BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM T P. HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
*************
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT 10 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS
Ủ TỪ PHÂN HEO
NGÀNH HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Niên khóa: 2003-2007
Sinh viên thực hiện: ĐẶNG BÌNH AN



Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện
TS. DƢƠNG NGUYÊN KHANG ĐẶNG BÌNH AN

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 9/2007
iii
LỜI CẢM TẠ

Em xin chân thành cảm tạ:
 Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban
chủ nhiệm Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền
đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tại trường.
 TS.Dương Nguyên Khang Khoa Chăn Nuôi Thú Y đã hết lòng hướng dẫn,
giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
 Th. S Nguyễn Đình Hùng Bộ môn Ô tô – máy động lực trường Đại học Bách
Khoa đã hết lòng hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
 Gia đình anh Huỳnh Công Bằng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình

2.1.4.1. Điều kiện kỵ khí tuyệt đối .............................................................................. 5
2.1.4.2. Nhiệt độ .......................................................................................................... 5
2.1.4.3. Ẩm độ ............................................................................................................. 6
2.1.4.4. pH ................................................................................................................... 6
2.1.4.5. Thời gian ủ ..................................................................................................... 6
2.1.4.6. Hàm lượng chất rắn........................................................................................ 6
2.1.4.7. Thành phần chất dinh dưỡng ......................................................................... 6
2.1.4.8. Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men ................................................. 7
v
2.1.5. Ảnh hưởng của biogas đến môi trường............................................................. 8
2.1.5.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn ......................................................... 8
2.1.5.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố ...................................................... 8
2.1.5.3 Giảm phát thải khí nhà kính ............................................................................ 9
2.1.6. Tính chất của khí biogas ................................................................................... 9
2.1.6.1. Tính chất vật lý ........................................................................................... 9
2.1.6.2. Tính chất hoá học ..................................................................................... 10
2.1.7. Tiềm năng và ứng dụng của biogas ................................................................ 12
2.1.7.1.. Tiềm năng phát triển của biogas ............................................................. 12
2.1.7.2. Ứng dụng .................................................................................................. 13
2.1.8. Một số hầm ủ yếm khí tạo biogas hiện nay .................................................... 14
2..1.8.1. Hầm ủ dạng vòm ..................................................................................... 14
2.1.8.2. Dạng hầm giếng có khoang chứa gas nổi ................................................. 14
2.1.8.3. Dạng hầm ủ túi dẻo .................................................................................. 14
2.1.8.4. Hầm ủ dạng bê tông composit .................................................................. 14
2.2. Lý thuyết cơ bản về động cơ đốt trong .................................................................. 14
2.2.1. Định nghĩa ....................................................................................................... 14
2.2.2. Khái niệm động cơ đốt trong 4 kỳ .................................................................. 15
2.2.3. Cấu tạo động cơ đốt trong ............................................................................... 16
2.2.3.1.. Bộ phận phát lực ..................................................................................... 16
2.2.3.2 Bộ phận đánh lửa....................................................................................... 17

4. Kết quả và thảo luận ....................................................................................................... 26
4.1. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu
điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải ............................................. 26
4.2 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu
điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải. ................................................... 30
4.3. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng biogas ..................................................................... 35
5. Kết luận và đề nghị ........................................................................................................ 37
5.1. Kết luận .................................................................................................................. 37
5.2. Đề nghị .................................................................................................................. 37
6. Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 38
vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG

TÊN BẢNG TRANG
Bảng 2.1. Thành phần hoá học khí biogas ..................................................... 4
Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí ..................... 7
Bảng 2.3. Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí ................ 7
Bảng 2.4. Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas ...................................... 8
Bảng 2.5. Bảng thống kê số lượng khí biogas sinh ra từ phân gia súc ......... 12
Bảng 2.6. Bảng thống kê số lượng phân trong ngày của gia súc .................. 12
Bảng 2.7. Hàm lượng các chất trong khí thải động cơ ................................. 21
Bảng 4.1. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ
khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải ....... 27
Bảng 4.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2
đối với động cơ xăng .................................................................... 26
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ
khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải. ............ 31
Bảng 4.4. Bảng giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng .......... 35
Bảng 4.5. Bảng giá thành một số loại hầm biogas ........................................ 35
viii

của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải ...................... 33
1

Chƣơng 1. MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu cầu năng lượng về
dầu mỏ nhằm đáp ứng nhu cầu cho các hoạt động sống của con người ngày càng lớn,
nhưng khả năng cung cấp nó thì ngày càng giảm. Người ta dự tính khoảng 100 năm
nữa nguồn năng lượng từ thiên nhiên như dầu mỏ, than đá … sẽ cạn kiệt. Đây thật sự
là một thách thức to lớn đối với toàn thể ngành năng lượng của thế giới mà trong đó có
Việt Nam. Vậy làm sao có nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng
truyền thống là điều mà nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu ứng
dụng từ lâu. Riêng đối với Việt Nam là một nước đang phát triển, đời sống nhân dân
còn nhiều khó khăn cộng với những vấn đề về môi trường nên nguồn năng lượng mới
phải đáp ứng thêm hai yêu cầu sạch và rẽ tiền.
Phân tích đặc điểm của nền kinh tế, và phát triển khoa học kỹ thuật của đất
nước, chúng ta nhận thấy Việt Nam là nước đang trong giai đoạn công nghiệp hoá,
hiện đại hoá có nền nông nghiệp phát triển. Trong đó chăn nuôi quy mô lớn ngày càng
phát triển, vì thế số lượng chất thải vô cùng lớn. Hiện nay người dân thường sử dụng
phân chuồng bón cho cây trồng hoặc dùng làm thức ăn cho cá, gia súc… Điều đó rất
có hại cho môi trường và lãng phí bởi vì phân bò, phân heo khi cho ủ lên men trong
điều kiện yếm khí sẽ tạo ra một lượng khí mêtan (CH
4
) có thể dùng để đốt cháy như
khí gas thiên nhiên. Ngoài ra, thiết kế hệ thống biogas còn giúp giảm đáng kể tác hại ô
nhiễm môi trường do chăn nuôi. Hơn nữa, khí mêtan cũng có thể được sử dụng để sản
xuất nguồn năng lượng quan trọng khác là năng lượng điện. Trên cơ sở đó, được sự
đồng ý của bộ môn Công nghệ sinh học và sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Dương
Nguyên Khang, chúng tôi tiến hành đề tài: “Bƣớc đầu khảo sát hoạt động của máy
phát điện loại 10 kVA chạy bằng nhiên liệu khí biogas đƣợc ủ từ phân heo”.

) được mệnh
danh là nhiên liệu sạch, có nhiệt trị cao. Một m
3
CH
4
khi đốt cháy toả ra một nhiệt
lượng tương đương với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng; 1,17 lít cồn; hay 9,7 kW điện [9].
Ở Việt Nam đến cuối thập niên 70 thì biogas mới bắt đầu được chú ý, do tình
hình thiếu hụt năng lượng và xu hướng đi tìm nguồn năng lượng mới, trong đó sự phát
triển khí sinh học từ hầm ủ được đặc biệt chú ý. Tuy nhiên, đến những năm gần đây,
túi ủ khí làm bằng nylon mới thực sự phát triển và được áp dụng rộng rãi trên cả nước.
Ưu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình chăn nuôi hộ gia đình. Hệ
thống biogas đã xử lý rất tốt nguồn nước thải trong chăn nuôi, cung cấp nước tưới sạch
và phân bón tốt cho trồng trọt. Bên cạnh đó, người dân có thể tận dụng nguồn khí
mêtan làm khí đốt cho gia đình cũng như làm nguồn nhiên liệu cho các động cơ nhỏ
như: máy phát điện, mô tơ…góp phần nâng cao kinh tế cho nhà nông.
Biogas là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau gồm mêtan (CH
4
), cacbon dioxit
(CO
2
), hydro sulfit (H
2
S), nitơ (N
2
), và một lượng nhỏ các tạp khí khác. Hỗn hợp các
loại khí trên sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường yếm
khí [2].
; 25 - 40% CO
2

là một nguồn nguyên liệu mới thay thế cho than, củi, dầu… không để lại muội than
hoặc tro bếp nên việc làm vệ sinh dụng cụ nấu nướng cũng dễ dàng hơn, nâng cao chất
lượng cuộc sống cho con người. Khí biogas cháy hoàn toàn và có hiệu suất cao hơn
trong các lò đốt dầu tạo nhiệt, bởi vì nhiên liệu dầu đốt lò cần phải phun dầu trước khi
đốt. Người ta ghi nhận rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong lúc
của khí mêtan là 35,9 MJ/m
3
. Như vậy 1,1 m
3
mêtan có thể thay thế 1 lít dầu HFO.
Tuy nhiên, trong thực tế do hiệu suất đốt lớn hơn trong lò đốt dầu nên chỉ cần 1 m
3

mêtan là đủ thay thế cho 1 lít dầu HFO [7].
2.1.2.2. Phân bón
Thành phần của cặn nước thải sau khi qua hệ thống biogas có các chất dinh
dưỡng thấp hơn được dùng làm phân bón hoặc làm thức ăn cho cá. Đặc biệt theo một
số nghiên cứu cho thấy số lượng ấu trùng và giun sán giảm rõ rệt so với phân tươi, do
đó an toàn hơn khi dùng nước thải này để tưới cây.
2.1.3. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas
Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều
phản ứng, cuối cùng tạo ra CH
4
và CO
2
và một số chất khác. Quá trình này được thực
hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác động của các vi sinh vật yếm khí để

0
C - 30
0
C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Nhóm vi khuẩn sinh khí
6

mêtan rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Nhiệt độ thay đổi cho phép
hằng ngày là 1
0
C (UBKHKT Đồng Nai - 1989).
2.1.4.3. Ẩm độ
Ẩm độ cao hơn 96 % thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo
ra ít. Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 - 96 %.
2.1.4.4. pH
pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi sinh vật tạo khí
mêtan. Vi khuẩn sinh khí mêtan ở pH 4,5 - 5 (Young Fu, 1989), khi pH > 8 thì hoạt
động của vi sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991).
2.1.4.5. Thời gian ủ
Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra. Với nhiệt độ, độ pha
loãng, tỉ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày
(UBKHKT Đồng Nai, 1989).
2.1.4.6. Hàm lƣợng chất rắn
Hàm lượng chiếm dưới 9 % thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt. Hàm lượng chất rắn
thay đổi trong khoảng 7 - 9 % và phụ thuộc vào khả năng sinh gas tốt hay xấu. Ở Việt
Nam vào mùa khô nhiệt độ cao sự phân hủy tốt, nên hàm lượng chất rắn trong bình
giảm, vì thế việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận được và ngược lại
(UBKHKT Đồng Nai,1989).
2.1.4.7. Thành phần dinh dƣỡng
Để dảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường, liên tục thì phải cung cấp
đầy đủ nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Thành phần

Bảng 2.3. Hàm lƣợng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí [2]
Tên hóa học Hàm lượng
SO
4
2-
5.000 ppm
NaCl 40.000 ppm
NO
2
5 mg/100 ml
Cu 100 mg/l
Cr 200 mg/l
Ni 200 - 500 mg/l
CN
-
25 mg/l
Alkyl benzen sulfonate 20 - 40 ppm
NH
3
1.500 - 3000 mg/l
Na 3.000 - 5.500 mg/l
K 2.500 - 4.500 mg/l
Ca 2.500 - 4.500 mg/l
Mg 1.000 - 1.500 mg/l
Ngoài các yếu tố trình bày ở trên lượng gas sinh ra còn phụ thuộc vào một số
yếu tố khác như chiều dài và chiều rộng túi ủ, loại phân…
8

2.1.5. Ảnh hƣởng của biogas đến môi trƣờng
2.1.5.1. Cải thiện vệ sinh môi trƣờng nông thôn


Trứng ký sinh trùng (trứng/g) 2.750 105 - 175

2.1.5.2. Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố
Xử lý kỵ khí ở quy mô tập trung lớn các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao
như rác thải, nước cống sinh hoạt, nước thải các lò mổ các trại chăn nuôi tập trung, các
nhà máy rượu bia… có nhiều ưu điểm như diện tích đất sử dụng nhỏ, ít để lại cặn bùn,
không tiêu tốn nhiều năng lượng… Ngoài ra, nó còn thu hồi được khí sinh học để phục
vụ chạy máy phát điện. Nước rác được xử lý bằng bể phản ứng khí sinh học khắc phục
được ô nhiễm do nước rác thấm vào đất.

2.1.5.3. Giảm phát thải khí nhà kính
Các chất thải hữu cơ trong điều kiện tự nhiên sẽ bị phân hủy một phần là kỵ khí
cho ra mêtan phát tán vào khí quyển. Khí mêtan là khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn
khí cacbonic. Một tấn khí mêtan tương đương 21 tấn khí cacbonic về hiệu ứng nhà
9

kính. Nếu các chất thải hữu cơ này phân hủy kỵ khí trong các hầm ủ thì mêtan sẽ được
thu lại làm nhiên liệu. Khi bị đốt cháy mêtan chuyển hóa thành cacbonic. Một tấn
mêtan sẽ chuyển hóa thành 2,75 tấn khí cacbonic. Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà
kính giảm đi 7,6 lần. Ngoài ra, sử dụng khí sinh học thay thế cho củi sẽ bảo vệ rừng là
nguồn hấp thụ cacbonic cũng như chống xói mòn bảo vệ đất [7].
Lượng CO
2
này sẽ được cây xanh hấp thụ chuyển hóa thành tinh bột dưới tác
dụng của ánh sáng mặt trời rồi cung cấp trở lại cho động vật. Chất thải thu được từ
động vật chính là nguyên liệu cung cấp cho hệ thống biogas. Lượng nước thải sau khi
xử lý bằng hệ thống biogas cũng được sử dụng để bón cho cây trồng giảm nguy cơ ngộ
độc cho con người khi dùng những sản phẩm của cây trồng như rau, hoa quả… Tất cả
được thể hiện qua sơ đồ 2.2.