Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu và đánh giá hệ thống máy phát điện sử dụng biogas từ chất thải trang trại heo

Nghiên cứu hệ thống máy phát điện sử dụng biogas từ chất thải heo, ứng dụng trong kỹ thuật ô tô máy kéo, mang lại hiệu quả bền vững.

• Tác giả: Trần Minh Tiến
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Đánh Giá Hệ Thống Máy Phát Điện Sử Dụng Biogas Từ Chất Thải Trang Trại Heo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng biogas hiện nay
• 1.3. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu
• 1.3.1. Lý do thực hiện đề tài
• 1.3.2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 1.3.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.3.4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết về biogas
• 2.1.1. Định nghĩa biogas
• 2.1.2. Thành phần của biogas
• 2.1.3. Tính chất của biogas
• 2.1.4. Biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
• 2.2. Lý thuyết về động cơ sử dụng biogas
• 2.2.1. Các bộ phận chính
• 2.2.2. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ sang sử dụng biogas
• 2.3. Lý thuyết hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu
• 2.3.1. Phương pháp hòa trộn trước
• 2.3.2. Phương pháp hòa trộn sau
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
• 3.1. Các phương án sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
• 3.2. Chọn công suất máy phát điện phù hợp với trang trại
• 3.3. Thông số đặc tính của động cơ thực hiện đề tài
• 3.4. Thông số kỹ thuật của máy phát điện
• 3.5. Thực hiện chuyển đổi
• 3.6. Phương án điều khiển hệ thống nhiên liệu
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS
• 4.1. Chọn bộ trộn biogas
• 4.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều tốc điện tử
• 4.2.1. Bộ điều tốc cơ khí
• 4.2.2. Bộ điều tốc điện tử
• 4.2.3. Chọn phương pháp điều khiển
• 4.2.4. Sơ đồ quá trình xử lý
• 4.2.5. Thuật toán PID
• 4.2.6. Chọn cơ cấu chấp hành
• 4.3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống lọc
• 4.3.1. Những vấn đề trong quá trình hoạt động của động cơ biogas
• 4.3.2. Sự cần thiết của hệ thống lọc
• 4.3.3. Quá trình xử lý biogas
• 4.3.4. Hệ thống lọc sau khi thiết kế
• 4.3.5. Phương pháp cải tiến lưu trữ biogas
• 5. CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐƯA VÀO VẬN HÀNH HỆ THỐNG
• 5.1. Thiết bị thử nghiệm
• 5.2. Sơ đồ, điều kiện và trình tự thử nghiệm
• 5.3. Kết quả thí nghiệm và bàn luận kết quả
• 5.3.1. Thí nghiệm 1: xác định sự thay đổi của các thông số làm việc và đặc tính khi tải thay đổi
• 5.3.1.1. Ảnh hưởng của sự thay đổi tải đến thông số làm việc và đặc tính của động cơ sử dụng biogas
• 5.3.1.2. Xác định đặc tính làm việc của máy phát điện
• 5.3.1.3. Khả năng đáp ứng của bộ điều tốc điện tử
• 5.3.2. Thí nghiệm 2: xác định ảnh hưởng của sự thay đổi thời điểm đánh lửa đến sự phát thải ô nhiễm và các thông số vận hành động cơ
• 5.3.2.1. Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa tới nồng độ NOx trong khí xả theo từng chế độ tải
• 5.3.2.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa tới nồng độ HC
• 5.3.2.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa tới thông số vận hành động cơ
• 5.3.2.4. Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa tới lưu lượng biogas
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống máy phát điện biogas

Hệ thống máy phát điện biogas từ chất thải heo là một giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí năng lượng. Biogas được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí của chất thải động vật, đặc biệt là từ các trang trại chăn nuôi heo. Nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn cung cấp một nguồn năng lượng sạch cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Việc sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong đã được chứng minh là có khả năng giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, năng lượng tái tạo từ biogas có thể thay thế một phần lớn năng lượng truyền thống, giúp giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch.

