CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS

Chia sẻ: Lê Minh Hải | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:32

0
320
lượt xem
138
download

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch), bao gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, …. Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy nhiên biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng cả trên phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS

  1. CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS 2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ BIOMASS 2.1.1. Khái niệm về biomass Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch), bao gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, …. Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy nhiên biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng cả trên phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. Gần đây, nhu cầu về năng lượng cung cấp cho các phương tiện chuyển động ngày càng tăng đồng thời ý thức về môi trường cũng tăng lên trong khuôn khổ toàn cầu đã buộc chúng ta phải suy nghĩ lại về việc sử dụng biomass. Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn. Biomass có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành các dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí. Hình 2.1. trình bày tổng quát các phương pháp sử dụng biomass. Nguồn Biomass: gỗ, thân cây, cành cây, rơm rạ, phân gia Nhiệt súc, năng Các quá trình chế biến: Nhiên nhiệt liệu Điện phân, lên Biomass Máy năng men, yếm phát khí, … điện Động cơ nhiệt Nhiên liệu trung gian: than củi, khí Cơ tổng hợp, khí metan, năng nhiên liệu lỏng, etanol, … Hình 2.1. Các phương pháp sử dụng biomass. Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích lấy ra từ biomass gấp khoảng 6 lần nhu cầu năng lượng hiện nay trên toàn thế giới. Tuy nhiên, để có thể thay thế nhiên liệu hoá thạch bằng năng lượng từ biomass là cả một vấn đề lớn, lâu dài, bởi vì 63
  2. bên cạnh những ưu điểm, việc sử dụng năng lượng từ biomass hiện tại còn gặp một số khó khăn như sau: - Ưu điểm: 1. Rất sẵn có và phân bố rộng khắp trên toàn thế giới. 2. Có thể dự trữ được 3. Có khả năng tái tạo 4. Chuyển đổi dễ dàng 5. Mức đầu tư đa dạng tuỳ thuộc vào công nghệ, có thể giảm đến mức tối thiểu nên phù hợp với mọi đối tượng có mức độ thu nhập khác nhau. 6. Có thể có tính kinh tế trong những điều kiện đặc thù của địa phương, nhất là những đơn vị kinh tế nhỏ có điều kiện vận chuyển phù hợp. 7. Có thể phát triển ở trình độ thủ công. 8. Tạo việc làm và tăng thu nhập. 9. Không gây hại cho hệ sinh thái và an toàn đối với môi trường. 10. Không làm tăng lượng khí nhà kính CO2 trong khí quyển. - Hạn chế: 1. Đòi hỏi diện tích đất sử dụng lớn, cạnh tranh với đất canh tác 2. Nguồn cung cấp không chắc chắn trong thời gian đầu. 3. Yêu cầu chi phí về phân bón, đất và nước. 4. Cồng kềnh, khó khăn trong khâu vận chuyển và dự trữ. 5. Thay đổi thất thường theo điều kiện khí hậu. 2.1.2. Các nguồn nguyên liệu biomass Các nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học bao gồm phế thải nông nghiệp, các loại thực vật cho năng lượng, thực vật biển và tảo. Các nguồn biomass này trải rộng trên toàn cầu và được coi là nguồn nhiên liệu bổ sung quan trọng cho dầu mỏ. a) Nguồn phế thải nông nghiệp - Phế thải thực vật Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định số lượng phế thải thực vật được sản xuất trên nhiều vùng khác nhau. Thông tin thu thập đ ược từ các chương trình nghiên cứu này bao gồm: sản lượng hàng năm, cách sử dụng hiện tại, phương pháp sử dụng đề nghị và những cản trở việc sử dụng phế thải đúng cách. Các phế thải dễ tiếp cận như vỏ trấu, thân, cành cây, lá, cuống hoa, dây leo và rễ luôn là những nguồn năng lượng quan trọng ở vùng nông thôn tại các nước đang phát triển. Số lượng phế thải của mỗi loại cây trồng được ước tính dựa vào hệ số phế thải như trình bày trong bảng 2.1. Khoảng giá trị của mỗi hệ số tương đối rộng do phương pháp thu hoạch khác nhau, đồng thời có thể do số liệu thu thập không chính xác, nhưng một điều hiển nhiên là số lượng phế thải thu được hàng năm là rất lớn. Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây 64
  3. trồng có thể ước tính lượng phế thải sản xuất ở các nước khác nhau và trên toàn thế giới (bảng 2.2). Bảng 2.1. Hệ số phế thải đối với một số cây trồng chính Cây trồng Hệ số phế thải STT 1 Lúa 0,75 – 2,51 2 Lúa mì 1,10 – 2,57 3 Ngô 0,55 – 1,30 Lúa mạch 4 0,82 – 1,50 Yến mạch 5 1,20 – 1,75 Luá miến 6 0,85 – 1,90 7 Khoai tây 0,20 – 0,30 Đậu tương 8 1,10 – 2,60 9 Mía 0,20 – 0,25 10 Bông 1,40 – 3,00 Cải dầu 11 1,85 – 2,0 Bảng 2.2. Sản lượng phế thải của một số loại cây trồng chính trên thế giới Khu vực Tổng sản STT Ngũ Cây Cây Mía % cốc có củ họ đường lượng đậu (Mt) (Mt) (Mt) (Mt) (Mt) 1 Nam Mỹ 430 3 2 5 440 19 2 Châu Âu 330 22 4 - 356 15 3 Liên Xô (cũ) 203 18 8 - 229 10 Mỹ Latin 4 118 9 7 58 192 8 5 Châu Phi 99 15 8 10 132 6 6 Châu Á 836 44 38 54 972 41 Châu Đại Dương 7 29 - - 5 34 1 Các nước phát 8 1035 46 14 13 1108 47 triển 9 Các nước đang 1009 66 53 119 1247 53 phát triển 10 Toàn thế giới 2044 112 67 132 2355 100 Không phải tất cả các loại phế thải đều có thể sử dụng làm nhiên liệu. Phế thải nói chung có rất nhiều công dụng, như làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón, làm nguyên liệu công nghiệp và nguyên liệu chế biến. Cần phân biệt lượng phế thải tổng cộng và lượng phế thải có thể sử dụng được trong thực tế. Một loại phế thải có thể có nhiều công dụng khác nhau. Ví dụ: thân cây lúa (rơm rạ) có thể s ử 65
  4. dụng để che phủ bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động, tăng khả năng trao đổi cation và giảm cacbonic. Năng lượng chứa trong phế thải thực vật có thể tính theo số liệu ở bảng 2.3. Bảng 2.3. Năng suất phế thải từ ngũ cốc ở các nước đang phát triển Năng suất cây trồng Tỷ số cây Sản lượng phế thải trồng/phế (t/ha.năm) (t/ha.năm) Tên nước STT thải Khoảng Khoảng Trung Trung bình bình 1 Lúa 0,7 – 5,7 2,5 1:2 1,4 – 11,4 5,0 2 Lúa mì 0,6 – 3,6 1,5 1:1,75 1,1 – 6,1 2,6 3 Ngô 0,5 – 3,7 1,7 1:2,5 1,3 – 9,3 4,3 Luá miến 4 0,3 – 3,2 1,0 1:2,5 0,8 – 8 2,5 Lúa mạch 5 0,4 – 3,1 2,0 1:2 0,7 – 5,4 3,5 6 Kê 0,5 – 3,7 0,6 1:2 1,0 – 7,4 1,2 Năng lượng thu được từ phế thải của ngũ cốc tính theo đầu người ở một số nước đang phát triển được đánh giá một cách tương đối như trình bày ở bảng 2.4. Bảng 2.4. Năng lượng thu được từ phế thải ngũ cốc ở một số nước trên thế giới Tên nước Năng lượng từ phế thải STT ngũ cốc (GJ/người.năm) 1 Achentina 25,0 2 Thái Lan 9,3 3 Malauy 8,6 4 Brasil 8,1 5 Nepal 7,1 Trung Quốc 6 6,8 Ấn Độ 7 5,5 8 Bănglađet 4,3 9 Ethiopia 3,3 10 Pêru 2,9 11 Somalia 2,1 12 Cônggô 1,1 Trung bình tại các nước đang phát triển 5,6 - Phân động vật là một dạng phế thải quan trọng ở các nước đang phát triển. Cũng như phế thải thực vật, phân động vật có thể được sử dụng theo nhiều cách như bón thẳng ra ruộng, ủ để làm phân hữu cơ hoặc sản xuất khí sinh hoc (biogas). b) Cây trồng làm nhiên liệu 66
  5. - Cây hàng năm: Nhiều loại cây trồng hàng năm có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu như ngô, mía, củ cải đường, … Tỷ số năng l ượng của các loại cây này (là tỷ số giữa năng lượng đầu ra so với tổng năng lượng đầu vào để sản xuất và chế biến một loại nhiên liệu từ biomass) nằm trong khoảng 1 ÷ 17. Tuy nhiên hiện nay việc chế biến nhiên liệu từ sản phẩm của cây trồng hàng năm còn gặp nhiều khó khăn do tính kinh tế thấp và tính cạnh tranh với cây l ương thực. - Cây rừng và cây lâu năm: Mặc dù rất khó đo đếm, nhưng phải thừa nhận rằng nguồn tài nguyên rừng trên thế giới là vô cùng lớn. Theo ước tính, tổng diện tích rừng trên thế giới vào khoảng 3800.106 ha, hàng năm có thể cho 19.109 m3 gỗ với 51% từ các vùng nhiệt đới. Trong tổng sản lượng gỗ nói trên, có 11% đang được sử dụng – 2% cho công nghiệp và 9% làm nhiên liệu. Mặc dù diện tích rừng rất lớn và trải rộng nhưng phân bố không đ ều. Nạn phá rừng đang là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển, và nhiều thảm hoạ đã xảy ra ở những vùng mà tốc độ khai thác gỗ làm củi đun nhanh hơn tốc độ phát triển của cây rừng hàng năm. - Cây lấy dầu: Gần đây người ta quan tâm nhiều đến các cây lấy dầu như hướng dương, đậu tương, lạc, cải dầu, cọ, đậu cọc rào, … Nhiều chương trình nghiên cứu về kỹ thuật sản xuất, ép dầu và tinh chế dầu thực vật làm nhiên liệu đang được tiến hành ở Nam Phi, Brasil, Úc, Mỹ và Đức. c) Cây sống dưới nước: - Cây nước ngọt: Cây nước ngọt rất đa dạng, từ vi tảo đến những cây lớn sống ở đầm lầy như cây đuôi mèo, lan dạ hương, đước… Những loại cây này có thể cho khối lượng lớn biomass, tới hơn 45 tấn/ha.năm. Số liệu về cây nước ngọt hiện còn rất hạn chế. - Cây nước mặn: Tảo khổng lồ được trồng và khai thác nhờ các trang trại trên biển. Hàng năm trên thế giới thu được khoảng 2 triệu tấn loại tảo này, nhưng các chuyên gia ước tính rằng tiềm năng thực tế phải lớn gấp 10 lần con s ố này. Đây là nguồn nguyên liệu lớn để sản xuất khí đốt tự nhiên (methane). Tuy nhiên việc canh tác trên biển đang gặp những khó khăn lớn mà đ ến nay vẫn ch ưa gi ải quyết được. 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS Năng lượng được coi là cơ sở để tạo ra công có ích trong các thiết bị nhiệt. Nhiệt năng là một dạng của năng lượng. Biomass có thể được đốt trực tiếp để sinh nhiệt hoặc chế biến thành các dạng nhiên liệu thuận tiện cho sử dụng, bao gồm nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí. 2.2.1. Sản xuất nhiên liệu rắn từ biomass Nhiên liệu rắn là loại biomass thô bao gồm gỗ, củi, phế thải nông nghiệp và than củi. Đây là loại nhiên liệu chiếm ưu thế ở các nước đang phát triển đ ược s ử dụng để đun nấu đồng thời cho các ứng dụng nhiệt quan trọng khác. 67
  6. Các phương pháp đốt gỗ để tạo than củi được biết đến từ lâu trên thế giới, song phát triển cao nhất trong lĩnh vực này phải kể đến các thiết bị đ ốt gỗ khác nhau, nhất là đốt gỗ cắt đoạn được sử dụng ở Đức và Áo với các giải pháp kỹ thuật hoàn thiện. Đối với các loại nguyên liệu sinh hoá khác nhau thì tuỳ theo yêu cầu mà có thể tạo dạng buồng đốt khác nhau hoặc tiến hành điều chỉnh từng phần. Đối với những hỗn hợp gồm nhiều nguyên liệu khác nhau cũng cần quan tâm đ ến việc s ử dụng hỗn hợp đốt hoặc thiết kế quá trình đốt nối tiếp các nguyên liệu trong một thiết bị mà vẫn giữ nguyên yêu cầu của khí đốt. Kỹ thuật đốt tuần hoàn xoáy theo lớp có những truyền thống. Các thiết bị đốt cây thân thảo (cỏ, thân cây lương thực, …) phát triển mạnh ở Đan Mạch. 2.2.2. Nhiên liệu lỏng từ biomass Nhiên liệu lỏng sản xuất từ biomass gồm ba loại chính: methanol sản xuất bằng việc tổng hợp các chất khí; ethanol là sản phẩm lên men từ đ ường, tinh bột hoặc các chất xenlulô; dầu thực vật được sản xuất từ các loại hạt thực vật có dầu dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Việc sản xuất rượu cồn từ vật liệu sinh học (bioethanol) xuất phát từ thực vật chứa đường, tinh bột hoặc xenlulô. Trọng tâm của phương pháp là một quá trình lên men để phân giải đường. Thực vật chứa đường như mía, củ cải đường là vật liệu có khả năng chuyển hoá thành rượu nhanh nhất. Trong khi đó thực vật chứa xenlulô cần phải qua rất nhiều cấp chuẩn bị để chuyển hoá xelulô thành đường. Trong quá trình lên men thường phải trải qua nhiều cấp mới có thể lấy được rượu. Ở điều kiện khí quyển có thể lấy được rượu 96%. Nếu muốn dùng rượu này để trộn lẫn với nhiên liệu hoá thạch thì cần tách nước còn lại. Đ ể b ổ sung làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cần thêm một cấp xử lý để tăng trị số ốc tan.Nói chung việc sản xuất bioethanol là một quá trình có chi phí lớn làm cho sản phẩm bioethanol có giá thành cao nên hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi. Dầu thực vật để làm nhiên liệu (biodiesel) được sản xuất bằng các phương pháp và thiết bị khác nhau đều có chung một nguyên lý giống như sản xuất dầu ăn. Hiện nay có thể chia làm 2 dạng sản xuất chủ yếu: ép dầu tập trung và ép dầu phân tán. Phương pháp ép dầu tập trung được sử dụng trong các đơn vị sản xuất lớn trong đó có hai cấp chiết dầu: chiết cơ học lấy được khoảng 85% và sau đó là chiết hoá học lấy được khoảng 14%, đạt mức tận thu đến 99%. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu đầu tư lớn. Ngược lại ở những nơi sản xuất phân tán sử dụng dây chuyền rút ngắn với thiết bị nhỏ gọn, mức lấy dầu thấp hơn do bỏ qua công đoạn chiết dầu hoá học. Để tách tạp chất có thể sử dụng các bộ lọc kiểu áp suất hoặc đơn giản hơn là nhờ phương pháp lắng lọc. 2.2.3. Sản xuất nhiên liệu khí từ biomass Nhiên liệu khí là sản phẩm của quá trình hoá khí các nguyên liệu biomass thô thông qua các quá trình hoá học. Biomass thô là hợp chất của xenlulô, lignin và các nguyên liệu khác được tạo thành từ cacbon, hydro và ôxy. Hoá khí là sự chuyển đổi thành phần cacbon trong biomass thành chất khí dễ cháy bằng cách điều khiển tốc độ dòng khí thổi qua lớp vật liệu. 68
  7. Để hoá khí nhiên liệu rắn có 3 phương pháp quen thuộc, đặc điểm của mỗi phương pháp này tuỳ thuộc vào chiều dẫn chất mang nhiệt so với dòng chuyển động của vật liệu, bao gồm: - Hoá khí dòng đều hay dòng xuống. - Hoá khí dòng ngược hay dòng lên. - Hoá khí dòng xoáy theo lớp với các vùng lên và vùng xuống. Quá trình hoá khí dòng đều phù hợp với gỗ nhưng không phù hợp với các loại cây thân thảo do cần thiết phải tạo ra những bối vật liệu và nguy cơ tạo xỉ từ tro. Việc hút khí nóng qua các bối vật liệu dẫn đến khả năng tách nhựa và cacburhydro thành CO, CO2 và H2O, đây là một khả năng có lợi. Hiệu suất của lò hoá khí dòng đều vào khoảng 50 – 80%, nguyên liệu ngoài gỗ cần có hàm lượng nước < 20%. Lò hoá khí dòng ngược làm việc với quá trình hút khí đốt ở vùng vào của vật liệu. Khí đốt nóng tác động làm khô sơ bộ vật liệu vào lò và phần nào làm tách các phần tử lớn dẫn đến làm giàu khí đốt. Lò hoá khí dòng ngược có yêu cầu về hàm lượng nước