ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG -------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NÉN KHÍ BIOGAS Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc Tiến Lớp: 09C4LT Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng Giáo viên duyệt: TS. Dương Việt Dũng Đà Nẵng, tháng 06 năm 2011 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do- Hạnh phúc ------------------------------- KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG BỘ MÔN MÁY ĐỘNG LỰC NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : LÊ NGỌC TIẾN Lớp : 09C4LT, Khoá: 09 Ngành : Cơ khí Động lực 1. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế hệ thống nén khí Biogas 2. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU Theo tài liệu nhà chế tạo và số liệu đo thực tế ở hầm Biogas. 3. NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN 1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu. 2. Tìm hiểu tính chất của nhiên liệu khí Biogas. 3. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm PRO/II tính toán quá trình nén khí Biogas. 4. Thiết kế lắp đặt trạm hệ thống nén khí Biogas. 5. Thử nghiệm trạm nén khí Biogas. 6. Đánh giá máy nén và hệ thống nén. 7. Kết luận đề tài. 4. PHẦN BẢN VẼ (A3) 1 Bản vẽ sơ đồ hệ thống nén khí Biogas 01A 3 2 Bản vẽ bố trí các chi tiết máy nén XF-3 (0,017-250bar) 01A 3 3 Bản vẽ sơ đồ mạch điện điều khiển 01A 3 4 Bản vẽ sơ đồ mô phỏng cụm máy nén 4 cấp không hồi lưu 01A 3 5 Bản vẽ sơ đồ mô phỏng cụm máy nén 4 cấp có hồi lưu 01A 3 6 Bản vẽ kết cấu bình chứa khí nén 01A 3 7 Bản vẽ kết cấu bộ lọc khí Biogas 01A 3 Tổng 7A 3 5. Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng 6. Ngày giao nhiệm vụ: 21/02/2011 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/06/2011 Thông qua Bộ môn Ngày tháng năm 2011 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng Kết quả điểm đánh giá: Ngày tháng năm 2011 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Sinh viên đã hoàn thành và nộp toàn bộ bản báo cáo cho Bộ môn Ngày 05 tháng 06 năm 2011 Lê Ngọc Tiến MỤC LỤC Trang Trang .4 LỜI NÓI ĐẦU .1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG THUYẾT MINH ĐỒ ÁN 2 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU [9] 3 1.1 Những vấn đề môi trường của Việt Nam và toàn cầu hiện nay 3 1.2 Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế 4 1.3 Mục đích, ý nghĩa của đề tài .6 1.3.1 Mục đích 6 1.3.2 Ý nghĩa .6 2 TÌM HIỂU TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS [7] .7 2.1 Đặc tính khí Biogas .7 2.1.1 Định nghĩa khí Biogas 7 2.1.2 Đặc tính KSH 7 2.2 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống Biogas 8 2.2.1 Con đường thứ nhất 9 2.2.2 Con đường thứ hai 9 2.2.3 Sơ đồ cơ chế lên men của vi sinh vật yếm khí 11 2.3 Các điều kiện, yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí Biogas 12 2.3.1 Môi trường kỵ khí 12 2.3.2 Tỷ lệ cacbon/nitơ (C/N) .12 2.3.3 Tỉ lệ chất khô và độ pha loãng nguyên liệu 12 2.3.4 Độ pH 13 2.3.5 Nhiệt độ lên men .13 2.3.6 Thời gian lưu .14 2.3.7 Lưu lượng nạp nguyên liệu .15 2.3.8 Chất xúc tác 15 2.3.9 Khuấy đảo .15 2.3.10 Các chất gây ức chế 15 2.4 Các tiêu chuẩn khí thiên nhiên và khí Biogas dùng làm nhiên liệu 16 2.4.1 Tiêu chuẩn khí thiên nhiên làm nhiên liệu [3] 16 2.4.2 Thành phần, tính chất khí Biogas tiêu chuẩn làm nhiên liệu 18 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PRO/II TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ BIOGAS [8] 24 3.1 Mục đích và vai trò của thiết kế mô phỏng .24 3.2 Giới thiệu phần mềm mô phỏng PRO/II .24 3.2.1 Giới thiệu 25 3.2.2 Tổng quan một mô hình mô phỏng 25 3.3 Mô phỏng hệ thống nén Biogas bằng PRO/II .27 3.3.1 Nguyên liệu: 27 3.3.2 Mô phỏng 27 4 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT TRẠM HỆ THỐNG NÉN KHÍ BIOGAS .30 4.1 Sơ đồ hệ thống nén khí .30 .31 4.2 Khảo sát máy nén cao áp [5] .31 4.2.1 Giới thiệu máy nén 31 4.2.2 Đặc điểm kết cấu cơ bản máy nén 33 4.