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biogas

Trên thế giới, hệ thống biogas đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia như Trung Quốc, Đức và Mỹ. Tại Việt Nam, biogas đang dần trở thành một nguồn năng lượng quan trọng, đặc biệt trong các khu vực nông thôn. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng biogas không chỉ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Theo TSKH Bùi Văn Ga, biogas có thể được sử dụng để chạy động cơ đốt trong, góp phần giải quyết bài toán năng lượng và môi trường ở nông thôn. Hơn nữa, việc phát triển hệ thống biogas còn giúp nâng cao đời sống của người dân thông qua việc cung cấp năng lượng cho các hoạt động sản xuất nông nghiệp.

II. Cơ sở lý thuyết về biogas

Biogas là một hỗn hợp khí được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ. Thành phần chính của biogas bao gồm CH4 (methane) và CO2 (carbon dioxide), trong đó CH4 chiếm khoảng 60% thể tích. Biogas có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí năng lượng. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất biogas từ chất thải heo không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, việc chuyển đổi động cơ chạy bằng diesel sang sử dụng hỗn hợp biogas và diesel có thể giảm phát thải khí nhà kính và tiết kiệm chi phí năng lượng.

2.1. Tính chất và ứng dụng của biogas

Tính chất của biogas rất phù hợp để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Biogas có khả năng cháy tốt, giúp tạo ra năng lượng lớn khi được đốt. Hơn nữa, việc sử dụng biogas còn giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí, vì khí thải từ động cơ sử dụng biogas thường ít độc hại hơn so với động cơ chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng biogas trong các động cơ cỡ nhỏ có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt là trong các trang trại chăn nuôi. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

III. Phân tích lựa chọn phương án sử dụng biogas

Việc lựa chọn phương án sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cần được phân tích kỹ lưỡng. Các phương án này bao gồm việc sử dụng biogas nguyên chất hoặc kết hợp với nhiên liệu khác như diesel. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng hỗn hợp biogas và diesel có thể giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc chuyển đổi động cơ từ chạy bằng diesel sang sử dụng hỗn hợp biogas và diesel có thể tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu, đồng thời đảm bảo khả năng hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Đánh giá hiệu suất và tính khả thi

Đánh giá hiệu suất của hệ thống máy phát điện sử dụng biogas là rất quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hiệu suất của động cơ sử dụng biogas có thể đạt được mức cao nếu được thiết kế và điều chỉnh đúng cách. Việc sử dụng biogas không chỉ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc phát triển hệ thống biogas từ chất thải heo còn giúp nâng cao giá trị kinh tế cho các trang trại chăn nuôi, đồng thời góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

IV. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống máy phát điện

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống máy phát điện sử dụng biogas từ chất thải heo là một bước quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo. Hệ thống này bao gồm các bộ phận chính như bộ trộn biogas, bộ điều tốc điện tử và hệ thống lọc biogas. Việc thiết kế và chế tạo các bộ phận này cần phải đảm bảo tính hiệu quả và độ bền trong quá trình hoạt động. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ lọc biogas cũng rất quan trọng để đảm bảo chất lượng khí đầu vào cho động cơ, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

4.1. Thực nghiệm và đánh giá hệ thống

Thực nghiệm đánh giá hệ thống máy phát điện sử dụng biogas là một phần không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu. Các thí nghiệm cần được thực hiện để xác định các thông số vận hành và đặc tính phát thải của động cơ. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống, đồng thời đưa ra các giải pháp cải tiến cần thiết. Việc đánh giá này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng biogas mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sử dụng biogas từ chất thải heo đã chỉ ra rằng đây là một giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí năng lượng. Hệ thống này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu về động cơ biogas lắp trên các phương tiện giao thông vận tải, nhằm mở rộng ứng dụng của biogas trong đời sống. Việc phát triển công nghệ biogas cần được chú trọng hơn nữa để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và bảo vệ môi trường.

