Khóa luận Khảo sát hoạt đọng của máy phát điện công suât 2KVA sử dụng nhiên liệu biogas ủ từ phân heo

đặt trên 7.000 túi các loại). Loại hầm này hiện nay phát triển rộng rãi nhiều nơi do dạng hầm này lắp đặt nhanh giá lại rẽ thu hồi vốn trong vòng 1 năm. 2.1.6. Tiềm năng và ý nghĩa của biogas [1] a. Tiềm năng Theo thống kê sơ bộ của tổng cục thống kê Việt Nam, trong năm 2005 cả nƣớc có trên 119.586 trang trại chăn nuôi.  Miền bắc - Lƣợng khí biogas lấy đƣợc từ lợn ở miền bắc 13.241.900 con 2,44 kg phân/ngày/con =32.310.236 kg phân/ ngày 32.310.236 kg phân/ ngày 0,04 =1.453.960,62 m3 gas/ngày (1 kg phân lợn ủ trong 45 ngày sẽ phát sinh 0,045 m3 gas) - Lƣợng khí biogas lấy đƣợc từ bò và trâu ở miền bắc 3.411.000 con 14 kg phân/ngày/con =47.754.000 kg phân/ngày 47.754.000 kg phân/ngày 0.036 =1.719.144 m3 gas /ngày (1kg phân bò hoặc trâu ủ yếm khí trong 50 ngày sẽ phát sinh 0.036 m3) Tổng lƣợng khí biogas thu đƣợc từ lợn, bò và trâu ở miền bắc. 1.453.960,62 m 3 gas/ngày + 1.719.144 m3 gas/ngày =1.865.104,62 m3 gas/ngày.  Miền trung - Lƣợng khí biogas lấy đƣợc từ lợn ở miền trung 7.746.500 con 2,44 kg phân/ngày/con = 18.901.460 kg phân/ngày 18.901.460 kg phân/ngày 0.045 =850.565,7 m3 gas/ngày - Lƣợng khí biogas lấy đƣợc từ trâu và bò ở miền trung 3.697.000 con 14 kg phân/ngày/con =51.758.000 kg phân/ngày 51.758.000 kg phân/ngày 0.036 = 1.863.288 m3 gas/ngày Tổng lƣợng khí biogas thu đƣợc từ lợn, bò và trâu ở miền trung 850.565,7 m 3 gas/ngày + 1.863.288 m3 gas/ngày = 2.713.853,7 m3 gas/ngày 10  Miền nam - Lƣợng khí biogas lấy đƣợc từ lợn ở miền nam 6.446.600 con 2,44 kg phân/ngày/con = 15.729.704 kg phân/ngày 15.729.704 kg phân/ngày 0.045 = 707.836,68 m3 gas/ngày - Lƣợng khí biogas lấy từ phân bò và trâu ở miền nam 1.362.100 con 14 kg phân/ngày/con =19.69.400 kg phân/ngày 19.69.400 kg phân/ngày 0,036 = 686.498,4 m3 gas/ngày Tổng lƣợng khí biogas thu đƣợc từ lợn, bò và trâu ở miền nam 707.836,68 m 3 gas/ngày + 686.498,4 m3 gas/ngày = 1394335,08 m3 gas/ngày Tổng lƣợng khí biogas thu đƣợc từ lợn, bò và trâu ở miền nam Tổng lƣợng biogas thu đƣợc cả nƣớc là: = 1.865.104,62 + 2.713.853,7 + 1.394.335,08 = 5.973.293,4 m 3 gas/ngày Thực tế 1 m3 biogas ở áp suất 1atm, nhiệt độ 280C, có thể làm nguồn thắp sáng từ 60 – 100 W trong 6 giờ, nấu ăn đƣợc 3 bữa ăn cho 5 – 6 ngƣời và thay thế cho nhiên liệu tƣơng đƣơng với 1,15 lít xăng . Vì vậy, nếu tận dụng thu gồm tất cả chất thải các trại chăn nuôi lợn, bò và trâu trên cả nƣớc thì có thể cho ta lƣợng khí biogas trong ngày quy ra nhiên liệu xăng là: 5.973.293,4 m 3 gas/ngày 1,15 6.869.287,41 lít xăng/ngày. Từ đó cho thấy, tiềm năng biogas ở nƣớc ta rất lớn. b. Ý nghĩa thực tiễn Với việc sử dụng động cơ chạy bằng biogas có ý nghĩa rất to lớn trong đời sống thực tiễn ở vùng nông thôn trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Sử dụng rộng rãi động cơ chạy bằng biogas sẽ giảm đƣợc một lƣợng chi phí rất lớn trong việc mua nhiên liệu truyền thống. Nhiên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt dẫn đến một lúc nào đó sẽ không còn khai thác đƣợc nữa. Trong khi đó, nhiên liệu biogas thu đƣợc từ sự phân hủy phân động vật, thực vật, rác thải…thì vô tận. Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu biogas còn giảm đáng kể lƣợng khí thải thoát ra từ động cơ so với nhiên liệu truyền thống, đảm bảo cho môi trƣờng xanh sạch. 11 2.2. Tình hình nghiên cứu biogas trong và ngoài nƣớc 2.2.1. Tình hình trong nƣớc Các nhà khoa học ở Phân viện Kỹ thuật công binh (Bộ Quốc phòng) phối hợp với Trung tâm Nhiệt - Thủy - Khí - Động học trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội vừa thực hiện thành công công trình sử dụng khí sinh học chạy máy phát điện công suất nhỏ, phục vụ các hộ gia đình, trang trại chăn nuôi và làng nghề… So sánh nhiệt lƣợng hữu ích của 1 m3 khí sinh học tƣơng đƣơng với 0,96 lít dầu, bằng 4,7 kW điện, gần 4,4 kg củi gỗ và hơn 6 kg rơm rạ[8] GS.TSKH Bùi Văn Ga, giám đốc đại học Đà Nẵng, đƣợc TS Nhan Hồng Quang (Phân viện Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trƣờng miền Trung Tây Nguyên) triển khai tại xã Hoà Ninh, huyện Hoà Vang. Nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi thành công động cơ máy phát điện chạy bằng diesel sang chạy bằng khí biogas đã qua xử lý[11]. Anh Võ Thanh Phong năm 2005 cải tiến động cơ ôtô hết thời kỳ sử dụng để sản xuất ra máy phát điện chạy bằng khí mê tan. Đến giữa năm 2007 anh đã lắp đặt đƣợc trên 100 máy phát điện mini công suất từ 10 – 30 kW. Gia đình anh Đặng Đức Binh ở xã Xuân Quan, Văn Giang, Hƣng Yên mua một máy phát điện 3kW về thay bình xăng, chỉ cần dùng các túi nilông để chứa gas dẫn vào máy phát điện, máy khởi động và phát điện bình thƣờng nhƣ dùng xăng và đã phục vụ sinh hoạt từ bóng đèn, quạt, tivi đến máy bơm nƣớc, đun nấu, sƣởi ấm cho lợn và các tiện nghi khác đƣợc hoạt động hết công suất mà điện vẫn ổn định[14] 2.2.2. Tình hình ngoài nƣớc[5] Việc nghiên cứu và ứng dụng Biogas đã xuất hiện từ lâu. Phát triển mạnh nhất là ở các nƣớc Trung Quốc, Ấn Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch … Ở Trung Quốc, tổng sản lƣợng biogas của cả nƣớc là 2000 triệu m3/năm. biogas chủ yếu đƣợc sử dụng và mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy các động cơ phát điện. Cho đến năm 1979, Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng biogas. Ở Ấn Độ, chƣơng trình năng lƣợng và và nƣớc sạch nông thôn đã đƣợc triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trƣớc. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình 12 Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lƣợng củi đốt sang sử dụng biogas. Cho đến nay Ấn Độ đã có đến hơn 2.000.000 trạm biogas. Ở Đức, tốc độ xây dựng các công trình khí sinh học tăng từ 100 thiết bị/ năm trong những năm 1990 lên tới 200 thiết bị/năm vào năm 2000. Hầu hết các công trình có thể tích phân hủy từ 1000 tới 1500 m3, công suất khí 100 tới 500 m3. Có trên 30 công trình quy mô lớn với thể tích phân hủy từ 4000 tới 8000 m3. Khí sinh học sinh ra đƣợc sử dụng để cung cấp cho các tổ máy đồng phát nhiệt và điện có công suất điện là 20, 150, 200, và 500 kWe. Tới cuối năm 2002, đã có trên 1200 công trình khí sinh học, góp 1,7% sản lƣợng điện từ năng lƣợng tái tạo[6]. Ở Châu Âu, ngƣời ta đã chế tạo các loại động cơ chạy bằng biogas sản xuất chủ yếu từ các nhà máy xử lý chất thải, các loại động cơ hai kỳ (n=400-1250 vòng/phút), công suất 42 HP, các loại động cơ tốc độ cao, đa xylanh của hãng Cantebury có thể cho công suất lên đến 105 KWh ở Anh, Đức, một số sản phẩm đã đƣợc ứng dụng rộng rãi ra thực tế nhƣ tàu lửa chạy bằng biogas ở Thụy Điển, xe hơi Hybrid bán rất chạy ở Mỹ … Các giải pháp động cơ lƣỡng nhiên liệu (Biogas – Diesel) cũng đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng ở Đan Mạch, Đức, Thụy Điển … 2.3. Sơ lƣợt vài nét về động cơ máy 2 kVA [1]. Máy phát điện 2KVA đang khảo sát là một động cơ đốt trong, động cơ 4 kỳ có thể hoạt động tốt cả 2 loại nhiên liệu xăng hay biogas. Nguyên lý hoạt động của máy nhƣ sau 2.3.1. Khái niệm động cơ đốt trong bốn kỳ Là động cơ mà một chu kỳ hoàn thành trong 4 hành trình. Nói cách khác, piston phải chạy lên xuống 4 lần và trong 4 hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công. Trong mỗi chu kỳ của động cơ đốt trong xảy ra 4 quá trình liên tiếp nhau: Kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ, kỳ xả. Kỳ nạp: Piston đi từ ĐCT đến ĐCD; xupap hút mở cho phép hút môi chất vào trong xylanh. Kỳ nén: Cả hai xupap hút và xả đều đóng kín, piston đi từ ĐCD đến ĐCT. Môi chất bên trong xylanh bị nén; dẫn đến áp suất, nhiệt độ trong xylanh tăng nhanh. 13 Kỳ nổ: Cả hai xupap vẫn đóng kín. Khi piston ở gần ĐCT môi chất bên trong xylanh bị đốt cháy, sinh công và toả nhiệt, áp suất và nhiệt độ tăng vọt lên rất cao đẩy piston đi xuống sinh ra công làm quay trục khuỷu. Ở động cơ 4 kỳ thì kỳ nổ là kỳ sinh công duy nhất. Kỳ xả: Xupap xả mở, piston đi từ ĐCD đến ĐCT đẩy toàn bộ lƣợng khí đã cháy ra ngoài xylanh. Kết thúc một chu trình của động cơ. Sau đó piston tiếp tục đi xuống lặp lại kỳ hút. Cứ nhƣ vậy động cơ vận hành liên tục. Kỳ nạp Kỳ nén Kỳ nổ Kỳ xả Hình 2.1: Các kỳ của động cơ đốt trong 4 kỳ 2.3.2. Cấu tạo động cơ đốt trong 2.3.2.1. Bộ phận phát lực Có nhiệm vụ biến áp lực của khí thể cháy trong xylanh thành mômen quay của trục khuỷu động cơ để dẫn động máy công tác. Nhóm chi tiết phát lực bao gồm Nhóm piston: Chuyển động tịnh tiến trong xylanh, chịu tác dụng trực tiếp của lực khí thể trong xylanh và truyền lực tác động này lên thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà để mang ra ngoài. Nhóm piston bao gồm Piston: Là chi tiết chịu lực tác dụng trực tiếp áp lực khí thể trong buồng cháy va truyền lực tác dụng đó qua thanh truyền và trục khuỷu. Cùng với secmăng, xylanh và nắp máy, piston tạo thành buồng khí chứa môi chất công tác 14 Secmăng: Có nhiệm vụ bao kín buồng xylanh ngăn dầu bôi trơn vào buồng xylanh trong quá trình động cơ hoạt động và bơm dầu lên bôi trơn thành xylanh. Chốt piston: Là chi tiết nối piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền. Chốt piston thƣờng có cấu tạo hình trụ rỗng và đƣợc lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền Thanh truyền: Là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu. Nhóm trục khuỷu – bánh đà:  Trục khuỷu: Có nhiệm vụ nhận lực tác dụng từ thanh truyền, biến thành moment quay để kéo máy công tác.  Bánh đà: Có nhiệm vụ tích trữ công dƣ và phát triển năng lƣợng giúp cho trục khuỷu quay đều, tạo sự êm dịu cho động cơ. 2.3.2.2. Bộ phận đánh lửa Bộ chia điện: Nhiệm vụ của bộ chia điện là phân điện áp đến từng bugi theo đúng thứ tự xilanh vào đúng thời điểm, để có thể bật tia lửa đốt cháy hòa khí vào cuối kỳ nén. Bộ chia điện có thể đƣợc dẫn từ trục khuỷu hoặc trục cam. Đối với động cơ khảo sát đầu ra của bộ chia điện đƣợc nối với 4 bugi tƣơng ứng ở từng xilanh. Thứ tự các bugi tƣơng ứng với một vòng quay bộ chia điện là 1-3-4-2, tƣơng ứng với thứ tự nổ của động cơ. Bôbin: Là một biến thế, gồm hai cuộn dây; với số vòng khác nhau cùng quấn trên cùng một lõi sắt từ. Số vòng dây của cuộn thứ cấp nhiều hơn gấp nhiều lần số vòng của cuộn sơ cấp. Khi xuất hiện điện áp biến thiên từ cuộn sơ cấp, sinh ra từ trƣờng biến thiên trong lõi sắt từ, từ trƣờng biến thiên này xuyên qua cuộn thứ cấp và sinh ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Nhiệm vụ của Bôbin là tạo ra điện áp rất cao, khoảng 45-50 kV. Ở mức điện áp này có thể tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở nhỏ khoảng 2 15 mm, kèm theo nhiệt và tiếng nổ. Điện áp cao sinh ra từ bôbin đƣợc dẫn đến bộ chia điện thông qua các dây dẫn đƣợc cách ly cao áp. Bugi: Nhiệm vụ là tạo ra tia lửa điện nhờ khoảng hở giữa hai cực của bugi. Khi xuất hiện tia lửa, sinh ra nhiệt độ cao và làm bốc cháy hòa khí ngay giữa khoảng hở này Sau khi cháy, màng lửa tiếp tục lan rộng ra khắp buồng cháy. Nhƣ vậy hòa khí đã đƣợc đốt cháy. 2.3.2.3. Bộ phận phân phối khí Có cấu tạo gồm nhiều bộ phận nhƣng quan trọng nhất là các phần sau Xupap: Có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và cửa xả. Cấu tạo xupap gồm 3 phân chính: tán xupap, thân xupap và đuôi xupap. Đũa đẩy: Dùng trong hệ thống phân phối khí có xupap treo. Đũa đẩy có nhiệm vụ truyền lực từ con đội đến đòn bẩy. Con đội: Gồm có phần thân để dẫn hƣớng và phần mặt tiếp xúc với cam phân phối khí. Thân con đội có dạng hình trụ còn phần tiếp xúc có nhiều dạng khác nhau. Con đội có nhiệm vụ nhận lực trực tiếp từ cam truyền đến đũa đẩy hay đuôi xupap để đóng mở xupap. Đòn bẩy: Là chi tiết truyền lực trung gian một đầu tiếp xúc với đũa đẩy, một đầu tiếp xúc với đuôi xupap. Khi trục cam nâng con đội lên, đũa đẩy đẩy vào một đầu của đòn bẩy đi lên, đầu kia đòn bẩy nén lò xo xupap xuống và mở xupap. Trục cam: Có nhiệm vụ dẫn động xupap đóng mở theo một trình tự nhất định. 2.3.2.4. Bộ phận nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu của động cơ đang khảo sát sử dụng phƣơng pháp hoà trộn trƣớc bao gồm các chi tiết: Bình chứa, các ống dẫn, lọc, bơm nhiên liệu, bộ chế hòa khí… Tuy nhiên ở hệ thống nhiên liệu quan trọng nhất là bộ chế hoà khí. Bộ chế hòa khí có nhiệm vụ tạo ra hỗn hợp đồng nhất giữa nhiên liệu và không khí theo một tỉ lệ thích hợp nhằm giúp cho hỗn hợp này đƣợc cháy hoàn toàn.Thông thƣờng tỉ lệ hỗn hợp đƣợc tính bằng tỉ lệ khối lƣợng giữa nhiên liệu và không khí. Đối với động cơ xăng tỉ lệ này là 1:14,7 nhƣng đối với động cơ chạy bằng biogas thì tỉ lệ này là 1:12,5 [4 ]. 