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy nén 34 35 4.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động các phần tử của máy nén [12] .36 4.4.1 Rơ le áp suất. .36 .37 4.4.2 Van an toàn .38 .40 4.4.3 Van một chiều .40 4.4.4 Bình tách dầu / khí 41 .41 4.4.5 Sơ đồ mạch điện điều khiển 42 .42 4.4.6 Đồng hồ áp suất 43 4.4.7 Động cơ điện một pha [6] .44 4.5 Chức năng, nhiệm vụ các bộ phận trong hệ thống nén Biogas 46 4.5.1 Bộ phận cung cấp 46 4.5.2 Bộ phận tiêu thụ 53 5 THỬ NGHIỆM TRẠM KHÍ NÉN BIOGAS [5] 56 5.1 Công tác chuẩn bị trước khi vận hành 56 5.2 Quy trình vận hành trạm khí nén 56 5.2.1 Quy trình khởi động nén .56 5.2.2 Quy trình ngừng nén .56 5.3 Các sự cố thường gặp, nguyên nhân và cách giải quyết .57 5.4 Yêu cầu khi vận hành hệ thống nén khí cao áp [4] .59 5.5 Kết quả thử nghiệm .59 6 ĐÁNH GIÁ MÁY NÉN VÀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN [4] .60 6.1 Năng suất của máy nén 60 6.1.1 Đánh giá năng suất của máy nén .60 6.1.2 Phương pháp đánh giá năng suất đơn giản thực hiện ngay tại chỗ 60 6.2 Hiệu suất máy nén .61 6.2.1 Hiệu suất đẳng nhiệt 61 6.2.2 Hiệu suất thể tích .62 6.2.3 Hiệu suất cơ học 62 6.3 Đánh giá mức tổn thất phân phối trong hệ thống khí nén 62 6.3.1 Những bộ phận rò rỉ và hậu quả của việc rò rỉ .62 6.3.2 Các bước định lượng rò rỉ tại chỗ đơn giản 64 7 KẾT LUẬN .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .66 Nghiên cứu thiết kế hệ thống nén khí Biogas LỜI NÓI ĐẦU Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Và nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh từ lâu đã được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Hiện nay ở quy mô toàn cầu, Biogas là nguồn năng lượng lớn, tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9 đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới. Nước ta 80% dân số là nông thôn, nên khả năng sinh khí từ chất thải động thực vật là không nhỏ. Do đó, nhóm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế của Đại Học Đà Nẵng đã và đang tiến hành các biện pháp có thể sử dụng nguồn khí sinh học này như ứng dụng bộ GATEC 20 và GATEC 21 để cải tạo động cơ đốt trong thành động cơ lưỡng nhiên liệu hoặc động cơ sử dụng 100% Biogas để chạy máy phát điện. Và hướng phát triển của nhóm là sử dụng bộ phụ kiện này để lắp trên động cơ ôtô, máy kéo, các loại máy công cụ để phục cho nhu cầu sản xuất ở nông thôn. Và để khai thác được các nghiên cứu trên thì vấn đề đáng quan tâm là cách thức lưu trữ và sử dụng khí Biogas như thế nào cho hiệu quả. Việc nén khí và lưu trữ khí Biogas chiếm một phần rất quan trọng trong hướng nghiên cứu của nhóm. Chính vì thế em đã được giao nhiệm vụ “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nén khí Biogas”. Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, với sự nổ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ của anh Lê Minh Tiến và Lê Xuân Thạch ở trung tâm nghiên cứu năng lượng thay thế Đại Học Bách Khoa, đặc biệt là thầy PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu, nay đề tài của em đã hoàn thành. Tuy nhiên, với trình độ cũng như kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, chắc hẳn đề tài còn nhiều thiếu sót. Kính mong quý thầy cô giáo giúp đỡ và góp ý để đề tài của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Ngày 03 tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực hiện Lê Ngọc Tiến 1 Nghiên cứu thiết kế hệ thống nén khí Biogas DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG THUYẾT MINH ĐỒ ÁN Viết tắt Diễn giải tiếng việt Diễn giải tiếng anh KSH Khí sinh học Biogas CNG Khí thiên nhiên Compressor natural gas FAD Năng suất cấp khí tự do Free Air Delivery LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng Liquid petrol gas HRT Thời gian lưu thuỷ lực Hydraulic Retention Time SRT Thời gian lưu chất rắn Solid Retention Time EPA Cục bảo vệ môi trường Mỹ U.S.Environmental Protection Agency cfm Cubic feet per minute scfm standard cubic feet per minute psi pounds per square inch 2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống nén khí Biogas 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU [9] 1.1 Những vấn đề môi trường của Việt Nam và toàn cầu hiện nay Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt, con người đã và đang thải vào môi trường hàng triệu tấn các chất độc hại có rất nhiều nguyên nhân khác nhau như: Do quá trình sản xuất công nghiệp thải ra khí thải độc hại, do quá trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, các loại hóa chất sử dụng trong công – nông nghiệp, do việc sử dụng nhiên liệu . . . Trong phần này chủ yếu đề cập đến vấn đề ô nhiểm môi trường do các phương tiện giao thông vận tải gây ra. Giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiểm lớn cho môi trường không khí. Chúng đã thải ra khoảng 2/3 khí cacbon monoxit và 1/2 lương khí hydro cacbon, khí nitơ ôxit và nhiều loại khí độc hại khác trong bầu khí quyển, và phát sinh ra tiếng ồn lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của con người, đặc biệt ở nhưng khu đô thị và thành phố lớn. Các phương tiện giao thông vận tải ở nước ta hiện nay chủ yếu sử dụng nhiên liệu truyền thống như: xăng, diezel và đa số là các phương tiện củ kỹ lạc hậu, chính vì vậy trong khí thải của động cơ chứa rất nhiều khí độc hại như: NO X , SO X , hydrocacbon cháy không hoàn toàn, kèm theo những hạt bụi rắn thải vào môi trường không khí làm cho hàm lượng khí độc hại trong bầu khí quyển ngày càng tăng lên. Theo số liệu điều tra của các nhà nghiên cứu hiện nay các phương tiện giao thông vận tải chỉ tiêu thụ 1/3 tổng năng lương toàn cầu nhưng dã thải vào môi trường một lượng khí độc rất lớn chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trong bầu khí quyển. Làm cho môi trường sinh thái lâm vào tình trạng suy thoái. Sau đây là một vài số liệu về mức độ phát sinh chất độc hại do phương tiện giao thông vận tải gây nên. 3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống nén khí Biogas Bảng 1.1: Số liệu và mức độ phát sinh chất độc hại làm ô nhiểm môi trường không khí toàn cầu do Phương tiện giao thông vận tải. Nguồn gây ô nhiểm Các chất ô nhiểm chính (triệu tấn) CO2 Bụi SOx HC NOx Ô tô dùng xăng 53,5 0,5 0,2 13,8 6,0 Ô tô dùng dầu diezel 0,2 0,3 0,1 0,4 0,5 Máy bay 2,4 0,0 0,0 0,3 0,0 Tàu hỏa và phương tiện khác 2,0 0,4 0,5 0,6 0,8 Tổng cộng 58,1 1,2 0,8 15,1 7,3 Với mức độ phát sinh ô nhiểm rất nghiêm trọng do khí thải của phương tiện giao thông vận tải, nếu ngây từ bây giờ không có những biện pháp hữu hiệu để hạn chế đến mức thấp nhất mức độ phát sinh chất ô nhiểm thì trong tương lai không xa, chúng ta phải đương đầu với những điều kiện khắc nghiệt của cuộc sống do thiên nhiên tác động như: trái đất nóng lên, mực nước biển dâng cao, những trận mưa axit. Do đó việc nghiên cứu thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu) băng nguồn nhiên liệu thay thế như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), khí sinh học (Biogas) là rất cần thiết nhằm hạn chế việc phát sinh các chất độc hại. Đây là một trong những vấn đề đươc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết, kịp thời ngăn chặn mức độ ô nhiểm của bầu khí quyển. 1.2 Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế 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. 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, NO x , SO 2 , bồ hóng . và 4