5.1. Đề xuất giải pháp và ứng dụng

Để phát triển hệ thống biogas, cần có các chính sách hỗ trợ từ nhà nước nhằm khuyến khích người dân sử dụng biogas trong sản xuất và sinh hoạt. Các giải pháp như hỗ trợ giá cho người dân trong thời gian đầu, đào tạo kỹ thuật và nâng cao nhận thức về lợi ích của biogas sẽ giúp tăng cường ứng dụng công nghệ này. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực biogas cũng cần được đẩy mạnh để nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu chuyển đổi năng lượng xanh tại khu vực nông thôn đang trở thành nhiệm vụ cấp bách khi Việt Nam thải ra môi trường khoảng 4 tỷ m3 khí sinh học (biogas) mỗi năm nhưng phần lớn chỉ mới phục vụ đun nấu thủ công. Khí methane (CH4) chiếm tới 60% thể tích biogas và sở hữu tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính cao gấp 23 lần so với khí carbonic (CO2). Tình trạng chất thải chăn nuôi chưa qua xử lý triệt để tại các trang trại lớn gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và không khí, trong khi giá nhiên liệu hóa thạch liên tục tăng cao. Thêm vào đó, việc tận dụng nguồn khí này chạy máy phát điện tĩnh tại gặp nhiều rào cản kỹ thuật: bộ điều tốc cơ khí truyền thống phản ứng chậm khiến điện áp dao động thất thường, còn tạp chất axit như hydro sunfua (H2S) và hơi nước làm ăn mòn buồng cháy động cơ.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật trên thông qua bốn mục tiêu trọng tâm: khảo sát và chế tạo hệ thống máy phát điện công suất 20 kVA (3 pha, 50 Hz); phát triển bộ điều tốc điện tử linh hoạt ứng dụng thuật toán PID; thiết kế cụm lọc hóa học khử triệt để H2S và độ ẩm; đánh giá các thông số vận hành cơ bản cùng đặc tính phát thải ô nhiễm của động cơ khi chuyển sang dùng biogas.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên các trang trại chăn nuôi heo quy mô 500 con tại tỉnh Bình Dương trong khung thời gian từ tháng 8/2009 đến tháng 7/2010. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua các chỉ số định lượng: mỗi 1 m3 biogas chuyển hóa thành công thành 1 kWh điện năng hữu ích, giúp tiết kiệm 0,4 lít dầu diesel và cắt giảm 1 kg khí CO2 phát thải trực tiếp ra bầu khí quyển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ và nhiệt động lực học động cơ đốt trong. Quá trình lên men kỵ khí chất thải diễn ra qua hai giai đoạn chính: axít hóa xenlulô để tạo thành axit axetic và giai đoạn vi sinh vật methane chuyển hóa axit thành hỗn hợp khí sinh học. Thành phần biogas tiêu chuẩn bao gồm 50% đến 70% khí CH4, 30% đến 40% khí CO2, khoảng 0% đến 1% khí H2S và 0% đến 5% hơi nước. Methane đóng vai trò là chất sinh công chính với nhiệt trị dao động từ 4 đến 8 kWh/m3 (tương đương 36.000 kJ/m3 khí chuẩn) và nhiệt độ bắt lửa khoảng 537°C đến 700°C.

Lý thuyết hòa trộn khí và cháy cưỡng bức trong động cơ xăng được ứng dụng để phân tích quá trình cấp nhiên liệu. Do biogas có tốc độ cháy chậm hơn xăng và nhiệt trị bị pha loãng bởi khí CO2 trơ, động cơ yêu cầu tỷ số nén tối ưu trong khoảng từ 10 đến 14 nhằm đạt hiệu suất nhiệt cao nhất. Bên cạnh đó, lý thuyết điều khiển tự động vòng kín với thuật toán tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) được sử dụng để duy trì tốc độ góc của trục khuỷu thông qua cơ cấu chấp hành bướm ga. Ba khái niệm cốt lõi được định hình gồm: cơ chế mài mòn hóa học do khí H2S phản ứng tạo axit sunfuric (H2SO4), nguyên lý hòa trộn Venturi ngoài buồng cháy, và khả năng tự cân bằng tải của bộ điều tốc điện tử.

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm được thiết lập trên cụm động cơ xăng 4 kỳ tĩnh tại đã được cải tạo, kết nối trực tiếp với đầu phát điện 3 pha công suất 20 kVA vận hành ở tốc độ định mức 1.500 vòng/phút. Cỡ mẫu nghiên cứu sử dụng toàn bộ lượng khí sinh học thu hồi từ hầm ủ yếm khí của trang trại nuôi 500 con heo tại Bình Dương với áp suất cấp khí ổn định từ 12 đến 13 kPa.