16 Các bộ phận chính của bộ chế hoà khí  Bơm giữ mực: Nhiệm vụ của bình giữ mực là tích trữ một lƣợng xăng trong nó nhằm đảm bảo cho bộ chế hoà khí làm việc ổn định. Trong bình giữ mực có hệ thống phao, kết cấu của hệ thống phao cho phép đảm bảo nhiệm vụ của bình giữ mực. Khi mực xăng hạ thấp xuống, phao hạ xuống, đồng thời mở van kim cho phép xăng chảy vào trong bình giữ mực; khi mực xăng trong bình dâng cao, phao đƣợc nâng lên, van kim đóng lại ngăn không cho xăng tiếp tục chảy vào.  Mạch tốc độ thấp sơ cấp: Nhằm cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ ít tải  Mạch tốc độ cao sơ cấp: Có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ tải vừa và nặng.  Mạch tốc độ thấp thứ cấp: Giúp cho động cơ không bị giật trong quá trình tăng tốc.  Mạch tốc độ cao thứ cấp: Cung cấp thêm nhiên liệu cần thiết cho động cơ khi chuyển từ chế độ làm việc vừa sang tải nặng. Hình 2.2. Sơ đồ bộ chế hòa khí 17 2.3.3. Cấu tạo động cơ đã đƣợc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas Về cơ bản động cơ sử dụng nhiên liệu biogas cũng là một động cơ đốt trong nhƣng đã đƣợc chuyển đổi và thêm vào một số bộ phận cho phù hợp với đặc tính của biogas. Cụ thể nhƣ sau.  Hệ thống nhiên liệu: giữ nguyên bộ chế hoà khí, lắp thêm bộ trộn để sử dụng gas. Bộ trộn đƣợc lắp vào phía trƣớc của bộ chế hoà khí và sử dụng phƣơng pháp hòa trộn trƣớc. Nhiên liệu và không khí đƣợc hòa trộn hình thành hòa khí trƣớc khi hút vào động cơ. Bộ trộn có nhiệm vụ hòa trộn không khí và biogas thành một hỗn hợp có tỉ lệ thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Nhƣ vậy động cơ vừa có thể chạy bằng nhiên liệu xăng cũng nhƣ biogas. Ngoài ra còn có thêm hệ thống điều khiển tự động chuyển mạch nhiên liệu từ xăng (khi khởi động) sang biogas (khi động cơ đã đạt nhiệt độ).  Hệ thống đánh lửa: giữ nguyên kết cấu, có trích đƣờng tín hiệu xung NE đƣa vào mạch điều tốc điện tử.  Hệ thống làm mát: lắp thêm két nƣớc  Bộ điều tốc điện tử: Có tác dụng điều chỉnh tốc độ làm việc của động cơ. Bộ điều tốc điện tử dùng động cơ bƣớc trực tiếp điều khiển bƣớm ga, hoạt động liên tục cùng với động cơ; vi mạch đƣợc chọn là AT89C2051. 18 2.3.4. Một số động cơ sử dụng biogas thƣờng gặp [1] Về cơ bản động cơ sử dụng biogas là một loại động cơ đốt trong. Động cơ sử dụng gas rất phổ biến trên thế giới. Chúng tôi xin trình bày một số loại động cơ sử dụng biogas thƣờng gặp. a. Động cơ sử dụng gas theo phƣơng pháp hòa trộn nƣớc, không có buồng cháy phụ Kết cấu động cơ gas sử dụng rất giống với động cơ xăng dùng chế hòa khí. Nhiên liệu đƣợc hòa trộn bằng bộ trộn, đạt tỉ lệ hòa khí thích hợp trƣớc khi đƣợc hút vào trong xilanh. Hỗn hợp khí và gas đƣợc đốt cháy nhờ tia lửa điện từ bugi. b. Động cơ diesel gas Đối với động cơ diesel-gas, tỷ số nén của động cơ này khá cao, bằng với tỷ số nén của động cơ diesel. Lƣợng hỗn hợp gas và không khí khi vào xilanh đƣợc hình thành trƣớc sau khi qua bộ trộn, hỗn hợp này rất nghèo. Do dó không thể tự cháy kích nổ ở tỷ số nén cao. Sau đó một lƣợng diesel đƣợc phun vào trong xilanh và tự bốc cháy. Lƣợng nhiên liệu này bốc cháy, mồi cho quá trình cháy của gas. Động cơ sử dụng phƣơng pháp này chỉ dùng đƣợc với khí gas có thành phần khí metan cao. Riêng đối với biogas thì không thể sử dụng đƣợc vì lƣợng CO2 có trong biogas cao vƣợt mức cho phép. Hình 2.3. Động cơ gas sử dụng phƣơng pháp hòa trộn trƣớc 19 Hình 2.4. Động cơ diesel – gas Hình 2.5. Động cơ gas sử dụng phƣơng pháp hòa trộn trƣớc có buồng cháy phụ c. Động cơ gas sử dụng theo phƣơng pháp hòa trộn trƣớc, có buồng cháy phụ Động cơ gas loại này có sử dụng phƣơng pháp hòa trộn trƣớc là bộ trộn. Tuy nhiên, để điều khiển đƣợc quá trình cháy tốt hơn, ngƣời ta hình thành hỗn hợp nghèo trƣớc khi đƣa vào buồng cháy. Sau đó, một lƣợng nhiên liệu (xăng) đƣợc phun vào buồng cháy phụ, làm mồi cho quá trình cháy chính của hỗn hợp gas. 20 Hình 2.6. Động cơ gas sử dụng phƣơng pháp phun trên dƣờng ống nạp d. Động cơ sử dụng gas theo phƣơng pháp hòa trộn sau Đối với những động cơ sử dụng theo phƣơng pháp hòa trộn sau, gas đƣơc phun với áp suất cao vào buồng cháy hoặc phun trên đƣờng ống nạp. Khi phun với áp suất cao, gas ở áp suất cao chƣa kịp hóa hơi, giãn nở. Do đó nhất thiết phải có hệ thống nhiên liệu thứ 2 làm nhiệm vụ mồi cho quá trình cháy chính của gas. Hệ thống nhiên liệu này, có thể là xăng hoặc diesel, tạo ra một nhiêt độ ban đầu khá lớn, giúp khí gas hóa hơi, giãn nở và dễ dàng bắt lửa khi cháy. e. Động cơ gas phun trực tiếp trên đƣờng ống nạp 21 f. Động cơ gas diesel Đối với động cơ này, trƣớc tiên gas đƣợc nén với áp suất cao (khoảng 350 bar) và đƣợc phun vào cuối kỳ nén của động cơ. Sau đó, một lƣợng nhỏ diesel, đƣợc phun vào trong xilanh cùng với gas. Nhƣ vậy, với cách phun nhƣ trên, lƣợng gas đƣợc đốt cháy hoàn toàn, mang lại hiệu suất nhiệt rất cao, tăng năng suất động cơ. Nhìn chung, động cơ sử dụng gas rất đa dạng và rất phổ biến trên thế giới. Các loại động cơ kể trên đƣợc thiết kế và chế tạo tối ƣu, chỉ sử dụng một loại nhiên liệu là khí gas. Ở Việt Nam, các động cơ kể trên còn rất mới lạ và ít phổ biến. Do đó, việc lựa chọn một động cơ nhƣ trên để phục vụ cho việc phát triển tiềm năng biogas ở Việt Nam là không khả thi. Tuy nhiên, qua khảo sát hoạt động của các loại động cơ nói trên, chúng tôi nhận thấy việc nghiên cứu chuyển đổi dựa trên nguyên tắc hoạt động của loại động cơ sử dụng gas theo phƣơng pháp hòa trộn trƣớc, không có buồng cháy phụ là khả thi nhất và có thể thực hiện đƣợc tại Việt Nam. Loại động cơ này có cấu tạo nhƣ một động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí rất ít phổ biến. Hình 2.7. Động cơ gas – diesel 22 2.3.5. Khí thải của động cơ đốt trong Khí thải của động cơ đƣợc thải từ xylanh đi ra môi trƣờng, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn CO2, H2O, N2, còn chứa các sản vật chƣa đƣợc cháy hoàn toàn, các sản vật đƣợc phân giải từ sản vật cháy hoặc từ nhiên liệu. Bảng 2.2. Hàm lƣợng các chất trong khí thải 2.3.5.1. Oxit cacbon (COx) Có trong khí thải do thiếu oxy nên C không đƣợc cháy hoàn toàn. Đối với động cơ xăng hoạt động với hoà khí đậm lƣợng CO có thể lên đến 10-12% thể tích sản vật cháy. Ở động cơ diesel CO có thể lên đến 0,5%. Oxit cacbon ở nhiệt độ cao có thể kết hợp với oxy tạo thành CO2. Chất này cùng với CFC là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ trái đất tăng nhanh, ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng sống của con ngƣời. Chính vì thế hàm lƣợng oxit cacbon trong khí xả của các loại động cơ luôn là một trong những vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu. 2.3.5.2. NOx , H2S và SO2 NOx gồm có NO và NO2 tồn tại ít chỉ khoảng vài mg/lít. H2S và SO2 có trong khí thải động cơ dùng nhiên liệu có lƣu huỳnh. Lƣợng H2S thƣờng rất nhỏ không đáng kể nhƣng lƣợng SO2 có thể lên đến 250 mg/m 3 . NOx cùng với H2S, SO2 khi Các chất trong khí thải động cơ Động cơ xăng Động cơ diesel N2 O2 H2O (hơi nƣớc) % thể tích CO2 CO 74-77 76-78 0,3-8,8 2-18 3,0-5,5 0,5-4 5,0-12 1-10 5,0-10 0,01-0,5 NOx HC mg/l OH 0-0,8 0,0002-0,5 0,2-3 0,009-0,5 0-0,2 0,001-0,009 Benzơpiren-3,4 kg/m3 10-20 0-10 Muội than g/m3 0-0,4 0,01-1,1 23 đƣợc thải vào không khí có thể bị biến đổi thành NO3 - , SO4 2- kết hợp với nƣớc ngƣng tụ trong mây và rơi xuống thành mƣa acid ảnh hƣởng lớn đến đời sống của động vật cũng nhƣ thực vật trên cạn. Nó làm mất cân bằng quá trình biến dƣỡng của cơ thể sinh vật, gây ra một số bệnh cho cây trồng… 2.3.5.3. Các chất hydrocacbua Chứa trong sản vật cháy dƣới dạng các chất CnHm. Sự độc hại của nó không kém gì CO, một trong các chất trên là benzơpiren-3,4 rất dễ gây bệnh ung thƣ. 2.3.5.4. Các hợp chất của chì Tồn tại trong khí xả của động cơ sử dụng xăng pha chì. Tác hại của các hợp chất với chì cũng rất độc hại. Chì có cấu trúc tƣơng tự nhƣ canxi nên nó có thể đƣợc hấp thụ vào tế bào thần kinh làm hỏng chức năng tổng quát của tế bào. Những nghiên cứu gần đây cho thấy chì acetate có khả năng gây bệnh ung thƣ. 24 Chƣơng 3 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài Đề tài đƣợc thực hiện từ tháng 3 đến tháng 8 tại trại heo gia đình anh Huỳnh Công Bằng số 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh và tại trại bò trƣờng Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. 3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng Biogas đƣợc ủ từ phân heo. Xăng A92. Máy phát điện công suất 10 kVA. Đồng hồ đo ampe, đo volt. Máy đo khí xả. Túi nhựa dẻo để trữ gas chiều dài 4,5 m, đƣờng kính 0,75 m. Ống nhựa PVC có đƣờng kính 21 mm. Bóng đèn loại 500 W, 300 W, 100 W. Các dụng cụ khác nhƣ: Táp lô lớn, phích cắm điện, công tắc điện, kéo, kềm, băng keo đen, dây điện… 3.3. Phƣơng pháp thí nghiệm Thí nghiệm nhằm mục đích đo khả năng tải và mức độ gây ô nhiễm từ khí thải của máy phát điện 2 kVA. Bố trí thí nghiệm nhƣ sau: a. Giai đoạn 1: khảo sát đƣợc tiến hành chạy máy phát điện tại Hốc Môn bằng nhiên liệu biogas ở chế độ không tải.  Chuẩn bị: lấy gas nhiên liệu cho chạy máy bằng cách cột kín hai đầu của túi nylon, một đầu cố định và một đầu mang ống nhựa để dẫn khí vào máy phát điện. 25  Tiến hành: Nối ống dẫn gas này vào lổ thoát gas của hầm biogas để trữ gas vào túi. Kiểm tra túi, ống dẫn, van khóa…không để gas xì. Tính toán lƣợng gas trong túi trữ theo kích thƣớc của túi bằng công thức sau: Lƣợng gas (m3) = chiều dài túi x 3,14 (đƣờng kính túi/2)2  Bƣớc 1: Khảo sát nồng độ các loại khí thải, hiệu điện thế ở hai đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất nhỏ. Thí nghiệm đƣợc ghi nhận 10 lần lặp lại ở 10 thời điểm khác nhau với khoảng cách 7 ngày trong thời gian khảo sát.  Tiến hành:  Dùng ống dẫn gas từ túi trữ vào động cơ, khởi động máy điều chỉnh bƣớm gas để máy hoạt động với công suất nhỏ có chế độ không tải từ máy phát điện ra ngoài các thiết bị điện.  Dùng đồng hồ đo và ghi nhận hiệu điện thế giữa hai đầu ra của máy.  Cho đầu dò của máy đo khí xả vào ống bô của máy để đo nồng độ các loại khí xả. Thời gian một lần đo là 30 giây. Ghi nhận kết quả đo đƣợc, thời gian máy chạy hết lƣợng gas trong túi.  Bƣớc 2: Khảo sát nồng độ khí thải, hiệu điện thế của 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất vừa Cũng tiến hành thực hiện các giai đoạn nhƣ ở bƣớc 1 nhƣng thay vào đó máy phát điện đƣợc điều chỉnh ở chế độ không tải với công suất vừa.  Bƣớc 3: Khảo sát nồng độ khí thải, hiệu điện thế của 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất tối đa Cũng tiến hành thực hiện các giai đoạn nhƣ ở bƣớc 1 nhƣng thay vào đó máy phát điện đƣợc điều chỉnh ở chế độ không tải với công suất tối đa. b. Giai đoạn 2: khảo sát đƣợc tiến hành chạy máy phát điện tại Hốc Môn dùng nhiên liệu biogas ở chế độ có tải.  Chuẩn bị: Dùng ống dẫn gas nối vào động cơ của máy phát điện. Nối dây tải điện vào các thiết bị gồm: 2 bóng đèn tròn công suất 500 W, 2 bóng 300 W, 4 bóng 100 W. Khởi động máy, lần lƣợt điều chỉnh bƣớm gas để máy hoạt động ở các chế độ công suất nhỏ, vừa và cao. 26  Công suất nhỏ: tƣơng ứng tải 100 W (mở bóng đèn 100 W).  Công suất vừa: tƣơng ứng mức tải 1kW (lần lƣợt mở 1 bóng đèn 500 W, 300 W, 100 W, 100 W).  Công suất lớn: tƣơng ứng mức tải 1,6 kW (lần lƣợt mở 2 bóng 500 W, 1 bóng 300 W, 3 bóng 100 W).  Bƣớc 1: khảo sát nồng độ khí thải, hiệu điện thế của 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ có tải có công suất nhỏ  Tiến hành thí nghiệm: Thí nghiệm đƣợc ghi nhận 10 lần lặp lại ở 10 thời điểm khác nhau với khoảng cách 7 ngày trong thời gian khảo sát.  Dùng ống dẫn gas từ túi trữ vào động cơ, khởi động máy điều chỉnh bƣớm gas để máy hoạt động với công suất nhỏ có chế độ có tải từ máy phát điện ra ngoài các thiết bị điện.  Dùng đồng hồ đo và ghi nhận hiệu điện thế giữa hai đầu ra của máy.  Cho đầu dò của máy đo khí xả vào ống bô của máy để đo nồng độ các loại khí xả. Thời gian một lần đo là 30 giây. Ghi nhận kết quả đo đƣợc, thời gian máy chạy hết lƣợng gas trong túi.  Bƣớc 2: khảo sát nồng độ khí thải, hiệu điện thế của 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ có tải có công suất vừa. Cũng tiến hành thực hiện các giai đoạn nhƣ ở bƣớc 1 nhƣng nhƣng thay vào đó máy phát điện đƣợc điều chỉnh ở chế độ có tải với công suất vừa.  Bƣớc 3: khảo sát nồng độ khí thải, hiệu điện thế của 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ có tải có công suất tối đa. Cũng tiến hành thực hiện các giai đoạn nhƣ ở bƣớc 1 nhƣng thay vào đó máy phát điện đƣợc điều chỉnh ở chế độ có tải với công suất tối đa. c. Giai đoạn 3: khảo sát đƣợc tiến hành chạy máy phát điện tại trƣờng Đai Học Nông Lâm bằng nhiên liệu xăng A92 ở chế độ không tải. Các bƣớc chuẩn bị, tiến hành, khảo sát tƣơng tự nhƣ giai đoạn 1 và 2 nhƣng thay nhiên liệu để máy sử dụng là xăng. d. Giai đoạn 4: khảo sát đƣợc tiến hành chạy máy phát điện tại trƣờng Đai Học Nông Lâm bằng nhiên liệu xăng A92 ở chế độ có tải. 27 Các bƣớc chuẩn bị, tiến hành, khảo sát tƣơng tự nhƣ giai đoạn 1 và 2 nhƣng thay nhiên liệu để máy sử dụng là xăng. 28 Chƣơng 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN Qua thời gian tiến hành chạy máy bằng nhiên liệu xăng hoặc biogas cùng với việc đo đạc, xử lý số liệu chúng tôi thu đƣợc những kết quả sau. 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải Kết quả khảo sát đƣợc trình bày theo giá trị trung bình ở bảng 4.1. Bảng 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải Tốc độ Loại nhiên liệu Thấp (n=10) Trung bình (n=10) Cao (n=10) Nhiên liệu tiêu thụ Xăng (lít/giờ) 0,6 0,7 0,75 Gas (m 3/giờ) 1,0 1,2 1,5 Volt Xăng 4,071 0,04 201,3 0,92 318,3 1,04 Gas 6,165 0,07 111,5 1,61 304,3 1,66 CO (% thể tích) Xăng 0,626 0,017 4,545 0,0098 5,262 0,008 Gas 0,303 0,007 2,266 0,017 1,169 1,144 HC (ppm) Xăng 153,9 2,21 963,8 3,24 393,7 5,94 Gas 585,1 9,95 397,7 4,37 157,2 6,56 CO2 (% thể tích) Xăng 4,1 0,08 5,55 0,047 8,61 0,282 Gas 6,06 0,06 6,46 0,048 8,75 0,0778 O2 (% thể tích) Xăng 11,015 0,032 11,443 0,034 8,768 0,510 Gas 14,008 0,078 11,361 0,112 8,578 0,0717 Xăng 2 0 1,86 0,009 1,354 0,0091 Gas 2 0 1,742 0,05 1,167 0,0318 NOx (ppm) Xăng 0 0 27,28 0,128 19,9 0,133 Gas 0 0 28,9 0,143 26,76 0,143 29 Hàm lƣợng khí thải cho phép theo tiêu chuẩn Euro 1 và 2 của chỉ tiêu HC, NOx và CO đƣợc trình bày ở bảng 4.2. Bảng 4.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng [13] Kết quả bảng 4.1 cho thấy khi chạy máy ở tốc độ càng cao thì lƣợng nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều, biogas tiêu tốn càng lớn. Vì khi đó bƣớm gas đƣợc mở rộng làm hòa khí giữa nhiên liệu và không khí nhiều hơn, tốc độ đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn nhằm sinh công nhiều hơn để tăng tần số vòng quay của máy. Kết quả mức tiêu thụ nhiên liệu tăng theo bƣớm gas mở rộng đƣợc cho thấy ở cả hai loại nhiên liệu chạy bằng xăng hoặc biogas. Ở mức bƣớm gas có công suất thấp đã cho thấy lƣợng nhiên liệu tiêu thụ bằng xăng là 1,0 lít xăng/giờ trong lúc đó ở biogas chỉ là 0,6 m3/giờ. Do đó 1 lít xăng tiêu thụ tƣơng đƣơng với 0,6 m3 gas. Trong lúc theo ghi nhận trƣớc đó 1,15 lít xăng tƣơng đƣơng với 1 m3. Nhƣ vậy so với xăng lƣợng gas sinh học có mức tiêu thụ nhiên liệu ở công suất thấp của chế độ không tải là thấp hơn nhiều so với các ghi nhận trƣớc đây. Tỉ lệ này càng thấp hơn ở mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình là 0,58 m3 tƣơng đƣơng với 1 lít xăng và thấp hơn nhiều ở mức tiêu thụ nhiêu liệu cao là 0,5 m3 tƣơng đƣơng với 1 lít xăng. Sự sai khác này là hoàn toàn hợp lý vì khi máy chạy với tốc độ càng cao lƣợng khí lƣợng khí tràn vào piston nhanh hơn lƣợng khí thải thoát ra. Nên có hiện tƣợng tái sử dụng lại các sản phẩm cháy chƣa hoàn toàn hiện diện bên trong xi lanh của máy. Tiêu chuẩn HC (%V) NOx (%V) CO (%V) Euro 1 1,13 0,14 3,16 Euro 2 0,5 0,19 2,2 30 Kết quả khảo sát so sánh ảnh hƣởng của nhiên liệu xăng hoặc biogas lên nồng độ khí thải đƣợc trình bày ở bảng 4.1 và hình 4.1 Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx khi vận hành ở chế độ không tải 0 200 400 600 800 1000 1200 HC NOx HC NOx khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải N ồn g độ (p pm ) thấp trung bình cao Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lƣợng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải 31 Hình 4.2. Biểu đồ lƣợng khí CO, CO2, O2 và thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải Đối với hàm lƣợng CO: hàm lƣợng CO trong khí thải tăng dần khi tăng tốc độ vận hành máy ở mức tải thấp, trung bình, cao lần lƣợt là 0,626; 4,545; 5,262 đối với nhiên liệu sử dụng xăng và 0,303; 2,266; 1,169 đối với nhiên liệu sử dụng biogas. Điều này có thể giải thích là khi ở tốc độ cao lƣợng nhiên liệu đi vào piston nhiều nên một phần đã không đƣợc đốt cháy hoàn toàn. Hơn nữa lƣợng nhiên liệu đốt cháy không hoàn toàn đã sinh ra lƣợng HC cao trong khí xả khi máy chạy bằng nhiên liệu xăng so với nhiên liệu biogas. Mức khí xả có hàm lƣợng HC cao dần khi tăng tốc độ vận hành của máy đƣợc sử dụng nhiên liệu là xăng, Điều này có lẽ do trong thành phần của xăng có một lƣợng hydrocacbon làm nhiệm vụ chống kích nổ. Những chất này không bị đốt cháy nhiều khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải làm nồng độ HC của máy chạy bằng nhiên liệu xăng có giá trị cao hơn so với nhiên liệu biogas. Quan sát này rõ nhất trong hai trƣờng hợp máy chạy ở tốc độ trung bình và cao. Riêng ở tốc độ thấp dƣ lƣợng HC ở máy chạy nhiên liệu biogas cao gấp 4 lần so với nhiên liệu xăng. Điều này có thể do hàm lƣợng HC trong máy chạy nhiên liệu biogas chƣa bị đốt hết vì thế làm một phần HC thất thoát ra ngoài. Tỉ lệ trộn giữa biogas và không khí đậm, tuy nhiên nồng độ 32 biogas vẫn tăng khi tăng tốc độ chạy máy vì nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn khi chạy ở tốc độ cao để tăng số vòng quay của máy và làm dƣ lƣợng O2 giảm xuống. Hàm lƣợng NOx giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy nhƣng không đáng kể. Dƣ lƣợng NOx khi chạy bằng biogas cao hơn lần lƣợt là 0; 28,9; 26,76 so với khi chạy bằng xăng là 0; 27,28; 19,9 ở cùng một tốc độ nhƣng trong biogas vẫn còn tồn tại một lƣợng NH3 và N2 khi cháy chuyển hóa thành NOx giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy vì khi đó lƣợng NH3, N2 chƣa bị đốt cháy hết có lẽ do hàm lƣợng CO2 sinh ra từ phản ứng cháy của metan đã làm tắt sự đốt cháy nhiên liệu. Đối với máy chạy nhiên liệu biogas thì dƣ lƣợng không khí luôn luôn giảm lần lƣợt là 2; 1,742; 1,167 trong trƣờng hợp thấp, trung bình và cao trong khi đó dƣ lƣợng không khí trong động cơ chạy bằng xăng thì dao động không đáng kể 2; 1,86; 1,354 trong trƣờng hợp tốc độ thấp, trung bình, cao. Điều này có thể là do nguyên nhân bộ chế hòa khí chỉ phù hợp cho động cơ chạy nhiên liệu xăng đƣợc trộn theo tỉ lệ nhất định giữa xăng và không khí, nên khi máy vận hành thì dƣ lƣợng không khí không thay đổi so với động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas. Hơn nữa tỉ lệ trộn giữa thành phần khí trong biogas và không khí thay đổi do đó dƣ lƣợng không khí có lẽ luôn thay đổi. Đối với tốc độ vận hành máy cao thì dƣ lƣợng không khí thấp nhất, điều này có lẽ do hỗn hợp đƣợc trộn quá đậm đặc. Có nghĩa lƣợng biogas nhiều hơn không khí nên lƣợng không khí đƣợc sử dụng hết vì dƣ lƣợng không khí ra ít. Ở mức thấp thì hòa khí đƣợc trộn loãng, có nghĩa lƣợng biogas ít hơn không khí, nên lƣợng không khí chƣa đƣợc sử dụng hết, vì thế dƣ lƣợng không khí thải ra cao. 33 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải Kết quả khảo sát đƣợc trình bày theo giá trị trung bình ở bảng 4.3. Bảng 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải Tốc độ Loại nhiên liệu Thấp (n=10) Trung bình (n=10) Cao (n=10) Nhiên liệu tiêu thụ Xăng (lít/giờ) 0,8 1,0 1,5 Gas (m 3/giờ) 1,25 1,4 1,6 Volt Xăng 156,9 1,76 249 1,65 266,1 0,43 Gas 234,7 6,59 219,5 0,76 206,2 1 Ampe Xăng 1,03 0,02 3,42 0,013 6,08 0,013 Gas 0,69 0,448 1,14 0,0738 2,64 0,0516 Công suất lý thuyết (W) Xăng 600 1200 1800 Gas 600 1200 1800 Công suất thực tế (W) Xăng 161,6 3,66 851,6 7,35 1.618 4,9 Gas 162,48 33,4 700,18 16,83 1.162,93 18,3 CO (% thể tích) Xăng 5 0,013 6 0,009 6 0,0158 Gas 0,058 0,004 0,527 0,012 0,038 0,003 HC (ppm) Xăng 617 5,4 274 5,55 136 3,25 Gas 16,9 0,737 23,9 1,3 23,1 1,6 CO2 (% thể tích) Xăng 2,68 0,003 3,16 0,035 3,29 0,026 Gas 8,38 0,267 8,54 0,401 8,89 0,352 O2 (% thể tích) Xăng 11 0,008 9 0,04 9 0,049 Gas 7,124 0,147 8 0,772 7,86 0,498 Xăng 2 0,0076 1 0,0179 1 0,032 Gas 1,539 0,16 1,584 0,087 1,581 0,683 NOx (ppm) Xăng 23 0,105 21 0,269 20 0,475 Gas 22,56 0,223 23,22 1,28 23,2 1 34 Dựa vào bảng kết quả cho thấy ở cả 3 mức tốc độ nhỏ trung bình và cao thì công suất máy khi chạy bằng nhiên liệu xăng luôn luôn cao hơn biogas mặc dù độ chênh lệch về công suất máy không cao tƣơng ứng là -4,3W; 151,42W; 455,07W điều này hoàn toàn hợp lý vì hòa khí tạo thành giữa không khí với xăng có đậm đặc cao hơn hòa khí giữa không khí và biogas nên khi cháy sẽ sinh công nhiều hơn dẫn đến công suất phát điện cũng cao hơn. Muốn động cơ biogas sử dụng nhiên liệu biogas đạt công suất cao ứng với mỗi tốc độ thì ta phải điều chỉnh bƣớm gió để tăng độ đậm đặc hòa khí của biogas. Ở tốc độ thấp, giao động về giá trị volt và ampe của dòng điện phát ra khi chạy máy bằng nhiên liệu biogas lần lƣợt là 6,59 và 0,448 lớn hơn nhiều so với chạy xăng lần lƣợt là 1,76 và 0,02 làm cho giá trị công suất thực tế của máy không thật sự ổn định. Ở máy vận hành dùng nhiên liệu biogas là 33,4 W, trong khi đó đối với xăng là 3,66 W. Tuy nhiên khi chạy máy ở tốc độ trung bình và cao với nhiên liệu là biogas thì dao động về giá trị công suất thực tế là 16,83 và 18,3, còn ở xăng là 7,35 và 4,9. Từ đó cho thấy càng độ ổn định dòng điện khi chạy nhiên liệu là biogas càng cao khi chạy ở công suất lớn. Điều này làm tăng tuổi thọ của các thiết bị điện. Khi máy chạy ở tốc độ nhỏ, trung bình và cao thì một lít xăng tạo ra lần lƣợt là 161,6 W; 851,6 W; 1.618 W điện trong khi đó 1 m3 chỉ có thể tạo ra lần lƣợt là 162,48W; 700,18W; 1162,93W điện. Nhƣ vậy cùng một lƣợng nhiên liệu xăng hoặc gas nhất định thì tốc độ vận hành máy càng cao sẽ sản xuất ra nhiều điện năng hơn. Theo bảng 4.2 nếu máy vận hành ở tốc độ thấp để tạo ra 1 kW ta cần phải 4,95 lít xăng hay 7,7 m3 gas, trong khi ở mức độ trung bình là ở xăng là 1,17 lít; gas là 2 m3 và mức cao ở xăng là 0,93; ở gas là 1,38. Nhƣ vậy với tốc độ máy chạy càng cao thì lƣợng nhiên liệu cần để sản xuất ra 1 kW điện càng giảm. 35 Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2, và λ khi vận hành ở chế độ có tải 0 2 4 6 8 10 12 CO CO2 O2 λ CO CO2 O2 λ khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải N ồn g độ (% th ể tíc h) thấp trung bình cao Hình 4.3. Biểu đồ so sánh lƣợng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx khi vận hành ở chế độ có tải 0 100 200 300 400 500 600 700 HC NOx HC NOx khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải Nồ ng đ ộ (p pm ) thấp trung bình cao Hình 4.4. Biểu đồ so sánh lƣợng khí HC, NOx thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải. 36 Lƣợng CO trong thành phần khí xả khi chạy máy bằng nhiên liệu biogas ở cả 3 tốc độ luôn có giá trị tăng dần tƣơng ứng là 0,058; 0,527; 0,038 nhƣng nhỏ hơn nhiều so với 3,16; 2,2 đạt yêu cầu về khí thải theo tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2. Trong khi chạy bằng xăng giá trị nồng độ của CO rất cao 5; 6; 6 vƣợt quá tiêu chuẩn trên. Nồng độ HC trong khí xả của ở ba tốc độ thấp, trung bình và cao lần lƣợt là 617; 274; 136 lớn hơn 500 ppm vƣợt tiêu chuẩn Euro 2, trong khi đó ở biogas là 16,9; 23,9; 23,1 nhỏ hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn Euro 1 là 1.130 ppm và tiêu chuẩn Euro 2 là 500 ppm. Tuy nhiên nồng độ HC trong khi sử dụng nhiên liệu biogas có giá trị tăng dần còn ở xăng lại giảm dần. Điều này có lẽ khi máy vận hành ở chế độ có tải với tốc độ càng cao thì nhiệt đốt cháy nhiên liệu trong xilanh càng cao, có khả năng đốt cháy một phần HC làm giá trị HC giảm xuống. Trong khi đó, ở mức tải cao thì biogas đƣợc hút vào nhiều nên không đốt cháy kịp sẽ thoát ra ngoài làm nồng độ HC tăng lên. Nồng độ NOx trong khí xả ở ba tốc độ khi vận hành máy sử dụng nhiên liệu xăng là 23; 21; 20 và ở gas là 22,56; 23,22; 23,2 đều thấp hơn 140 ppm và 190 ppm của tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2. Tuy nhiên lƣợng NOx của biogas vẫn cao hơn xăng vì trong thành phần biogas có chứa rất nhiều NH3, N2 trong hổn hợp. Hàm lƣợng khí xả CO2 của máy sử dụng xăng tăng từ 2,68; 3,16; 3,29 theo tốc độ tải lần lƣợt từ thấp đến cao, nguyên nhân là do ở tốc độ càng cao thì sự đốt cháy nhiên liệu càng nhiều cho nên hàm lƣợng CO2 càng tăng. Còn ở biogas ở 3 mức độ thấp, trung bình và cao là 8,54; 8,38; 8,89 cao hơn nhiều so với hàm lƣợng CO2 thoát ra khi chạy bằng nhiên liệu xăng lý do là trong thành phần biogas có khoảng 40% CO2 nên không cháy thoát ra ngoài cao nhất là ở mức tải cao có lẽ do hàm lƣợng HC đƣợc đốt cháy hoàn toàn nên tạo ra lƣợng CO2 nhiều. Lƣợng O2 trong thành phần khí xả giảm dần khi ta tăng tốc độ chạy máy ở cả hai trƣờng hợp ở xăng là 11; 9; 9 vì khi chạy máy ở tốc độ cao thì hòa khí giữa nhiên liệu và không khí đƣợc hòa trộn đậm đặc hơn. Lƣợng O2 chủ yếu là từ không khí để đốt cháy hàm lƣợng hòa khí phải càng nhiều hơn. Do đó nồng độ O2 trong thành phần khí xả ngày càng giảm đi khi ta tăng tốc độ chạy máy. Tƣơng tự ở biogas ba mức vận hành thấp, trung bình, cao là 7,124; 8; 7,86 lƣợng O2 đột nhiên tăng ở giai đoạn trung bình có lẽ do lƣợng O2 chƣa kịp cháy thì bị lƣợng 37 CO2 có nhiều trong hàm lƣợng biogas làm tắt và theo khí thải ra ngoài do đó tăng cao. 4.3. Hiệu quả kinh tế của máy nổ phát điện sử dụng biogas hoặc xăng Bảng 4.4. Giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng Tốc độ Nhiên liệu Công suất (kW) Nhiên liệu tiêu thụ Giá sản xuất (VNĐ/kW) Thấp Xăng 161,6 3,66 0,8 55.940 Biogas 162,48 33,4 1,25 6.155 Trung bình Xăng 851,6 7,35 1,0 13.504 Biogas 700,18 16,83 1,4 1.600 Cao Xăng 1.618 4,9 1,5 1.066 Biogas 1.162,93 18,3 1,6 1.100 Theo trung tâm nghiên cứu năng lƣợng và môi trƣờng, hội liên hiệp khoa học kỹ thuật Việt Nam giá thành 1 m3 biogas có giá thành là 800 VNĐ. Trong lúc giá điện kinh doanh nhà nƣớc 2500 VNĐ, giá 1 lít xăng là 11.500 VNĐ. Kết quả cho thấy giá điện sản xuất khi vận hành máy phát điện bằng biogas có giá trị thấp hơn giá điện mà các hộ kinh doanh phải trả cho nhà nƣớc bởi giá nhiên liệu biogas là 800 đ/m3 thấp hơn nhiều so với xăng là 11.500 đ/lit. Ngƣời dân chỉ phải xây dựng hệ thông hầm ủ là có thể sử dụng biogas. Theo khảo sát tại Trung tâm biogas Trƣờng Đại học Nông Lâm TPHCM thì giá thành các loại hầm ủ đƣợc trình bày ở bảng 4.5. Bảng 4.5. Bảng giá thành một số loại hầm biogas Loại hầm Phủ nhựa Túi nylon KT1 Trung Quốc Giá thành (VNĐ/m3) 200.000 400.000 1.000.000 Lƣợng gas sinh ra từ hầm ủ thay đổi phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣ loại và lƣợng phân cho vào, thời gian lƣu lại của phân, pH, nhiệt độ điều kiện yếm khi, hóa chất… nhƣng trung bình 1 m3 thể tích hầm sẽ sinh ra khoảng 1 m3 gas/ngày. Theo 38 kết quả của chúng tôi khảo sát thì lƣợng gas này sẽ sản xuất 1.142 W điện nếu cho máy chạy trung bình, có giá trị khoảng 1.600 VNĐ. Nhƣ vậy sau 1 năm 1 m3 thể tích hầm sẽ thu lại 1.600 x 365 = 584.000 VNĐ. Kết quả này cho thấy nếu xây hầm ủ phủ nhựa thì sau khoảng 5 tháng ngƣời dân có thể thu hồi vốn. Nếu xây hầm túi nylon thì thời gian thu hồi vốn là khoảng 10 tháng và khoảng 23 tháng với hầm xây xi măng KT1 Trung Quốc. Rõ ràng từ những kết quả trên đã cho thấy ý nghĩa thực tế và hiệu quả của việc xây dựng hầm ủ chạy máy nổ phát điện phục vụ hoạt động sản xuất ở trang trại. Ở đây chúng ta chƣa tính toán đến lợi ích của vệ sinh thú y phòng bệnh gia súc, gia cầm và việc cắt giảm khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. 39 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1. Kết luận Qua quá trình khảo sát và phân tích những số liệu thu thập đƣợc, chúng tôi rút ra những kết luận sau - Máy phát điện chạy bằng nhiên liệu xăng khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas đã hoạt động rất tốt và cho công suất không chênh lệch nhiều so với chạy bằng xăng độ ổn định của dòng điện cao khi chạy ở mức trung bình và cao. Giao động hơi cao khi chạy tải thấp. - Nồng độ các loại khí xả độc hại gây ô nhiễm môi trƣờng khi chạy máy sử dụng nhiên liệu biogas thấp hơn nhiên liệu xăng và đạt tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2. - Hiệu quả kinh tế khi chạy máy bằng nhiên liệu biogas cao hơn nhiên liệu xăng đối với mức tải thấp và trung bình, tƣơng đƣơng với xăng khi tải ở mức cao. 5.2. Đề nghị - Ngƣời sử dụng máy nổ nên chạy máy ở tốc độ trung bình hoặc cao vì vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa có công suất lớn. Hơn nữa dòng điện ổn định hơn nên có thể kéo dài tuổi thọ của các thiết bị tải. - Cần nghiên cứu nhiều hơn nữa về thiết kế bộ trộn và bộ lọc khí để động cơ đạt đƣợc hiệu suất cao nhất và lƣợng khí thải ít ảnh hƣởng đến môi trƣờng nhất. - Phổ biến kỹ thuật xây dựng hầm ủ, khuyến khích ngƣời dân sử dụng biogas thay thế xăng khi chạy máy nổ phát điện, vừa thu đƣợc hiệu quả kinh tế cao vừa chủ động đƣợc nguồn năng lƣợng, đồng thời giảm ô nhiễm môi trƣờng chăn nuôi nhất là ở các nơi vùng sâu vùng xa. - Nên có những chƣơng trình nghiên cứu sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe máy và các loại động cơ khác nhằm tiết kiệm ngoại tệ dùng vào việc nhập khẩu xăng dầu đồng thời giảm áp lực cho ngành năng lƣợng quốc gia. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Tài liệu tiếng Việt 1. Bùi Minh Thƣờng và Nguyễn Đức Hoàng Kiêm, 2007. Thiết kế hoàn thiện động cơ sử dụng khí biogas. Luận văn tốt nghiệp. Khoa Kỹ Thuật Giao Thông. Trƣờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM. 3. Nguyễn Đình Hùng, 2006. Cấu tạo động cơ đốt trong. Nhà xuất bản Giáo Dục. 2. Dƣơng Nguyên Khang, 2006. Thực hành công nghệ xử lý chất thải. Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.HCM. 4. Nguyễn Tất Tiến, 2001. Nguyên lý động cơ đốt trong. Nhà xuất bản Giáo Dục. 5. Trích dẫn Nguyễn Văn Triều, 2007. Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ Honda GX120. Đề tài nghiên cứu khoa học khoa Cơ Khí Giao Thông trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM. 6. Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn, Cục Nông nghiệp, Tổ chức phát triển Hà Lan, 2004. Công nghệ khí sinh học. Tài liệu tập huấn kỹ thuật viên. 2. Tài liệu từ internet 7. www.Magazine of technological science . com .vn 8. www.cổng thông tin khoa học và công nghệ - khoa học công nghệ . com 9. www.diem buu diem van hoa xa . com 10. www.thành tựu CNSH của việt nam.com. 11. www.sơ khoa hoc thanh pho da nang.com 12. www.moi truong nganh xay dung .com 13. 14. www.vista.gov 41 PHỤ LỤC I. Bảng thu thập số liệu các kết quả thí nghiệm Bảng 1: Bảng số liệu máy 2KVA chạy bằng nhiên liệu Biogas số liệu không tải Điều chỉnh gas m 3 gas tiêu thụ/giờ Volt CO HC CO2 O2 λ NOx Thấp 1.00 6,24 0,30 618 4,5 13,36 2 0 Thấp 6,32 0,31 557 3,9 14,12 2 0 Thấp 6,51 0,29 562 4,2 13,90 2 0 Thấp 6,45 0,27 608 4,4 14,24 2 0 Thấp 5,92 0,28 612 3,8 14,10 2 0 Thấp 5,90 0,33 610 4,1 14,02 2 0 Thấp 5,99 0,30 520 3,9 14,08 2 0 Thấp 6,04 0,29 589 4,4 14,17 2 0 Thấp 5,98 0,31 574 4,0 13,98 2 0 Thấp 6,30 0,35 601 3,8 14,11 2 0 T bình 1,20 110 2,35 418 5,1 11,10 1,58 29,2 T bình 115 2,21 369 5,3 11,96 1,99 29,3 T bình 108 2,28 402 5,6 11,85 1,56 28,3 T bình 112 2,25 411 6,1 11,23 1,57 29,0 T bình 116 2,19 403 5,4 10,98 1,93 28,3 T bình 118 2,33 398 5,1 10,97 1,70 28,9 T bình 117 2,29 390 5,8 11,24 1,73 29,4 T bình 105 2,30 405 6,0 11,60 1,93 28,3 T bình 111 2,22 386 5,4 11,54 1,73 29,4 T bình 103 2,24 395 5,7 11,14 1,70 28,9 Cao 1,50 309 1,11 192 8,9 8,37 1,44 27,2 Cao 298 1,22 134 9,1 8,72 1,16 27,0 Cao 306 1,18 168 7,9 8,54 1,13 26,6 Cao 310 1,16 147 8,5 8,66 1,20 27,6 Cao 299 1,20 123 8,4 8,23 1,14 26,8 Cao 311 1,24 158 8,2 8,74 1,11 26,3 Cao 304 1,19 163 8,7 8,92 1,10 26,2 Cao 308 1,14 144 8,8 8,55 1,15 26,9 Cao 297 1,10 179 9,0 8,77 1,14 26,8 Cao 301 1,15 164 8,6 8,28 1,10 26,2 42 Bảng 2: Bảng số liệu máy 2KVA khi chạy bằng nhiên liệu Biogas số liệu có tải Điều chỉnh gas m 3 gas tiêu thụ/giờ Volt Ampe Công suất lý thuyết (W) Công suất thực tế (W) CO HC CO2 O2 λ NOx Thấp 1,25 240 0,3 600 72 0,05 19 6,6 7,80 1,64 24,0 Thấp 231 0,8 184,8 0,05 15 8,3 7,86 1,51 22,1 Thấp 268 0,9 241,2 0,07 17 9,2 6,98 1,51 22,1 Thấp 259 0,3 77,7 0,07 18 9,0 6,78 1,50 22,1 Thấp 210 0,7 147 0,07 16 9,0 6,76 1,55 22,7 Thấp 249 0,4 99,6 0,05 14 8,6 7,61 1,58 23,2 Thấp 241 1,2 289,2 0,06 22 8,1 7,01 1,47 21,6 Thấp 203 0,2 40,6 0,04 15 9,3 7,01 1,57 23,0 Thấp 227 1,6 363,2 0,05 17 8,2 6,53 1,51 22,1 Thấp 219 0,5 109,5 0,07 16 7,5 6,90 1,55 22,7 T bình 1,40 219 3,1 1,200 678,9 0,52 25 5,8 11,34 1,31 19,2 T bình 222 3,2 710,4 0,59 33 9,2 6,21 1,37 20,0 T bình 220 3,3 726 0,55 19 6,6 10,32 1,95 28,6 T bình 218 3,3 719,4 0,47 22 6,9 9,61 1,88 27,5 T bình 216 3,2 691,2 0,47 26 9,8 5,12 1,33 19,4 T bình 224 3,2 716,8 0,53 24 7,5 9,68 1,83 26,9 T bình 221 3,1 685,1 0,54 21 7,6 8,31 1,72 25,3 T bình 220 3,1 682 0,53 22 10,4 5,17 1,33 19,5 T bình 218 3,2 697,6 0,51 20 10,4 4,83 1,31 19,2 T bình 217 3,2 694,4 0,56 27 7,8 9,41 1,81 26,6 Cao 1,60 205 5,7 1,800 1.168,5 0,04 21 9,0 8,27 1,62 23,8 Cao 206 5,6 1.153,6 0,04 19 10,0 5,37 1,36 20,0 Cao 204 5,7 1.162,8 0,04 25 9,3 6,30 1,46 21,4 Cao 207 5,6 1.159,2 0,03 26 7,8 9,58 1,83 26,9 Cao 209 5,6 1.170,4 0,03 30 7,5 8,83 1,79 26,3 Cao 210 5,6 1.176 0,04 19 8,8 7,15 1,55 22,7 Cao 201 5,7 1.145,7 0,05 17 7,5 9,63 1,87 27,4 Cao 203 5,6 1.136,8 0,03 28 9,6 5,83 1,41 20,7 Cao 206 5,6 1.153,6 0,03 29 8,5 8,68 1,69 24,8 Cao 211 5,7 1.202,7 0,05 17 10,9 8,96 1,23 18,0 43 Bảng 3: Bảng số liệu máy 2KVA khi chạy bằng nhiên liệu xăng A92 số liệu chƣa tải Điều chỉnh gas Lít xăng tiêu thụ/giờ Volt CO HC CO2 O2 λ NOx Thấp 0,75 3,88 0,65 156 6,0 10,81 2 0 Thấp 4,02 0,69 162 6,1 10,98 2 0 Thấp 3,99 0,70 155 5,9 11,10 2 0 Thấp 4,12 0,66 154 5,8 11,12 2 0 Thấp 4,15 0,63 161 6,0 10,99 2 0 Thấp 4,30 0,59 152 6,3 11,14 2 0 Thấp 4,16 0,55 148 5,7 10,97 2 0 Thấp 4,17 0,54 139 6,2 10,98 2 0 Thấp 3,97 0,61 161 6,4 10,95 2 0 Thấp 3,95 0,64 151 6,3 11,11 2 0 T bình 0,70 203 4,59 956 2,7 11,34 1,88 27,6 T bình 198 4,58 980 2,9 11,36 1,89 27,7 T bình 205 4,55 963 2,6 11,40 1,85 27,1 T bình 204 4,52 972 2,7 11,52 1,87 27,4 T bình 201 4,56 974 2,8 11,43 1,82 26,7 T bình 200 4,53 958 2,5 11,56 1,84 27,0 T bình 197 4,49 967 2,6 11,49 1,90 27,9 T bình 204 4,52 966 2,8 11,54 1,87 27,4 T bình 198 4,57 957 2,7 11,24 1,86 27,3 T bình 203 4,54 945 2,4 11,55 1,82 26,7 Cao 1,25 320 5,22 355 4,0 8,75 1,34 19,6 Cao 322 5,26 380 3,8 8,98 1,37 20,1 Cao 317 5,23 387 4,1 8,63 1,33 19,6 Cao 315 5,25 382 1,2 8,45 1,40 20,6 Cao 312 5,27 401 4,0 8,74 1,40 20,6 Cao 322 5,29 412 3,9 8,82 1,37 20,1 Cao 321 5,30 421 3,7 8,79 1,33 19,6 Cao 316 5,28 406 4,2 8,95 1,33 19,6 Cao 318 5,25 398 4,1 8,66 1,34 19,6 Cao 320 5,27 395 4,0 8,91 1,33 19,6 44 Bảng 4: Bảng số liệu máy 2KVA khi chạy bằng nhiên liệu xăng A92 số liệu có tải Điều chỉnh gas Lít xăng tiêu thụ/giờ Volt Ampe Công suất lý thuyết (W) Công suất thực tế (W) CO HC CO2 O2 λ NOx Thấp 0,80 150 1,1 600 165 4,90 630 2,8 10,98 1,50 22,1 Thấp 156 1,0 156 4,91 624 2,6 11,03 1,55 22,7 Thấp 159 0,9 143 4,88 612 2,7 11,03 1,52 22,3 Thấp 160 1,1 176 4,85 598 2,6 11,02 1,56 22,9 Thấp 158 1,0 158 4,87 586 2,6 10,99 1,53 22,4 Thấp 161 1,1 177 4,83 603 2,6 10,98 1,54 22,6 Thấp 150 1,0 150 4,81 615 2,8 11,05 1,50 22,0 Thấp 155 1,1 171 4,84 641 2,7 11,04 1,57 23,0 Thấp 168 1,0 168 4,79 625 2,7 11,02 1,52 22,3 Thấp 152 1,0 152 4,82 632 2,7 11,00 1,55 22,7 T bình 1,00 247 3,4 1,200 840 5,51 295 3,5 9,23 1,37 20,0 T bình 250 3,5 875 5,54 303 3,4 9,31 1,37 20,0 T bình 249 3,4 847 5,53 287 3,5 9,45 1,51 22,1 T bình 251 3,4 853 5,55 268 3,5 9,12 1,43 20,9 T bình 254 3,5 889 5,52 274 3,4 9,17 1,43 20,9 T bình 253 3,4 860 5,50 259 3,3 9,10 1,51 22,1 T bình 249 3,4 847 5,56 281 3,3 9,00 1,37 20,0 T bình 256 3,4 870 5,57 264 3,3 9,09 1,37 20,0 T bình 240 3,4 816 5,59 257 3,6 9,15 1,37 20,0 T bình 241 3,4 819 5,57 249 3,3 9,16 1,43 20,9 Cao 1,50 265 6,0 1,800 1.590 5,81 149 3,0 8,61 1,31 19,2 Cao 267 6,1 1.628 5,84 145 3,0 8,52 1,29 18,9 Cao 264 6,1 1.610 5,89 143 3,1 8,54 1,27 18,6 Cao 265 6,1 1.617 5,86 120 3,1 8,86 1,57 23,0 Cao 266 6,1 1.623 5,88 126 3,0 8,63 1,45 21,3 Cao 266 6,1 1.623 5,83 124 3,2 8,52 1,45 21,3 Cao 267 6,1 1.629 5,84 144 3,0 8,64 1,31 19,2 Cao 266 6,0 1.596 5,78 129 3,0 8,41 1,27 18,6 Cao 266 6,1 1.623 5,74 134 3,1 8,91 1,29 18,9 Cao 269 6,1 1.641 5,76 142 3,2 8,67 1,31 19,2