7. Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ tĩnh tại
7.4.1 Hệ thống thiết bị xử lý Biogas
a.Giới thiệu
Trong những năm gần đđy, người dđn ở nông thôn nước ta đê bắt đầu quen dần với việc sử dụng biogas lăm chất đốt. Câc hầm biogas năy một mặt, cung cấp chất đốt cho người dđn vă mặt khâc, giúp người dđn xử lý câc chất thải từ chăn nuôi vă câc hoạt động sản xuất khâc, góp phần bảo vệ tăi nguyín vă môi trường. Tuy nhiín việc sử dụng biogas để đun nấu chỉ mới đâp ứng được một phần tiện ích vì người dđn cần nhiều năng lượng hơn để chạy câc mây công tâc phục vụ sản xuất. Vì
vậy việc sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong cỡ nhỏ sẽ góp phần đâng kể văo việc cải thiện đời sống của người dđn ở nông thôn.
Biogas chứa phần lớn CH4 (50-75%), ngoăi ra còn có CO2 (25-50%), H2 (0-1%), H2O (0-1%) vă H2S (0-3%). Trong câc thănh
phần trín, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng lă khí có hại nhất. Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gđy ăn mòn câc ống dẫn, bếp nấu, vă lăm cho biogas có mùi hôi khó chịu. H2S khi chây tạo thănh SO2 cũng lă khí độc hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H2S gđy ăn mòn câc chi tiết của đường ống nạp-thải vă
buồng chây, lăm giảm tuổi thọ của động cơ. Khí CO2 tuy không gđy ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hăm lượng lớn lăm giảm nhiệt trị của nhiín liệu. Thănh phần hơi nước cũng gđy ảnh hưởng tương tự như CO2.
b.Hệ thống lọc Biogas
* Lọc H2S
Trong nghiín cứu năy chúng tôi sử dụng phoi sắt để tâch H2S. Chất năy được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gđy ô nhiễm nguồn nước ngầm vă có thể thải trực tiếp ra câc bêi râc. Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thănh một lớp oxyt sắt trín bề mặt. Quâ trình năy có thể thực hiện một câch tự nhiín bằng câch phơi phoi sắt ngoăi 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 thănh lă hỗn hợp của câc oxyt FeO, Fe2O3, Fe3O4. Câc phản ứng trín có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng câch tưới nước trín phoi sắt. Quâ trình
a. b.
Hình 6-5 Phoi sắt trước khi bị oxy hóa (a) vă sau khi bị oxy hóa (b)
oxy hóa sắt đạt yíu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ mău xâm sang mău văng xốp, hoặc đỏ xốp (hình 6-6).
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tâch ra theo câc phản ứng sau:
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O Fe3O4 + 4H2S FeS+Fe2S3 + 4H2O FeO + H2S FeS + H2O
Khả năng tâch H2S của thiết bị giảm dần theo thời gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiín (trung bình 4 giờ/ngăy), khả năng khử của thiết bị đạt trín 99,4%. Sau 1 thâng sử dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trín 98%. Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tâi sinh lõi lọc bằng câch phơi phoi sắt ngoăi không khí. Phản ứng tâi sinh diễn ra như sau:
Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S FeS + O2 FeO + S
Phản ứng trín lă phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quâ trình tâi sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đê sử dụng trong 15 phút. Tuy nhiín quâ trình năy tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:
Fe2S3 + 9/2O2 Fe2O3 + 3SO2 FeS + 3/2O2 FeO + SO2
Phoi sắt có thể được tâi sử dụng từ 3-5 lần.
Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ băo cưa với tỉ lệ 4:1 về thể tích, sau đó được cho văo thiết bị lọc (hình 6-6). Với lưu lượng biogas lă 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử dụng lă 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoăi 200mm. Tổn thất âp suất trung bình khi qua thiết bị tâch H2S lă 0,3mbar. Thiết bị như trín đê được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung tđm bảo trợ xê hội, Đă Sơn, Hòa Khânh Nam, Đă Nẵng. Kết quả phđn tích khí trước vă sau khi đi qua lọc cho ở bảng 1. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khâ cao (trín 99%).
Việc tâch CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa văo tính chất hấp thụ khí carbonic của nước. Nguyín lý của phương phâp năy lă cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ dưới lín, còn nước chảy từ trín xuống. Để tăng cường sự tiếp xúc của khí vă nước, nhóm đê sử dụng câc vật liệu trơ như gỗ, đâ, gạch để lăm đệm. Để cố định lớp đệm trong bín trong thâp, nhóm đê sử dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của thâp. Với kích thước thâp tâch CO2 như hình 3, lưu lượng biogas lă 0,86 m3/h, thănh phần
CO2 ở đầu văo thâp lă 36,47%, thănh phần CO2 ở đầu ra của thâp lă 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO2 lă 47,30%. Tổn thất âp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 lă 5mbar.
Bảng 6-2 Hiệu quả lọc H2S
Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng
Trước xử lý Sau xử lý Trước xử lý Sau xử lý
Hăm lượng H2S (mg/l) 0,17 0,0005 0,20 0,001
ppm thể tích 112 0,33 132 0,66