Phương pháp chọn mẫu và chuyển đổi công nghệ tập trung vào giải pháp hòa trộn trước không có buồng cháy phụ. Lý do lựa chọn giải pháp này là khả năng tận dụng kết cấu nguyên bản của động cơ xăng dùng chế hòa khí, không đòi hỏi thay đổi phức tạp trên nắp máy, giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu cho nông hộ nhưng vẫn đảm bảo độ bền cơ học. Phương pháp phân tích dữ liệu dựa trên việc đo kiểm trực tiếp thông số dòng điện, tần số lưới, nhiệt độ khí xả và phân tích thành phần khí thải bằng thiết bị đo quang phổ chuyên dụng. Việc lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm trên băng thử tải giúp thu thập chính xác sự biến thiên của nồng độ NOx, HC và lưu lượng tiêu hao biogas khi thay đổi góc đánh lửa sớm từ 0° đến 35° trong suốt chu kỳ 12 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Hệ thống máy phát điện cải tiến đã hoàn thành các bài kiểm tra nghiêm ngặt tại hiện trường với bốn phát hiện then chốt:

Thứ nhất, bộ điều tốc điện tử ứng dụng thuật toán PID cho thấy tốc độ đáp ứng tải vượt bậc. Khi đóng cắt tải đột ngột từ 0% lên 100% công suất (20 kVA), độ lệch tần số dòng điện được khống chế dưới mức 2%, thời gian xác lập trạng thái ổn định chỉ mất khoảng 1,2 giây. Kết quả này vượt trội hoàn toàn so với bộ điều tốc cơ khí vốn có độ trễ lớn và độ dao động tần số lên tới 8% đến 12%.

Thứ hai, cụm lọc khí hóa học xử lý hiệu quả hơn 92% hàm lượng H2S độc hại, đưa nồng độ khí này xuống dưới ngưỡng 0,05%, đồng thời loại bỏ trên 95% hơi nước ngưng tụ. Điều này loại trừ triệt để nguy cơ hình thành axit ăn mòn séc-măng và bề mặt xilanh.

Thứ ba, hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt mức bình quân 1 kWh điện trên mỗi 1 m3 biogas tiêu thụ ở dải tải tối ưu từ 70% đến 90%. So với việc vận hành bằng 100% dầu diesel, hệ thống giúp chủ trang trại tiết kiệm 100% chi phí nhiên liệu hóa thạch trong các khung giờ chạy máy phát.

Thứ tư, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm tăng từ 15° lên dải 25° đến 30° trước điểm chết trên giúp tăng hiệu suất nhiệt thêm 12%, đồng thời giảm 22% lượng hydrocacbon chưa cháy (HC) trong khí xả.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa rõ nét qua các bảng đo thông số vận hành và đồ thị phân tích nồng độ khí thải. Trên đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa góc đánh lửa và phát thải, đường cong nồng độ HC giảm mạnh khi tăng góc đánh lửa sớm do khí biogas có đủ thời gian hoàn tất quá trình cháy lan truyền. Ngược lại, nồng độ khí NOx có xu hướng tăng nhẹ khoảng 15% ở dải góc đánh lửa trên 30° do nhiệt độ cực đại trong buồng cháy vượt ngưỡng 1.600°C, kích thích phản ứng giữa nitơ và oxy.

Nguyên nhân căn bản khiến công suất cực đại của động cơ biogas giảm khoảng 15% đến 20% so với khi chạy xăng nguyên bản xuất phát từ sự hiện diện của 30% đến 40% khí CO2 làm giảm thể tích nạp của hỗn hợp cháy. Tuy nhiên, khi so sánh với công trình nghiên cứu bộ phụ kiện hai nhiên liệu của Đại học Đà Nẵng, giải pháp sử dụng bộ điều tốc điện tử trong luận văn này đã khắc phục hoàn toàn hiện tượng sụt áp và giật tải, tạo ra nguồn điện 3 pha ổn định tương đương điện lưới quốc gia, bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện công suất lớn như máy bơm nước và hệ thống quạt thông gió chuồng trại.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng và mở rộng quy mô triển khai trong thực tiễn chăn nuôi nông nghiệp, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất:

Thương mại hóa và tiêu chuẩn hóa bộ điều tốc điện tử PID: Các nhóm nghiên cứu cơ điện tử cần phối hợp với xưởng chế tạo máy hoàn thiện mạch điều khiển vi xử lý chuyên dụng có vỏ bọc chống ẩm, duy trì sai số điện áp phát ra dưới ±1,5% trong vòng 6 tháng tới.

Nâng cấp công nghệ tháp lọc khí đa tầng khử H2S và sấy khô biogas: Các trung tâm ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật cần chuyển giao công nghệ lọc hấp phụ oxit sắt kết hợp hạt hút ẩm silicagel, hướng tới mục tiêu loại bỏ 98% tạp chất ăn mòn và đưa độ ẩm khí nạp về dưới 1%, hoàn thành trong lộ trình 12 tháng.

Triển khai nhân rộng mô hình trạm phát điện biogas 20 kVA tại 50 trang trại chăn nuôi trọng điểm: Sở Khoa học và Công nghệ cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Bình Dương cần chủ trì dự án hỗ trợ vốn và kỹ thuật, đặt mục tiêu lắp đặt hệ thống cho các cơ sở có quy mô từ 500 đến 2.000 con heo trong giai đoạn 2 năm.

Nghiên cứu công nghệ nén và tích trữ biogas tinh khiết áp suất cao: Các viện nghiên cứu chuyên ngành giao thông động lực cần phát triển hệ thống bình chứa composite nén khí ở áp suất cao, nâng mật độ lưu trữ năng lượng lên gấp 5 lần so với túi chứa màng nhựa trong thời gian 3 năm, mở đường cho việc ứng dụng biogas trên phương tiện cơ giới nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên biệt:

Nhà nghiên cứu, giảng viên và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Máy Động lực, Năng lượng Tái tạo: Tài liệu cung cấp cơ sở tính toán lý thuyết hoàn chỉnh về hòa trộn nhiên liệu khí, thuật toán điều khiển PID và quy trình thực nghiệm đo kiểm khí thải trên động cơ đốt trong.

Chủ các trang trại chăn nuôi gia súc quy mô từ 300 đến 1.000 con: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật cụ thể để tự chủ 100% nguồn điện sinh hoạt, thắp sáng và sưởi ấm, giảm thiểu chi phí năng lượng và xóa bỏ triệt để nguy cơ bị xử phạt môi trường.

Kỹ sư thiết kế và doanh nghiệp chế tạo máy nông nghiệp: Khai thác các thông số kỹ thuật chi tiết của bộ trộn Venturi, mạch điện tử điều tốc và cụm tháp lọc hóa học để sản xuất các module chuyển đổi động cơ thương mại giá thành thấp.

Cán bộ quản lý môi trường và nhà hoạch định chính sách nông thôn mới: Sử dụng các số liệu phát thải và hiệu quả kinh tế làm căn cứ xây dựng đề án khuyến nông, tiêu chuẩn kỹ thuật xử lý chất thải hữu cơ và định hướng giảm phát thải 4 triệu tấn CO2 mỗi năm cho toàn ngành chăn nuôi.

Câu hỏi thường gặp

Chuyển đổi động cơ xăng sang chạy biogas có làm suy giảm công suất và tuổi thọ máy không? Động cơ chạy biogas có công suất giảm khoảng 15% đến 20% so với xăng do nhiệt trị biogas thấp hơn và chứa 30% đến 40% khí CO2 trơ. Tuy nhiên, tuổi thọ động cơ vẫn được bảo toàn tương đương nếu biogas được lọc sạch H2S và độ ẩm trước khi đưa vào buồng đốt.

Vì sao bắt buộc phải thay thế bộ điều tốc cơ khí bằng bộ điều tốc điện tử? Bộ điều tốc cơ khí có quán tính lớn và độ trễ cao, làm tần số điện áp dao động từ 8% đến 12% khi thay đổi phụ tải. Bộ điều tốc điện tử PID can thiệp tức thời vào góc mở bướm ga, giữ tần số ổn định với sai số dưới 2%, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn cho thiết bị điện.

Quy mô trang trại như thế nào thì đủ điều kiện lắp đặt máy phát điện biogas 20 kVA? Trang trại chăn nuôi thường xuyên từ 500 con heo thịt trở lên sẽ sản sinh đủ lượng chất thải hữu cơ cho hầm ủ yếm khí, duy trì áp suất khí gas từ 12 đến 13 kPa, đảm bảo cung cấp đủ lưu lượng nhiên liệu cho máy phát điện 20 kVA hoạt động liên tục nhiều giờ mỗi ngày.

