Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành chăn nuôi tại Việt Nam giữ vai trò then chốt trong phát triển kinh tế nông nghiệp và nông thôn, nơi tập trung khoảng 73% dân số cả nước. Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về quy mô và sản lượng, ngành chăn nuôi phát sinh khối lượng chất thải rất lớn, ước tính mỗi năm thải ra hơn 80 triệu tấn chất thải rắn, hàng chục tỷ mét khối nước thải và hàng trăm triệu tấn khí thải. Phần lớn nguồn thải này chưa được thu gom và xử lý triệt để, dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và làm gia tăng nguy cơ lây lan dịch bệnh truyền nhiễm trong cộng đồng.
Tại tỉnh Quảng Nam, chăn nuôi gia súc và gia cầm phát triển mạnh với tổng đàn gia súc vượt 600.000 con và đàn gia cầm đạt gần 6 triệu con. Mặc dù công nghệ xử lý kỵ khí bằng hầm khí sinh học (biogas) đã được chứng minh mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý ô nhiễm và thu hồi năng lượng tái tạo, việc áp dụng tại các cơ sở chăn nuôi quy mô vừa và nhỏ vẫn gặp nhiều trở ngại. Chi phí đầu tư ban đầu còn cao so với thu nhập của hộ nông dân; nhiều công trình xây dựng sai quy chuẩn kỹ thuật, không đồng bộ hoặc vận hành quá tải dẫn đến hư hỏng và rò rỉ khí. Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt (chuyên ngành Nhiệt – Điện Lạnh) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đã tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hầm biogas kết hợp tận dụng khí sinh học cho động cơ đốt trong.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác lập cụ thể như sau:
- Tổng quan cơ sở lý thuyết về quá trình phân hủy kỵ khí chất thải chăn nuôi, các yếu tố ảnh hưởng và đặc tính hóa lý của phân, nước tiểu, nước thải lợn.
- Tính toán các kích thước hình học, kết cấu xây dựng và chế độ nhiệt cho hầm sinh khí biogas phục vụ trang trại nuôi 300 con lợn thịt.
- Tính chọn các thiết bị cơ khí phụ trợ bao gồm bơm nạp nguyên liệu và cánh khuấy trộn phá váng.
- Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, phân tích các chỉ tiêu tài chính và so sánh các mô hình công nghệ biogas hiện nay.
- Thiết lập quy trình công nghệ thu gom, hệ thống xử lý làm sạch khí sinh học ($CO_2$, $H_2S$) và quy chuẩn thi công, lắp đặt, vận hành an toàn.
- Đối tượng nghiên cứu: Quy trình phân hủy kỵ khí phân lợn, kết cấu kỹ thuật hầm sinh khí biogas nắp cố định và hệ thống thu hồi, tinh chế khí sinh học phục vụ vận hành máy nổ.
- Phạm vi nghiên cứu: Trang trại chăn nuôi lợn thịt công suất 300 con tại khu vực duyên hải và cao nguyên miền Trung, điều kiện khí hậu tính toán nhiệt độ môi trường bất lợi nhất là $10^\circ\text{C}$ và nhiệt độ phân giải tối ưu trong hầm duy trì ở $35^\circ\text{C}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài vận dụng các nguyên lý nhiệt động lực học, truyền nhiệt và vi sinh học môi trường để giải quyết bài toán tính toán kỹ thuật công trình năng lượng sinh học:
- Khung lý thuyết phân hủy kỵ khí: Quá trình sinh khí metan ($CH_4$) bởi hệ vi khuẩn kỵ khí chịu sự chi phối của tốc độ phản ứng hóa sinh theo phương trình Van't Hoff - Arrhenius:
$$\frac{d(\ln k)}{dT} = \frac{E}{RT^2}$$
Trong đó, $E$ là năng lượng hoạt hóa (chọn $E \approx 84.000\text{ J/mol}$), hằng số khí lý tưởng $R = 8.314\text{ J/kmol}\cdot\text{K}$. Quá trình lên men được phân thành ba vùng nhiệt độ: vùng ưa lạnh (Psychrophilic, $2 - 18^\circ\text{C}$), vùng ấm (Mesophilic, $18 - 45^\circ\text{C}$) và vùng ưa nhiệt (Thermophilic, $45 - 85^\circ\text{C}$). Nghiên cứu chọn chế độ lên men ấm ở $35^\circ\text{C}$ nhằm tối ưu hóa sản lượng khí và chất lượng bùn thải.
