LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Văn Trạng , giảng
viên Bộ mơn động cơ khoa cơ khí động lực - trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí Minh, người
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí
Minh đã giảng dạy và truyền đạt, cho chúng em kiến thức đại cương cũng như các kiến
thức chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình học tập và hồn thành đồ án tốt
nghiệp.
Trân trọng!
Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 11 năm 2017
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện
Nguyễn Văn Hoàng
Phan Văn Trung

1


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 8
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................................................... 8
1.1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 8
1.1.2 Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................... 9
1.1.3 Giới hạn đề tài ............................................................................................................. 9
1.1.4 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 9
1.2 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ SINH HỌC BIOGAS ...................................... 9
1.2.1 Giới thiệu khí sinh học biogas .................................................................................... 9

1.2.2 Lịch sử phát triển khí sinh học Biogas. .................................................................... 11
1.2.3 Ứng dụng khí sinh học biogas .................................................................................. 17
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGAS ..........................................20
2.1 Q trình hình thành khí sinh học biogas. ................................................................... 20
2.1.4 Các tập chất lẫn trọng khí biogas và phương pháp loại bỏ tạp chất ......................... 25
2.1.2 Lưu trữ và vận chuyển khí biogas sạch .................................................................... 30
2.2 Các thông số cơ bản .....................................................................................................31
2.2.1 Tốc độ cháy trong điều kiện tự nhiên .......................................................................31
2.2.2 Giới hạn bắt lửa trong điều kiện tự nhiên .................................................................32
2.2.3 Nhiệt độ ngọn lửa khi cháy trong điều kiện tự nhiên ...............................................32
2.2.4 Nhiệt trị .....................................................................................................................33
2.3 Một số đặc tính cháy của biogas trong động cơ đốt trong ...........................................34
2.3.1 Thời gian cháy của methane .....................................................................................34
2.3.2 Hiệu suất ...................................................................................................................35
2.3.3 Vấn đề giảm ô nhiễm ................................................................................................35
2.4 Các chỉ số sử dụng trong hệ thống nhiên liệu biogas ..................................................37
2


2.4.1 Chỉ số Woobe ............................................................................................................37
2.4.2 Chỉ số octane (MON) ................................................................................................37
2.4.3 Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu (AFR) .............................................................................37
2.5 Q trình cháy của động cơ nhiên liệu kép biogas. .....................................................40
2.5.1 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu trong biogas đến đường cong cháy. ...................43
2.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ hổn hợp đến đường cong cháy. ................................................43
2.5.3 Ảnh hưởng yếu tố vận hành đến quá trình cháy. ......................................................44
2.5.3.1 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm. ...............................................................................44
2.5.3.2 Ảnh hưởng tỉ số nén. ..............................................................................................46
2.5.4 Ảnh hưởng áp suất nhiên liệu đến quá trình cháy ....................................................47
2.5.5 Kết luận .....................................................................................................................47

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KHÍ BIOGAS VÀO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ...................49
3.1 Chuyển đổi động cơ dùng hoàn toàn nhiên liệu biogas ...............................................49
3.1.1 Đối với động cơ xăng ................................................................................................49
3.1.2 Đối với động cơ Diesel .............................................................................................49
3.1.3 Cung cấp nhiên liệu cho động cơ ..............................................................................50
3.2 Động cơ nhiên liệu kép Diesel-biogas .........................................................................54
3.3 Ứng dụng thực tế. ........................................................................................................54
3.3.1 Máy phát điện chuyển đổi động cơ xăng sang dùng biogas. ....................................55
3.3.2 Máy phát điện chuyển đổi động cơ diesel sang dùng Biogas. ..................................57
3.3.3 Xe gắn máy Wave 110C dùng nhiên liệu Biogas. ....................................................58
CHƯƠNG 4: XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG
BIOGAS ............................................................................................................................60
4.1 Tính tốn hiệu quả kinh tế khi sử dụng biogas cho động cơ đốt trong ........................60
4.1.1 Đối với động cơ biogas/xăng ...................................................................................60
4.1.2 Đối với động cơ Biogas/Diesel ................................................................................60
4.2 Hiệu quả về kinh tế và môi trường ..............................................................................61
4.3 Sự phát triển biogas vào tương lai ...............................................................................62

3


4.4 Khó khăn hiện tại .........................................................................................................62
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................................63
5.1 Kết quả đạt được…………………………………………….……………………….63
5.2 Hướng phát triển của đề tài ………………………………………………………….63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................64