Có thể đưa trực tiếp khí biogas từ hầm ủ vào động cơ mà không qua hệ thống lọc không? Tuyệt đối không nên đưa trực tiếp vì biogas thô chứa khí H2S và hơi nước ngưng tụ. Khi gặp nhiệt độ cao trong buồng cháy, H2S sẽ oxy hóa tạo thành axit H2SO4 ăn mòn séc-măng, xilanh và làm biến chất dầu bôi trơn chỉ sau vài tuần vận hành thực tế.

Hiệu quả kinh tế thực tế của hệ thống máy phát điện biogas 20 kVA được tính toán ra sao? Cứ 1 m3 biogas sản sinh ra 1 kWh điện, giúp tiết kiệm tương đương 0,4 lít dầu diesel. Với trang trại 500 con heo vận hành máy phát 5 đến 8 giờ mỗi ngày, chủ cơ sở có thể tiết kiệm hàng triệu đồng tiền điện mỗi tháng và hoàn vốn đầu tư hệ thống trong vòng 2 đến 3 năm.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã giải quyết trọn vẹn những thách thức kỹ thuật cốt lõi trong việc ứng dụng khí sinh học làm nhiên liệu thay thế cho máy phát điện nông thôn:

• Thiết kế và thử nghiệm thành công trạm phát điện biogas 3 pha công suất 20 kVA tương thích hoàn hảo với quy mô trang trại 500 con heo.
• Chế tạo bộ điều tốc điện tử PID với độ ổn định tần số cao, khống chế sai số dưới 2% ngay cả khi đột ngột đóng ngắt toàn bộ tải.
• Xây dựng hệ thống tháp lọc hóa học loại bỏ hơn 92% khí H2S độc hại, bảo vệ độ bền buồng cháy và nâng cao tuổi thọ vận hành động cơ.
• Xác lập dải góc đánh lửa sớm tối ưu từ 25° đến 30°, giúp tăng 12% hiệu suất nhiệt và cắt giảm 22% lượng khí thải hydrocacbon chưa cháy.
• Đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt trội với 1 m3 biogas tạo ra 1 kWh điện, cắt giảm phát thải 1 kg CO2 và thay thế 0,4 lít dầu hóa thạch.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một giải pháp công nghệ xanh khép kín, kết hợp hài hòa giữa cơ khí động lực, tự động hóa và bảo vệ môi trường sinh thái. Lộ trình phát triển tiếp theo trong 24 tháng tới là tối ưu hóa công nghệ nén trữ biogas áp suất cao và tích hợp điều khiển thông minh qua internet vạn vật. Hãy áp dụng ngay giải pháp chuyển đổi máy phát điện biogas để nâng cao hiệu quả kinh tế trang trại và chung tay kiến tạo nền nông nghiệp bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- TRẦN MINH TIẾN NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS TỪ CHẤT THẢI TRANG TRẠI HEO Chuyên ngành : Kỹ thuật ô tô – máy kéo LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2010 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH THANH CÔNG Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. PHẠM XUÂN MAI Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS.

NGUYỄN LÊ DUY KHẢI Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 23 tháng 7 năm 2010. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PHẠM XUÂN MAI 2. NGUYỄN HỮU HƯỜNG 4.

NGUYỄN LÊ DUY KHẢI 5. HUỲNH THANH CÔNG 6. TRỊNH VĂN CHÍNH Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- Tp.

HCM, ngày tháng 7 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: TRẦN MINH TIẾN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/07/1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo MSHV: 01308289 1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu và đánh giá hệ thống máy phát điện sử dụng biogas từ chất thải trang trại heo”. 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng khí gas sinh học (biogas) tại Việt Nam và Thế Giới. Cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng bigogas làm nhiên liệu. Nghiên cứu đề xuất phương án hợp lý sử dụng biogas làm nhiên liệu động cơ đốt trong.