- Cơ sở cân bằng nhiệt và truyền nhiệt: Cân bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho công trình $Q = Q_1 + Q_2$, trong đó $Q_1$ là tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che (tường, nền, nắp) tính theo phương pháp truyền nhiệt nhiều lớp kết hợp đối lưu tự nhiên và bức xạ; $Q_2$ là nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt hỗn hợp phân - nước nạp vào hàng ngày.
- Phương pháp tính toán thủy lực và cơ học: Xác định áp suất dư của khí sinh học ($P_k$), áp lực đẩy thủy tĩnh giữa bể phân giải và ngăn điều áp theo nguyên lý bình thông nhau, tính toán công suất bơm đẩy chất lỏng và mô-men khuấy đảo phá váng bề mặt.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu định mức bài tiết chất thải chăn nuôi lợn, số liệu phân tích thành phần hóa học phân lợn theo các công trình của Trương Thanh Cảnh (1997, 1998), các hằng số nhiệt vật lý từ giáo trình và sổ tay thiết kế công trình nhiệt - thiết bị sinh học.
Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống
1. Tính toán thể tích và kích thước hình học hầm ủ
Hệ thống được thiết kế cho quy mô đàn 300 con lợn với định mức thải $3\text{ kg phân/con/ngày}$, tương đương tổng lượng phân tươi $900\text{ kg/ngày}$. Khối lượng riêng của phân chọn $1.083,43\text{ kg/m}^3$, lượng phân theo thể tích là $0,830\text{ m}^3\text{/ngày}$. Tỷ lệ pha loãng phân/nước là $1:1$, thời gian lưu nhật trình trong hầm chọn $T = 35\text{ ngày}$.
| Thông số thiết kế |
Giá trị tính toán |
Đơn vị |
| Khối lượng phân nạp hàng ngày ($X$) |
900 |
kg/ngày |
| Hiệu suất sinh khí của phân ($H$) |
30 |
lít/kg |
| Tổng sản lượng khí sinh ra hàng ngày ($V_s$) |
27 |
$\text{m}^3\text{/ngày}$ |
| Thể tích phân giải của hầm ($V_d$) |
63 |
$\text{m}^3$ |
| Thể tích tích trữ khí cần thiết ($V_g$) |
15,75 |
$\text{m}^3$ |
| Đường kính trong phần hầm hình trụ ($D_h$) |
4,31 |
m |
| Đường kính ngoài phần chứa khí ($D_n$) |
4,53 |
m |
| Chiều cao chóp nắp vòm bê tông ($H_c$) |
0,440 |
m |
| Thể tích phần chóp vòm ($V_c$) |
2,36 |
$\text{m}^3$ |
| Chiều cao hình trụ phần chứa khí ($H_n$) |
0,493 (chọn mở rộng 0,4) |
m |
| Trọng lượng vòm bê tông ($M$) |
1.100,74 |
N |
| Áp suất khí sinh ra trong nắp ($P$) |
68,33 ($\approx 6,96\text{ mmH}_2\text{O}$) |
$\text{N/m}^2$ |
| Áp suất tuyệt đối trong hầm |
1,000696 |
at |
Hầm được thiết kế dạng 3 khoang liên thông qua các cửa đáy và có ống dẫn cân bằng pha khí ở phần vòm chứa gas.