của vật liệu, về độ tách nhỏ và cấu trúc vật liệu ở khoảng rộng hơn so với hoá khí dòng đều. Loại lò này còn dùng để hoá khí các vật liệu thân thảo, cây lá có sinh khối lớn. Việc ngưng tụ khí đốt ẩm dẫn đến tạo nước, tạo nhựa hoặc axit axetic và các hợp chất khác, cần quan tâm để loại bỏ. Hiệu suất của lò dòng ngược vào khoảng 85%. Quá trình hoá khí dòng xoáy về mặt kỹ thuật hoạt động như quá trình đốt dòng xoáy theo lớp. Yêu cầu đảm bảo dòng vật liệu đều đặn đối với cả chất mang nhiệt và vật liệu dẫn đến chi phí lớn cho thiết bị và cho điều khiển quá trình. Nhiệt độ quá trình cần được giữ đúng ở nhiệt độ hoá tro của nguyên liệu để đảm bảo hoạt động của quá trình. Các quá trình hoá khí và sản phẩm của chúng được trình bày tổng quát trên hình 2.2.. 69
  8. 70
  9. BIOMASS Không Nhiệt Ôxy Hydro Đầu vào khí Hoá khí Hoá khí dùng Hoá khí dùng Hoá khí dùng Kiểu nhiệt phân ôxy hydro không khí hoá khí Sản phẩm Khí năng lượng Khí năng lượng Dầu nhiệt phân Than củi thấp (N2) trung gian trung bình Cơ năng Hơi nước Khí năng lượng Chất lỏng tổng Sản phẩm (động cơ đốt (dùng trong chế hợp Dầu nhiệt phân trung bình và khí cuối cùng biến nhiệt và giàu năng lượng trong) methanol động cơ hơi (đưa vào đường ống ammonia nước) khí đốt) gasoline Hình 2.2. Các quá trình hoá khí và sản phẩm. 63
  10. 2.3. SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOGAS 2.3.1. Khái niệm về biogas Biogas hay khÝ sinh häc lµ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh lªn men ph©n ®éng vËt vµ c¸c phÕ th¶i h÷a c¬ kh¸c. Thµnh phÇn chñ yÕu cña biogas gåm kho¶ng 50-70% Metan vµ 30 - 45% CO2 vµ mét phần nhá chÊt lu huúnh. Tû lÖ gi÷a c¸c chÊt trong hçn hîp phô thuéc vµo lo¹i nguyªn liÖu vµ diÔn biÕn cña qu¸ tr×nh sinh häc. B¶ng 2.5. Thµnh phÇn cña c¸c chÊt khÝ trong biogas Lo¹i khÝ Tû lÖ (%) CH4 50 –70 CO2 30 – 45 N2 0–3 H2 0–3 O2 0–3 H2S 0–3 Mªtan (CH4) lµ thµnh phÇn chñ yÕu cña khÝ sinh häc. Nã lµ chÊt khÝ kh«ng mµu, kh«ng mïi vµ nhÑ b»ng nöa kh«ng khÝ, Ýt hßa tan trong níc. ë ¸p suÊt khÝ quyÓn, mªtan hãa láng ë nhiÖt ®é –161,50c. Khi Mªtan ch¸y sÏ t¹o ra ngän löa mµu l¬ nh¹t vµ táa nhiÒu nhiÖt lîng CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 kJ Qu¸ tr×nh lªn men c¸c phÕ th¶i h÷a c¬ ®Ó t¹o thµnh biogas gåm ba giai ®o¹n sau: Giai ®o¹n 1: Díi t¸c dông cña ezin thñy ph©n c¸c chÊt h÷a c¬ lín ® îc ph©n gi¶i thµnh c¸c chÊt h÷a c¬ ph©n tö nhá nh axit bÐo, axit amin Giai ®o¹n 2: Díi t¸c dông cña vi khuÈn t¹o axit c¸c chÊt h÷a c¬ ph©n tö nhá ®îc ph©n gi¶i thµnh c¸c axit bÐo dÔ bay h¬i. Giai ®o¹n 3: C¸c axit bÐo dÔ bay h¬i ®îc chuyÓn hãa thµnh khÝ CH4 vµ khÝ CO2 nhê c¸c vi khuÈn sinh mªtan (Methanogen). Trong 3 giai ®o¹n trªn th× giai ®o¹n thø 2 vµ giai ®o¹n thø 3 x¶y ra d íi ®iÒu kiÖn yÕm khÝ chÆt chÏ (kÝn hoµn toµn). Cßn ë giai ®o¹n 1 th× nguyªn liÖu ®îc ñ ë bÓ hë. Do ®ã qu¸ tr×nh lªn men c¸c chÊt th¶i h÷u c¬ cã thÓ chia thµnh 2 pha: pha kh«ng kþ khÝ (giai ®o¹n 1) vµ pha kþ khÝ (gåm giai ®o¹n 2 vµ giai ®o¹n 3). Do vËy ®Ó t¹o ra khÝ sinh häc ng êi ta thêng thiÕt kÕ hÇm ñ cho c¶ 2 pha cña qu¸ tr×nh lªn men (2 pha hçn hîp hoÆc cã v¸ch ng¨n 2 pha) hoÆc hÇm ñ nguyªn liÖu ë bÓ hë kho¶ng 1 tuÇn cho pha kh«ng kþ khÝ råi míi chuyÓn xuèng hÇm kÝn. 63
  11. 2.3.2. Nguyên liệu để sản xuất biogas Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt biogas lµ c¸c chÊt th¶i h÷u c¬ nh ph©n ®éng vËt, c¸c lo¹i thùc vËt nh bÌo, cá, r¬m r¹, phÕ th¶i h÷u c¬ sinh ho¹t… Kh¶ n¨ng khai th¸c biogas vµ n¨ng lîng tõ mét sè nguyªn liÖu kh¸c nhau ®îc tr×nh bµy trong b¶ng 2.6. B¶ng 2.6. Kh¶ n¨ng khai th¸c biogas vµ n¨ng lîng cña mét sè vËt liÖu h÷u c¬. STT VËt liÖu Kh¶ n¨ng khai th¸c N¨ng lîng hµm chøa biogas (l/kg v.c.kh«) (kWh/kg v.c. kh«) 1 Th©n lóa m¹ch 200 – 310 1,19 – 1,85 2 Th©n c©y ng« 380 – 460 2,27 – 2,75 3 Th©n c©y khoai t©y 280 – 490 1,67 – 2,93 4 L¸ cñ c¶i ®êng 400 – 500 2,39 – 2,99 5 Rau bá ®i 330 – 360 1,97 – 2,15 6 Ph©n bß 200 – 400 1,19 – 2,39 7 Ph©n lîn 340 – 350 2,02 – 3,28 8 Ph©n gµ 330 – 620 1,97 – 3,70 9 Bïn 310 – 740 1,85 – 4,42 10 PhÕ th¶i lß mæ 1200 – 1300 7,16 – 7,76 11 B· mÝa 450 2,69 12 Vá qu¶ 379 2,21 ViÖt Nam lµ níc cã nguån nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt khÝ sinh häc rÊt ®a d¹ng. Do lµ mét níc n«ng nghiÖp nªn lîng chÊt th¶i h÷u c¬ trong ch¨n nu«i, trång trät vµ sinh ho¹t gia ®×nh lµ rÊt lín. ViÖc x©y dùng c¸c hÇm ñ khÝ sinh häc lµ vÊn ®Ò ®ang ®îc Nhµ níc vµ c¸c ®Þa ph¬ng quan t©m v× nã kh«ng nh÷ng gi¶i quyÕt ®îc vÊn ®Ò m«i trêng mµ cßn t¹o ra ®îc mét lîng lín khÝ sinh häc, mét nguån n¨ng lîng s¹ch vµ rÎ tiÒn phôc vô cho sinh ho¹t gia ®×nh ®em l¹i lîi Ých kinh tÕ ®¸ng kÓ cho c¸c hé n«ng d©n. ViÖc ph©n hñy yÕm khÝ x¶y ra tèt nhÊt khi tû lÖ gi÷a c¸cbon vµ nit¬ (C/N) trong vËt liÖu n»m ë kho¶ng 30 tøc lµ vi khuÈn trong qu¸ tr×nh lªn men sö dông C nhanh h¬n N ®Õn 30 lÇn. Tû lÖ C/N ë mét sè vËt liÖu th«ng th êng ®îc giíi thiÖu ë b¶ng 2.7. B¶ng 2.7. Tû lÖ C/N cña mét sè lo¹i vËt liÖu STT Nguyªn liÖu Tû lÖ C/N 1 Ph©n tr©u, bß 24 – 25 2 Ph©n lîn 12 – 20 3 Ph©n gia cÇm 5 – 15 4 Ph©n ngêi 2,9 – 10 5 BÌo t©y t¬i 12 – 25 64
  12. 6 R¬m r¹ kh«, trÊu 48 – 110 Qua b¶ng 2.7 cho thÊy r¬m r¹ kh« lµ lo¹i nguyªn liÖu cã tû lÖ C/N cao nhÊt do ®ã viÖc thñy ph©n yÕm khÝ x¶y ra rÊt chËm ®«i khi cã thÓ kh«ng thñy ph©n ®îc nh trÊu. Tuy nhiªn ®é chøa N vµ C cã thÓ thay ®æi theo ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn cña thùc vËt hoÆc møc ®é ¨n uèng, chÕ ®é nu«i nhèt cña sóc vËt. Cô thÓ ®èi víi ph©n bß s÷a cã thÓ t¹o ra khÝ sinh häc sau 20 ngµy ñ kho¶ng 200 –250 lÝt khÝ sinh häc trªn 1kg vËt liÖu h÷a c¬ cßn víi ph©n bß thÞt th× ®îc ®Õn 350 – 450 lÝt. Ngoµi ra kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc cßn chÞu t¸c ®éng cña thêi gian ñ. Thêi gian ñ t¨ng sÏ lµm t¨ng kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc. Th«ng thêng theo kinh nghiÖm thùc tÕ th× ngêi ta chän thêi gian ñ lµ 20 ngµy v× nÕu ñ l©u h¬n th× kh¶ n¨ng khai th¸c khÝ sinh häc còng t¨ng lªn rÊt Ýt. 2.3.3. Mét sè yÕu tè ¶nh hëng tíi qu¸ tr×nh s¶n xuÊt khÝ sinh häc Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt khÝ sinh häc chÞu ¶nh h ëng cña rÊt nhiÒu yÕu tè nhng ë ®©y chóng ta chØ xÐt ®Õn nh÷ng yÕu tè quan träng nhÊt cÇn thiÕt nhÊt trong x©y dùng vµ vËn hµnh ®Ó ®¶m b¶o cho thiÕt bÞ ho¹t ®éng tèt nhÊt Møc ®é kþ khÝ: KhÝ sinh häc ®îc sinh ra do ho¹t ®éng cña nhiÒu vi sinh vËt trong ®ã c¸c vi khuÈn sinh mªtan lµ quan träng nhÊt (vi khuÈn methanogen). Nhng vi khuÈn nµy chØ sèng ®îc trong m«i trêng tuyÖt ®èi kh«ng cã «xy (kþ khÝ b¾t buéc). V× vËy ®¶m b¶o m«i trêng ph©n hñy tuyÖt ®èi kþ khÝ lµ mét yÕu tè quan träng ®Çu tiªn. NhiÖt ®é: Ho¹t ®éng cña vi khuÈn sinh mªtan chÞu ¶nh hëng rÊt nhiÒu cña nhiªt ®é m«i trêng. Trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn nhiÖt ®é thÝch hîp nhÊt ®èi víi chóng lµ 30 – 400C. NhiÖt ®é thÊp hoÆc thay ®æi ®ét ngét ®Òu lµm cho qu¸ tr×nh sinh mªtan yÕu ®i. NhiÖt ®é m«i trêng ph©n hñy xuèng díi 100C th× qu¸ tr×nh ph©n hñy gÇn nh dõng l¹i. V× vËy ë nh÷ng vïng l¹nh cÇn ®¶m b¶o c¸ch nhiÖt tèt ®Ó gi÷ Êm cho thiÕt bÞ. ViÖc x©y dùng c«ng tr×nh ngÇm d íi lßng ®Êt lµ biÖn ph¸p tèt ®Ó gi÷ æn ®Þnh nhiÖt ®é cho m«i trêng ph©n hñy. Tû lÖ C/N cña nguyªn liÖu: Tû lÖ gi÷a träng lîng cña C vµ N cã trong thµnh phÇn nguyªn liÖu lµ chØ tiªu ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng ph©n hñy cña nã. Vi khuÈn tiªu thô c¸cbon nhiÒu h¬n nit¬ kho¶ng 30 lÇn. V× vËy tû lÖ C/N cña nguyªn liÖu b»ng 30 lµ tèi u. Tû lÖ qu¸ cao th× qu¸ tr×nh ph©n hñy x¶y ra chËm, ngîc l¹i tû lÖ nµy qu¸ thÊp th× qu¸ tr×nh ph©n hñy ngõng trÖ v× tÝch lòy nhiÒu am«ni¨c lµ mét lo¹i ®éc tè ®èi víi vi khuÈn ë nhiÖt ®é cao. Nãi chung ph©n tr©u, bß vµ ph©n lîn cã tû lÖ C/N thÝch hîp nhÊt, ph©n ng êi vµ ph©n gia cÇm cã tû lÖ C/N thÊp. C¸c nguyªn liÖu thùc vËt cã tû lÖ C/N cao. §Ó ®¶m b¶o tû lÖ C/N thÝch hîp ta nªn dïng hçn hîp c¸c lo¹i nguyªn liÖu ch¼ng h¹n dïng ph©n ngêi, ph©n gia cÇm kÕt hîp víi r¬m r¹ Hµm lîng chÊt kh«: Khi ta sÊy kh« nguyªn liÖu níc sÏ bay h¬i hÕt vµ cßn l¹i lµ phÇn chÊt kh« cña nguyªn liÖu. Hµm lîng chÊt kh« lµ tû lÖ gi÷a träng l- 65
  13. îng chÊt kh« vµ tæng träng lîng cña nguyªn liÖu vµ ®îc tÝnh b»ng phÇn tr¨m (%). Qu¸ tr×nh ph©n hñy sinh mªtan x¶y ra thuËn lîi nhÊt khi m«i tr êng cã hµm lîng chÊt kh« thÝch hîp. §èi víi c¸c lo¹i ph©n hµm lîng chÊt kh« tèi u vµo kho¶ng 7 – 9%. §èi víi bÌo t©y hµm lîng nµy lµ 4 –5%. §èi víi r¬m ra hµm lîng chÊt kh« tèi u lµ 5 –8%. Nguyªn liÖu ban ®Çu thêng cã hµm lîng chÊt kh« cao h¬n gi¸ trÞ tèi u nªn khi n¹p vµo thiÕt bÞ cÇn ph¶i pha thªm n íc. Tû lÖ pha lo·ng thÝch hîp lµ tõ 1 –3 lÝt níc cho 1kg ph©n. Thêi gian lu: Thêi gian lu lµ thêi gian tõ lóc n¹p nguyªn liÖu vµo ®Õn lóc lÊy nguyªn liÖu ra. §èi víi chÕ ®é n¹p liªn tôc nguyªn liÖu sau ph©n hñy ® îc ®Èy dÇn tíi lèi ra do bÞ nguyªn liÖu míi bæ xung chiÕm chç. Thêi gian l u lµ thêi gian nguyªn liÖu ®îc n¹p vµo cho tíi khi bÞ ®Èy ra khái bÓ ph©n hñy vµ thêng ®îc t×nh b»ng tû sè gi÷a thÓ tÝch ph©n hñy vµ thÓ tÝch nguyªn liÖu ®- îc n¹p bæ xung hµng ngµy (®· pha lo·ng). Qu¸ tr×nh ph©n hñy cña nguyªn liÖu trong ®iÒu kiÖn tù nhiªn x¶y ra trong mét thêi gian dµi. §èi víi ph©n ®éng vËt thêi gian nµy cã thÓ kÐo dµi tíi hµng th¸ng. §èi víi nguyªn liÖu thùc vËt thêi gian nµy cã thÓ tíi hµng n¨m. §èi víi c¸c thiÕt bÞ ho¹t ®éng liªn tôc, thêi gian lu cµng lín th× khÝ thu ®îc tõ mét l- îng nguyªn liÖu nhÊt ®Þnh cµng nhiÒu. Song nÕu lµm nh vËy th× thÓ tÝch bÓ ph©n hñy ph¶i lín vµ vèn ®Çu t x©y dùng cao. Nh vËy ngêi ta chän thêi gian lu sao cho trong thêi gian nµy tèc ®é sinh khÝ m¹nh nhÊt. Do ®ã thêi gian thêng ®îc chän c¨n cø vµo thiÕt bÞ cña ®Þa ph¬ng vµ nguyªn liÖu n¹p. C¸c ®éc tè: Ho¹t ®éng cña vi khuÈn chÞu ¶nh hëng cña mét sè hãa chÊt. Khi hµm lîng cña hãa chÊt nµy vît qu¸ giíi h¹n quy ®Þnh c¸c vi khuÈn cã thÓ bÞ tiªu diÖt. Trong thùc tÕ s¶n xuÊt khÝ sinh häc cÇn tr¸nh c¸c ®éc tè hãa häc (thuèc trõ s©u, thuèc s¸t trïng), chÊt kh¸ng sinh, níc xµ phßng, níc nhuém. 2.3.3. Các loại hầm sản xuất biogas §Ó s¶n xuÊt khÝ sinh häc, tríc hÕt cÇn cã hÇm chøa (hÇm ph¶n øng biogas) lµ n¬i ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh t¹o khÝ. Theo quan ®iÓm kü thuËt c«ng nghÖ, hÇm ph¶n øng cã thÓ ho¹t ®éng nh mét thiÕt bÞ lu gi÷. ViÖc n¹p nguyªn liÖu cã thÓ ®îc thùc hiÖn theo 2 c¸ch: N¹p tõng mÎ: Toµn bé nguyªn liÖu ®îc n¹p vµo thiÕt bÞ mét lÇn. MÎ nguyªn liÖu nµy ®îc ph©n hñy dÇn dÇn vµ cho khÝ sö dông. Sau mét thêi gian ®ñ ®Ó cho nguyªn liÖu ph©n hñy gÇn hÕt th× toµn bé mÎ nguyªn liÖu ®- îc lÊy ®i vµ thay thÕ vµo ®ã lµ mét mÎ nguyªn liÖu míi. Th«ng th êng ph¬ng ph¸p nµy ®îc ¸p dông cho c¸c nguyªn liÖu lµ thùc vËt v× chóng ph©n hñy trong thêi gian dµi (thêng tõ 3 – 6 th¸ng) N¹p liªn tôc: Nguyªn liÖu ®îc n¹p ®Çy lóc míi ®a thiÕt bÞ vµo ho¹t ®éng. Sau ®ã nguyªn liÖu ®îc bæ sung thêng xuyªn, khi cã mét phÇn nguyªn liÖu ®· ph©n hñy sÏ ®îc lÊy ®i nhêng chç cho phÇn nguyªn liÖu míi n¹p vµo. Ph- ¬ng ph¸p nµy phï hîp víi ®iÒu kiÖn nguyªn liÖu kh«ng cã s½n ngay mét lóc mµ ph¶i thu gãp h»ng ngµy nh ph©n ngêi, ph©n sóc vËt. 66
  14. Trong thùc tÕ ngêi ta thêng ¸p dông c¶ 2 ph¬ng ph¸p trªn: Nguyªn liÖu thùc vËt ®îc n¹p tõng mÎ, cßn ph©n ngêi vµ ph©n xóc vËt ®îc n¹p liªn tôc h»ng ngµy. Ph¬ng ph¸p nµy gäi lµ b¸n liªn tôc Trong qu¸ tr×nh ph©n hñy chØ cã mét phÇn nguyªn liÖu chuyÓn hãa thµnh khÝ sinh häc, phÇn cßn l¹i ®îc lÊy ra cïng víi níc lo·ng gäi lµ b· th¶i Dùa vµo c¸ch thu tÝch khÝ ngêi ta chia hÇm s¶n xuÊt biogas thµnh hai lo¹i lµ n¾p næi vµ n¾p cè ®Þnh. 2.3.3.1. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi 5 3 4 2 1 H×nh 2.3. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p næi 1. BÓ ph©n hñy; 2. BÓ chøa khÝ; 3. BÓ n¹p nguyªn liÖu; 4. BÓ x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra. Bé phËn chøa khÝ 2 lµ mét n¾p cã d¹ng thïng ®îc óp trùc tiÕp vµo dÞch ph©n hñy (h×nh 2.3) hoÆc vµo mét ®ai níc quanh miÖng bÓ ph©n hñy (h×nh 2.4). KhÝ ®îc tÝch l¹i cµng nhiÒu th× n¾p næi cµng cao. Träng l îng cña n¾p sÏ nÐn vµo khÝ t¹o ra ¸p suÊt. Khi lÊy khÝ ra sö dông n¾p sÏ ch×m dÇn xuèng. Khi n¹p nguyªn liÖu míi qua bÓ n¹p 35th× nguyªn liÖu ®· ph©n hñy sÏ trµn 2 ra qua lèi tho¸t 4. 3 4 1 67 H× 2.3. ThiÕ bÞkhÝsinh häc n¾ næ cã gi¨ ng n- í c nh t pi
  15. Hình 2.4. Hầm sản xuất biogas nắp nổi có gioăng nước. N¾p thêng ®îc chÕ t¹o b»ng s¾t hay xim¨ng cã líi thÐp. Yªu cÇu cña n¾p lµ ph¶i ®¶m b¶o ®é kÝn khÝt. Ngoµi ra träng l îng cña n¾p sÏ t¹o ra ¸p suÊt khÝ. Tuy vËy, nÕu chÕ t¹o n¾p b»ng thÐp th× gi¸ thµnh cao (30 – 40% gi¸ c«ng tr×nh) vµ khã kh¨n khi tù s¶n xuÊt t¹i chç. N¾p thÐp th êng lµm cho dÞch ph©n hñy mÊt nhiÖt vÒ mïa ®«ng nªn n¨ng suÊt gi¶m. Lo¹i cã ®ai n íc h¹n chÕ ®îc nhîc ®iÓm nµy, ®ång thêi kh¾c phôc ®îc níc ma trµn vµo bÓ ph©n hñy khiÕn dÞch ph©n hñy tiÕp xóc víi kh«ng khÝ, kh«ng ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn kþ khÝ. Tuy nhiªn do x©y thªm ®ai níc nªn t¨ng chi phÝ chÕ t¹o. 2.3.3.2. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ®Þnh CÊu t¹o: Bé phËn chøa khÝ 2 vµ bÓ ph©n hñy 1 ®îc g¾n liÒn víi nhau thµnh mét bÓ kÝn. DÞch ph©n hñy ®îc chøa ë díi vµ khÝ ®îc thu gi÷ ë phÝa trªn. KhÝ sinh ra ë phÝa trªn sÏ t¹o ra ¸p suÊt nÐn xuèng mÆt dÞch ph©n hñy, ®Èy mét phÇn dÞch ph©n hñy trµn lªn bÓ ®iÒu ¸p 6 ®îc th«ng víi lèi ra 4 H× 2.5. HÇm s¶n xuÊt biogas n¾p cè ® nh Þnh vßm cÇu. 1. BÓ ph© huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n¹p; n Gi÷a bÒ mÆtng dÉn; 5. Cöa lÊy khÝ ra; 6. Cöa th¶i b·.kh«ng khÝ cã mét 4. è dÞch ph©n hñy vµ mÆt tho¸ng ë ngoµi ®é chªnh lÖch nhÊt ®Þnh, thÓ hiÖn ¸p suÊt khÝ trong thiÕt bÞ. KhÝ tÝch l¹i cµng nhiÒu th× ®é chªnh lÖch nµy cµng lín. Khi lÊy khÝ sö dông dÞch ph©n hñy tõ bÓ ®iÒu ¸p l¹i dån vµo bÓ ph©n hñy vµ ®Èy khÝ ra ngoµi, ¸p suÊt khi ®ã sÏ gi¶m dÇn tíi 0. 68
  16. ThiÕt bÞ n¾p cè ®Þnh cã thÓ x©y dùng b»ng nh÷ng vËt liÖu th«ng th- êng nh g¹ch, c¸t, xim¨ng… nªn gi¸ thµnh h¹ h¬n. Ngoµi ra cã thÓ ®Æt ch×m díi mÆt ®Êt nªn ®ì tèn diÖn tÝch h¬n vµ gi÷ æn ®Þnh ®îc nhiÖt ®é. ThiÕt bÞ lo¹i nµy cã thÓ t¹o ®îc ¸p suÊt khÝ cao ( tíi 100cm cét níc) nªn khÝ dïng rÊt cã hiÖu qu¶. Ngoµi ra cßn cã hÇm s¶n xuÊt biogas tói chÊt dÎo, ®ã lµ biÕn thÓ cña n¾p cè ®Þnh. ¸p suÊt khÝ t¹o ra do ®é ®µn håi cña vá tói nªn kh«ng cÇn ph¶i cã bÓ ®iÒu ¸p nhng l¹i cÇn cã träng vËt ®Ì lªn tói. Lo¹i nµy cã gi¸ thµnh h¹ nh- ng tuæi thä ng¾n. Trong sè c¸c lo¹i hÇm ñ khÝ sinh häc, lo¹i n¾p cè ®Þnh vßm cÇu lµ lo¹i cã nhiÒu u ®iÓm nhÊt vµ ®ang ®îc øng dông réng r·i t¹i ViÖt Nam v× thiÕt bÞ nµy cã mét sè u ®iÓm sau: - Vßm cÇu cho phÐp tiÕt kiÖm vËt liÖu tíi møc tèi ®a v× cïng mét thÓ tÝch th× diÖn tÝch bÒ mÆt nhá nhÊt vµ chÞu lùc khoÎ nhÊt nªn bÒ dµy cña t - êng gi¶m tíi møc thÊp nhÊt( g¹ch ®îc x©y nghiªng). Ngoµi ra chØ sö dông c¸c vËt liÖu th«ng thêng, h¹n chÕ sö dông s¾t thÐp t¬Ý møc tèi ®a. Nhê vËy gi¸ thµnh h¹ - BÒ mÆt gi÷ kÝn lµ ®íi cÇu cã diÖn tÝch nhá nhÊt vµ liªn tôc, kh«ng cã gãc c¹nh nªn dÔ ®¶m b¶o kÝn khÝ vµ tr¸nh ®îc sù r¹n nøt vÕ sau nµy. - BÓ ph©n huû cã bÒ mÆt nhá, ®îc ®¹t ngÇm díi ®Êt nªn h¹n chÕ ®îc sù trao ®æi nhiÖt gi÷a dÞch ph©n huû vµ m«i trêng xung quanh, gi÷ nhiÖt ®é æn ®Þnh, Ýt chÞu ¶nh hëng cña thêi tiÕt l¹nh vÒ mïa ®«ng. - ThiÕt bÞ ®îc ®Æt ngÇm nªn dÔ vËn hµnh vµ Ýt tèn diÖn tÝch mÆt b»ng. - §îc thiÕt kÕ b»ng m¸y tÝnh, c¸c kÝch thíc ®îc tÝnh to¸n sao cho diÖn tÝch x©y dùng nhá nhÊt ®Ó tiÕt kiÖm vËt liÖu tèi ®a, c¸c chi tiÕt ®Òu ®îc c¶i tiÕn trªn c¬ së 10 n¨m tuæi cña kiÓu nhiªn liÖu. HiÖn nay c¸c hÇm ñ lo¹i nµy ®îc x©y dùng phæ biÕn ë níc ta, c«ng suÊt cña chóng th«ng thêng tõ 1 – 10 m3. Lîng biogas t¹o ra chñ yÕu ®îc dïng lµm chÊt ®èt phôc vô sinh ho¹t gia ®×nh. Tuy nhiªn biogas lµ mét lo¹i khÝ láng nªn kh«ng thÓ lu gi÷ sö dông l©u dµi hay nÐn vµo trong c¸c b×nh ¸p suÊt. ChÝnh v× vËy viÖc nghiªn cøu ®Ó ®a lo¹i khÝ nµy vµo sö dông trong c¸c môc ®Ých kh¸c ®ang lµ vÊn ®Ò cÇn thiÕt vµ cÇn ®îc quan t©m bëi v× nã võa gi¶i quyÕt ®îc vÊn ®Ò m«i trêng do xö lý ®îc c¸c chÊt th¶i g©y « nhiÔm , võa tiÕt kiÖm ®îc mét nguån n¨ng lîng ®¸ng kÓ. H× 2.6. ThiÕt bÞ khÝ sinh häc kiÓu tói chÊt dÎo nh 69 1. BÓ ph© huû; 2. Bé phËn chøa khÝ; 3. Cöa n n¹p; 4. Cöa x¶; 5. Cöa lÊy khÝ ra
  17. 2.3.4. Sử dụng biogas trong sản xuất và đời sống Biogas sản xuất ra được sử dụng làm nhiên liệu phục vụ sản xuất và đ ời sống. Tuỳ theo qui mô của thiết bị sản xuất biogas mà sản lượng cung cấp và phương thức sử dụng sẽ khác nhau. Đơn giản nhất là sử dụng trực tiếp biogas từ hầm phản ứng để đun nấu trong một gia đình. Phức tạp hơn là cung cấp biogas cho mạng lưới sử dụng nhiên liệu khí phục vụ sinh hoạt của một khu chung c ư hay một khu vực nào đó, hoặc để chạy máy phát điện cung cấp điện năng và nhiệt năng cho một đơn vị sản xuất. Trong sản xuất nông nghiệp, nếu thiết bị đ ược thiết kế hợp lý có thể vừa sản xuất biogas làm nhiên liệu lại vừa sản xuất phân hữu cơ bón ruộng. 2.3.4.1. Đun nấu bằng biogas trong gia đình Để sử dụng biogas trực tiếp từ hầm sản xuất của gia đình cần có bếp đun dùng biogas. Loại bếp này có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.Dưới đây giới thiệu một loại bếp đơn giản có năng suất tiêu thụ biogas 380 – 450 l/h với hiệu suất nhiệt 50 – 55%. Hình 2.7. Sơ đồ bếp đun dùng biogas đơn giản. Các thông số cơ bản của bếp biogas đơn giản: - Đường kính vòi phun khí: 2,25 mm - Diện tích vòi phun: 3,98 mm2 - Đường kính vòi lửa: 6 mm - Số vòi lửa: 20 70
  18. Tổng diện tích vòi lửa: 565 mm2 - Chiều đài ống trộn khí: 200 mm - Đường kính ống trộn khí: 20 mm - Bếp được thiết kế sao cho biogas trộn lẫn với không khí trong ống trộn trước khi đến vòi lửa với tỷ lệ đủ lớn để đảm bảo không có mùi lạ, ngọn lửa sẽ có màu xanh. Tổng diện tích các vòi lửa lớn hơn diện tích miệng vòi phun khoảng 80 – 200 lần. Khoảng cách từ vòi lửa đến đáy nồi cần cao khoảng 2,5 cm để tạo điều kiện cho không khí xung quanh tràn vào đảm bảo cháy hết biogas. Nếu muốn bếp có công suất khác có thể tự điều chỉnh chế tạo trên cơ sở các thông số nói trên. 2.3.4.2. Sản xuất biogas và phân hữu cơ trong một trang trại Trên thế giới đã có rất nhiều nông dân sử dụng phân gia súc để sản xuất biogas đồng thời tự sản xuất phân hữu cơ chất lượng cao phục vụ sản xuất nông nghiệp. Để tăng hiệu quả và tính kinh tế của thiết bị không những người ta quan tâm đến việc xử lý kỹ thuật cho thiết bị cũng như khả năng thu gom vật liệu (tính tập trung và thường xuyên) mà còn nghiên cứu cả khả năng và nhu cầu sử dụng năng lượng và phân bón. Đối với một trang trại, mô hình đáng được quan tâm nhất là mô hình sản xuất và sử dụng biogas – phân hữu cơ khép kín. Ngoài việc quan tâm đến khả năng tận thu biogas, trong các mô hình này người ta còn quan tâm đến những tác động hữu ích khác qua việc lựa chọn thiết kế thiết bị biogas. Ở đây có thể kể đến việc giảm mùi hôi của phân đã qua ủ tạo khí, sử dụng tốt hơn chất Nitơ cho cây trồng nhờ tăng thành phần NH 4(NO3)2, các tính chất vệ sinh tốt hơn và việc giảm khả năng nảy mầm của cỏ dại. Do trong các thiết bị biogas chỉ có các liên kết hữu cơ dễ phân huỷ được chuyển đổi thành biogas còn các chất có liên kết bền hơn và các chất dinh dưỡng cho cây trồng được giữ nguyên vẹn nên công nghệ biogas cũng là một công nghệ sản xuất phân hữu cơ có nhiều ưu điểm. Biogas được sử dụng hiệu quả hơn nếu kết hợp để chạy máy phát điện, khi đó tạo được cả điện năng và nhiệt năng. Các hầm chứa phân đã phân huỷ không chỉ hoạt động như là thiết bị chứa trực thuộc thiết bị biogas mà còn là một thiết bị sản xuất phân bón cho nông nghiệp. Trên hình 2.8 giới thiệu một mô hình sản xuất và sử dụng biogas và phân hữu cơ. Mô hình này thực hiện chu trình luân chuyển khép kín của vật liệu và năng lượng. Phân từ các chuồng trại chăn nuôi được thu gom vào các kênh gom qua bộ phận trao đổi nhiệt được hâm nóng đến nhiệt độ thích hợp rồi đưa vào hầm phản ứng. Tại hầm phản ứng xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí. Biogas được tạo ra trong hầm phản ứng được dẫn đến để chạy máy phát điện. Điện năng và nhiệt năng sau khi đã trích một phần để làm nóng và bơm khuấy trong hệ thống có thể sử dụng phục vụ nội bộ trang trại hoặc bán ra ngoài. Phân đã phân huỷ được gom lại ở bể chứa phân sau đó được xử lý thành phân hữu cơ bón cho cây trồng. 71
  19. Hình 2.8. Sơ đồ hoạt động của một hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ trong một trang trại nông nghiệp. Trong 1m biogas với hàm lượng methan 60% ẩn chứa một năng lượng 6kWh 3 được biến đổi nhờ máy phát điện thành điện năng và nhiệt năng. Trong đó có thể sử dụng được 1,8 kWh là điện năng và 3,6 kWh là nhiệt năng, nghĩa là với hi ệu suất 90%. Có 50% nhiệt năng lấy ra được sử dụng để làm nóng phân ( ở các vùng lạnh), chiếm 30% năng lượng. Rõ ràng trong hệ thống luôn dư thừa nhiệt năng, do đó cần tìm những giải pháp hợp lý để sử dụng hết nhiệt năng được tạo ra. 2.3.4.3. Sản xuất biogas và phân hữu cơ từ hỗn hợp phân gia súc và các chất thải hữu cơ khác Để tận dụng tất cả các loại phế thải hữu cơ khác nhau người ta đã tiến hành nghiên cứu thiết kế những hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ mà có quan tâm đến tính chất phân huỷ khác nhau của các dạng nguyên liệu khác nhau. Đối với các nguyên liệu đơn lẻ như phân gia súc, chất thải sinh hoạt thì quá trình sản xuất 72
  20. cũng như kỹ thuật về thiết bị đã tương đối hoàn thiện và chắc chắn, còn mức độ hiểu biết về hỗn hợp nguyên liệu hữu cơ vẫn còn quá ít ỏi. Tại Đ ức người ta đã đưa ra một mẫu hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ từ nguyên liệu là hỗn hợp phân gia súc và các chất thải hữu cơ khác từ công nghiệp thực phẩm như mỡ thải, máu gia súc, chất thải trong công nghệ ép hạt cải dầu, … Sơ đồ hoạt động của hệ thống được giới thiệu trên hình 2.9. Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống biogas sử dụng nguyên liệu hỗn hợp. Quá trình sản xuất biogas dựa trên nguyên lý làm việc của hầm phản ứng có cánh khuấy truyền thống với vùng nhiệt độ mesophil 30 – 350C. Hai hầm phản ứng R1 và R2 có dạng hình trụ với bộ phận truyền nhiệt đặt trong, hầm cách nhiệt ngoài và có lắp bộ phận khuấy. Nguyên liệu chính cung cấp cho thiết bị là phân từ các chuồng trại chăn nuôi có thành phần chất khô trung bình 5,3%. Ba hầm hình trụ S1, S2 và S3 dùng để chứa các nguyên liệu hữu cơ khác nhau. Hầm S2 chủ yếu để chứa nguyên liệu chứa mỡ, hầm S3 chủ yếu chứa nguyên liệu từ chất thải bẩn và chất thải vệ sinh của các bếp ăn, hầm S1 luôn chứa nguyên liệu từ phân gia súc và có thể bổ sung chất thải của công nghệ ép dầu hạt cải. Việc phân l ớp phản ứng biogas với ba loại nguyên liệu khác nhau được thực hiện theo một chương trình thời gian, điều đó tạo khả năng định lượng các tỷ lệ hỗn hợp khác nhau. Đối với hỗn hợp đã phân huỷ người ta bố trí các hầm lưu trữ, tại đó hỗn hợp được xử lý thành phân hữu cơ và sử dụng trực tiếp để bón cho cây trồng. Biogas sản xuất ra được tách lưu huỳnh tại hai tháp xử lý trước khi đưa đến sử dụng cho một trạm phát nhiệt điện. Tuy trên đây là một hệ thống qui mô lớn, đầu tư lớn có thể nói chưa phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta, song có thể nhìn nhận như là một kinh nghiệm, một thông tin về khả năng sản xuất biogas ở những nơi có nguồn nguyên liệu tập trung lớn và đa dạng. 73

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản