Nghiên cứu sử dụng hệ thống lọc khí biogas phục vụ cho động cơ chạy kéo máy phát điện

Nghiên cứu sử dụng hệ thống lọc khí biogas phục vụ cho động cơ chạy kéo máy phát điện

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

===============

BÁO CÁO

THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Đề tài thực tập

Nghiên cứu sử dụng hệ thống lọc khí biogas phục vụ cho

động cơ chạy kéo máy phát điện

Cơ sở thực tập

Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng năng lượng thay thế

Họ và tên sinh viên : Lê Hoàng Thảo Lớp : 07C4A

Giáo viên hướng dẫn : Trần Thanh Hải Tùng

Đà Nẵng 2011

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 2

TT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NĂNG LƯỢNG THAY THẾ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

- ''''' -

NHẬN XÉT SINH VIÊN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Lê Hoàng Thảo

4 Về chất lượng công việc được giao:

5 Đã trả hết tài liệu mượn hay chưa:

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 3

6 Đánh giá chung:

Đà nẵng, ngày… tháng….năm 2011

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 4

Mục Lục

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP 1

GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ THỰC TẬP 5

HỆ THỐNG LỌC KHÍ BIOGAS 8

1 GIỚI THIỆU 8

2 HỆ THỐNG LỌC BIOGAS 9

2.1 Lọc khí H2S 9

2.2 Lọc tách khí CO2 13

3 KẾT LUẬN 18

MỘT SỐ ĐỊA ĐIỂM ĐÃ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHẠY ĐỘNG CƠ BẰNG KHÍ BIOGAS ĐỂ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO………24

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 5

Phần 1 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ THỰC TẬP

Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng năng lượng thay thế Center For Alternative Energy Reseach And Application Add: 54 Nguyễn Lương Bằng- Tp Đà Nẵng

Cơ cấu tổ chức:

GĐ: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng

PGĐ: TS Phan Minh Đức

Cùng các nhân viên phụ trách về kỹ thuật khác

TT nghiên cứu và ứng dụng năng lượng thay thế được thành lập với nhiệm vụ chính là nghiên cứu và đưa vào sử dụng các thiết bị giúp động cơ chạy bằng nguồn năng lượng mới, đặc biệt ở đây là tận dụng nguồn khí biogas để chạy động cơ và kéo máy phát

điện Sản phẩm đặc trưng nhất của trung tâm là các bộ phụ kiện Gatec, nhiệm vụ của

nó là chuyển đổi động cơ từ chạy bằng xăng, dầu sang chạy bằng khí biogas hoặc

lưỡng nhiên liệu

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 6

Trung tâm đã nghiên cứu phát triển các bộ phụ kiện vạn năng 20 và

GATEC-21 để bổ sung thêm chức năng sử dụng nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại Các bộ phụ kiện này được lắp thêm vào động cơ, nguyên lý và kết cấu của động cơ nguyên

thuỷ không thay đổi, nhờ vậy động cơ có thể sử dụng lại xăng, dầu khi cần thiết như trước khi cải tạo Có thể gọi các động cơ sau khi cải tạo là động cơ hai nhiên liệu

biogas/diesel, biogas/xăng

Các sản phẩm ở đây đều được nhà nước cấp bằng sáng chế độc quyền, tác giả là

GS.TSKH Bùi Văn Ga Nhiệm vụ của trung tâm là tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng

tất cả các sản phẩm để giúp người dân tiết kiệm tiền chi phí trong lao động sản xuất

Bằng độc quyền sáng chế của GS.TSKH Bùi Văn Ga

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 7

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 8

sử dụng biogas để đun nấu chỉ mới đáp ứng được một phần tiện ích vì người dân cần nhiều năng lượng hơn để chạy các máy công tác phục vụ sản xuất Vì vậy việc sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong cỡ nhỏ sẽ góp phần đáng kể vào việc cải thiện đời sống của người dân ở nông thôn

Biogas chứa phần lớn methane (50-75%), ngoài ra còn có CO2 (25-50%), H2

(0-1%), H2O (0-1%) và H2S (0-3%) Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một

tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu, và làm cho biogas có mùi hôi khó chịu H2S khi cháy tạo thành SO2

cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động

cơ Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự như CO2

Việc nghiên cứu và xử lý triệt để các khí độc như CO2 và H2S có ý nghĩa rất quan

trọng, nó làm giảm hư hỏng và tang tuổi thọ cho máy móc, giảm thiệt hại kinh tế cho người sử dụng