2. Tính toán cách nhiệt và cân bằng nhiệt
Để đảm bảo nhiệt độ phân hủy kỵ khí ổn định ở $35^\circ\text{C}$ khi nhiệt độ môi trường ngoài xuống mức thấp nhất $10^\circ\text{C}$, các bề mặt bao che được tính toán bổ sung lớp xốp cách nhiệt chuyên dụng ($\lambda_{cn} = 0,047\text{ W/m}\cdot\text{K}$):
- Cách nhiệt tường (diện tích $F = 32,94\text{ m}^2$): Kết cấu 7 lớp gồm vữa trát ($0,02\text{ m}$), gạch xây ($0,22\text{ m}$), vữa trát ($0,015\text{ m}$), màng bitum ($0,003\text{ m}$), xốp cách nhiệt, lưới thép mắt cá ($0,015\text{ m}$) và vữa trát ngoài ($0,02\text{ m}$). Chiều dày lớp xốp tính toán chọn $\delta_{cn} = 30\text{ mm}$. Hệ số truyền nhiệt tổng $k_{tt} = 0,72\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$, tổn thất nhiệt qua tường $Q_{1dl1} = 592,92\text{ W}$.
- Cách nhiệt nền (diện tích $F = 8,09\text{ m}^2$): Kết cấu 7 lớp gồm vữa trát, bê tông cốt thép ($0,15\text{ m}$), 2 lớp bitum chống thấm, xốp cách nhiệt, vữa trát và bê tông sỏi ($0,1\text{ m}$). Chiều dày xốp cách nhiệt chọn $\delta_{cn} = 50\text{ mm}$, tổn thất nhiệt qua nền $Q_{1dl2} = 118,52\text{ W}$.
- Cách nhiệt nắp (diện tích $F = 8,21\text{ m}^2$): Kết cấu gồm tôn bảo vệ $1\text{ mm}$, lớp xốp cách nhiệt và trần bê tông cốt thép $0,15\text{ m}$. Chiều dày xốp cách nhiệt chọn $\delta_{cn} = 40\text{ mm}$, tổn thất nhiệt qua nắp $Q_{1dl3} = 139,77\text{ W}$.
- Tổng cân bằng nhiệt:
- Tổng tổn thất qua kết cấu bao che (tính cả đối lưu và bức xạ): $Q_1 = 1,2 \times (592,92 + 118,52 + 139,77) = 1.021,44\text{ W}$.
- Nhiệt lượng gia nhiệt hỗn hợp nước nạp từ $23,5^\circ\text{C}$ lên $35^\circ\text{C}$ ($G = 537,6\text{ kg/ngày}$): $Q_2 = 0,319\text{ W}$.
- Tổng công suất nhiệt cần cung cấp cho hệ thống: $Q = Q_1 + Q_2 = 1.021,76\text{ W}$.
3. Lựa chọn thiết bị cơ khí phụ trợ
- Bơm nguyên liệu: Lưu lượng hỗn hợp phân nước nạp hàng ngày là $0,454\text{ m}^3\text{/ngày}$. Với vận tốc dòng chảy trong ống chọn $w = 1,5\text{ m/s}$, đường kính ống hút xả $d = 8,1\text{ mm}$, lưu lượng thực tế của bơm đạt $0,3708\text{ m}^3\text{/h}$. Thời gian bơm vận hành mỗi ngày là $1,22\text{ giờ}$ (quy chuẩn vận hành $1\text{ giờ } 30\text{ phút/ngày}$), công suất động cơ bơm chọn $150\text{ W}$.
- Cánh khuấy phá váng: Chọn loại cánh khuấy chân vịt không có khung chắn bảo vệ, đường kính cánh $d = 500\text{ mm}$, tốc độ quay định mức $n = 10,5\text{ vòng/giây}$, dải công suất vận hành $0,16 - 17,2\text{ kW}$. Cánh khuấy được đặt nghiêng một góc từ $30^\circ - 40^\circ$ so với phương thẳng đứng nhằm tối ưu hóa chuyển động xoáy cuộn của dòng chất lỏng, tăng cường truyền nhiệt và phá tan màng váng bã nổi.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Chương mở đầu
Chương mở đầu phân tích bức tranh tổng quan về thực trạng ô nhiễm môi trường nông thôn do chất thải chăn nuôi và tiềm năng ứng dụng công nghệ khí sinh học tại Việt Nam. Tác giả tổng hợp chi tiết thành phần hóa học và đặc tính lý sinh của chất thải lợn:
| Chỉ tiêu phân tích |
Phân heo (70 - 100 kg) |
Nước tiểu heo (70 - 100 kg) |
Nước thải chăn nuôi tổng hợp |
| Hàm lượng chất khô (TS) |
$213 - 324\text{ g/kg}$ |
$30,9 - 35,9\text{ g/kg}$ |
$1,5 - 5,0%$ (hàm lượng nước $95 - 98,5%$) |
| Đạm tổng số (N tổng) |
$7,99 - 9,32\text{ g/kg}$ |
$4,9 - 6,63\text{ g/kg}$ |
$220 - 460\text{ mg/l}$ |
| Amoni ($NH_4^+$) |
$0,66 - 0,76\text{ g/kg}$ |
$0,13 - 0,4\text{ g/kg}$ |
— |
| Độ pH |
$6,47 - 6,59$ |
$6,77 - 8,19$ |
— |
| Ure |
— |
$123 - 196\text{ g/kg}$ |
— |
| Tro vô cơ |
$32,5 - 93,3\text{ g/kg}$ |
$8,5 - 16,3\text{ g/kg}$ |
— |
| Nhu cầu oxy hóa học (COD) |
— |
— |
$5.000 - 12.000\text{ mg/l}$ |
| Nhu cầu oxy sinh học ($BOD_5$) |
— |
— |
$3.500 - 9.800\text{ mg/l}$ |
| Chất rắn lơ lửng (SS) |
— |
— |
$680 - 1.200\text{ mg/l}$ |
| Photpho tổng ($P$ tổng) |
— |
— |
$36 - 72\text{ mg/l}$ |
Bên cạnh đó, chương này làm rõ các yếu tố kỹ thuật quyết định hiệu suất phân giải kỵ khí: độ kín tuyệt đối của hầm, dải nhiệt độ tối ưu ($30 - 40^\circ\text{C}$), dải pH tối thích ($6,5 - 7,5$), tỷ lệ cơ chất $C/N \approx 30/1$, tỷ lệ pha loãng nước/phân ($1/1 - 3/1$), thời gian lưu ($30 - 60\text{ ngày}$) và sự ức chế của các ion kim loại nặng, độc tố amoniac.
Chương 2: Xác định kích thước và tính toán thiết kế
Nội dung chương 2 tập trung vào việc tính toán kích thước kỹ thuật hầm biogas 3 khoang nắp vòm cho trang trại 300 con lợn. Kết quả xác định thể tích phân giải $V_d = 63\text{ m}^3$, sản lượng khí $27\text{ m}^3\text{/ngày}$, đường kính hầm $D_h = 4,31\text{ m}$, đường kính nắp $D_n = 4,53\text{ m}$.
Chương này trình bày toàn bộ các bước tính toán truyền nhiệt chi tiết cho kết cấu tường, nền và nắp vòm bê tông nhằm duy trì nhiệt độ ổn định $35^\circ\text{C}$ tại các vùng lạnh mùa đông. Tổng công suất nhiệt thất thoát và gia nhiệt yêu cầu là $1.021,76\text{ W}$. Ngoài ra, chương 2 đã tính toán mực nước chênh lệch giữa hầm và bể thải đạt $\Delta H = 0,1045\text{ mH}_2\text{O}$ (thực tế bố trí chênh cao $0,5\text{ m}$ để tăng áp lực dẫn khí), chọn máy bơm nguyên liệu công suất $150\text{ W}$ và cánh khuấy chân vịt đường kính $500\text{ mm}$ nghiêng $30^\circ - 40^\circ$.
Chương 3: Những lợi ích – chi phí mô hình của Biogas
Chương 3 lượng hóa các giá trị đa mục tiêu của công nghệ khí sinh học:
- Tương đương năng lượng: $1\text{ m}^3$ biogas tương đương $0,4\text{ kg}$ dầu diesel, $0,6\text{ kg}$ dầu hỏa, $0,8\text{ kg}$ than củi, $0,8\text{ lít}$ xăng hoặc tạo ra $1,25\text{ kWh}$ điện năng (đủ thắp sáng bóng đèn 60W trong 6 giờ). Mô hình giúp hộ chăn nuôi 4 - 10 con lợn tiết kiệm 4 - 5 triệu đồng/năm chi phí chất đốt và điện.
- Phương pháp đánh giá tài chính: Đưa ra khung công thức tính toán hiện giá chi phí (PVC), hiện giá thu nhập thuần (NPV), tỷ số lợi ích - chi phí (BCR) và suất thu hồi nội bộ (IRR):
$$PVC = C_0 + \sum_{t=1}^n \frac{C_t}{(1+r)^t}; \quad BCR = \frac{PVB}{PVC}; \quad NPV = PVB - PVC$$
- Đặc điểm các loại hình biogas trên thị trường:
- Hầm xây gạch truyền thống: Chi phí 9 - 10 triệu đồng, dễ thi công nhưng phụ thuộc tay nghề thợ, không tự phá váng, độ bền cơ học trung bình.
- Bể composite: Chi phí 10 - 15 triệu đồng, độ bền hóa học cao, kín khí tốt, dễ di dời nhưng giá thành cao, cần máy đào cơ giới khi thi công.
- Hầm phủ màng chống thấm HDPE: Phù hợp trang trại quy mô lớn, chống thấm và kháng hóa chất tuyệt đối, tuổi thọ 10 - 30 năm, đòi hỏi kỹ thuật hàn nhiệt chuyên dụng.
- Túi ủ PE 3 lớp: Đường kính $1,6\text{ m}$, hai đầu gắn ống sành $110\text{ mm}$, độ bền 8 - 10 năm, chi phí thấp nhất, dễ vận chuyển và lắp đặt.
Chương 4: Tính toán thiết kế quy trình
Chương 4 hoàn thiện dây chuyền công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi:
- Sơ đồ công nghệ: Phân và nước thải $\to$ Hệ thống mương thu gom $\to$ Bể lắng cát/rác $\to$ Hầm ủ Biogas phân giải kỵ khí ($20 - 30\text{ ngày}$) $\to$ Bể lắng gạn sinh học $\to$ Nước tưới cây và bùn phân vi sinh.
- Quy trình làm sạch khí sinh học:
- Khử $CO_2$: Dẫn khí qua dung dịch vôi tôi $Ca(OH)_2$ để tạo kết tủa canxi cacbonat:
$$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$$
- Khử $H_2S$: Dùng phương pháp hấp phụ khô qua tháp chứa phoi sắt (phế phẩm cơ khí) hoặc quặng oxit sắt $Fe_2O_3$ trộn mùn cưa/vỏ bào nhằm bảo vệ động cơ đốt trong khỏi hiện tượng ăn mòn axit.
- Mô hình chuẩn KT31: Phân tích nguyên lý làm việc của hầm nắp cố định KT31 (nắp vòm composite tiền chế các cỡ $0,8\text{ m}^3$, $1,14\text{ m}^3$, $1,56\text{ m}^3$), cơ chế dao động mức dịch phân giải giữa ngăn chứa khí và ngăn điều áp theo chu kỳ sinh khí và xả khí.
- Quy chuẩn thi công xây dựng: Hướng dẫn định vị cốt $\pm0$, kỹ thuật đào hố móng, cấp phối vữa xây ($1\text{ xi măng} : 5\text{ cát}$) và vữa trát ($1\text{ xi măng} : 3\text{ cát}$) bằng xi măng PCB 30. Quy định độ nghiêng vách hố đào theo từng loại thổ nhưỡng:
| Loại đất |
Trường hợp không có nước ngầm (độ sâu đứng) |
Trường hợp có nước ngầm (độ sâu đứng) |
Độ nghiêng tối thiểu cho phép |
| Đất cát và đất sỏi |
$1,00\text{ m}$ |
$0,60\text{ m}$ |
$1 : 1$ |
| Đất thịt pha cát |
$1,25\text{ m}$ |
$0,75\text{ m}$ |
$1 : 0,78$ |
| Đất có sỏi và đá cuội |
— |
— |
$1 : 0,67$ |
| Đất thịt |
$1,25\text{ m}$ |
$0,75\text{ m}$ |
$1 : 0,05$ |
| Đất sét |
$1,50\text{ m}$ |
$0,95\text{ m}$ |
$1 : 0,33$ |
| Đất hoàng thổ khô |
$2,00\text{ m}$ |
$1,20\text{ m}$ |
$1 : 0,25$ |
Chương 5: Quy trình lắp đặt các thiết bị và chú ý khi vận hành
Chương 5 cung cấp sổ tay kỹ thuật phục vụ thi công, kiểm thử, bảo dưỡng và phòng ngừa rủi ro vận hành:
- Kiểm thử chất lượng công trình: Kiểm tra độ phẳng, vết nứt bằng quan sát; kiểm tra độ kín nước và kín khí bằng phương pháp đổ nước ngâm thử tải và bơm khí kiểm tra đồng hồ áp kế.
- An toàn phòng chống cháy nổ và ngạt thở: Cấm tuyệt đối đánh lửa, hút thuốc gần nắp hầm và cụm van xả; tuân thủ quy tắc thông gió tối thiểu 24 giờ trước khi chui vào lòng hầm bảo dưỡng để phòng ngừa ngạt khí $CO_2$, $CH_4$, $H_2S$.
- Vận hành thường xuyên: Lịch nạp nguyên liệu định kỳ hàng ngày, xả nước đọng tại các bẫy nước trên đường ống dẫn gas, theo dõi áp suất đồng hồ và sản lượng khí cấp cho máy nổ.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán định lượng: Thiết lập hoàn chỉnh bộ thông số kỹ thuật cho hệ thống xử lý chất thải trại lợn 300 con: thể tích hầm $63\text{ m}^3$, sản lượng khí sinh ra $27\text{ m}^3\text{/ngày}$, thể tích tích trữ khí $15,75\text{ m}^3$. Xác định chính xác chiều dày các lớp vật liệu cách nhiệt (xốp tường $30\text{ mm}$, xốp nền $50\text{ mm}$, xốp nắp $40\text{ mm}$) cùng tổng nhiệt lượng yêu cầu $1.021,76\text{ W}$, đảm bảo hệ thống vận hành liên tục tại vùng khí hậu có mùa đông lạnh.
- Giải pháp kỹ thuật đề xuất:
- Đề xuất mô hình hầm nắp vòm 3 khoang liên thông kết hợp cánh khuấy chân vịt góc nghiêng $30^\circ - 40^\circ$ và máy bơm nạp phụ trợ công suất $150\text{ W}$ giúp xử lý triệt để lớp váng bã, tăng tốc độ trao đổi nhiệt.
- Tích hợp hệ thống lọc rửa khí khô tách lọc $H_2S$ (bằng phoi sắt cơ khí/$Fe_2O_3$) và hấp thụ $CO_2$ (bằng $Ca(OH)_2$) giúp nâng cao nhiệt trị dòng khí và ngăn ngừa ăn mòn piston, xi lanh máy nổ.
- Đóng góp kỹ thuật: Cung cấp phương pháp luận tính toán nhiệt chuyên sâu cho công trình khí sinh học nông thôn dưới góc độ chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Điện Lạnh, chuyển đổi các thiết kế hầm biogas dân gian truyền thống sang quy chuẩn tính toán công trình nhiệt công nghiệp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Thuyết minh đồ án tập trung chủ yếu vào phần tính toán kết cấu hầm, truyền nhiệt cách nhiệt và hệ thống lọc khí sinh học; các tính toán kỹ thuật chuyển đổi hệ thống hòa khí, đánh lửa và biểu đồ công suất của động cơ đốt trong (máy nổ) khi chạy bằng nhiên liệu biogas chưa được trình bày chi tiết về mặt số liệu đo đạc thực nghiệm.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Khảo sát thực nghiệm các chỉ tiêu phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu của máy nổ khi thay đổi tỷ lệ phối trộn giữa khí biogas và không khí.
- Nghiên cứu ứng dụng nguồn nhiệt thải từ khí xả của động cơ đốt trong để gia nhiệt tuần hoàn ngược lại cho hầm biogas vào mùa đông.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư các ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng Tái tạo, Kỹ thuật Môi trường và Chăn nuôi Nông nghiệp. Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:
- Toàn bộ phương pháp và công thức tính toán truyền nhiệt, cân bằng nhiệt và lựa chọn chiều dày lớp cách nhiệt cho công trình biogas ngầm và bán ngầm.
- Bảng tổng hợp số liệu chi tiết về đặc tính hóa lý của phân, nước tiểu và nước thải chăn nuôi lợn.
- Quy chuẩn thiết kế kích thước hố móng, cấp phối vật liệu xây dựng và quy trình xử lý làm sạch khí biogas phục vụ động cơ đốt trong.
Câu hỏi thường gặp
1. Với quy mô 300 con lợn thịt, thể tích hầm biogas và lượng khí sinh ra hàng ngày là bao nhiêu?
Theo tính toán của đồ án, đàn lợn 300 con thải ra $900\text{ kg phân/ngày}$. Với hiệu suất sinh khí lựa chọn $30\text{ lít/kg/ngày}$ và thời gian lưu $35\text{ ngày}$ (tỷ lệ pha loãng $1:1$), thể tích phân giải của hầm cần xây dựng là $63\text{ m}^3$, tổng lượng khí sinh học thu được là $27\text{ m}^3\text{/ngày}$ và thể tích trữ khí yêu cầu là $15,75\text{ m}^3$.
2. Tại sao đồ án phải tính toán cách nhiệt tường, nền và nắp hầm biogas?
Quá trình lên men kỵ khí sinh khí metan đạt hiệu suất cao nhất trong vùng nhiệt độ $30 - 40^\circ\text{C}$ (chế độ ấm $35^\circ\text{C}$). Để hầm hoạt động ổn định trong mùa đông tại các tỉnh duyên hải và cao nguyên miền Trung khi nhiệt độ môi trường giảm xuống $10^\circ\text{C}$, hầm phải được bọc lớp xốp cách nhiệt (tường dày $30\text{ mm}$, nền $50\text{ mm}$, nắp $40\text{ mm}$) với tổng công suất nhiệt cung cấp bù tổn thất là $1.021,76\text{ W}$.
3. Khí sinh học được tinh chế bằng các phương pháp nào trước khi cấp cho máy nổ?
Khí biogas sinh ra từ hầm ủ được dẫn qua hệ thống lọc khí gồm hai công đoạn: hấp thụ $CO_2$ bằng dung dịch nước vôi tôi $Ca(OH)_2$ tạo kết tủa $CaCO_3$, và khử khí $H_2S$ (tác nhân gây ăn mòn kim loại) bằng phương pháp rửa khí khô qua lớp phoi sắt tiện cơ khí hoặc quặng oxit sắt $Fe_2O_3$ trộn vỏ bào.
4. Giá trị năng lượng quy đổi của $1\text{ m}^3$ khí biogas là bao nhiêu?
Theo số liệu trong đồ án, $1\text{ m}^3$ khí biogas có giá trị năng lượng tương đương với $0,4\text{ kg}$ dầu diesel, $0,6\text{ kg}$ dầu hỏa, $0,8\text{ kg}$ than, $0,8\text{ lít}$ xăng hoặc sản xuất được $1,25\text{ kWh}$ điện năng.
5. Cánh khuấy trong hầm biogas được thiết kế với thông số kỹ thuật như thế nào?
Cánh khuấy được chọn là loại chân vịt đường kính $d = 500\text{ mm}$, tốc độ quay $n = 10,5\text{ vòng/giây}$, dải công suất $0,16 - 17,2\text{ kW}$, được lắp đặt nghiêng một góc từ $30^\circ - 40^\circ$ so với phương thẳng đứng nhằm tối ưu khả năng phá váng bã và đảo trộn dòng nhiệt.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Đăng Thiên đã hoàn thành tính toán thiết kế chi tiết hệ thống hầm sinh khí biogas thể tích $63\text{ m}^3$ phục vụ trang trại chăn nuôi 300 con lợn. Công trình giải quyết đồng bộ bài toán kỹ thuật nhiệt thông qua tính toán kết cấu cách nhiệt duy trì nhiệt độ phân giải $35^\circ\text{C}$, lựa chọn thiết bị bơm khuấy và thiết kế hệ thống làm sạch khí $CO_2$, $H_2S$. Đây là tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết kỹ thuật nhiệt và yêu cầu bảo vệ môi trường trong phát triển nông nghiệp bền vững.
