liệu và bộ trộn biogas, hệ thống làm mát và bôi trơn.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp thí nghiệm

Chương 3 mô tả chi tiết địa điểm nghiên cứu (huyện Hóc Môn và ĐH Nông Lâm TP.HCM), danh mục thiết bị, dụng cụ và vật tư sử dụng trong thực nghiệm. Tác giả thiết kế quy trình đo đạc thực nghiệm chi tiết cho từng chế độ: chế độ không tải (3 mức vận hành) và chế độ có tải (3 mức công suất tải 1.000 W, 2.100 W, 3.200 W) với số lần lặp lại $n = 10$, quy định thời gian lấy mẫu khí thải bằng đầu dò chuyên dụng và phương pháp thu thập dữ liệu tiêu thụ nhiên liệu.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 cung cấp số liệu thực nghiệm chi tiết, biểu đồ diễn tiến và phân tích so sánh giữa nhiên liệu biogas và xăng:

Bảng 1: So sánh công suất và lượng tiêu hao nhiên liệu giữa xăng và biogas ở các mức tải (n = 10)

Mức tải	Công suất lý thuyết (W)	Loại nhiên liệu	Công suất thực tế (W)	Nhiên liệu tiêu thụ / giờ
Thấp	1.000	Xăng	630	2,26 lít
	1.000	Biogas	740	3,04 $\text{m}^3$
Trung bình	2.100	Xăng	1.316	2,52 lít
	2.100	Biogas	1.210	3,55 $\text{m}^3$
Cao	3.200	Xăng	2.211	3,54 lít
	3.200	Biogas	2.129	4,06 $\text{m}^3$

• Phân tích khả năng mang tải: Độ chênh lệch công suất thực tế giữa động cơ chạy bằng biogas và chạy bằng xăng là không đáng kể. Ở mức tải thấp, biogas đạt 740 W (cao hơn xăng đạt 630 W); ở mức tải trung bình, biogas đạt 1.210 W (so với xăng là 1.316 W); ở mức tải cao, biogas đạt 2.129 W (so với xăng là 2.211 W).
• Phân tích thành phần khí xả và môi trường:
  • Khí xả từ động cơ chạy bằng biogas sạch hơn đáng kể so với xăng: nồng độ CO ở chế độ có tải của biogas chỉ ở mức 0,04% (thấp hơn nhiều so với 1,57% ở xăng); dư lượng hydrocacbon CH ở mức tải có phụ tải của biogas là 6,8 ppm (so với 38 ppm ở động cơ xăng). Chất lượng khí xả của động cơ chạy biogas đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 1.
  • Đối với khí $NO_x$, do hỗn hợp biogas cháy tốt và nhiệt độ buồng cháy tăng ở một số dải tải nên lượng $NO_x$ sinh ra có biến thiên nhưng nhìn chung vẫn được kiểm soát ở mức thấp. Khí thải từ biogas hoàn toàn không chứa hợp chất chì độc hại như ở nhiên liệu xăng pha chì.
• Phân tích hiệu quả kinh tế:

Bảng 2: So sánh chi phí nhiên liệu vận hành máy phát điện giữa xăng và biogas
(Giá xăng: 11.300 VNĐ/lít; Giá biogas: 800 VNĐ/m3; Giá điện kinh doanh: 2.500 VNĐ/kWh)

Mức tải	Loại nhiên liệu	Công suất thực tế (W)	Chi phí nhiên liệu cho 1 giờ chạy (VNĐ)	Giá trị quy đổi tiền điện tương đương (VNĐ)
Thấp	Xăng	630	25.538	1.575
	Biogas	740	2.432	1.850
Trung bình	Xăng	1.316	28.476	3.290
	Biogas	1.210	2.840	3.025
Cao	Xăng	2.211	40.002	5.527,5
	Biogas	2.129	3.248	5.322,5

Tại mức tải trung bình, chi phí nhiên liệu để máy vận hành trong 1 giờ bằng biogas chỉ tốn 2.840 VNĐ, trong khi nếu chạy bằng xăng phải tốn đến 28.476 VNĐ (chênh lệch gấp khoảng 10 lần). Xét về mặt tổng thể hiệu quả kinh tế vận hành, việc sử dụng khí sinh học đem lại lợi ích kinh tế cao gấp khoảng 7 lần so với việc sử dụng nhiên liệu xăng.

Chương 5: Kết luận và đề nghị

Chương tổng kết các phát hiện cốt lõi: khẳng định tính khả thi trong việc vận hành máy phát điện 5 kVA bằng biogas từ phân heo, chứng minh khả năng giảm thiểu ô nhiễm khí thải đạt chuẩn Euro 1 và nâng cao hiệu quả kinh tế cho hộ chăn nuôi nông thôn.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

1. Khả năng vận hành và công suất: Khẳng định máy phát điện 5 kVA chuyển đổi chạy bằng khí biogas hoạt động ổn định ở cả 3 dải tải. Công suất thực tế đạt được ở các mức tải thấp, trung bình, cao tương ứng là 740 W, 1.210 W và 2.129 W, chênh lệch không nhiều so với khi chạy bằng xăng (630 W, 1.316 W và 2.211 W).
2. Chỉ số khí thải môi trường: Máy phát điện sử dụng biogas giảm thiểu đáng kể lượng khí thải độc hại. Nồng độ $CO$ ở mức 0,04% và $CH$ ở mức 6,8 ppm (ở chế độ có tải), thấp hơn nhiều so với động cơ xăng ($CO$ là 1,57%, $CH$ là 38 ppm), đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và không có dư lượng chì.
3. Hiệu quả kinh tế: Mức tiêu thụ biogas ở mức tải trung bình là 3,55 $\text{m}^3\text{/giờ}$ (tương đương 2.840 VNĐ/giờ), thấp hơn nhiều so với mức tiêu thụ 2,52 lít xăng/giờ (tương đương 28.476 VNĐ/giờ). Hiệu quả kinh tế của nhiên liệu biogas cao gấp khoảng 7 lần so với xăng.

Bảng 3: So sánh nồng độ khí xả trung bình và tiêu chuẩn Euro 1 cho động cơ xăng

Chỉ tiêu khí xả	Chạy Xăng (có tải)	Chạy Biogas (có tải)	Tiêu chuẩn Euro 1
CO (% thể tích)	1,57%	0,04%	3,16%
CH / HC (ppm)	38 ppm	6,8 ppm	-
Tiêu chuẩn HC (% thể tích)	-	-	1,13%
Tiêu chuẩn NOx (% thể tích)	-	-	0,14%

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về việc ứng dụng khí sinh học từ chất thải chăn nuôi heo để chạy máy phát điện cỡ nhỏ (5 kVA).
• Đưa ra giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp các trang trại chăn nuôi tự chủ nguồn điện phục vụ sinh hoạt, thắp sáng, bơm tưới, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia và tiết kiệm chi phí nhiên liệu.
• Giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi gây ra, hạn chế mùi hôi, tiêu diệt mầm bệnh và ấu trùng ruồi nhặng, đồng thời tận dụng phụ phẩm sau biogas làm phân bón hữu cơ an toàn cho cây trồng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của nghiên cứu:

  • Nghiên cứu thực hiện trên quy mô thực nghiệm với cụm máy phát điện công suất 5 kVA tại một số địa điểm nhất định (Hóc Môn và ĐH Nông Lâm TP.HCM).
  • Khí biogas chưa qua hệ thống lọc triệt để tạp chất $H_2S$ chuyên sâu, vốn có nguy cơ gây ăn mòn kim loại trong buồng đốt nếu vận hành liên tục trong thời gian dài.
  • Tỷ lệ hòa trộn giữa biogas và không khí được điều chỉnh qua bộ trộn cơ khí và động cơ bước điều khiển bướm gas, chưa tích hợp hệ thống điều khiển điện tử tự động thích ứng theo tải liên tục.

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu hoàn thiện các bộ lọc tạp chất (đặc biệt là lọc tách khí $H_2S$ và hơi nước) nhằm nâng cao tuổi thọ của cụm chi tiết máy và buồng đốt động cơ.
  • Mở rộng thử nghiệm chuyển đổi nhiên liệu biogas trên các dòng động cơ phát điện có dải công suất lớn hơn phục vụ cho các trang trại chăn nuôi quy mô công nghiệp.
  • Tối ưu hóa góc đánh lửa sớm và bộ chế hòa khí tự động chuyên dụng cho nhiên liệu khí sinh học nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất nhiệt của động cơ.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

• Sinh viên và giảng viên: Thuộc các ngành Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Nông nghiệp, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Khoa học Môi trường và Quản lý Năng lượng có thể sử dụng tài liệu để tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm động cơ đốt trong, kỹ thuật đo đạc khí xả và phân tích hiệu quả kinh tế năng lượng.
• Chủ trang trại và kỹ thuật viên nông nghiệp: Cung cấp thông số vận hành thực tế, định mức tiêu thụ nhiên liệu biogas theo tải và phương pháp khai thác năng lượng sạch từ chất thải gia súc phục vụ sản xuất tại chỗ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận được thực hiện bởi ai, thuộc đơn vị đào tạo nào và vào thời gian nào?
Khóa luận do sinh viên Kim Gia Bảo thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Dương Nguyên Khang, thuộc Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 9 năm 2007 (dữ liệu thực nghiệm thu thập từ tháng 3 đến tháng 8 năm 2007).

2. Công suất phát điện thực tế của máy 5 kVA khi chạy bằng biogas so với chạy bằng xăng ở các mức tải ra sao?
Ở 3 mức tải thấp, trung bình và cao, công suất thực tế khi máy chạy bằng biogas đạt lần lượt là 740 W, 1.210 W và 2.129 W; trong khi chạy bằng xăng đạt lần lượt là 630 W, 1.316 W và 2.211 W. Độ chênh lệch công suất giữa hai loại nhiên liệu là không đáng kể.

3. Mức tiêu hao nhiên liệu và chi phí vận hành trong 1 giờ ở mức tải trung bình chênh lệch như thế nào giữa hai loại nhiên liệu?
Ở mức tải trung bình, máy phát điện chạy xăng tiêu thụ 2,52 lít/giờ (chi phí 28.476 VNĐ tính theo giá xăng 11.300 VNĐ/lít), trong khi chạy bằng biogas tiêu thụ 3,55 $\text{m}^3\text{/giờ}$ (chi phí 2.840 VNĐ tính theo giá biogas 800 VNĐ/$\text{m}^3$). Chi phí vận hành bằng biogas rẻ hơn gần 10 lần tại mức tải này.

4. Khí thải phát ra từ động cơ chạy bằng biogas có đáp ứng tiêu chuẩn môi trường không?
Có. Nồng độ khí phát thải độc hại khi máy chạy bằng biogas ở chế độ có tải ($CO$ đạt 0,04%, $CH$ đạt 6,8 ppm) thấp hơn nhiều so với khi chạy bằng xăng ($CO$ đạt 1,57%, $CH$ đạt 38 ppm). Toàn bộ các chỉ số khí xả của động cơ chạy bằng biogas đều đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và không chứa dư lượng chì.

5. Thí nghiệm thực nghiệm được lặp lại bao nhiêu lần để đảm bảo độ tin cậy của số liệu?
Các phép đo đạc thông số điện áp, cường độ dòng điện, công suất và nồng độ khí xả ở cả chế độ không tải và có tải đều được tiến hành lặp lại 10 lần ($n = 10$), mỗi lần đo cách nhau từ 7 đến 10 ngày.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Kim Gia Bảo đã chứng minh thành công tính khả thi và hiệu quả toàn diện của việc chuyển đổi máy phát điện 5 kVA sang sử dụng khí biogas ủ từ phân heo. Động cơ vận hành bằng khí sinh học đạt công suất tương đương khi chạy bằng xăng ở các dải phụ tải, đồng thời làm giảm đáng kể nồng độ các khí thải độc hại như $CO$ và $CH$ theo tiêu chuẩn Euro 1. Với hiệu quả kinh tế cao gấp khoảng 7 lần so với sử dụng xăng, nghiên cứu mang lại giải pháp kỹ thuật thiết thực giúp người chăn nuôi tự chủ nguồn năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường sinh thái bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, cuộc sống con ngƣời ngày càng phong phú và hiện đại. Điều đó có đƣợc là do sự tiến bộ vƣợt bậc, phát triển nhƣ vũ bão của khoa học kỹ thuật. Tuy nhiên chúng ta lại tạo ra những chất thải trong công nghiệp cũng nhƣ trong nông nghiệp gây ô nhiễm môi trƣờng sống, ảnh hƣởng đến sức khoẻ của chúng ta và các sinh vật sống trên trái đất, gây mất vẻ mỹ quan của thiên nhiên. Bên cạnh đó, các máy móc hiện đại phục vụ cho cuộc sống con ngƣời muốn vận hành đƣợc phải cần có năng lƣợng.

Năng lƣợng ở đây có thể là than, dầu diesel, xăng, gas, điện. Nhu cầu về năng lƣợng là rất lớn, ngƣời ta dự tính trong tƣơng lai khoảng 100 năm nữa nguồn năng lƣợng từ thiên nhiên dầu mỏ, than đá…sẽ cạn kiệt. Vì vậy, không riêng gì Việt Nam mà cả thế giới đang có nhiều hƣớng nghiên cứu để tìm ra nguồn năng lƣợng sạch, rẻ tiền thay thế cho than đá dầu mỏ. Ví dụ: Nhƣ ở Hà Lan, họ lợi dụng sức gió để tạo ra điện, ở Nhật và nhiều nƣớc đang nghiên cứu để tận dụng nguồn năng lƣợng mặt trời tạo điện năng, chạy xe…vừa rẻ lại an toàn.

Bên cạnh đó một số nƣớc lại dùng năng lƣơng hạt nhân để tạo ra điện, vài nƣớc lại sử dụng sức nƣớc tạo điện năng nhƣ Việt Nam, Trung Quốc, Mỹ… Nƣớc ta có một nền nông nghiệp chăn nuôi khá dồi dào. Nông dân chúng ta thƣờng sử dụng phân chuồng bón cho cây trồng, làm thức ăn cho cá, gia súc. Ngoài ra phân heo bò, khi ủ lên men vi sinh vật yếm khí sẽ cho ra hàm lƣợng khí metan rất lớn, khí này có thể dùng để đốt cháy nhƣ khí gas khai thác từ thiên nhiên. Chúng ta có thể sử dụng khí gas sinh học (biogas) nhƣ nguồn năng lƣợng phục vụ đời sống cho con ngƣời, vừa giảm ô nhiễm môi trƣờng vừa tạo năng lƣợng rẻ tiền an toàn, tiết kiệm tiền cho ngƣời chăn nuôi.

Vì vậy nghiên cứu sử dụng gas sinh học để chạy máy phát điện tạo nguồn năng lƣơng sạch là rất cần thiết. Chính vì thế, đƣợc sự đồng ý của Bộ môn CNSH, dƣới sự hƣớng dẫn của T.S Dƣơng Nguyên Khang, chúng tôi tiến hành đề tài: “Khảo sát hoạt động của máy phát điện 5 KVA chạy bằng khí biogas ủ từ phân heo”.HEO 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat KHOA. Mục đích và yêu cầu 1. Mục đích Tận dụng nguồn gas sinh ra từ phân heo, đƣợc lên men trong quá trình ủ phân yếm khí để vận hành máy nổ phát điện phục vụ sản xuất và hạn chế ô nhiễm môi trƣờng.

Yêu cầu - Ghi nhận lƣợng khí biogas hoặc xăng cần để chạy máy phát điện công suất 5 kVA trong vòng 1 giờ. - Ghi nhận công suất và khả năng tải của máy phát điện khi chạy bằng biogas hoặc xăng ở chế độ không và có tải. - Xác định thành phần khí xả ra từ máy khi chạy bằng biogas và xăng ở chế độ không tải và có tải.HEO 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat KHOA.HEO Chƣơng 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Lý thuyết về biogas 2.

Sơ lƣợc về biogas Biogas, hay còn gọi là khí sinh học, đƣợc phát hiện vào cuối thế kỷ 18 là sản phẩm thu đƣợc sau một loạt các quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện môi trƣờng không có oxy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn dƣới 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 nhƣ H2S, CO, NOx… Trong đó mêtan (CH4) đƣợc mệnh danh là nhiên liệu sạch, có nhiệt trị cao, 1 m3 CH4 khi đốt cháy toả ra một nhiệt lƣợng tƣơng đƣơng với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng; 1,17 cồn hay 9,7 kW điện. Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas có thể cung cấp cho động cơ 1 sức ngựa chạy trong 2 giờ. Vì vậy nếu khí biogas đƣợc lọc sạch các tạp chất thì chúng sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế rất lý tƣởng để chạy động cơ đốt trong trên cơ sở các thành tựu đã đạt đƣợc về động cơ sử dụng nhiên liệu khí.

Ở Việt Nam đến cuối thập niên 70 thì khí sinh học mới bắt đầu đƣợc chú ý, do tình hình thiếu hụt năng lƣợng và xu hƣớng đi tìm nguồn năng lƣợng mới, trong đó có sự phát triển khí sinh học từ hầm ủ đƣợc đặc biệt chú ý. Tuy nhiên đến những năm gần đây túi ủ khí làm bằng nylon mới thực sự phát triển và đƣợc áp dụng rộng rãi trên cả nƣớc. Ƣu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình chăn nuôi hộ gia đình. Quá trình sản xuất biogas là một loạt các quá trình phân huỷ các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện môi trƣờng không có oxy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn dƣới tác dụng của các vi sinh vật kỵ khí.

Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt nguồn nƣớc thải trong chăn nuôi, cung cấp nƣớc tƣới sạch và phân bón tốt cho trồng trọt bên cạnh đó tận dụng nguồn khí mêtan làm khí đốt cho gia đình, góp phần nâng cao kinh tế cho nhà nông. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này đƣợc thực KHOA.HEO 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat KHOA.HEO hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dƣới tác động của các vi sinh vật yếm khí để phân hủy những chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí và các chất khác. Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm trung gian nhờ sự hoạt động của nhiều 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 nhƣ tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi nhƣ indole, scatole. Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy đƣợc bởi vi khuẩn yếm khí nhƣ lignin. Tiến trình tổng quát nhƣ sau: (C6H10O5)n + nH2O = nC6H12O6 Một phần CH4 đã bị giữ lại trong một số sản phẩm quá trình lên men bằng cách kết hợp với các ion K+, Ca2+, NH4+, Na+. Do đó, hỗn hợp khí sinh ra có từ 60 – 70 % CH4 và khoảng 30 – 40 % CO2.

Những chất hữu cơ liên kết phân tử thấp nhƣ đƣờng, đạm, tinh bột và ngay cả cellulose có thể phân huỷ nhanh tạo ra acid hữu cơ. Các acid hữu cơ này tích tụ nhanh sẽ gây giảm sự phân huỷ. Ngƣợc lại lignin, cellulose đƣợc phân huỷ từ từ nên gas đƣợc sinh ra một cách liên tục. Tóm lại, quá trình tạo khí mêtan có thể diễn ra theo hai con đƣờng và mỗi con đƣờng theo 2 giai đọan sau:  Con đƣờng thứ nhất:  Giai đoạn 1: Sự acid hoá cellulose: (C6H10O5)n + H2O = 3nCH3COOH.

Sự tạo muối: các bazơ hiện diện trong môi trƣờng (đặc biệt là NH4OH) sẽ kết hợp với acid hữu cơ. CH3COOH + NH4OH = CH3COONH4 + H2O  Giai đoạn 2: Lên men methane do sự thuỷ phân của muối hữu cơ CH3COONH4 + H2O = CH4 + CO2 + NH4OH.  Con đƣờng thứ hai:  Giai đoạn 1 Sự acid hoá: (C6H10O5)n + nH2O = 3nCH3COOH KHOA.HEO 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat KHOA.HEO Thuỷ phân acid tạo CO2 và H2. CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O  Giai đoạn 2 Methane đƣợc tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2 CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O Nhƣ vậy, cả hai con đƣờng năng suất tạo khí mêtan phụ thuộc vào quá trình acid hoá.

Nếu quá trình lên men quá nhanh hoặc dịch phân có nhiều chất liên kết phân tử thấp sẽ dễ dàng bị thuỷ phân nhanh chóng đƣa đến tình trạng acid hoá và ngƣng trệ quá trình lên men mêtan. [2] Mặt khác, vi sinh vật tham gia trong giai đoạn một của quá trình phân huỷ kỵ khí đều thuộc nhóm biến dƣỡng cellulose. Nhóm vi khuẩn này hầu hết có các enzyme cellulolase và nằm rải rác trong các họ khác nhau. Hầu hết là các trực trùng có bào tử, có trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus.

Chúng biến dƣỡng ở điều kiện yếm khí cho ra CO2, H2 và một số các chất tan trong nƣớc nhƣ formate, acetat, alcohol, methylique, methylamine. Cơ chế lên men của vi sinh vật yếm khí đƣợc tóm tắt qua sơ đồ sau: Hình 2. Cơ chế lên men của vi sinh vật yếm khí KHOA.HEO 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] moi nhat KHOA. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo khí biogas  Điều kiện kỵ khí tuyệt đối Là 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 hƣởng lớn đến khả năng hoạt động của nhóm vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm hay ngừng hẳn.

 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 ƣu ở nhiệt độ 310C-360C, dƣới 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 ƣu, trung bình vào khoảng 200C-300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Nhóm vi khuẩn sinh khí 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).  Ẩm độ Ẩm độ cao hơn 96% thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lƣợng gas tạo ra ít. Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 – 96 %.  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 và ctv., 1989) khi pH > 8 thì hoạt động của vi sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thuỷ, 1991)  Thời gian ủ Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lƣợng khí sinh ra. Với nhiệt độ, độ pha loãng, tỉ lệ các chất dinh dƣỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày (UBKHKT Đồng Nai, 1989).  Hàm lƣợng chất rắn Hàm lƣợng chiếm dƣới 9 % thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt.