Đồ án: Đo tính năng động cơ xe máy chạy Biogas-HHO trên băng thử công suất

Luận văn nghiên cứu tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng Biogas-HHO. Phân tích kết quả đo đạc trên băng thử công suất và đề xuất hướng phát triển.

• Tác giả: Trần Minh Lộc
• Người hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kĩ thuật cơ khí
• Đề tài: Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng Biogas-HHO trên băng thử công suất
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Toàn cảnh luận văn động cơ xe máy Biogas và HHO đột phá

Luận văn "Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng Biogas-HHO trên băng thử công suất" là một công trình nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực năng lượng tái tạo cho ngành cơ khí động lực. Bối cảnh khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tìm kiếm các nhiên liệu thay thế hiệu quả cho động cơ đốt trong. Luận văn này tập trung vào việc khảo sát và đánh giá tính khả thi của việc sử dụng hệ thống nhiên liệu kép, kết hợp giữa khí sinh học (Biogas) và khí HHO (còn gọi là khí Brown) cho động cơ xe máy 110cc. Đây là một hướng đi đầy hứa hẹn, không chỉ tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp để tạo ra Biogas mà còn cải thiện quá trình cháy nhờ vào đặc tính ưu việt của HHO. Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, chế tạo một băng thử công suất chuyên dụng để đo lường chính xác các thông số vận hành của động cơ khi sử dụng nhiên liệu mới. Các thông số này bao gồm momen xoắn, công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và đặc biệt là nồng độ các chất trong khí thải NOx, CO, HC. Quá trình nghiên cứu bao gồm từ việc phân tích lý thuyết, mô phỏng động cơ bằng phần mềm chuyên dụng như FLUENT, đến nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thực tế. Luận văn cung cấp một cái nhìn toàn diện, từ khâu sản xuất và lưu trữ nhiên liệu, cải tạo động cơ, đến việc đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường. Kết quả của đồ án tốt nghiệp cơ khí này không chỉ có giá trị học thuật mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn, hướng tới việc phát triển các bộ kit chuyển đổi nhiên liệu cho xe máy tại Việt Nam, góp phần vào mục tiêu phát triển năng lượng sạch và bền vững.

1.1. Khám phá tiềm năng của nhiên liệu thay thế Biogas và HHO

Khí sinh học (Biogas) là một nguồn năng lượng tái tạo được sản xuất thông qua quá trình phân hủy kỵ khí các chất thải hữu cơ như phân gia súc, rác thải nông nghiệp. Thành phần chính của Biogas là khí metan (CH4), chiếm khoảng 60-70%, mang lại giá trị năng lượng cao. Việc tận dụng Biogas giúp giải quyết vấn đề xử lý chất thải và cung cấp nguồn nhiên liệu tại chỗ. Trong khi đó, khí HHO, hay còn gọi là khí Brown, là hỗn hợp khí Hydro và Oxy được tạo ra từ quá trình điện phân nước. HHO có đặc tính tốc độ cháy rất cao, giúp tối ưu hóa quá trình cháy của nhiên liệu chính. Khi bổ sung một lượng nhỏ HHO vào buồng đốt, nó hoạt động như một chất xúc tác, giúp nhiên liệu Biogas cháy triệt để hơn, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ và giảm phát thải các chất độc hại. Sự kết hợp này tạo thành một hệ thống nhiên liệu kép ưu việt, khai thác lợi thế của cả hai loại khí.

1.2. Mục tiêu chính và phạm vi của đồ án tốt nghiệp cơ khí này

Mục tiêu cốt lõi của đồ án tốt nghiệp cơ khí này là đo đạc và đánh giá khách quan các đặc tính kỹ thuật của động cơ xe máy Honda 110cc khi vận hành bằng nhiên liệu kép Biogas-HHO. Để thực hiện mục tiêu này, phạm vi nghiên cứu được xác định rõ ràng, bao gồm ba nhiệm vụ chính. Thứ nhất, nghiên cứu lý thuyết về đặc tính của khí sinh học và khí HHO, đồng thời thực hiện mô phỏng động cơ bằng phần mềm để dự đoán quá trình cháy. Thứ hai, thiết kế và chế tạo thành công một băng thử công suất động cơ, có khả năng đo lường chính xác các thông số như momen, công suất và tốc độ vòng quay. Cuối cùng, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ đã được cải tạo động cơ để sử dụng hệ thống nhiên liệu kép. Các kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với khi động cơ chạy bằng xăng truyền thống để đưa ra kết luận về tính khả thi kinh tế và kỹ thuật của giải pháp.

II. Thách thức khi cải tạo động cơ đốt trong cho Biogas HHO

Việc chuyển đổi một động cơ đốt trong truyền thống sang sử dụng nhiên liệu thay thế như Biogas và HHO đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Thách thức lớn nhất nằm ở việc đảm bảo hiệu suất động cơ và sự ổn định khi vận hành. Khí sinh học có chỉ số octan cao nhưng mật độ năng lượng thấp hơn xăng, đòi hỏi phải điều chỉnh lại tỷ số nén và hệ thống cung cấp nhiên liệu để đạt được công suất tối ưu. Việc tích hợp hệ thống nhiên liệu kép đòi hỏi một bộ chế hòa khí hoặc hệ thống phun được thiết kế đặc biệt để có thể hòa trộn chính xác Biogas, HHO và không khí theo từng chế độ tải của động cơ. Thêm vào đó, việc sản xuất khí HHO trực tiếp trên xe thông qua bộ điện phân nước tiêu thụ một phần năng lượng điện của xe, cần tính toán kỹ lưỡng để lợi ích mà HHO mang lại phải lớn hơn năng lượng tiêu thụ. Một vấn đề quan trọng khác là an toàn hệ thống nhiên liệu, bao gồm việc lưu trữ Biogas dưới áp suất và quản lý khí HHO vốn dễ cháy nổ. Cuối cùng, mục tiêu giảm phát thải cũng là một thách thức. Mặc dù Biogas là năng lượng sạch, quá trình cháy không hoàn hảo vẫn có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn. Luận văn này phải giải quyết toàn diện các vấn đề trên thông qua cả mô phỏng lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm để chứng minh tính ưu việt của giải pháp.

2.1. Vấn đề về hiệu suất động cơ và tối ưu hóa quá trình cháy

Một trong những rào cản chính khi sử dụng khí sinh học là sự sụt giảm công suất so với xăng do mật độ năng lượng thấp hơn và tốc độ cháy chậm hơn. Để khắc phục, nghiên cứu phải tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình cháy. Điều này bao gồm việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm, tăng tỷ số nén để tận dụng đặc tính chống kích nổ cao của metan. Việc bổ sung khí HHO đóng vai trò then chốt, giúp tăng tốc độ lan truyền màng lửa, đảm bảo hỗn hợp cháy kiệt và nhanh hơn. Tuy nhiên, việc xác định tỷ lệ HHO tối ưu cần được tính toán cẩn thận. Quá ít HHO sẽ không đủ hiệu quả, trong khi quá nhiều có thể gây ra hiện tượng cháy ngược hoặc tiêu tốn năng lượng điện không cần thiết. Do đó, luận văn cần thực hiện nhiều thí nghiệm với các tỷ lệ pha trộn khác nhau để tìm ra điểm vận hành tối ưu nhất cho hiệu suất động cơ.

2.2. Yêu cầu an toàn hệ thống nhiên liệu kép và giảm phát thải

An toàn là yếu tố không thể xem nhẹ khi thiết kế hệ thống nhiên liệu kép. Bình chứa Biogas phải đảm bảo chịu được áp suất, chống va đập và có các van an toàn. Hệ thống sản xuất khí HHO từ điện phân nước cần có các cảm biến để kiểm soát nhiệt độ và áp suất, cùng với van chống cháy ngược (flashback arrestor) để ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ. Về mặt môi trường, mục tiêu là giảm phát thải các chất ô nhiễm chính. Khí thải NOx, CO, HC cần được đo lường chính xác bằng các thiết bị phân tích chuyên dụng. Việc cháy hoàn toàn hơn nhờ HHO được kỳ vọng sẽ làm giảm đáng kể lượng CO và HC. Tuy nhiên, nhiệt độ buồng cháy cao hơn có thể làm tăng NOx. Vì vậy, việc cân bằng giữa việc cải thiện hiệu suất và kiểm soát phát thải là một bài toán tối ưu quan trọng mà đề tài cần giải quyết thông qua các nghiên cứu thực nghiệm chi tiết.

III. Phương pháp mô phỏng động cơ Biogas HHO bằng phần mềm

Trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, việc mô phỏng động cơ bằng các công cụ tính toán động lực học chất lỏng (CFD) là một bước quan trọng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Luận văn đã sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, một công cụ mạnh mẽ, để mô phỏng chi tiết quá trình cháy diễn ra bên trong xi-lanh của động cơ Honda Wave 110cc. Phương pháp này bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình hình học 3D chính xác của buồng cháy, piston và các xupap. Sau đó, không gian này được chia thành một lưới các phần tử nhỏ (meshing) để phần mềm có thể giải các phương trình bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng. Các thông số đầu vào của mô phỏng bao gồm đặc tính của nhiên liệu (thành phần khí metan (CH4), CO2 trong Biogas), điều kiện vận hành như tốc độ động cơ, góc đánh lửa sớm và tỷ số nén. Mô phỏng cho phép quan sát sự lan truyền của màng lửa, sự phân bố nhiệt độ và áp suất bên trong buồng cháy theo từng góc quay của trục khuỷu. Kết quả từ mô phỏng cung cấp những thông tin trực quan và định lượng, giúp các nhà nghiên cứu dự đoán được hiệu suất động cơ, tối ưu hóa các thông số thiết kế và vận hành trước khi áp dụng vào thực tế, đặc biệt là xác định dải góc đánh lửa tối ưu cho hệ thống nhiên liệu kép.

3.1. Xây dựng mô hình 3D và chia lưới không gian buồng cháy

Quá trình mô phỏng động cơ được khởi đầu bằng việc thiết kế mô hình 3D của không gian tính toán. Sử dụng phần mềm SOLIDWORKS, các chi tiết như đỉnh piston, nắp xi-lanh và thành xi-lanh của động cơ Honda Wave α được tái tạo với kích thước chính xác. Mô hình này sau đó được nhập vào ANSYS Workbench để thực hiện kỹ thuật chia lưới động (dynamic mesh). Kỹ thuật này cho phép mô phỏng sự di chuyển tịnh tiến của piston, làm thay đổi thể tích buồng cháy một cách chân thực theo chu trình làm việc của động cơ. Lưới tính toán được làm mịn ở những khu vực quan trọng như gần bugi và thành xi-lanh để tăng độ chính xác của kết quả mô phỏng, đặc biệt là trong giai đoạn bắt đầu và lan truyền của quá trình cháy.

3.2. Phân tích ảnh hưởng của góc đánh lửa và tốc độ động cơ

Mô phỏng trên FLUENT cho phép phân tích sâu sắc ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến quá trình cháy. Kết quả cho thấy, việc thay đổi góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng rõ rệt đến áp suất và nhiệt độ cực đại trong buồng cháy. Một góc đánh lửa quá sớm sẽ làm tăng công cản trong quá trình nén, trong khi góc đánh lửa quá muộn làm cho nhiên liệu không cháy hết trong giai đoạn giãn nở, gây lãng phí năng lượng. Tương tự, khi tốc độ động cơ tăng, thời gian dành cho quá trình cháy ngắn lại, đòi hỏi phải tăng góc đánh lửa sớm tương ứng. Dựa trên các kết quả mô phỏng, nghiên cứu đã xác định được dải góc đánh lửa tối ưu cho động cơ chạy bằng Biogas ở các dải tốc độ khác nhau, tạo tiền đề quan trọng cho giai đoạn nghiên cứu thực nghiệm.

IV. Hướng dẫn thiết kế hệ thống nhiên liệu Biogas và HHO kép

Việc thiết kế và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép là trái tim của đồ án tốt nghiệp cơ khí này. Hệ thống được xây dựng dựa trên nguyên tắc cải tạo động cơ hiện có để giảm thiểu chi phí và tăng tính thực tiễn. Hệ thống bao gồm hai nhánh chính: nhánh cung cấp khí sinh học và nhánh sản xuất khí HHO. Đối với Biogas, nhiên liệu được lưu trữ trong một bình chứa chịu áp suất, có van điều áp để đảm bảo dòng khí vào động cơ ổn định. Dòng Biogas này được dẫn tới một bộ chế hòa khí được cải tiến hoặc một bộ trộn khí chuyên dụng, nơi nó hòa trộn với không khí trước khi đi vào buồng đốt. Nhánh thứ hai là hệ thống sản xuất HHO, bao gồm một bình điện phân nước sử dụng nguồn điện từ ắc quy của xe. Nước trong bình điện phân được pha thêm chất xúc tác (thường là KOH hoặc NaOH) để tăng hiệu quả. Khí HHO sinh ra được dẫn qua một bộ lọc và van chống cháy ngược trước khi được đưa vào đường ống nạp, hòa trộn cùng hỗn hợp Biogas-không khí. Toàn bộ hệ thống được kiểm soát và đồng bộ hóa, đảm bảo tỷ lệ pha trộn nhiên liệu phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, từ đó tối ưu hóa quá trình cháy và nâng cao hiệu suất động cơ.

4.1. Quy trình sản xuất khí HHO qua điện phân nước hiệu quả

Hệ thống sản xuất khí HHO trên xe được thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả. Quá trình cốt lõi là điện phân nước, sử dụng các tấm điện cực bằng thép không gỉ 316L để chống ăn mòn. Dòng điện một chiều từ ắc quy xe được cấp vào các điện cực, tách phân tử nước (H2O) thành khí Hydro (H2) và Oxy (O2) theo tỷ lệ 2:1. Hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào thiết kế bình điện phân, diện tích bề mặt điện cực, nồng độ chất điện ly và cường độ dòng điện. Để đảm bảo an toàn hệ thống nhiên liệu, khí HHO trước khi vào động cơ phải đi qua một bình sủi (bubbler) để làm mát và lọc sạch hơi dung dịch điện ly, đồng thời hoạt động như một lớp bảo vệ chống cháy ngược.

4.2. Chế tạo băng thử công suất và hệ thống điều khiển Arduino

Để đo đạc chính xác hiệu năng của động cơ, một băng thử công suất đã được thiết kế và chế tạo. Băng thử hoạt động dựa trên nguyên lý phanh điện, sử dụng một máy phát điện làm tải cho động cơ. Momen xoắn của động cơ được xác định thông qua cảm biến lực (loadcell) đặt trên tay đòn của máy phát. Tốc độ động cơ được đo bằng cảm biến encoder. Toàn bộ hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển được quản lý bởi một mạch Arduino Uno R3. Arduino nhận tín hiệu từ các cảm biến, tính toán ra công suất và hiển thị kết quả lên màn hình. Nó cũng điều khiển một động cơ servo để thay đổi độ mở bướm ga, cho phép thực hiện các bài kiểm tra ở nhiều chế độ tải và tốc độ khác nhau một cách tự động và chính xác. Đây là một công cụ không thể thiếu cho nghiên cứu thực nghiệm.

V. Kết quả luận văn Đánh giá hiệu suất động cơ Biogas HHO

Phần quan trọng nhất của luận văn là trình bày và phân tích các kết quả thu được từ nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử. Các thí nghiệm được tiến hành một cách có hệ thống, so sánh hiệu năng của động cơ khi chạy bằng xăng, và sau đó là với hệ thống nhiên liệu kép Biogas-HHO ở các chế độ vận hành khác nhau. Kết quả cho thấy, khi chỉ sử dụng Biogas, công suất và momen của động cơ có xu hướng giảm nhẹ so với chạy xăng, điều này phù hợp với dự đoán lý thuyết do mật độ năng lượng của Biogas thấp hơn. Tuy nhiên, điểm đột phá đến từ việc bổ sung một lượng nhỏ khí HHO. Việc thêm HHO đã cải thiện đáng kể quá trình cháy, giúp động cơ hoạt động mượt mà hơn, tăng cả momen xoắn và công suất ở một số dải tốc độ, bù lại được sự sụt giảm công suất ban đầu. Về mặt môi trường, phân tích khí thải NOx, CO, HC cho thấy một kết quả rất tích cực. Lượng khí CO và HC (Hydrocarbon chưa cháy) trong khí thải giảm mạnh khi sử dụng nhiên liệu kép, chứng tỏ nhiên liệu đã được đốt cháy gần như hoàn toàn. Đây là một minh chứng rõ ràng cho hiệu quả của giải pháp trong việc giảm phát thải và bảo vệ môi trường, khẳng định tính khả thi kinh tế và kỹ thuật của đề tài.

5.1. Phân tích momen và công suất động cơ trên băng thử

Các đồ thị đặc tính động cơ thu được từ băng thử đã cung cấp dữ liệu định lượng chính xác. Đường đặc tính momen của động cơ khi chạy bằng Biogas-HHO cho thấy giá trị momen cực đại đạt được gần tương đương với khi chạy xăng, nhưng có thể dịch chuyển sang một dải tốc độ khác. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc tối ưu hóa hệ thống truyền động để phù hợp với đặc tính của nhiên liệu mới. Công suất cực đại, mặc dù có thể thấp hơn một chút, nhưng vẫn đáp ứng tốt cho nhu cầu vận hành thông thường của xe máy. Quan trọng hơn, việc bổ sung khí HHO đã giúp tối ưu hóa quá trình cháy, làm cho đường đặc tính momen phẳng hơn, giúp xe vận hành ổn định và linh hoạt hơn ở nhiều dải tốc độ.

5.2. So sánh đặc tính khí thải và tính khả thi của giải pháp

Kết quả phân tích khí thải là một trong những thành công lớn nhất của đề tài. So với xăng, hệ thống Biogas-HHO giúp giảm nồng độ CO và HC xuống mức rất thấp. Điều này không chỉ có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường mà còn cho thấy hiệu suất động cơ được cải thiện ở cấp độ vi mô, nhiên liệu không bị lãng phí. Về tính khả thi kinh tế, chi phí để cải tạo động cơ và lắp đặt bộ kit chuyển đổi nhiên liệu ban đầu là một khoản đầu tư. Tuy nhiên, với chi phí vận hành thấp do tận dụng nguồn khí sinh học giá rẻ hoặc miễn phí từ chất thải nông nghiệp, người dùng có thể hoàn vốn trong một thời gian ngắn. Giải pháp này đặc biệt phù hợp cho các khu vực nông thôn, nơi có sẵn nguồn nguyên liệu sản xuất Biogas dồi dào.

VI. Tương lai động cơ Biogas HHO Từ luận văn đến thực tiễn

Luận văn "Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng Biogas-HHO" không chỉ dừng lại ở một công trình học thuật mà còn mở ra một hướng phát triển đầy triển vọng cho ngành giao thông vận tải bền vững tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng việc sử dụng hệ thống nhiên liệu kép Biogas và khí HHO là hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật, mang lại lợi ích kép về kinh tế và môi trường. Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa và thương mại hóa giải pháp này. Cần có những nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện thiết kế của bộ kit chuyển đổi nhiên liệu, giúp việc lắp đặt trở nên đơn giản, nhanh chóng và phù hợp với nhiều loại động cơ xe máy khác nhau trên thị trường. Việc phát triển các hệ thống điều khiển điện tử thông minh để tự động điều chỉnh tỷ lệ Biogas-HHO theo thời gian thực sẽ giúp hiệu suất động cơ đạt mức cao nhất trong mọi điều kiện vận hành. Hơn nữa, việc xây dựng các mô hình cung cấp khí sinh học cộng đồng tại các vùng nông thôn sẽ là chìa khóa để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Từ nền tảng vững chắc của đồ án tốt nghiệp cơ khí này, tương lai của những chiếc xe máy chạy bằng năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đang trở nên gần hơn bao giờ hết.

6.1. Tổng kết giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài đã đóng góp những dữ liệu thực nghiệm quý báu về quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu khí Biogas-HHO trong một động cơ đốt trong cỡ nhỏ. Các kết quả từ mô phỏng động cơ và thực tế đã làm sáng tỏ cơ chế tác động của HHO trong việc cải thiện quá trình cháy. Về ứng dụng thực tiễn, luận văn đã xây dựng thành công một mô hình hoàn chỉnh, từ khâu chế tạo thiết bị đến quy trình kiểm nghiệm. Mô hình này có thể được nhân rộng, trở thành một giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả cho hàng triệu xe máy tại Việt Nam, đặc biệt ở các khu vực nông thôn, giúp người dân giảm chi phí nhiên liệu và góp phần bảo vệ môi trường.

6.2. Hướng phát triển bộ kit chuyển đổi nhiên liệu thương mại

Hướng đi tiếp theo và tham vọng nhất là phát triển một bộ kit chuyển đổi nhiên liệu thương mại. Bộ kit này cần được thiết kế theo dạng module "plug-and-play", bao gồm: một bình chứa Biogas nhỏ gọn, một bộ điện phân HHO hiệu suất cao, một bộ trộn khí thông minh và một ECU (bộ điều khiển điện tử) nhỏ để quản lý toàn bộ hệ thống. Việc chuẩn hóa các linh kiện và quy trình lắp đặt sẽ giúp giảm giá thành sản phẩm. Đồng thời, cần xây dựng các tiêu chuẩn về kỹ thuật và an toàn hệ thống nhiên liệu để sản phẩm có thể được cấp phép và lưu hành rộng rãi. Sự thành công của dự án này sẽ tạo ra một tác động xã hội to lớn, thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn và phát triển giao thông xanh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HHO 1. Tổng quan về khả năng sinh khí biogas từ các nguyên liệu khác nhau 1. Tóm tắt về lên men kỵ khí Ánh sáng mặt trời Quang hợp CO2 O2 Thực vật Biomass H2O Chất thải chăn nuôi Lên men Biogas Chất thải Sản xuất điện, nhiệt Tiêu hóa kỵ khí hữu cơ Hình 1.1: Sơ đồ trung hòa carbon của nhiên liệu biogas Chất thải hữu cơ từ các nguồn khác nhau có thể sử dụng để sản xuất biogas. Quá trình sử dụng biogas làm nhiên liệu không làm tăng CO2 trong bầu khí quyển (hình 1.

Quá trình xử lý kỵ khí để sinh ra biogas dựa trên phân hủy vi sinh của các chất hữu cơ trong môi trường không có hiện diện của phân tử oxygen. Về cơ bản quá trình này có thể được chia thành 3 giai đoạn với 3 nhóm vi sinh vật khác biệt được tóm tắt như sau (hình 1.2): • Giai đoạn đầu bao gồm các vi khuẩn lên men cả vi sinh vật kỵ khí và không kỵ khí. Các chất hữu cơ phức hợp, carbohydrate, protein và lipid được thủy phân và lên men thành các acid béo, cồn, CO2, H2, NH3 và sulfide. • Trong giai đoạn thứ hai, vi khuẩn acetogenic tiêu thụ các sản phẩm hữu cơ đã hình thành và tạo ra hydrogene, carbonic và acid acetic.

SVTH: Trần Minh Lộc GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và TS. Lê Minh Tiến 1 Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas-hho trên băng thử công suất • Giai đoạn thứ ba sử dụng hai dạng vi khuẩn methanogetic khác biệt. Dạng thứ nhất khử carbonic thành methane và dạng thứ hai decarboxylate acetate thành methane và carbonic. Chất hữu cơ 1) Hóa lỏng, Thủy phân, Lên men Acid hữu cơ, Cồn 2) Hình thành Hydrogen Acetate H2+CO2 3) Acetate 3) Khử Khử carbon oxy Hình thành methane CH4+CO2 CH4 Hình 1.2 Các giai đoạn hình thành biogas từ chất hữu cơ Mục đích của quá trình biogas là phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ thành Hình 2.2: Các giai đoạn hình thành biogas từ chất hữu cơ methane.

Vì vậy điều quan trọng là tối ưu hóa các điều kiện sinh hóa của tất cả các phản ứng dẫn đến hình thành các methanogenic tiền thân và quan trọng hơn là đối với các phản ứng hình thành chính CH4. Đồng thời hạn chế tối đa các phản ứng hình thành những tạp chất trong biogas như CO2, N2 và những chất khí khác. Chất lượng biogas phụ thuộc nguồn sản xuất và thời gian các chất hữu cơ tồn tại trong hầm sinh khí. Thường biogas chứa 60-70% CH4, 30-40% CO2 và dưới 1% H2S (thường nằm trong khoảng từ 100 đến 2000ppm).

Các chất khí khác như N2 có thể đến 10%, H2 có thể đến 5%. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất biogas có thể tóm tắt như sau: - Nhiệt độ: Thường nằm trong khoảng 27-40C, tối ưu nằm trong khoảng 30- 35C; - Thời gian lưu giữ chất hữu cơ trong hầm biogas: phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu, nhiệt độ… Thường từ 1 đến 30 ngày đối với hầm biogas và 10-20 năm đối với bãi rác; - Không khí: tuyệt đối không có mặt vì bất lợi đối với quá trình kỵ khí; SVTH: Trần Minh Lộc GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và TS. Lê Minh Tiến 2 Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas-hho trên băng thử công suất - Vi khuẩn: phụ thuộc và chất thải và nhiệt độ; Methanosarcina có lợi cho quá trình sản sinh methane nhanh; - Tỉ số C/N thấp hơn 43:1 và tỉ số C/P thấp hơn 187:1 ứng với biomass kỵ khí gần với C5H7NO2P0,1; - pH: nằm trong khoảng 6-8; tối ưu gần 7; - Acid nhẹ: bicarbonate alkalinity nên cao hơn acid alkalinity; - Các thành phần rắn: tối ưu trong khoảng 7-9%; - Các chất độc hại: sự hiện diện của một số cations và kim loại nặng với hàm lượng đủ lớn gây nguy hại đến quá trình kỵ khí. Lượng biogas sinh ra (m3/khối lượng nguyên liệu) Giá trị tương đối (%) Sản lượng biogas (m3/m3/ngày) Thời gian lưu giữ trong hầm biogas (ngày) Hình 1.3: Động học quá trình sản sinh biogas Hình 1.3 giới thiệu động học biogas từ chất thải hữu cơ.

Ban đầu tốc độ sinh khí tăng nhanh và đạt giá trị cực đại trong khoảng từ 5-7 ngày. Sau đó tốc độ sinh khí giảm. Lượng khí sinh ra hầu như không đổi sau 25 ngày lưu giữ nguyên liệu trong hầm. Khả năng sinh khí biogas từ chất thải hữu cơ Sản lượng biogas sinh ra mỗi ngày ở quốc gia vùng xích đạo có thể lấy gần đúng như sau: • 1 kg chất thải gia súc: 40 lít biogas • 1 kg chất thải bò: 30 lít biogas • 1 kg chất thải heo: 60 lít biogas • 1 kg chất thải gia cầm: 70 lít biogas Nếu biết khối lượng hơi gia súc, gia cầm mà chất thải của chúng được dùng để sản xuất biogas thì sản lượng biogas mỗi ngày được xác định gần đúng như sau: SVTH: Trần Minh Lộc GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và TS.

Lê Minh Tiến 3 Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas-hho trên băng thử công suất • Trâu bò, gia cầm: 1,5 lít biogas/ngày/1 kg hơi • Con người, heo: 30 lít biogas/ngày/1 kg hơi Lượng biogas sinh ra và thành phần methane đối với các loại nguyên liệu khác nhau sau 10-20 ngày trong hầm biogas ở nhiệt độ khoảng 30C được giới thiệu ở bảng 1.1: Khả năng sinh khí của một số nguyên liệu STT Sản lượng Thành phần Nguyên liệu biogas methane (l/kg VS) (%) 1 Phân heo 340-550 65-70 2 Phân bò 90-310 65 3 Phân chim 310-620 60 4 Phân ngựa 200-300 5 Phân cừu 90-310 6 Phân gia cầm 175-280 7 Rơm lúa mì 200-300 50-60 8 Rơm lúa mạch 200-300 59 9 Rơm bắp 380-460 59 10 Rạ 170-280 11 Trấu 105 12 Cỏ 280-550 70 13 Cỏ voi 430-560 60 14 Bã mía 165 15 Cây đậu chổi 405 16 Sậy 170 17 Cỏ ba lá 430-490 18 Rau 330-360 19 Cà chua 280-490 20 Củ cải đường 400-500 21 Lá hướng dương 300 59 22 Chất thải nông nghiệp 310-430 60-70 23 Seeds 620 24 Vỏ đậu 365 25 Lá vàng 210-290 58 26 Bèo tây 375 SVTH: Trần Minh Lộc GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và TS. Lê Minh Tiến 4 Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas-hho trên băng thử công suất 27 Tảo 420-500 63 28 Nước cống 310-740 (VS = Tổng chất rắn bay hơi, khoảng 9% tổng chất ướt đối với phân bò) Nguồn: http://www.org/CD3WD_40/BIOGSHTM/EN/APPLDEV/OPERATION/YIELD.HTML Khả năng sinh khí biogas của các nguyên liệu khác nhau có thể biểu diễn dưới dạng thể tích biogas sinh ra trên một đơn vị chất hữu cơ khô bay hơi của nguyên liệu (bảng 1.1) hay dưới dạng thể tích biogas trên một đơn vị khối lượng nguyên liệu ướt (hình 1. Kết quả cho thấy khả năng sinh khí của các chất béo cao vượt trội so với các chất khác, sau đó đến bắp, cỏ, rác cống, hèm bia. Phân gia súc, gia cầm, trấu, rơm rạ có khả năng sinh khí thấp hơn nhưng đây là nguồn nguyên liệu dồi dào trong sản xuất nông nghiệp ở nước ta.

Bắp Cỏ Củ cải Mỡ đã sử dụng Chất thải béo Dầu thực vật Rác cống Hèm rượu Chất thải bơ sữa Rau quả Phân gia cầm Phân gia súc Phân heo 3 Lượng biogas sinh ra (m /tấn) Hình 1.4: Khả năng sinh khí biogas của một số nguyên liệu 1. Nghiên cứu khả năng sinh biogas từ các nguyên liệu thực tế ở Việt Nam 1. Chọn các loại nguyên liệu Các loại nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu và nguồn gốc nguyên liệu được giới thiệu trên bảng 1. SVTH: Trần Minh Lộc GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và TS.

Lê Minh Tiến 5 Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas-hho trên băng thử công suất Bảng 1.2: Nguyên liệu sản xuất biogas Nguyên liệu Nguồn gốc Bùn hoạt tính Công ty cổ phần Đồng Xanh-Nhà máy cồn Đại Tân Bã sắn Công ty Cổ phần Fococev Quảng Nam-Nhà máy tinh bột sắn Quảng Nam Nước thải sắn Công ty Cổ phần Fococev Quảng Nam-Nhà máy tinh bột sắn Quảng Nam Bèo tây Hồ tự nhiên Phân gà Trại gà Hòa Phú-Công ty TNHH Đức Nghĩa Hèm bia Công ty TNHH VBL Quảng Nam Phân heo Nhà ông Đồng Văn Chữ, Hòa Sơn, Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Phân bò Trung tâm giết mổ gia súc, gia cầm tập trung Đà Sơn, thành phố Đà Nẵng. Bố trí thí nghiệm Qui trình thí nghiệm được tiến hành như hình1. Nguyên liệu Phòng thí nghiệm Xác định hàm lượng chất khô Pha loãng + Cấy bùn Nạp liệu Hình 1.5: Quy trình nạp nguyên liệu vào bình sinh khí Nguyên liệu lấy từ nguồn nêu trên được thu gom về phòng thí nghiệm. Tại đây nguyên liệu được sấy khô ở nhiệt độ 100-105oC trong thời gian 3 giờ.

SVTH: Trần Minh Lộc GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và TS. Lê Minh Tiến 6 Đo đạc các tính năng động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas-hho trên băng thử công suất Hàm lượng chất khô có trong mẫu nguyên liệu được tính theo công thức sau: m − m2 [SS] = 3 .1000 (mg/g nguyênliệu) m 2 − m1 Trong đó: - m1: Khối lượng cốc sứ đã sấy khô trước khi lọc, tính bằng mg - m2: Khối lượng cốc sứ có cặn trước khi sấy, tính bằng mg - m3: Khối lượng cốc sứ có cặn sau khi sấy khô, tính bằng mg Kết quả xác định hàm lượng chất khô của các nguyên liệu thí nghiệm cho ở bảng 2.3: Kết quả phân tích hàm lượng chất khô của các nguồn nguyên liệu Nguyên liệu Hàm lượng chất khô mg/g nguyên liệu % Bùn hoạt tính 50,0 5,0 Bã sắn 139,0 13,9 Nước thải sắn 17,0 1,7 Bèo tây 103,0 10,3 Phân gà 352,0 35,2 Hèm bia 76,0 7,6 Phân heo 244,0 24,4 Phân bò 203,0 20,3 Nguyên liệu khô sau khi đã xác định được khối lượng được pha loãng bằng nước và cấy bùn. Bùn hoạt tính lấy từ bể kỵ khí 02 tại nhà máy cồn Đại Tân. Bùn không còn khả năng sinh biogas.

Mục đích cấy bùn là cấy vi sinh vật kị khí vào bình ủ kị khí thí nghiệm để đẩy nhanh quá trình phân hủy kị khí. Lượng nước cần để pha loãng các nguyên liệu, hàm lượng chất khô của nguyên liệu trước khi nạp vào bình sinh khí thể hiện ở bảng 2. Nguyên liệu sau khi pha trộn và cấy bùn hoạt tính được nạp vào bình sinh khí có dung tích 21 lít. Bình được thiết kế cải tạo từ bình chứa nước lọc, có cánh khuấy nguyên liệu.

Thí nghiệm được tiến hành song song với 8 bình sinh khí. Mỗi bình sinh khí có một túi chứa khí (túi y tế dung tích 02 lít). Bình sinh khí và túi chứa nối với nhau bằng ống nhựa mềm. Bình sinh khí có gắn 01 nhiệt kế bên hông (nhiệt kế 100oC), chiều sâu 11 cm (hình 2.