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 9

2 thiết bị hấp thụ H2S 6 Bình chứa nước

3 thiết bị dự phòng hấp thụ H2S 7 Bình chứa nước

4 thiết bị hấp phụ CO2 8 Bơm nước

Fe2S3.xH2O + 3/2 O2 = Fe2O3.xH2O + 3S Hay tổng quát:

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 10

3H2S + 3/2 O2 = 3H2O + 3S + Trong phương pháp ướt, người ta dùng dung dịch muối asenic trong môi trường

kiềm để hấp thụ H2S Sau đó dùng không khí tái sinh dung dịch hấp thụ và tách lưu

huỳnh

Phản ứng xảy ra:

Na4As2S5O2 + H2S = Na4As2S6O + H2O

Na4As2S6O + 1/2 O2 = Na4As2S5O2 + S

Để làm sạch H2S có thể dùng cả hỗn hợp dung dịch mono, đi hoặc trietanolamin với

sunfolan C4H8S2 Phản ứng với monoetanolamin xảy ra như sau:

2RNH2 + H2S
(RNH3)2S (RNH3)2S + H2S
2RNH3HS

Trong đó: R là nhóm CH3CH2OH

Quá trình hấp thụ tiến hành ở 20 – 40OC Tái sinh dung dịch hấp thụ ở 100oC, khí

H2S thoát ra, dung dịch quay lại thiết bị làm sạch (H2S thoát ra khỏi dung dịch có thể dùng để sản xuất H2SO4

2.1.2 Phương án sử dụng thực tế

Để đảm bảo về hiệu quả sử dụng và tính kinh tế, phương án dùng phoi sắt để hấp phụ

H2S là khả quan nên được ứng dụng nhiều nhất Mặt khác,

chất này được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận

không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp

ra các bãi rác Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để

tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt Quá trình này có thể

thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài

không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa

Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau:

Fe + 1/2 O2
FeO

2Fe + 3/2O2
Fe2O3

3Fe + 2O2
Fe3O4

Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3,

Fe3O4 Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn

bằng cách tưới nước trên phoi sắt Quá trình oxy hóa sắt đạt

yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu

vàng xốp, hoặc đỏ xốp

Thiết bị tách H 2 S

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 11

Phoi sắt trước khi bị oxi hóa và sau khi bị oxi hóa Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản

FeS + 3/2O2
FeO+ SO2

Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần

Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc Với lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử dụng là 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài 200mm Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là 0,3mbar

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

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 12

vật liệu hấp phụ phải lớn Thường độ rỗng xốp của oxit sắt không nhỏ hơn 50% Điều kiện tốt nhất cho quá trình hấp phụ khí H2S bằng oxit sắt là nhiệt độ nằm trong khoảng

28 ÷ 30oC và độ ẩm của vật liệu hấp phụ khoảng 30% Sau khi bão hoà H2S, oxit sắt được hoàn nguyên bằng không khí (cấp ôxy) để thu lưu huỳnh

Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H2S Kết quả thu được hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%)

Đối với động cơ cở lớn, khi chạy thì cần một lượng biogas lớn do đó yêu cầu lượng khí cấp vào phải rất nhiều, để đáp ứng được việc lọc triệt để H2S người ta phải làm nhiều bình chưa H2S sau đó nối các bình lại với nhau, phương pháp này gọi là lọc nối tiếp

Bình lọc chứa phoi sắt được nối với nhau

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 13

Nếu dùng để thí nghiệm thì người ta thường làm theo dạng sau:

Bình chứa phoi sắt thông thường

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 14

Cơ sở của phương pháp này là khí CO2 kết hợp với Ca(OH)2 (hoặc NaOH) theo phương trình phản ứng sau:

Quá trình làm than hoạt tính như sau:

- Chưng khô các nguyên liệu

- Kích thích hoạt tính của than sau khi chưng cất khô

Quá trình kích thích hoạt tính được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 900oC với các chất oxy hoá như không khí, oxy, hơi, nước…

Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu đầu và điều kiện hoạt hoá Than hoạt tính có thể dùng ở dạng bột (50 ÷ 200 µ) hay dạng hạt kích thước hạt từ 1 ÷ 7mm Bề mặt hoạt động biểu diễn bằng m2/g Một gam than hoạt tính

có thể đạt đến 600 ÷ 1700m2

Than hoạt tính là một chất hấp phụ rất tốt, nó được ứng dụng chủ yếu trong việc thu hồi các dung môi hữu cơ và để thu hồi chúng Nhược điểm của than hoạt tính là dễ cháy ở nhiệt độ cao, thường không dùng than hoạt tính ở nhiệt độ lớn hơn 200oC, để khắc phục nhược điểm đó người ta trộn thêm silicagen với than hoạt tính nhưng điều

đó sẽ làm giảm hoạt tính của than

Cùng với một số phương pháp khác như:

- Hấp phụ bằng bentonit

- Hấp phụ bằng diatomit

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 15

- Hấp phụ bằng Al2O3

2.2.2 phương án ứng dụng vào thực tế

Để đảm bảo tính kinh tế và mang lại hiệu suất sử dụng cao người ta chọn phương

án lọc theo kiểu tháp tách và lọc theo kiểu hầm

Khi dùng tháp (ứng dụng cho các máy chạy công suất bé) thì CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính chất hấp thụ khí carbonic của nước Nguyên lý của phương pháp này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống Để tăng cường sự tiếp xúc của khí và nước, ta sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch để làm đệm Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, ta

sử dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của tháp Với kích thước tháp tách

CO2 như hình dưới, lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, thành phần CO2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO2 ở đầu ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử

lý CO2 là 47,30% Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 là 5mbar

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 16

Kết cấu tháp tách khí CO2 như sau:

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 17

1 1

2 6

Sau 20 giờ sử dụng Trước

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 18

Những khu chăn nuôi lớn khi thu khí biogas thì còn làm thể cả một hệ thống nén khí nữa.

3 KẾT LUẬN

- Để sử dụng làm nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong, khí biogas có thể được tinh luyện bằng cách dùng phoi sắt để khử khí H2S (đạt hiệu suất 99%) và dùng nước

để hấp thụ khí CO2 (đạt hiệu suất khoảng 50%) Phương pháp tinh luyện này đơn giản,

rẻ tiền có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện nông thôn Việt Nam

- Thực tế khi đi lắp máy cho người dân sử dụng, tình trạng bị ăn mòn, hoen rỉ của hệ thông cấp nhiên liệu vẫ còn xảy ra và do đó phải bảo trì máy Để lọc triệt để các khí

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 19

độc trên cần có nhiều nghiên cứu nữa, một khi khí độc được lọc triệt để thì hiệu quả kinh tế sẻ cao hơn, công tác bảo trì may móc đở vất vã hơn

Phần III MỘT SỐ ĐỊA ĐIỂM ĐÃ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHẠY

ĐỘNG CƠ BẰNG KHÍ BIOGAS ĐỂ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN

Đà Nẵng

1 Trại gà hòa phú, máy dầu 60KVA

2 Trại heo hòa phát, máy xăng 60KVA

3 Hộ bà Thu hòa sơn, máy xăng/ máy dầu 2,2/7,5 KVA

Chuyến giao công nghệ khắp cả nước

1 Khu vực miền bắc

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 20

2 Khu vực miền trung

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 21

3 Khu vực tây nguyên

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 22

4 Khu vực miền nam

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 23

Trong tương lai công nghệ này sẻ được áp dụng phổ biến hơn nữa để giúp người dân tiết kiệm tiền bạc và mang lại những hiệu quả kinh tế thiết thực hơn

SVTH: Lê Hoàng Thảo_07C4A Page 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR A GROUP 2HP SPARK

IGNITION ENGINE-GENERATOR OF BUI VAN GA, TRUONG LE

BICH TRAM – DA NANG UNIVERSITY

2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH Ủ BIOGAS CẢI TIẾN LẤY NHIÊN LIỆU

CHẠY MÁY PHÁT ĐIỆN – KS.TRẦN VĂN KHẢI

3 TINH LUYỆN LỌC KHÍ BIOGAS DỰA TRÊN CÁC VẬT LIỆU LỌC – TH.S NGUYỄN THỊ THANH TUYỀN

4 CÁC BÀI BÁO CÁO TẠP CHÍ KHOA HỌC CỦA ĐHĐN

5 INTERNET

http://gatec.udn.vn

http://sinhvientme.net

http://chemeng.hut.edu.vn