Cải tiến công nghệ sản xuất biogas hiện hành để tách khí sumphua trước khi sử dụng

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO NGHIỆM THU CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOGAS HIỆN HÀNH ĐỂ TÁCH KHÍ SUNPHUA TRƯỚC KHI SỬ DỤNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ThS HỒNG MINH NAM CÁN BỘ THAM GIA ĐỀ TÀI: ThS Hoàng Minh Nam PGS.TS Phan Đình Tuấn KS Trần Đức Lai KS Trần Bảo Nguyên KS Đặng Thị Phượng THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 7/ 2007 BÁO CÁO NGHIỆM THU Tên đề tài: Cải tiến công nghệ sản xuất biogas hành để tách khí sunphua trước sử dụng Chủ nhiệm đề tài: ThS Hoàng Minh Nam Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Bách khoa, ĐHQG TP.HCM Thời gian thực đề tài: 2005-2006 Kinh phí duyệt: 17 triệu đồng Kinh phí cấp: 17 triệu đồng theo TB số :169/ TBKHCN ngaøy / 10 / 2005 Mục tiêu: Cải tiến công nghệ sản xuất biogas hộ dân vùng xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi nhăm tách khí sunphua trước sử dụng để đảm bảo sức khoẻ cho người dân tránh làm hỏng vật liệu Nội dung: 1) Nghiên cứu khả hấp phụ hấp thụ khí sunphua: Khí sun phua bị hấp phụ oxit sắt Tuy nhiên để áp dụng vào hộ nông dân, vấn đề động học trình phải nghiên cứu Đồng thời, loại nguyên liệu hướng tới sử dụng bùn đỏ, chất thải trình sản xuất nhôm Nếu bùn đỏ sử dụng vào mục đích này, vừa giảm chi phí cho việc hoàn thiên công nghệ sản xuất biogas vừa góp phần tiêu thụ chất thải Nhà máy Hoá chất 2) Áp dụng thử nghiệm vào hầm sản xuất khí biogas số hộ dân Xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi Những nội dung thực hiện: Công việc dự kiến Công việc thực 1) Nghiên cứu khả hấp phụ bùn 1) Đã nghiên cứu thử nghiệm khả đỏ hấp phụ bùn đỏ: Kết cho thấy bùn đỏ không hoạt hoá khả hấp phụ H2S 2) Nghiên cứu khả hấp thụ khí 2) Đã nghiên cứu khả hấp thụ H2S môi trường nước môi trường khí H2S sữa vôi lựa chọn sữa vôi kiềm, xác định tác nhân hấp thụ thích hợp làm tác nhân hấp phụ 3) Nghiên cứu trình tách khí H2S khỏi 3) Đã nghiên cứu trình hấp thụ khí H2S dung dịch sữa vôi có nồng khí biogas độ khác nhau, xác định chiều cao cột hấp thụ xác định thời gian hay chất hấp thụ Đã áp dụng cho số hộ dân xã Thái Mỹ huyện Củ Chi MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Ở NƯỚC TA 1.3 QUÁ TRÌNH LÊN MEN MÊTAN VÀ CÁC VI SINH VẬT 1.4 NGUỒN PHÂN GIA SÚC, KHẢ NĂNG HÌNH THÀNH KHÍ VÀ THÀNH 12 PHẦN HÓA HỌC 1.5 SƠ ĐỒ CẤU TẠO HỆ THỐNG LÊN MEN SINH KHÍ METAN 15 1.6 VỀ KHÍ H2S 27 1.7 VỀ CHẤT HẤP PHỤ VÀ CHẤT HẤP THỤ 29 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30 2.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HẤP PHỤ H2S BẰNG BÙN ĐỎ 2.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HẤP THỤ H2S BẰNG SỮA VÔI 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 BẢNG QUYẾT TOÁN KINH PHÍ ĐÃ CHI TT Nội dụng khoản chi Tổng số Kinh phí Tỷ lệ % 11.000 64.7 3.000 17.7 Thuê khoán chuyên môn Nguyên, vật liệu, lượng Thiết bị, máy móc chuyên dùng Chi khác Tổng cộng 3.000 17.000 17.6 100 Đơn vị: Ngàn đồng Nguồn vốn NSNN Khác 11.000 3.000 3.000 17.000 GIẢI TRÌNH CÁC KHOẢN CHI (VN đồng) 1.1 TT 1.2 Khoản 1: Thuê khoán chuyên môn Nội dung thuê khoán Tổng kinh phí Nghiên cứu chọn lựa chấp hấp thụ Nghiên cứu đường cong động học trình hấp thụ chất hấp thụ lựa chọn Chế tạo thiết bị, lắp đặt nghiên cứu thử nghiệm Cộng: 2.000.000 6.000.000 Nguồn vốn NSNN Khác 2.000.000 6.000.000 3.000.000 3.000.000 11.000.000 11.000.000 Khoản 2: Nguyên vật liệu, lượng TT Nội dung 1.1 Nguyên, vật liệu Natri sunphua Dụng cụ, phụ tùng Thiết bị hấp phụ Năng lượng, nhiên liệu - Xăng, dầu - Điện Nước Mua sách Đơn vị đo Số Đơn giá lượng Thành tiền Nguồn vốn NSNN 2.2 2.3 2.4 2.5 Kg 20.000 100.000 100.000 Boä 500.000 1.000.000 1.000.000 kW M3 1.000 200 1.000 2.000 1.000.000 400.000 500.000 1.000.000 400.000 500.000 Khác Cộng Khoản 3: Thiết bị, máy móc chuyên dùng TT Nội dung Đơn vị đo Số lượng 3.000.000 Đơn giá Thành tiền 3.000.000 Nguồn vốn NSNN 3.1 3.2 3.2 3.3 Khác Mua thiết bị thử nghiệm, đo lường Khấu hao thiết bị Thuê thiết bị Vận chuyển, lắp đặt thiết bị Cộng: Khoản 4: Chi khác TT Nội dung Kinh phí 4.1 4.2 4.3 4.4 Phụ cấp chủ nhiệm đề tài ( /tháng) Xây dựng đề cương tổng quát Xây dựng đề cương chi tiết Quản lý phí quan chủ trì ( 800.000 /năm) Quản lý phí quan quản lý( 800.000 /năm) Chí phí xét duyệt, nghiệm thu giai đoạn Iù nghiệm thu thức Chi khác Công tác phí Hội thảo, hội nghị In ấn tài liệu, phim ảnh… Cộng 100.000 100.000 100.000 800.000 Nguồn vốn NSNN Khác 100.000 100.000 100.000 800.000 800.000 800.000 1.000.000 1.000.000 100.000 3.000.000 100.000 3.000.000 4.5 4.6 4.7 Khoaûn 5: Dự kiến kinh phí triển khai kết nghiên cứu TT Nội dung Kinh phí Lắp đặt thử nghiệm cho hộ nông dân xã Thái Mỹ Củ Chi Cộng Miễn phí 0.000.000 Nguồn vốn NSNN Khác PHẦN MỞ ĐẦU Sự gia tăng dân số nhu cầu phát triển giới thứ dẫn đến nhu cầu nhiên liệu truyền thống tăng nhanh Tốc độ tàn phá rừng nhanh khả tái trồng rừng chậm nên làm giảm sản lượng củi có Để ngăn chặn suy giảm môi trường nông nghiệp, điều cấp bách đưa nguồn lượng tái sinh khác, chẳng hạn lượng hydro, lượng gió, mặt trời biogas Biogas coi nguồn lượng tái sinh rẻ vùng nông thôn nước phát triển Sản xuất biogas tiết kiệm củi mà thu lợi nhuận cho hệ thống nông trại hoà nhập cách biến đổi phân chuồng thành phân bón cải tiến cho vụ mùa hồ nuôi cá tưới Những lợi nhuận khác phân huỷ sinh học bao gồm làm giảm bớt mùi phân chuồng, loại bỏ khói nấu nướng làm giảm bớt mầm bệnh cải tiến vệ sinh nông thôn Những khía cạnh môi trường điều cần thiết cho lượng tái sinh nhận nguồn cung cấp tài đáng kể hấp dẫn nước phát triển, dẫn đầu cho gia tăng nghiên cứu phát triển vùng Nhiều hệ thống phân huỷ sinh học xây dựng nhiều nước khác Tuy nhiên, trình phân huỷ sinh học, lượng khí chứa lưu huỳnh, chủ yếu H2S luôn kèm CH4 Điều gay ảnh hưởng lớn đến ăn mòn thiết bị, dụng cụ sức khoẻ người Đề tài nghiên cứu phương pháp làm khí H2S nhằm bước cải thiện chất lượng biogas phục vụ cộng đồng công nghiệp tương lai CHƯƠNG TỔNG QUAN Ở nông thôn Việt Nam, nhân dân chủ yếu làm nông nghiệp, chất thải sản xuất, chăn nuôi, sinh hoạt… nguồn nguyên liệu phong phú đa dạng : phân người, phân gia súc, gia cầm, rơm rạ, cây… Các nguyên liệu không xử lý ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh Khoảng 80% nông dân chăn nuôi gia súc, gia cầm: trâu, bò, heo, gà… Chất thải chúng ảnh hưởng đến môi trường sức khoẻ người Vấn đề đặt xử lý chất thải để không ảnh hưởng đến môi trường sử dụng chúng vào mục đích khác Vào khoảng thập niên cuối kỷ XX, Việt Nam phát triển mạnh phong trào V.A.C ( Vườn – Ao – Chuồng ) Trong đó, Biogas giải pháp hiệu để giải vấn đề ưu điểm vượt trội hẳn so với phương pháp khác: - Làm môi trường, bảo vệ sức khỏa người chăn nuôi, vi sinh vật sau xử lý bị tiêu diệt 90% - Sử dụng sản phẩm vào mục đích khác + Nước thải dùng để tưới tiêu phân bón hữu + Khí sinh chất đốt sử dụng mục đích nấu nướng tốt Đặc biệt, bối cảnh nông thôn nhiều nơi chưa có điện Sử dụng Biogas giải pháp thay điện hiệu Khí làm chạy máy phát điện, cung cấp điện cho gia đình, sử dụng chăn nuôi Và đặc biệt có hộ gia đình chăn nuôi với số lượng lớn, sử dụng biogas để phát điện cho hộ xung quanh Sử dụng kỹ thuật góp phần nâng cao đời sống tiết kiệm nguồn lượng, không chặt phá làm củi nên bảo vệ môi sinh Qua trình lên men phân hủy trứng ký sinh trùng bị chết, ruồi, muỗi nên góp phần làm sức khỏe người dân cải thiện Nước ta có khí hậu thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, sinh trưởng quanh năm Đó điều thuận lợi, tiềm lớn cho việc sử dụng khí vi sinh vật Vì vậy, hộ gia đình sử dụng biogas ngày tăng nhanh chóng Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm lại cần có vấn đề phải giải quyết, là: xử lý khí độc hại lẫn khí biogas hình thành trình lên men Dù với nồng độ khoảng 1%, khí độc (chủ yếu H2S) gây hậu lớn Bằng chứng với hộ sử dụng Biogas thời gian, thiết bị kim loại sử dụng nhà bếp bị rỉ sét, tường nhà sơn bị phá hủy… Vấn đề đặt phải loại bỏ khí trước đưa chúng sử dụng 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI Trung Quốc Trong suốt thời gian qua, gần đây, Trung Quốc có nhiều học Sau 1975, hiệu “Biogas cho gia đình” đưa đến 1,6 triệu thiết bị phân hủy xây dựng hàng năm, chủ yếu thiết bị phân hủy kiểu mái vòm bêtông, giá rẻ chất lượng thấp Đến năm 1982, triệu thiết bị phân hủy lắp đặt Trung Quốc Năm 1980, 50% số thiết bị không sử dụng Kết năm 1979, hoạt động thiết bị làm chậm lại 1/3 năm trước Đến 1992, có khoảng triệu gia đình với quy mô xí nghiệp hoạt động Trung Quốc Một số thiết kế lại để tránh tượng bị rò rỉ Theo số liệu thu được, khoảng triệu thiết bị phân hủy vận hành vào năm 1991 Do thiếu nguồn nhân lực huấn luyện tốt để xây dựng sửa chữa chúng, yếu đưa đến hậu thiết bị phân hủy bêtông Gần đây, người ta quan tâm đến việc kết hợp số lượng với chất lượng xí nghiệp việc làm cho kỹ thuật công nghệ phù hợp với điều kiện địa phương n Độ n Độ có nhiều kinh nghiệm đáng kể lónh vực phát triển công nghệ biogas đơn giản dễ vận hành để phù hợp với điều kiện khí hậu khác thành phần kinh tế xã hội sử dụng Ở nhiều khía cạnh, tình trạng giống Trung Quốc thường xảy nhiều n Độ, nơi mà sách bổ sung thiết bị phân hủy biogas nhanh chóng vượt khả nghiên cứu phát triển tổ chức để đưa kế hoạch chắn để đánh giá cách lạc quan hiệu suất thiết bị Kết thiết bị phân hủy đời sớm nước mắc tiền mà lại hiệu Sản xuất biogas khuyến khích chiến dịch quảng cáo phổ biến xí nghiệp xây dựng biogas trợ cấp quyền trung ương địa phương n Độ đặt tầm quan trọng tồn người nông dân hoạt động với quy mô nhỏ cao việc bảo đảm suất phát triển họ môi trường cạnh tranh từ đầu đến cuối hợp đồng bảo hành thiết bị kể chương trình biogas Tiền trợ cấp đưa đến cho chương trình biogas cản trở công nghệ, tạo ngành công nghiệp yếu ớt hiệu Những nước phát triển khác Hầu hết tình trạng giống nước phát triển, chẳng hạn Philipin, Thái Lan, Nepan, Brazil Ví dụ: Nepan, với lắp đặt 3000 hầm phân huỷ biogas, kế hoạch chiến lược hoạt động tiến hành chương trình biogas phổ biến trở thành mô hình phát triển tính phổ biến công nghệ ỡ Nepan Tuy vậy, biogas biết đến Nepan cách khoảng thập kỷ, sở hạ tầng dường yếu mà phụ thuộc vào viện trợ nước thiết bị biogas cần thiết Với tiền trợ cấp khoảng 50% giá trị xí nghiệp gia đình, nhiều nông dân cần xí nghiệp biogas hứng thú với số tiền trợ cấp sẵn có tính hữu dụng biogas Những công ty tư nhân thành lập tìm cho việc kinh doanh họ khoảng lợi nhuận phần đáng kể tiền trợ cấp phủ lấy công ty khoản lợi nhuận Không có tiền trợ cấp khoản lợi tức thu từ tiền đầu tư thay đổi từ đến 12 năm Nepan Ở nhiều nước phát triển, thay đổi thường xuyên sách phủ lãi suất tiền trợ cấp phủ nhận ảnh hưởng phổ biến biogas Những thay đổi làm thất vọng người đầu tư giai đoạn lâu dài phát triển biogas Những người nông dân tiến thích có biogas trở nên nghi ngờ đầu tư lâu dài họ 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Ở NƯỚC TA Ở nước ta, nhờ hỗ trợ Chính phủ giúp đỡ nước ngoài, biogas phát triển nhiều địa phương nước Sự hạn chế nhiều hộ gia đình chi phí đầu tư cao, mace dù chứng tỏ hiệu kinh tế, nhiều gia đình chưa thể xây dựng hầm ủ biogas cho Một thực tế tồn sau nhiều năm sử dụng, tường nhà, dụng cụ,… bắt đầu bị hư hỏng Sức khỏe người dân bị ảnh hưởng Nguyên nhân chủ yếu khí độc hại sinh với CH4 Hiện nay, biogas ứng dụng làm chất đốt quy mô gia đình nên vấn đề chưa quan tâm xử lý Tuy vây, tác hại khí độc hại nhu cầu phát triển ứng dụng công nghiệp tương lai không xa, vấn đề xử lý tinh chế biogas cần thực bước, tiến tới hoàn chỉnh công nghệ áp dụng thực tế 1.3 QUÁ TRÌNH LÊN MEN MÊTAN VÀ CÁC VI SINH VẬT Khái niệm chung q trình phát triển: Khí sinh vật phát vào cuối kỷ 18 Nguồn gốc sản phẩm phân hủy kỵ khí chất hữu giàu carbon đầm lầy, ruộng lúa ngập nước hay ao hồ, cống rãnh bãi rác phế thải thành phố Lần ý tưởng đề xuất việc thu hồi khí Mêtan CH4 q trình phân hủy kỵ khí vào năm 1930 Bombay Ấn Độ Đến việc ứng dụng khí sinh vật phát triển rộng rãi nhiều quốc gia giới Do khí sinh vật sản phẩm bay trình lên men kỵ khí phân giải hợp chất hữu phức tạp Metan thành phần chủ yếu chiếm khoảng 60 - 70% phần lại chủ yếu CO2 thường dao động từ 35 – 40% Ngồi cịn phần nhỏ hỗn hợp khí khác H2S, H2, O2, N2 Những năm gần nhu cầu xúc giải xử lý nguồn ô nhiễm môi trường chăn nuôi nước ta nói chung sử dụng sản phẩm làm nhiên liệu chất đốt gia đình quan tâm ý nhiều Quá trình lên men mêtan vi sinh vật : Quá trình lên men kỵ khí : Lên men kỵ khí sinh khí Mêtan (CH4) trình vi sinh vật học với tham gia hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí, sinh vật tiến hành hàng chục phản ứng hóa sinh học để phân hủy biến đổi chất hữu phức tạp thành khí cháy gọi KVS (CH4) Tổng qt Tên Khí Mêtan Cơng thức phân tử CH4 Khối lượng phân tử 16.0425 g/mol Dạng Khí khơng màu Tính chất Khối lượng riêng pha 0.717 kg/m3, gas Độ tan nước 3.5 mg/100 ml (17 °C) Nhiệt độ nóng chảy −182.5 °C (90.6 K) Nhiệt độ sôi −161.6 °C (111.55 K) Điểm ba 90.7 K, 0.117 bar Nhiệt độ tiêu chuẩn 190.5 K (−82.6 at 4.6 MPa (45 atm °C) 2.2.4 PHAÀN TÍNH TOÁN KIỂM TRA 2.2.4.1 Tính toán kiểm tra ảnh hưởng chiều cao cột tháp đến nồng độ khí đầu với chiều cao H= 450 mm : Trong trình hấp thụ, khí từ lên tiếp xúc pha với dòng lỏng Thời gian tiếp xúc lớn trình diễn hoàn toàn Thời gian lưu trình tỷ lệ với chiều cao thiết bị lưu lượng dòng khí Lưu lượng khí vào cố định nên thời gian lưu tỷ lệ với chiều cao thiết bị 2.2.4.2 Cần xác định chiều cần thiết để đảm bảo trình xảy hoàn toàn , dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.2, ta tính : Dung tích tháp : V = πd ×h =π 0.06 × 0.45 = 1.27(l ) = 1.27 × 10 −3 (m ) = 1.27 lit Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương öùng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 3000 / 0.0028 psi) = 0.084 195 xđ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi) = 0.05 195 Thay giá trị vào biểu thức (10), ta tính chiều cao tháp cần thiết : H= 0.61  0.084  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Tính toán thời gian hấp thu : Theo số liệu bảng 2.1, 2.2 áp dụng công thức (11) ,(12) ta tính thời gian hấp thu : Thời gian để dòng khí có chứa H2S nồng độ ppm vào 3000 ppm, Với chiều cao tháp 450 mm, ta suy số mol OH– , ta tìm đươc thời gian hấp thu hoa học : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.004 − 0.0021) × 1.27 = 2.4 × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = × × = × 10 − mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 59 t hh = nOH − nH 2S = 2.4 × 10 −3 = 6.7 ph × 10 −6 Thời gian hấp thu vật lý H2S nước ta lấy giá trị gần theo đồ thị ta có : tvl = 20.5 ph Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl ⇒ t = 20.5 + 6.7 = 27.2 ph Thời gian hấp thu thực tế khoảng 21 phút , thời gian hấp thu lý thuyết 27.2 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 23% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.3, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Tính toán kích thước thiết bị : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 5000 / 0.0028 psi ) = 0.085 195 xđ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi ) = 0.05 195 Thay giá trị vào biểu thức (10 ), ta tính chiều cao tháp cần thiết : H= 0.61  0.085  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian haáp thu : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.003 − 0.0021) × 1.27 = 1.15 × 10 −3 mol Suất lượng mol : nH 2S = × × 0.5 = 10 × 10 − mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 Thời gian hấp thu hoá học : 60 t= t= n OH − n H 2S 1.14 × 10 − = ph 1× 10 − Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl ⇒ t = 20.5 + = 22.5 ph Thời gian hấp thu thực tế khoảng 21 phút , thời gian hấp thu lý thuyết 22.5 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 10% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.4, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 4000 / 0.0028 psi ) = 0.084 195 xđ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi ) = 0.05 195 Thay caùc giá trị vào biểu thức (10) , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.084  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.004 − 0.002) × 1.27 = 2.54 × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t hh = × × 0.4 = × 10 −6 mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − n H 2S = 2.54 × 10 −3 = 5.3 ph × 10 −6 Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl ⇒ t = 20.5 + 5.3 = 25.8 ph 61 Thời gian hấp thu thực tế khoảng 20 phút , thời gian hấp thu lý thuyết 25.8 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 22% so với thời gian tính toán 2.2.4.2 Tính toán kiểm tra ảnh hưởng chiều cao cột tháp đến nồng độ khí đầu với chiều cao H= 900 mm Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.6, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 4000 / 0.0028 psi ) = 0.084 195 xñ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi ) = 0.05 195 Thay giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.084  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : Số mol OH– : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.0016 − 0.00015) × 2.54 = × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t hh = × × 0.5 = × 10 − mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − n H 2S = × 10 −3 = 12 ph × 10 −6 Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl t = 12 +41 = 53 ph 62 Thời gian hấp thu thực tế 40 phút, thời gian hấp thu tính toán 53 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 25% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.7, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 5000 / 0.0028 psi ) = 0.085 195 xđ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi ) = 0.05 195 Thay giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.084  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : Số mol OH– : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.005 − 0.00113) × 2.54 = 10 × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t= × × 0.5 = 10 × 10 − mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − nH 2S = 10 × 10 −3 = 16.7 ph 10 × 10 −6 Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl t = 16.7 +41 = 57.7 ph Thời gian hấp thu thực tế 50 phút, thời gian hấp thu lý thuyết 57.7 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 23% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.8, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : 63 Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 4000 / 0.0028 psi) = 0.084 195 xñ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi) = 0.05 195 Thay giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.085  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : Số mol OH– : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.004 − 0.0013) × 2.54 = 9.7 × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t= × × 0.4 = × 10 −6 mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − n H 2S = 9.7 × 10 −3 = 20.2 ph × 10 −6 Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl t = 20.2 +41 =60.3 ph Thời gian hấp thu thực tế 54 phút, thời gian hấp thu lý thuyết 60.3 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 10% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.9, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 3000 / 0.0028 psi) = 0.083 195 64 ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi) = 0.05 195 xđ = Thay giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.083  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : Số mol OH– : V = 1.27×2 = 2.54 lít nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.003 − 0.0006) × 2.54 = 6.1 × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t hh = × × = × 10 − mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − nH 2S = 6.1 × 10 −3 = 17 ph × 10 −6 Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl t = 17 +41 =58 ph Thời gian hấp thu thực tế 53 phút, thời gian hấp thu lý thuyết la 58 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch % so với thời gian tính toán 2.2.4.3 Tính toán kiểm tra ảnh hưởng chiều cao cột tháp đến nồng độ khí đầu với chiều cao H= 225 mm Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.10, 2.11 tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 4000 / 0.0028 psi) = 0.084 195 xđ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi ) = 0.05 195 65 Thay giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.084  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : Soá mol OH– : V = 1.27/2 = 0.635 lít nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.004 − 0.001) × 0.635 = 1.9 × 10−3 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t hh = × × 0.4 = × 10 −6 mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − nH S = 1.9 × 10−3 = 1.5 ph × 10− Thời gian hấp thu tổng cộng laø : t= thh + tvl t = 4.5 + 12 = 13.5 Thời gian hấp thu thực tế 12.5 phút, thời gian hấp thu lý thuyết la 16.5ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 25% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.12 , tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 3000 / 0.0028 psi) = 0.083 195 xñ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi) = 0.05 195 Thay giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.083  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : 66 Số mol OH– : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.003 − 0.001 × 0.635 = 5.7 × 10−4 mol Suất lượng mol H2S : nH 2S = t= × × = × 10 − mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nOH − nH S = 1.27 × 10−4 = ph × 10− Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl t = + 12 = 16 ph Thời gian hấp thu thực tế 12.5 phút, thời gian hấp thu tính toán 16 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chênh lệch 22%% so với thời gian tính toán Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 2.13, tính tương tự ta chiều cao tháp thời gian hấp thu : Chiều cao cần thiết : Sử dụng công thức (I) trên, ta tính nồng độ tương ứng : xc = ln(0.8 × 14.70 psi × 5000 / 0.0028 psi) = 0.085 195 xđ = ln(0.8 × 14.70 psi × / 0.0028 psi) = 0.05 195 Thay caùc giá trị vào biểu thức (10 , ta tính chiều cao tháp cần thiết: H= 0.61  0.085  ln (1 − 1.4) + 1 = 0.385 m − 1.4  0.05  Thời gian hấp thu : SOÁ mol OH– : nOH − = ([OH o ] − [OH ]) × V nOH − = (0.005 − 0.0015) × 0.635 = 2.4 × 10 −3 mol Suất lượng mol H2S : 67 × × 0.5 = 10 × 10 −6 mol / s 100 × 0.082 × 303 × 60 nH 2S = t= nOH − nH S = 2.4 × 10−3 = ph 10 × 10− Thời gian hấp thu tổng cộng : t= thh + tvl t = 3+ 12 = 15 ph Thời gian hấp thu thực tế 12.5 phút, thời gian hấp thu tính toán 16 ph Vậy thời gian thời gian thực tế chenh lệch 20% so với thời gian tính toán Nhận xét : Để tính toán thiết kế hệ thống hấp thu H2S từ hỗn hợp khí Biogas sử dụng H2O dung dịch Ca(OH)2 Việc tính toán chiều cao , thời gian hấp thu sử dụng hệ thức sau : Chiều cao thiết bị hấp thu tính theo trình tự sau : Kích thước bọt tháp : dp= 0.0287d 10/ Re10/ với Re0 ≤ 2100 dp= 0.0071Re 0−0.05 với 10000 ≤ Re ≤ 50000 Re0= 4mG/ πd o µ G Với Re0 nằm khoảng 2100 – 10000 đường kính bọt tính gần theo biểu thức sau : dp= 0.002344 [v L: /(1 − ϕ G )]0.67 Sau tính đường kính bọt , ta cần tính phần thể tích pha khí ϕ G Hệ số tính sau : vs = vG ϕG − vL − ϕG Với vs tốc độ bọt tháp ( m/s ) vL , vG vận tốc dòng lỏng dòng khí ( m/s ) Vận tốc bọt tính sau : 68 ln[ vG ] = −0.847 + 0.0352 ln VG − 0.1835(ln VG ) − 0.01348(ln VG ) vs ρ δ  VG = vG  W AW   ρ L δ  1/ Ta tính gần giá trị VG = vG ρ w ≈ ρ L , δ AW ≈ δ Sau tính ϕ G , ta thay vào biểu thức sau để tính α –bề mặt riêng bọt khí (m2/m3) α= 6ϕ G dp Sau có giá trị α , ta tiếp tục tính hệ số truyền khối kx biểu thức sau : ShL = FL d p cDL ' = + b Re 0.779 G Sc 0.546 L  dpg     D 2/3   L  0.116 bọt đơn 0.061 b = bọt đa 0.0187 Với giá trị ShL vừa tìm , ta suy giá trị kx : ' kx ≅ ShL cDL dp c số mol nước DL hệ số khuếch tán khí H2S dung dịch Sau thay tất giá trị cần thết ta dễ dàng tính chiều cao cột nước để hấp thu khí H= GG y ln[ d (1 − A) + A] k x a(1 − A) yc Trong đó: GG suất lượng mol đơn vị diện tích khí (mol/m2s) kx hệ số truyền khối (mol/m2s) A hệ số hấp thu A = L/mG L suất lượng mol pha lỏng 69 G suất lượng mol pha khí m = ϕ /P a diện tích bề mặt phân pha Thời gian hấp thu : Trong hỗn hợp khí Biogas , thành phần CO2 hỗn hợp chiếm 50% thể tích Thành phần H2S chiếm 0.4% Nên thời gian hấp thu hỗn hợp ta tính theo lượng CO2 công thức sau : tht = × n OH N CO2 NCO2 : Suất lượng mol CO2 (mol/s) nOH- : Số mol OH– (mol) 2.2.5 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ : 2.2.5.1 Tính toán thực tế - Căn vào nồng độ [H2S] hỗn hợp khí Biogas khoảng 0.4% - Căn vào điều kiên nhiệt độ môi trường Tp HCM lấy 30oC Nếu dùng dung dịch sữa vôi, với khối lượng vôi cho vào tháp kg, chiều cao tháp 0.45 m , đường kính tháp 0.06 m , lưu lượng khí vào 3l/phút Thì thời gian lưọng vôi bị hấp thụ hết hay thời gian cần thay dung môi 250 Qua trình khảo sát , em xin đề xuất quy trình công nghệ xử lý H2S dung dịch Ca(OH)2 sau: 2.2.5.2 Quy trình công nghệ Trong trình xử lý , tinh chế hỗn hợp khí Biogas dung dịch sữa vôi , khí H2S từ bình chứa khí (1) qua lưu lượng kế (2) vào đáy tháp hấp thu(3) Trong tháp hấp thu có chứa sẳn dung dịch Ca(OH)2 với nồng xác định trước Khí từ lên , gặp dung dịch nước vôi bị giữ lại Lúc này, khí không khí Dung dịch sữa vôi chứa thùng (9) Sau khoảng thời gian dung dịch tháp phản ứng hết dung dịch bơm (6)đưa vào tháp Sự hấp thu ngừng lại dung dịch bão hoà.Dựa vào lưu lượng kế ta điều chỉnh lưu lượng dòng khí vào hợp lý Dung dịch sau trình hấp thu dẫn vào thùng (8), sau xử lý để thải dung dịch khỏi môi trường 70 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ H2S BẰNG DD SỮA VÔI 1.Nguồn khí bẩn 2.Quạt 3.Lưu lượng kế 4.Tháp hấp thu 5.Lỏng vào 6.Bơm 7.Khí 8.Bình chứa dung dịch 9.Thùng chứa dd dùng 71 CHƯƠNG KẾT LUẬN Qua nghiên cứu trình xử lý khí H2S khỏi biogas, đến số kết luận sau: Bùn đỏ công nghệ sản xuất nhôm không qua xử lý khó có khả hấp phụ khí H2S từ biogas Việc nghiên cứu trình hấp thụ H2S từ khí Biogas H2O dung dịch sữa vôi Ca(OH)2 cho thấy nước sữa vôi hấp thụ H2S Tuy nhiên, dung dịch Ca(OH)2 có khả hấp thu tốt nhiều so với nước Ngoài dung dịch giữ CO2, điều mà nước không đáp ứng Hơn nữa, dung dịch nước vôi thực tế dễ kiếm, chất lượng ổn định, giá thành rẻ quen thuộc với người dân Từ lâu, họ có kinh nghiệm việc bảo quản, xử lý chất So sánh số liệu thực nghiệm phương trình động học trình hấp thu với số liệu lý thuyết tính ta thấy độ chênh lệch nằm khoảng từ – 20% Sai số hoàn toàn chấp nhậ tính toán kỹ thuật Như áp dụng phương pháp tính toán hấp thụ cho trình tách khí H2S khỏi biogas Những nghiên cứu khả CH4 bị hấp thụ nước hay dung dịch Ca(OH)2 không đáng kể Do đó, kết nghiên cứu áp dụng cho Biogas thực tế mà không dẫn đến mát khí methan Chúng đề xuất quy trình công nghệ xử lý H2S từ Biogas, thử nghiệm vài hộ dân xã Thái Mỹ huyện Củ Chi Kết cho thấy việc xử lý không ảnh hưởng đến trình vận hành sử dụng biogas địa phương Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHQG TP.HCM Chủ nhiệm đề tài ThS Hoàng Minh Nam 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn hoá lý Trường đại học bách khoa - Sổ tay tóm tắt đại lượng hoá lý - NXB ĐHQG Tp HCM [2] Nguyễn Đình Xoa – Hoá đại cương –NXB ĐHQG Tp HCM [3] Lê Huy Bá – Độc học môi trường - NXB ĐHQG [4] PGS TS Tăng Đăng Đoàn, PTS Trần Đức Hạ – Giáo Trình Kỹ Thuật Môi Trường – NXB Giáo Dục [5] Trần Ngọc Chấn – Ô Nhiễm không khí xử lý khí thải, Tập 1, 2, - NXB Khoa học kó thuật [6] GS- TSKH Nguyễn Bin – Các trình thiết bị - NXB Khoa học kỹ thuật [7] Ts Trần Xoa , PGS Nguyễn Trọng Khuông, Ts Phạm Xuân Toa û- Sổ tay Quá Trình Thiết Bị Công nghệ Hoá Chất, Tập 1, 2– NXB Khoa học Kỹ Thuật Hà Nội [8] Pham Minh Tuyền, Phạm văn Thiêm – Kỹ thuật hệ thống công nghệ hoá hoc – NXB Khoa học kỹ thuật [9] Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh – Truyền khối – NXB Đại học quốc gia TPHCM [10] Andrew – Enviromentta l Chemistry – Levis Pulisher London [11] Arthur C.A - Air Pollution - Academic Pres, New York , 1997 [12] Baljeet P – Enviromental Engineering – Khanna Publisher , 1989 [13] Bộ môn Máy thiết bị – Quá trình thiết bị công nghệ hóa học thực phẩm, tập 10 – Trường ĐHBK TPHCM [14] Robert E Treybal – Mass Transfer Operations – Mc Graw Hill Book Company, 1968 73