4



DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sản xuất biogas tại Anh năm 1896 ............................................................. 12
Hình 1.2 Sự gia tăng cơng suất phát điện dùng khí sinh học ở Đức ......................... 13
Hình 1.3 Bộ máy phát điện sử dụng khí sinh học biogas để tạo ra điện................... 14
Hình 1.4 Tận dụng nguồn chất thải chăn ni ở Việt Nam ...................................... 15
Hình 1.5 Tận dụng chất thải gia xúc làm khí biogas ................................................ 16
Hình 1.6 Sơ đồ lắp đặt hệ thống biogas nấu bếp ...................................................... 17
Hình 1.7 Dùng biogas để nấu bếp ............................................................................ 17
Hình 1.8 Tàu hỏa chạy bằng biogas tại Thụy Điển .................................................. 19
Hình 1.9 Xe bus sử dụng nhiên liệu biogas ở Thụy Sĩ .............................................. 19
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas .................................................................. 21
Hình 2.2 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí sinh học .................................................. 21
Hình 2.3 Mơ hình hầm biogas được xây bằng gạch ................................................. 23
Hình 2.4 Mơ hình hầm biogas bằng túi nilon ........................................................... 23
Hình 2.5 Mơ hình hầm biogas composite .................................................................. 25
Hình 2.6 Lõi lọc H2S bằng phoi tiện. ........................................................................ 27
Hình 2.7 Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước .............................................................. 27
Hình 2.8 Hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm. ..................................................... 28
Hình 2.9 Vận chuyển khí biogas nén ......................................................................... 30
Hình 2.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2 đến tốc độ cháy ............................................... 31
Hình 2.11 Giới hạn bắt lửa biogas trong điều kiện tự nhiên .................................... 32
Hình 2.12 Ảnh hưởng của tỷ lệ methane đến nhiệt độ ngọn lửa Biogas ................... 33
Hình 2.13 Nhiệt trị của biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH 4 . 34
Hình 2.14 Biến thiên nồng độ khí thải CO và HC động cơ Diesel dùng nhiên liệu
biogas ........................................................................................................................ 36
Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ A/Fkl theo thành phần CO2 ................................... 39
Hình 2.16 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ A/Fkl theo thành phần CH4. .................................. 39
5



Hình 2.17 Quan hệ giữa cơng suất động cơ và thành phần hỗn hợp ....................... 40
Hình 2.18 Biến thiên tốc độ tiêu thụ CH4 trong buồng cháy theo nồng độ biogas trong
khí nạp ....................................................................................................................... 41
Hình 2.19 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu trong biogas đến đường cong cháy. .. 42
Hình 2.20 Ảnh hưởng thành phần methane trong biogas đến tính năng động cơ .... 43
Hình 2.21 Ảnh hưởng nhiệt độ trước khi đánh lửa đến dạng đường cong cháy hỗn hợp
biogas/khơng khí........................................................................................................ 44
Hình 2.22 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất chỉ thị (n=3000v/ph) .. 45
Hình 2.23Biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu và buồng cháy ứng với
các chế độ tốc độ khác nhau của động cơ (φs=30) ................................................... 46
Hình 2.24 Quan hệ tỉ số nén với công suất động cơ ................................................. 47
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu biogas .............................................................. 50
Hình 3.2 Loại các lỗ khoan bố trí xung quanh họng ................................................ 51
Hình 3.3 Họng Venturi với một đường biogas vào loại cùng chiều ......................... 52
Hình 3.4 Họng Venturi với một đường biogas vào loại trực giao ........................... 52
Hình 3.5 Mặt cắt thể hiện van hịa trộn khí. ............................................................. 53
Hình 3.6 Máy phát điện sử dụng khí Biogas ............................................................. 55
Hình 3.7 Mơ hình lắp đặt hệ thống cung cấp biogas lên động cơ ............................ 57
Hình 3.8 Chạy thử nghiệm biogas trên động cơ xe gắn máy 110cc ........................ 58

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1Một số tính chất của biogas .............................................................................. 10
Bảng 2.1Sản lượng sinh khí Biogas từ các chất hữu cơ ................................................ 20
Bảng 2.2 Thành phần khí biogas sau khi qua lọc .......................................................... 29
Bảng 2.3 Tiêu chuẩn khí Biogas ở các nước phát triển ................................................. 29
Bảng 3.1 Kết quả đo công suất và ô nhiễm động cơ phát ra khi sử dụng xăng .............. 56
Bảng 3.2 Kết quả đo công suất và ô nhiễm động cơ phát ra khi sử dụng biogas ........... 56

Bảng 3.3 Kết quả khí xả động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas .................................. 58

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, khí thải từ động cơ đốt
trong làm ơ nhiễm môi trường làm mất cân bằng sinh thái vốn có trong tự nhiên, gây
ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Khi nguồn nhiên liệu hóa thạch
trong lịng đất đã được sử dụng hết, thì đồng nghĩa với khối lượng carbon chơn vùi
trong lịng đất từ khi nó hình thành đến nay, được giải phóng ra bầu khí quyển gây nên
hiệu ứng nhà kính là điều khơng tránh khỏi…Từ những vấn đề còn bất cập ấy việc sử
dụng nguồn nhiên liệu mới “sạch” được các nước tiên tiến trên thế giới đặc biệt quan
tâm khuyến khích phát triển. Một trong số các nguồn nhiên liệu “sạch” được nhắm đến
đó là khí sinh học biogas.
Trên thế giới, nguồn nhiên liệu từ khí biogas đã được tiến hành nghiên cứu và ứng
dụng vào thực tiễn từ rất lâu, dùng thắp sáng đường phố, dùng sản xuất điện quy mô
lớn, sử dụng các máy cơng nghiệp cỡ lớn ví dụ như :hầm ủ khí biogas nắp trơi nổi
KVIC( Ấn Độ),hầm ủ biogas nắp cố định( Trung Quốc) hoặc hệ thống Darmstadt do
trường đại học kỹ thuật Darmstadt ở Đức phát triển,…. Tuy nhiên một sự giống nhau
ở tất cả các quốc gia là các động cơ dùng nhiên liệu khí sinh học biogas lại có giá thành
đắt hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống.
Ở nước ta , từ năm 1991 đến nay công nghệ biogas phát triển khá mạnh mẽ nhờ các
chương trình hỗ trợ từ chính phủ và sự quan tâm của các tổ chức quốc tế ví dụ như :
năm 2002 Bộ Nông Nghiệp va Phát triển nông thôn ban hành các tiêu chuẩn đầu tiên
thiết kế và xây dựng hầm ủ biogas , năm 2003 Việt Nam hợp tác với Hà Lan thực hiện
dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn ni Việt Nam”,… Cụm từ “ khí
biogas” đối với những người dân vùng nơng thơn khơng có gì là quá xa lạ .Họ tận dụng

nguồn khí dồi dào này từ rất nhiều nguồn cung: rác thải, cây cỏ, phân gia xúc...Nhiên
liệu khí sinh học biogas với các ưu điểm giúp giảm ô nhiễm môi trường, phát triển
kinh tế địa phương ….Tuy nhiên với trữ lượng khí dồi dào như vậy, ta chỉ mới dừng ở
mức dùng cho đun nấu, thắp sáng vài bóng đèn nhỏ là chủ yếu. Áp dụng cho các hộ
8


gia đình nhỏ lẻ, với quy mơ ứng dụng lớn hơn là dùng sản xuất điện, thắp sáng đường
phố, vận hành các máy công nông như các nước tiên tiến trên thế giới vẫn cịn nhiều
hạn chế.
Hiện nay có rất nhiều đề tài nghiên cứu về lĩnh vực biogas như: “ Chuyển đổi động
cơ Diesel bốn xylanh sang dùng hoàn toàn biogas điều khiển điện tử”
Th.S Nguyễn Quang Minh, “Thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas
điều khiển bằng điện tử cho máy phát điện” TS. Lê Thanh Phúc, “ Thử nghiêm khí
biogas trên động cơ xe gắn máy” TSKH Bùi Văn Ga….
Với các lý do đó, đề tài “Nghiên cứu về khí sinh học biogas và khả năng ứng
dụng cho động cơ đốt trong” được thực hiện.
1.1.2 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khí biogas và tìm hiểu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học
biogas khi sử dụng trên động cơ đốt trong.
1.1.3 Giới hạn đề tài
Nắm vững các kiến thức cơ bản về động cơ đốt trong.
Chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, chưa tự tiến hành chế tạo cải tiến
động cơ đốt trong dùng nhiên liệu biogas để nghiên cứu thực nghiệm.
1.1.4 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng cơ sở lý thuyết từ các nguồn tài liệu tham khảo.
Dùng các kết quả thực nghiệm đã được kiểm chứng ở các trường Đại học nổi tiếng, ta
phân tích rút ra các nhận xét nhiên liệu biogas và sự ảnh hưởng nhiên liệu biogas đến
động cơ đốt trong.
1.2 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ SINH HỌC BIOGAS

1.2.1 Giới thiệu khí sinh học biogas
Biogas là từ ghép của bio-fuel và gas nghĩa là khí sinh học. Khí sinh học biogas là tổ
hợp metan (CH4), cacbonic (CO2) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trình phân
huỷ xác động vật và các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí.
9


Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho q trình sản xuất khí sinh học biogas:
• Chất thải của con người.
• Chất thải của động vật như: lợn, trâu, bị, gia cầm.…
• Rác thải sinh hoạt, nơng nghiệp, công nghiệp.
Nguồn chất thải từ con người và động vật là nguồn sinh khí biogas vơ tận, nếu chúng ta
biết tận dụng chúng để làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống để sử
dụng cho động cơ đốt trong thì đây là một phương pháp hữu ích. Việc sử dụng nhiên liệu
biogas đem lại rất nhiều lợi ích thiết thực:
• Tận dụng nguồn chất thải có quanh chung ta.
• Biogas là nguồn nhiên liệu sạch thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn
kiệt.
• Biogas góp phần làm cho mơi trường xanh sạch hơn, bảo vệ mơi trường và sức khỏe
con người.
Tính chất vật lý:
Tính chất vật lý của biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng cho
việc xử lý và đốt cháy biogas.
Thành phần chính của biogas là CH4 và CO2. Các tính chất vật lý liên quan đến chúng
và sẽ được liệt kê sau đây bảng 1.1.
Bảng 1.1 Một số tính chất của biogas
Các tính chất vật lý

Methane (CH4)


Carbon Dioxide (CO2)

Trọng lượng phân tử

16,04

44,01

Tỷ trọng

0,554

1,52

Điểm sôi (1at)

144 0C

60,8 0C

Điểm đông (1at)

-164,8 0C

-38,83 0C

Khối lượng riêng

0,66 kg/m3


1,82 kg/m3

Nhiệt độ nguy hiểm

64,44 0C

48,89 0C

Áp suất nguy hiểm

45,8 at

72,97at

10


Nhiệt dung Cp (1at)

6,962.10-4 J/ kg-0C

2,643.10-4 J/ kg-0C

Tỷ lệ Cp/Cv

1,307

1,303

Nhiệt cháy


55,432 J/kg

───

Giới hạn cháy

5-15% Thể tích

───

Tỷ lệ cháy hồn tồn trong 0,0947 Thể tích
khơng khí

───

0,0581 Khối lượng

(Nguồn: www.naipet.com)
1.2.2 Lịch sử phát triển khí sinh học Biogas.
Vào năm 1630 Van Helmont đã viết một tài liệu về một loại khí dễ cháy được sinh ra từ
các chất hữu cơ mục nát. Năm 1667 nhà khoa học Shirley đã mô tả chất khí này chính xác
hơn. Năm 1870 một người nổi tiếng trong lịch sử hóa học là Joseph Priestly, báo cáo một
chất khí sinh ra bởi sự phân hủy của các chất khi chìm trong nước.
Năm 1804 John Dalton xác định các thuộc tính hóa học của khí methane. Khí methane
sinh ra từ phân chuồng đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và các nhà vật lý. Hầu
như trong khoảng thời gian này các nhà khoa học, các nhà vật lý học, họ đã nâng cao tối
đa kiến thức về khí sinh học Biogas. Một học trị của nhà khoa học nổi tiếng Louis Pasteur
là Gayon đã có thể sản xuất đủ khí methane dùng cho việc sưởi ấm và chiếu sáng cho gia
đình, từ đó biogas được ứng dụng vào đời sống. Năm 1896, khí đốt sinh ra từ các trạm sử

lỷ nước thải cũng được sử dụng cho để chiếu sáng đường phố ở Exeter ở Anh.

11


Hình 1.1 Sản xuất biogas tại Anh năm 1896
Sau chiến tranh thế giới thứ nhất, năm 1918 người Mỹ đã quan tâm sản xuất khí methane
từ các chất thải nơng nghiệp. Những năm 40 của thế kỉ 20, nhiều nhà máy xử lý nước thải
và các trang trại đã sử dụng phương pháp lên men kị khí để sản xuất methane chạy các máy
phát điện. Tại Đức vào năm 1951 đã có hơn 48 nhà máy xử lý nước thải cung cấp hơn 16
triệu mét khối khí methane, 3,4% trong số đó dùng cho sản xuất điện và 16,7% dùng cho
đun nấu, 28,5% dùng cho hệ thống cung cấp khí đốt thành phố và 51,4% còn lại được sử
dụng làm nhiên liệu cho ô tô.
Ở giai đoạn cuối chiến tranh thế giới thứ 2, ở Đức rơi vào tình trạng thiếu các nguồn
nhiên liệu hóa thạch, họ đã chuyển sang dùng nguồn nhiên liệu methane để thay thế và
chúng đã được phát triển mạnh mẽ. Do khơng thể hóa lỏng nguồn nhiên liệu trong điều
kiện thực tế nên họ đã nghĩ đến phương pháp nén chúng với áp suất nén là 300 psi vào các
bình chứa nhiên liệu.
Với các kinh nghiệm có được qua mỗi giai đoạn lịch sử, đến sau chiến tranh thế giới thứ
2, việc sản xuất khí sinh học biogas đã được nghiên cứu và phát triển ứng dụng cho nhiều
quốc gia khắp các châu lục: Nam Phi, Nga, Autralia, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản…. Ở
châu Á, Ấn Độ được xem như nước tiên phong trong việc ứng dụng khí sinh học biogas
vào nấu ăn, thắp sáng và chạy các loại động cơ đốt trong.

1.2.2.1 Tình hình sản xuất khí sinh học biogas trên thế giới

12


(Nguồn: tổng hợp)

Hình 1.2 Sự gia tăng cơng suất phát điện dùng khí sinh học ở Đức
Nguồn nhiên liệu hóa thạch đã và đang dần cạn kiệt theo năm tháng, đã thúc đẩy các
nước bắt tay vào cơng cuộc tìm kiếm nghiên cứu và phát triển một nguồn nhiên liệu mới
có tính bền vững hơn. Liên minh châu Âu đã kêu gọi các thành viên, thực hiện mục tiêu sử
dụng 5,75% nguồn nhiên liệu sinh học vào năm 2010. Thị trường thế giới về biogas tăng
lên nhanh chóng và các nước đã chạy đua phát triển biogas hiện đại, để cạnh tranh trên thị
trường năng lượng và tiếp nhận các khoản hỗ trợ môi trường từ các tổ chức thế giới. Các
nước Đức, Áo, Đan Mạch là những nước tiên phong trong kỹ thuật biogas. Ở Trung Quốc
có 18 triệu hầm biogas ước tính sản lượng lên đến 145 tỉ mét khối. Ở Ấn Độ, có 5 triệu nhà
máy biogas với quy mô nhỏ đang hoạt động. Việt Nam và Nepal, có số lượng đáng kể hầm
biogas với quy mơ nhỏ theo hình thức gia đình là chủ yếu.
Ở châu Á các hầm biogas với kích thước nhỏ và xây dựng một cách thủ công đơn giản.
Cụ thể ở Philippines có hơn 653 hệ thống biogas từ chất thải gia xúc trong những năm gần
đây. Tại Thái Lan biogas từ chất thải nông nghiệp dùng cho công nghiệp điện với sản lượng
lên đến 3000 MW.

13


Hình 1.3 Bộ máy phát điện sử dụng khí sinh học biogas để tạo ra điện
Châu Âu và châu Mỹ họ phát triển biogas với quy mô lớn và hiện đại với sự tài trợ từ
chính phủ. Theo Hiệp hội sinh khối châu Âu (AEBIOM) năng lượng dựa trên sinh khối
có thể tăng từ 72 triệu tấn năm 2004 lên đến 220 triệu tấn vào năm 2020. Biogas là nguồn
nhiên liệu sinh học có thế sản xuất điện năng bằng động cơ gas ở châu Âu. Ở Thụy Điển
có hơn 4000 ô tô chạy bằng động cơ biogas, và tàu hỏa vv…
Động cơ biogas là động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức hoặc có thể là động cơ nhiên
liệu kép. Động cơ nhiên liệu kép phun khoảng 10% nhiên liệu Diesel mồi được ứng dụng
rộng rãi với các mức cơng xuất nhỏ tuy nhiên lượng khí thải phát ra lại cao.
Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức sử dụng hệ thống đánh lửa truyền thống và bộ tạo
hỗn hợp biogas-khơng khí, động cơ có thể làm việc với hỗn hợp vừa đủ hay nghèo. Đối

với các loại động cơ cỡ lớn thường sử dụng hỗn hợp nghèo để năng cao hiệu quả.
Các động cơ được thiết kế để sử dụng nhiên liệu biogas thường có giá thành cao hơn so
với động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nguồn nhiên liệu biogas sử dụng phải đảm bảo
đủ các điều kiện tiêu chuẩn do các tổ chức thế giới đặt ra như về áp suất cung cấp, thành
phần nhiên liệu, chất lượng khí vv…

14


1.2.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng khí sinh học biogas tại Việt Nam

Biogas

Ni cá

Mơi trường
xung quang

Bán

phân
Ủủ phân

Hình 1.4 Tận dụng nguồn chất thải chăn nuôi ở Việt Nam
Những năm 1991 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai
nhiều cơng trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học biogas (mơ hình hình cầu của
Viện năng lượng với thể tích 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3) đã tạo ra một nguồn phân bón
đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi
trường. Ở miền Trung, Tây Ngun, hàng loạt các mơ hình bể biogas cũng được áp dụng
cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình của

Trung tâm Năng lượng mới (Sở khoa học cơng nghệ thành phố Đà Nẵng, mơ hình bể biogas
phá váng tự động của Phân Viện bảo hộ lao động và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây
nguyên. Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: họ tổ chức
nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta. Các dự án
năng lượng sinh khối có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM) để thu hút vốn đầu
tư. Nhiều cơng nghệ đã được hồn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thể nhập
và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ.
Đối với các cơ sở chăn nuôi lớn, hệ thống biogas được xây dựng với quy mơ lớn, trình
độ kỹ thuật cao, điều kiện giám sát chặt chẽ. Các hệ thống này đem lại tác dụng rất lớn
trong việc xử lý phân và nước thải khổng lồ thải ra mỗi ngày, loại bỏ được nguy cơ gây ô
nhiễm môi trường, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng và sản xuất gas cho các hệ thống phát
15


điện nội bộ. Đối với qui mô chăn nuôi hộ gia đình, mơ hình xử lý biogas bằng plastic đang
phát triển rộng rãi do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mơ hình nơng trại kết hợp.
Các mơ hình nhỏ này giúp các hộ nơng dân xử lý được phân và chất thải gia súc, tránh ô
nhiễm môi trường, nhất là các khu vực có các hộ chăn nuôi tập trung cao ở miền Bắc, cung
cấp gas làm giảm chi phí hoạt động cho gia đình và nước thải ra sau khi xử lý đem bón cho
cây trồng rất tốt.

Hình 1.5 Tận dụng chất thải gia xúc làm khí biogas
Đa số biogas được dùng cho việc nấu ăn và thắp sáng là chủ yếu tại Việt Nam, chúng
thực sự chưa được ứng dụng nhiều vào công nghiệp là do các máy chuyên dùng biogas
được sản xuất từ nước ngồi có giá thành rất đắt. Những động cơ biogas nhỏ cấu tạo đơn
giản có cơng suất nhỏ khả năng làm việc không đáng tin cậy và chưa tận dụng hết nguồn
nhiên liệu biogas dồi dào của nước ta, từ những hạn chế đó nguồn nhiên liệu biogas chưa
được ứng dụng và phát triển rộng rãi với quy mô lớn ở nước ta.
Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng về việc ứng dụng nguồn nhiên liệu biogas vào động cơ
đốt trong, giải pháp cho việc chuyển đổi động cơ truyền thống sang dùng biogas phải đáp

ứng và thỏa mãn một số điều kiện như: mang tính vạn năng cao, kết cấu động cơ truyền
thống không bị thay đổi quá nhiều, độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành tốt, giá thành thấp
vv...
GS.TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự ở Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu chuyển đổi
động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu sang sử dụng biogas. Động cơ chạy bằng xăng dầu
truyền thống có thể được chuyển đổi sang chạy bằng biogas nhờ các bộ phụ kiện chuyển
đổi nhiên liệu đã mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và bảo vệ môi trường.

16


1.2.3 Ứng dụng khí sinh học biogas
1.2.3.1 Dùng trong nấu ăn
Một số hộ gia đình ở nơng thơn hiện nay đã xây hầm biogas tận dụng phân của các vật
nuôi sản xuất biogas phục vụ đun nấu. Mỗi hộ gia đình ni từ 4 con lợn trở lên đủ điều
kiện để tạo ra loại khí đốt này, chỉ cần tốn 3 - 4 triệu để xây hầm và có thể sử dụng 15 năm.
Sử dụng loại khí đốt này tiết kiệm được tiền điện hàng tháng, nâng cao hiệu quả kinh tế,
góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống....
Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát để lắng đá, cát ...rồi qua ống dẫn phân
vào bể phân huỷ. Ở bể phân huỷ xảy ra quá trình lên men tạo khí sinh học, khí sinh học
này được đưa đến bếp gas đun nấu.

Hình 1.6 Sơ đồ lắp đặt hệ thống biogas nấu bếp

Hình 1.7 Dùng biogas để nấu bếp
17


Việc chuyển đổi lò đốt gas truyền thống sang dùng biogas rất đơn giản chỉ cần thay đổi
lỗ vòi phun và hệ thống cung cấp nhiên liệu. Chúng ta phải quan tâm đến đến một vài yếu

tố như: tốc độ cắp nhiệt để cơng suất lị đốt hiệu quả, khả năng chịu đựng của hệ thống khí,
duy trì sự ổn định ngọn lửa, môi trường đốt vv....
1.2.3.2 Pin nhiên liệu
Những pin nhiên liệu thế hệ mới không dùng hydrogen mà thay vào đó chúng sử dụng
ethanol, biogas. Đây là giải pháp biến đổi năng lượng hiệu quả nhất và thân thiện với môi
trường nhất, hiệu suất lên đến 60% và phát thải mức thắp nhất. Lưu ý là biogas dùng cho
pin nhiên liệu phải được lọc kỹ H2S và các tạp chất khác. Trong tương lai pin nhiên liệu
SOFC được xem như là nguồn cung cấp điện sạch.
1.2.3.3 Biogas làm nhiên liệu cho ô tô
Khi dùng biogas làm nhiên liệu cho ô tô ta phải lưu ý một số yếu tố quan trọng sau:
• Mức độ sử dụng: Phải xác định lượng nhiên liệu biogas dùng, vì biogas sinh ra
chỉ được sử dụng một hoặc hai ngày, để dựa vào đó ta tính tốn đầu tư vào hệ
thống nén , lưu trữ và nạp nhiên liệu.
• Chất lượng biogas: Chất lượng biogas ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ biogas
trên ô tô. Chúng ta phải tập trung loại bỏ các tập chất như: H2S, CO2, hơi nước,
vì chúng sẽ ảnh hưởng đến hệ thống nén, hệ thống lưu trữ, hệ thống cung cấp vì
tính chất ăn mịn của chúng.
• Phạm vi công suất: Cần phải xem xét lượng xăng dầu dự trữ trên ơ tơ để dự trữ
biogas tương ứng.
• Cải tạo động cơ: Chúng ta quan tâm đến việc giảm cơng suất và giảm tính năng
gia tốc khi động cơ truyền thống chuyển đổi sang dùng nhiên liệu biogas.
Ở một số nước tiên tiến biogas được sử dụng rộng rãi trên ôtô và tàu cao tốc.

18


Hình 1.8 Tàu hỏa chạy bằng biogas tại Thụy Điển

Hình 1.9 Xe bus sử dụng nhiên liệu biogas ở Thụy Sĩ


19


CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGAS

2.1 Quá trình hình thành khí sinh học biogas.
2.1.1 Khả năng sinh khí biogas từ các chất hữu cơ.
❖ Phân bị
Thành phần CH4 trong biogas với nguyên liệu phân bò tương đối ổn định trong tồn bộ
q trình. Thành phần CH4 cao nhất là 57%.
❖ Phân heo
Hiệu quả sinh khí phân heo tuy khơng cao nhưng ln được duy trì ổn định trong suốt q
trình. Về mặt chất lượng khí ta thấy thành phần CH4 chiếm tồn bộ q trình. Thành phần
CH4 cao nhất là 68%.
❖ Hèm bia
Thành phần CH4 cao nhất là 76,6%. Khi nhiệt độ ổn định thành phần CH4 giảm xuống
mức 60% trong giai đoạn cuối quá trình.
❖ Các chất hữu cơ khác
Phân gà, bèo tây, rơm rạ, cây củi khơ, vv…
Bảng 2.1 Sản lượng sinh khí biogas từ các chất hữu cơ
Sản lượng khí
(𝑚3 /kg phân khơ )
1,11

Hàm lượng 𝐶𝐻4
(%)
57

Thời gian lên men
(ngày)

10

Phân gia cầm

0,56

69

9

Phân gà

0,31

60

30

Phân lợn

1,02

68

20

Phân người

0,38


-

21

Nguyên liệu
Phân bò

(Nguồn: Epronews.com)

20


2.1.2 Các phương pháp hình thành khí Biogas
❖ Q trình lên men

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas
1- Bể lắng cát.

4- Bể đựng chất thải.

2-Ống dẫn phân.

5- Hệ thống lọc H2S và CO2.

3-Ống dẫn bã thải.

6- Bình chứa khí Biogas sạch.

Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát ...rồi qua ống dẫn

phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bể phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như
sau:

Hình 2.2 Sơ đồ q trình lên men tạo khí sinh học

21


• Giai đoạn I:
Những chất hữu cơ phức tạp (chất béo, hydrat cacbon, protein) được vi khuẩn phân hủy
thành những chất hữu cơ đơn giản (các chất tan)
• Giai đoạn II: pha acid ( hình thành acid)
Nhờ vi khuẩn tổng hợp acetat các hydratescarbon → acid phân tử lượng thấp (C2H5
COOH, C3H7 COOH, CH3 COOH…). Các vi khuẩn tham gia trong pha này là:
Bacillusereus, Clostridiumcarnefectium, Pseudomonas.
• Giai đoạn III: hình thành khí mêtan
Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân hủy ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí
CH4, CO2, H2S, N2 ,H2 và muối khống.
Các vi khuẩn tham gia trong pha này: Methanobacterium omelianskii,
Methanoplopionicum, Methanosuboxydans.
2.1.3 Các hầm tạo khí biogas
Hiện nay ở Việt nam đã phát triển nhiều loại hầm biogas. Ngoài những loại hầm biogas
truyền thống được xây bằng xi măng và dạng túi, còn có hầm biogas được làm bằng vật
liệu composite vv….
Khi xây hầm biogas phải xây thật kín đáo tránh việc rị rỉ ra ngoài, nguyên lý hoạt động
của hầm biogas rất đơn giản chỉ gồm 1 đường dẫn phân tươi từ trại chăn ni vào hầm, ở
đó phân tươi bị phân hủy tạo khí mêtan (CH4). Khí mêtan bay lên theo ống dẫn đến các
thiết bị tiêu thụ.
Phân đã được phân hủy đến định mức sẽ theo đường dẫn tràn ra ngoài và hoạt động này
được lặp đi lặp lại tuần hoàn.


22


Hình 2.3 Mơ hình hầm biogas được xây bằng gạch

Hình 2.4 Mơ hình hầm biogas bằng túi nilon
Ở nhiệt độ trung bình vào khoảng 22 - 26 oC, về mùa đơng nhiệt độ thấp
hơn, do đó lượng gas phát sinh thấp hơn nên đối với từng vùng khí hậu mà hầm ủ cho ta
lượng thể tích khí biogas khác nhau.
Lượng biogas phát sinh nhiều hay ít cịn phụ thuộc vào bể chứa sinh khí có vận hành và
sử dụng đúng phương pháp hay không, loại chất thải và tỉ lệ nước – phân. Lượng phân lấy
được từ con người và gia súc gia cầm phụ thuộc vào nguồn thức ăn, sức khoẻ của sinh vật
và đây cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến lượng gas phát sinh mà ta thu được.

23


➢ Giới thiệu về hầm biogas làm bằng vật liệu composite.
- Hầm biogas xây bằng chất liệu nhựa composite có độ bền cao và kín tuyệt đối, vì thế có
thể kiểm tra độ kín ngay sau khi lắp đặt. Khơng gãy nứt, khơng bị rị khí trong điều kiện
móng yếu, khơng bị axit, bazơ ăn mịn…
- Hiệu suất khơng khí của hầm biogas composite cao và chịu được áp suất lớn và kín tuyệt
đối, có khả năng tự động chuyển hố lên men kỵ khí 100%.
- Lắp đặt hầm biogas composite không tốn nhiều thời gian và công nhân lắp đặt.
- Hầm biogas composite có áp lực khí gas cao đến 1,6m cột nước và khả năng tự điều áp
khí gas, gas q nhiều hầm tự động xả khí thơng qua hai cột điều áp khơng cần van an tồn.
- Hầm biogas composite khi sử dụng không phải lấy phân bã ra khỏi bể mà phân đã phân
huỷ hết còn bã tự động đẩy ra ngồi.
- Hầm biogas composite có thể lắp đặt mọi địa hình khác nhau, đặc biệt vùng trũng khi đào

có nước việc lắp đặt rất đơn giản.
- Di chuyển dễ dàng nếu cần thiết.
- Hầm biogas composite có thể lắp đặt thêm nhiều các thiết bị phụ để nâng cao tính hiệu
suất sinh khí như: khử mùi, máy phát điện chạy bằng gas, bình nước nóng chạy bằng gas...
- Thơng thường hầm biogas composite có 3 loại kích thước:
+ Đường kính 1.9m
+ Đường kính 2.25m
+ Đường kính 2.4m

.

24


Hình 2.5 Mơ hình hầm biogas composite
2.1.4 Các tập chất lẫn trọng khí biogas và phương pháp loại bỏ tạp chất
2.1.4.1 Các tạp chất lẫn trong khí biogas
➢ H2S (Hydrogen sulphide)
H2S được hình thành trong hầm khí sinh học do sự chuyển đổi protein của các chất có
chứa lưu huỳnh. Các chất này có thể là protein thực vật hoặc là do dư lượng thức ăn gia
xúc.
Trong quá trình sử dụng, sự hiện diện H2S làm ăn mòn các bộ phận kim loại như: bộ ổn
áp lực, đồng hồ đo lưu lượng khí, van và giá đỡ vv…
Sản phầm của quá trình cháy H2S là SO2 kết hợp với hơi nước sinh ra axit (H2SO4), gây
ăn mòn động cơ, hệ thống thải và các chi tiết tiếp xúc với khí thải. Ngồi ra cịn làm dầu
bơi trơn bị biến chất do SO2 trong sản phẩm cháy và hơi nước hòa tan trong dầu bôi trơn.
2H2S + 𝑂2 → 2H2O + 2S (1)
2H2S + 3O2 → 2H2O +2SO2
SO2 + H2O → H2SO3
2H2SO3 + 3O2 → 2H2SO4


25