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống lọc biogas. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm hệ thống điện tử linh hoạt điều tốc động cơ. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống máy phát điện dùng biogas. Thực nghiệm đánh giá đặc tính của hệ thống phát điện và thông số vận hành và đặc tính phát thải (công suất, ô nhiễm…) của động cơ sử dụng sử dụng biogas.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/6/2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/7/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HUỲNH THANH CÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS. HUỲNH THANH CÔNG PGS. PHẠM XUÂN MAI Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

Ngày…… tháng…… năm……… TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO – SĐH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH TS. NGUYỄN HỮU HƯỜNG LỜI CÁM ƠN Để luận văn hoàn thành đúng tiến độ và đạt kết quả tốt, ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin chân thành cám ơn tất cả các thầy, cô, các bạn sinh viên trong Bộ môn, Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em thực hiện luận văn này. Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Huỳnh Thanh Công đã cung cấp những tài liệu quan trọng và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Em đã cố gắng hết sức để hoàn tất luận văn một cách tốt nhất có thể nhưng do kiến thức và kinh nghiệm của em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót.

Em rất mong sẽ nhận được sự đóng góp, chia sẻ ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn để đề tài có thể phát triển ở mức cao hơn. Em xin chân thành cám ơn ! Học viên thực hiện Trần Minh Tiến TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, ba vấn đề lớn đã và đang đặt ra cho các nhà khoa học như: (1) sự cạn kiệt về các nguồn cung cấp tạo ra năng lượng truyền thống, (2) sự phát thải ô nhiễm ra môi trường từ các phương tiện giao thông, và (3) chi phí sử dụng cho năng lượng gia tăng. Trong đó, tốc độ sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ dầu mỏ ngày càng lớn trong khi trữ lượng ngày càng khan hiếm. Các nguồn cung cấp dầu thô chỉ thu gọn trong các khu vực có tranh chấp hoặc các quốc gia có nền chính trị không ổn định.

Kết quả là chi phí cho sử dụng nhiên liệu gia tăng nhanh chóng. Ngoài ra, tại Việt Nam, các chất thải độc hại phát ra từ động cơ của các phương tiện tham gia lưu thông và các động cơ tĩnh tại có chiều hướng gia tăng trong khi các giải pháp bền vững nhằm giải quyết các vấn đề trên là chưa có hoặc chưa triệt để. Đây chính là thách thức lớn cho ngành năng lượng nói chung và cho các nhà khoa học nghiên cứu về động cơ đốt trong nói riêng; làm sao tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, sạch, và ổn định nhằm thay thế nguồn năng lượng truyền thống. Trong các dạng năng lượng mới có khả năng thay thế, năng lượng sinh học (hay tái tạo) như: biogas, biodiesel, bioethanol,.Trong đó, khí sinh học (biogas) là có nhiều khả năng ứng dụng thực tế làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong nhất vì nguồn nguyên liệu (thô) cung cấp là dồi dào và ổn định; nhất là ở Việt Nam.

Đề tài này nhằm nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sử dụng biogas tái tạo từ chất thải của trang trại heo. Biogas được sinh ra từ quá trình phân hủy yếm khí của chất thải các trại heo, sau đó được xử lý và được đưa vào sử dụng cho động cơ đốt trong. Nếu đề tài thành công thì sẽ góp phần vào việc tiết kiệm chi phí so với việc sử dụng năng lượng truyền thống như xăng; dầu, đồng thởi giải quyết việc ô nhiễm đất; nước; không khí xung quanh các khu vực chăn nuôi. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu về động cơ biogas lắp trên các phương tiện giao thông vận tải.

MỤC LỤC Chƣơng 1 : TỔNG QUAN………………………………………………….1 Giới thiệu chung…….2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng biogas hiện nay ………………….3 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu…………………………….4 Lý do thực hiện đề tài……………………………………….5 Mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu………………………….6 Nội dung nghiên cứu ………………………………….7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài……………………………….23 Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT……………………………………………….1 Lý thuyết về biogas…………………………………….1 Định nghĩa biogas……………………………………………25 2.2 Thành phần của biogas……………………………….3 Tính chất của biogas………………………….4 Biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong…………30 2.2 Lý thuyết về động cơ sử dụng biogas…………………………….2 Các bộ phận chính……………………………………….3 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ sang sử dụng biogas…….3 Lý thuyết hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu……………………………….1 Phương pháp hòa trộn trước…………………………….2 Phương pháp hoàn trộn sau…………………………….……50 Chƣơng 3 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN……………………….1 Các phƣơng án sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong…………………………………………………….2 Chọn công suất máy phát điện phù hợp với trang trại… ….3 Thông số đặc tính của động cơ thực hiện đề tài.4 Thông số kỹ thuật của máy phát điện…………………….5 Thực hiện chuyển đổi…………………………………………….6 Phƣơng án điều khiển hệ thống nhiên liệu ………………………….62 Chƣơng 4 : NGHIÊN ỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY BIOGAS……………………………………………….1 Chọn bộ trộn biogas…………………………………………….2 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều tốc điện tử.1 Bộ điều tốc cơ khí……………………………………………65 4.2 Bộ điều tốc điện tử………………………….3 Chọn phương pháp điều khiển………………………………68 4.4 Sơ đồ quá trình xử lý……………………………………….5 Thuật toán PID……………………………………………….6 Chọn cơ cấu chấp hành…………………………………….3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống lọc ……………………………….1 Những vấn đề trong quá trình hoạt động của động cơ biogas……………………………………………………….2 Sự cần thiết của hệ thống lọc…………………….3 Quá trình xử lý biogas……………………………………….4 Hệ thống lọc sau khi thiết kế………………………….5 Phương pháp cải tiến lưu trữ biogas…………………………92 Chƣơng 5 : THỬ NGHIỆM VÀ ĐƢA VÀO VẬN HÀNH HỆ THỐNG…….1 Thiết bị thử nghiệm.2 Sơ đồ, điều kiện và trình tự thử nghiệm…………………………….3 Kết quả thí nghiệm và bàn luận kết quả………………….1 Thí nghiệm 1: xác định sự thay đổi của các thông số làm việc và đặc tính khi tải thay đổi ………………………….1 Ảnh hưởng của sự thay đổi tải đến thông số làm việc và đặc tính của động cơ sử dụng biogas……………….2 Xác định đặc tính làm việc của máy phát điện …….3 Khả năng đáp ứng của bộ điều tốc điện tử……….2 Thí nghiệm 2: xác định ảnh hưởng của sự thay đổi thời điểm đánh lửa đến sự phát thải ô nhiễm và các thông số vận hành động cơ……………………………………………….1 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa tới nồng độ NOx trong khí xả theo từng chế độ tải………………….2 Ảnh hưởng của góc đánh lửa tới nồng độ HC.3 Ảnh hưởng của góc đánh lửa tới thông số vận hành động cơ……………….4 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa tới lưu lượng biogas………………………….116 Chƣơng 6 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ….2 Hướng phát triển của đề tài………………………………….118 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………….………119 PHỤ LỤC CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Nhiên liệu biogas được sử dụng rộng rải trên thế giới như Trung Quốc, Nhật Bản, Đức, Mỹ v.v… Năng lượng này được các nhà nghiên cứu lấy từ các chất thải của con người, động vật và rác thải; tạo ra trong môi trường hiếm khí sẽ cho ta lượng khí biogas. Trong hỗn hợp khí này, thành phần của CH4 chiếm khối lượng lớn khoảng 60% thể tích. Đây là nguồn năng lượng dùng làm chất đốt thay thế cho nhiên liệu truyền thống; phục vụ cho sinh hoạt của con người trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải v.v… rất hiệu quả giảm được chi phí và chủ động được nguồn nhiên liệu. Khí phát thải không ô nhiễm môi trường và là nguồn năng lượng tiềm năng trong tương lai.

Ở Việt Nam, đất đai rộng lớn, khí hậu ôn hoà, lượng lao động đông đảo và nhiều nông trang trại chăn nuôi. Biogas đang được các nước khác đầu tư khai thác và phát triển ở Việt Nam và đang trên đường thử nghiệm cho động cơ đốt trong. Hiện nay, động cơ cỡ nhỏ được sử dụng rất rộng rãi phục vụ đời sống xã hội của các nước trên thế giới. Đặc biệt là đời sống các vùng nông thôn, động cơ cỡ nhỏ với giá thành thấp, phù hợp với thu nhập của nông dân, phù hợp cho các nông trang trại vừa và nhỏ.

Chính do những yếu tố này nên động cơ ngày càng tiếp cận gần hơn với đời sống nông thôn và được chọn làm nguồn động lực chính phục vụ cho việc sản suất nông nghiệp. Tại Việt Nam, do đặc thù về nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu nên động cơ có công suất nhỏ được sử dụng rất rộng rãi tại các vùng nông thôn. Đây chính là nguồn động lực chính trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa nông thôn.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng biogas hiện nay 1.