THỬ NGHIỆM KHÍ BIOGAS TRÊN ĐỘNG CƠ XE
GẮN MÁY
EXPERIMENTAL STUDY OF SUPPLYING BIOGAS ON
MOTORCYCLE ENGINE
BÙI VĂN GA – NGÔ VĂN LÀNH – NGÔ KIM PHỤNG
Đại học Đà Nẵng
VENET CÉDRIC
Ugif, France
TÓM TẮT
Nhờ sử dụng oxit sắt để hấp phụ H2S và sử dụng nước để hấp thụ CO2, khí biogas được làm giàu thêm
30%, hàm lượng H2S chỉ còn 0,5% so với mẫu khí nguyên thủy. Động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ
kiện GA5 chạy bằng khí biogas đã được tinh luyện này có mức độ phát thải HC khoảng 10% và CO
khoảng 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam.
ABSTRACT
Thanks to the gas filter system, H2S is adsorbed by iron oxide and CO2 is absorbed by water, the
richness of biogas increases 30% and H2S concentration decreases to 0,5% of its original value. The
emission of an 110cc motorcycle engine with gas/gasoline GA5 conversion kit running with this
purified biogas takes only 10% of HC limit and 1% of CO limit according to the Vietnamese emission
regulation.
1. Tổng quan
Nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh từ lâu đã được các nhà khoa học quan
tâm, đặc biệt là từ sau khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng dầu mỏ năm 1973. Cuộc
khủng hoảng sau đó được khắc phục, tuy nhiên nguy cơ của nó vẫn luôn rập rình. Những năm
gần đây, giá dầu thô liên tục gia tăng, có lúc đã vượt ngưỡng 70USD/thùng trong năm 2006.
Mặc dù các nước xuất khẩu dầu mỏ đã sử dụng hết công suất hiện có để sản xuất nhưng cũng
rất khó khăn mới có thể làm hạ nhiệt cơn sốt giá dầu thô. Với mức khai thác như hiện nay, trữ
lượng dầu thô trong lòng đất sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa. Việc chuyển dần sang sử
dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng
lượng của nhiều quốc gia phát triển [2].
Sự gia tăng các nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển kể từ khi nhân loại bước
vào thời kỳ công nghiệp đã đặt ra những vấn đề hết bức xúc về môi trường. Thủ phạm chính
gây ra các chất ô nhiễm trong bầu không khí là sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch (than
đá, dầu mỏ, khí đốt...). Trong khí thải có những chất trực tiếp gây ảnh hưởng đến sức khỏe
con người như CO, HC, NOx, SO2, bồ hóng... và những chất gây tác động xấu đến môi
trường, đặc biệt là CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất. Nhiều hội
nghị cấp cao quốc tế và khu vực đã bàn giải pháp giảm thiểu CO2 trong sản xuất và đời sống
và người ta đã đạt được những thỏa thuận quan trọng trong các công ước quốc tế Kyoto,
LaHaye và Việt Nam cũng đã cam kết thực hiện. Theo các Công ước này các quốc gia cần áp
dụng các giải pháp rút giảm mức độ phát thải CO2 bằng cách nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng, sử dụng các nguồn năng lượng sạch, sử dụng năng lượng tái sinh. Năng lượng tái sinh
có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng nhất.
Cũng như dầu thực vật, khí biogas là nhiên liệu trung hòa CO2 trong khí quyển. Biogas là
kết quả phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Các chất hữu cơ (cây cối,
rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm...), các chất thải từ quá
trình chăn nuôi... Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) và CO2 (25-50%) và các tạp chất
khác như H2S. CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao. 1m3 CH4 khi cháy
tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kwh
điện. Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas có thể cung cấp cho động cơ 1 sức
ngựa chạy trong 2 giờ [1]. Vì vậy nếu khí biogas được lọc sạch các tạp chất thì chúng sẽ là
nguồn nhiên liệu thay thế rất lý tưởng để chạy động cơ đốt trong trên cơ sở các thành tựu đã
đạt được về động cơ sử dụng nhiên liệu khí [5].
Phong trào xây dựng các hầm khi biogas qui mô gia đình và ở các hộ chăn nuôi gia súc ở
nước ta cũng đã được phát triển. Khí biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt.
Kết quả đem lại rất tích cực cả về hiệu quả kinh tế lẫn bảo vệ môi trường. Nguồn khí biogas
nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu, do đó hiện
tượng chặt phá rừng làm chất đốt ở nông thôn phần nào đã được kiểm soát. Tuy nhiên nhu cầu
năng lượng ở nông thôn không phải chỉ dừng lại ở đó. Trong thực tế sản xuất và sinh họat ở
nông thôn hiện nay, những động cơ cỡ nhỏ kéo các máy công tác thông thường như bơm
nước, phát điện, xay xát, máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp... có nhu cầu sử dụng
rất lớn. Sử dụng khí biogas để chạy các loại động cơ này sẽ giúp cho người nông dân tiết
kiệm được chi phí năng lượng, giảm giá thành sản xuất và góp phần tích cực vào việc cải
thiện đời sống người dân.
Trên thế giới người ta đã sản xuất những động cơ cỡ lớn sử dụng khí biogas của các bãi
rác làm nhiên liệu để sản xuất điện năng. Tuy nhiên các động cơ cỡ nhỏ (công suất nhỏ hơn
khoảng 7kW) chạy bằng khí biogas chưa được nghiên cứu phát triển. Từ năm 1995, Bộ môn
Động Lực Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã hình thành nhóm nghiên cứu động cơ sử
dụng nhiên liệu khí. Hơn 10 năm nay, nhóm này đã nghiên cứu thành công và đưa ra thị
trường bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy [3], [4]. Kết quả này
cũng được ứng dụng trên tàu thuyền nhỏ chạy trên sông sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG.
Trên cơ sở những kinh nghiệm và kết quả đã đạt được đối với xe gắn máy chạy bằng ga,
chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo bộ phụ kiện cho phép chuyển đổi động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ
chạy bằng xăng sang chạy bằng khí biogas.
Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn. Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại
chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho nông dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm,
tăng thu nhập cho người dân. Sử dụng động cơ nhiệt chạy bằng khí biogas để kéo máy công
tác trong sản xuất và đời sống ở nông thôn vì vậy có ý nghĩa rất thiết thực. Mặt khác việc sử
dụng nguồn năng lượng này trong sản xuất và đời sống còn góp phần giảm thiểu chất thải, bảo
vệ tài nguyên và môi trường.
2. Khử tạp chất của khí biogas
Thành phần của khí biogas tại một số hầm biogas trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng như
bảng 1.
Bảng 1. Thành phần trung bình khí biogas ở một số cơ sở sản suất
trên địa bàn Đà Nẵng
CH4% CO2% H2S% N2% H2O% H2%
68 22,9 5 3 0,1 1
Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2. H2S sau khi cháy sẽ tạo ra SOx
gây ăn mòn các chi tiết kim loại của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí. Sự hiện
diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Ngoài ra trong biogas còn có
một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không đáng kể đến quá
trình cháy, tuổi thọ của động cơ. Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động
cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất H2S và CO2.
Việc loại bỏ H2S trong thực tế thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ. Trong
phòng thí nghiệm, để khử H2S với hàm lượng bé (như mẫu khí trước khi đưa qua máy phân
tích...) người ta thường dùng oxit kẽm làm chất hấp phụ. Phản ứng khử H2S được viết như
sau:
ZnO + H2S = ZnS + H2O (1)
Khi oxít kẽm bão hòa, người ta thay hoàn toàn vật liệu mới chứ không hoàn nguyên vì
tính kinh tế thấp.
Để khử H2S với qui mô lớn hơn, người ta dùng oxít sắt. Quá trình hấp phụ và nhả hấp
phụ H2S trên oxít sắt được biểu diễn bằng các phản ứng sau:
- Hấp phụ: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O (2)
- Nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S (3)
Tốc độ phản ứng hấp phụ H2S của sắt oxit phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc giữa khí và bề
mặt vật liệu hấp phụ. Do đó để nâng cao tốc độ phản ứng, độ rỗng (xốp) của vật liệu hấp phụ
phải lớn. Điều kiện lý tưởng cho phản ứng hấp phụ H2S bằng oxit sắt là nhiệt độ nằm trong
khoảng 28 ÷ 30oC và độ ẩm của vật liệu hấp phụ khoảng 30%.
Ngoài oxit sắt người ta còn có thể sử dụng quặng bùn có chứa sắt (III) hydroxit để khử
H2S theo phản ứng sau:
3H2S + 2Fe(OH)3 = Fe2S3 +H2O + 62,5 kJ/mol (4)
Phản ứng trên diễn ra tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ 28 ÷ 30oC, độ ẩm vật liệu khoảng
30%. Sau khi bão hòa, vật liệu hấp phụ được hoàn nguyên bằng oxy trong không khí với sự
tham gia của hơi nước. Kết quả thu được là hydroxit sắt và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng:
2Fe2S3 + 3O2 +6H2O = 4Fe(OH)3 + 6S +606 kJ/mol (5)
Thể tích không khí cấp cho quá trình hoàn nguyên được điều chỉnh tuỳ theo nhiệt độ và
hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí đi vào hệ thống lọc. Vật liệu hấp phụ được xem là hết tác
dụng khi hàm lượng lưu huỳnh chiếm 50% khối lượng vật liệu. Lưu huỳnh tích tụ trong vật
liệu hấp phụ dần dần bao bọc các hạt Fe(OH)3 và gây cản trở cho sự thâm nhập của H2S vào
bề mặt của các hạt vật liệu hấp phụ.
Đối với việc loại trừ khí CO2 ra khỏi biogas, phương pháp đơn giản nhất là sử dụng nước
làm chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ của nước đối với CO2 dựa trên các phản
ứng sau:
- Ở nhiệt độ thường: H2O + CO2 H2CO3 (hấp thụ) (6)
- Ở nhiệt độ cao hơn: H2CO3 H2O + CO2 (nhả hấp thụ) (7)
3. Hệ thống xử lý khí biogas để chạy động cơ đốt trong
Sơ đồ công nghệ
của hệ thống khử tạp chất
khí biogas được trình bày
trên hình 1. Trên cơ sở
nguyên lý loại trừ H2S và
CO2 trên đây, trong sơ đồ
này, chúng tôi chọn
phương pháp đơn giản
nhất để thực hiện việc
loại bỏ hai chất trên, đó là
dùng oxít sắt để khử H2S
và dùng nước để khử
CO2. Khí biogas từ bể
sinh khí được dẫn đến bình tách ẩm để ngưng tụ hơi
nước chứa trong nhiên liệu. Sau đó nó được dẫn qua
hệ thống lọc tạp chất. Để khử H2S, chúng tôi sử dụng
phoi tiện sắt làm chất hấp phụ (hình 2). Phoi sắt trong môi trường không khí bị oxy hóa thành
oxít sắt Fe2O3. Quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ theo phản ứng (2), (3). Hệ thống khử H2S
gồm hai bình lọc đặt song song. Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này có thể dừng lại
để hoàn nguyên hay thay thế vật liệu hấp phụ mới mà không gây cản trở cho việc cung cấp
khí biogas. Hoàn nguyên lọc được thực hiện nhờ thổi không khí ấm qua lõi lọc phoi tiện.
Nhiệt lượng cung cấp cho không khí có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của
động cơ.
Sau khi qua bình lọc H2S, khí biogas được dẫn đến hệ thống khử CO2. Hệ thống này
gồm bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ. Khí biogas có chứa CO2 và sương nước chuyển động
ngược chiều trong cột hấp thụ có đường kính 0,25m và chiều cao 3m (hình 3). Sau khi hấp thụ
CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phóng CO2. Nước sạch thu
lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hoàn trở lại trong hệ thống. Nhiệt lượng cung cấp
cho hệ thống này có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ.
Hình 2. Lõi lọc H2S
bằng phoi tiện
Ống PVC
D=0,25m, H=3m
Nước
Biogas+hơi nước
Biogas
Nước + CO2
Quan sát
mực nước
Đệm xốp
Hình 3. Sơ đồ cột hấp thụ CO2
bằng nước
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
Khê chaûy âäüng cå
88.9%CH4
H2O saûch Bçnh
âiãöu
aïp
Bçnh
taïch
áøm
H2O
bäø sung
Láúy máúu thæí
Âãún thiãút
bë taïch
CO2
V-12
Næåïc ræía
chæïa S
GAS HOLDER
V-01
gh
V-16
V-09
V-07
V-05
V-06
V-04
V-03
V-02
V-15 V-14 V-12
V-13
V-11 V-17
V-10
V-08
Næåïc
ræía S
Khäng khê laìm
maït âäüng cå
Khäng
khê noïng
TO WATER
DRAIN
SÅ ÂÄÖ HÃÛ THÄÚNG THIÃÚT BË XÆÍ LYÏ KHÊ BIOGAS
FROM GAS
HOLDER Thiãút bë
háúp phuû Thiãút bë
taïi sinh
Thiãút bë
taïch H2O
Thiãút bë
th iãøn thë H2O
Næåïc
chæïa CO2
Hình 1. Sơ đồ hệ thống lọc tạp chất của khí biogas
Trước khi đưa vào động cơ, khí biogas được dẫn qua bình tách ẩm và bình điều hòa.
Toàn bộ hệ thống thí nghiệm xử lý tạp chất trong khí biogas được giới thiệu trên hình 4.
Kết quả phân tích khí biogas trước khi vào lọc, sau khi qua lọc H2S và sau khi ra khỏi
hệ thống lọc như trên bảng 2. Kết quả này cho thấy hàm lượng CH4 tăng từ 69,33% lên
88,09% (tăng 30% so với giá trị ban đầu) do hàm lượng khí CO2 đã bị nước hấp thụ (giảm từ
20,63% xuống 8,3%). Hàm lượng H2S chỉ còn 0,023%, tức chỉ bằng 0,5% so với hàm lượng
của nó trong khí biogas trước khi qua lọc. Hàm lượng H2S tiếp tục giảm sau khi qua cột hấp
thụ CO2 vì một bộ phận tạp chất này cũng bị nước hấp thụ.
Bảng 2. Thành phần khí biogas sau khi qua lọc
Cấu tử Trước lọc
(%vol) Sau lọc
H2S (%vol) Sau lọc CO2
(%vol)
CH4 69,33 73,243 88,09
CO2 20,63 23,092 8,3
H2S 5,32 0,270 0,023
N2 1,00 1,071 1,26
O2 1,55 0,000 0,000
CO 0,10 0,107 0,132
H2O 0,10 0,107 0,088
H2 1,97 2,110 2,520
TOTAL 100,00 100,00 100,00
Khí biogas sau khi xử lý được cung cấp cho động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ
kiện chuyển đổi nhiên liệu GA5. Hình 5 là ảnh
chụp động cơ xe gắn máy được cung cấp khí
biogas. Kết quả bước đầu cho thấy động cơ làm
việc bình thường, chạy êm và rất dễ khởi động.
Thử nghiệm định tính bằng phanh của xe không
cho thấy sự khác biệt nào về công suất khi xe
chạy bằng biogas và khi chạy bằng LPG.
Kết quả phân tích khí thải động cơ xe gắn
máy chạy bằng biogas được giới thiệu trên bảng
3. Theo TCVN, ở chế động không tải, giới hạn
cho phép của HC là 1200ppm và CO là 4,5%. Nếu
xem chế độ này ứng với khi động cơ làm quay
bánh xe không tải 200 vòng/phút thì khi chạy
bằng biogas, mức độ phát thải của động cơ chỉ
bằng 10% đối với HC và 1% đối với CO so với
giới hạn cho phép của TCVN. Điều này cho thấy
sử dụng biogas để chạy động cơ là rất lý tưởng về mặt bảo vệ môi trường. Tương tự như khi
sử dụng khí thiên nhiên, khó khăn cần phải giải quyết là tìm kiếm công nghệ lưu trữ biogas
Hình 4. Ảnh chụp hệ thống xử lý
H
2
S và CO
2
thí nghiệm
Hình 5. Chạy thử nghiệm biogas trên
động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ
kiện GA5
