Bảng 1.2. Sự cần thiết lọc tạp chất trong biogas đối với các ứng dụng khác nhau
Phương tiện sử dụng H2S CO2 H2O
Lị hơi <1000ppm Khơng cần Khơng cần
Bếp Cần Khơng cần Khơng cần
Động cơ tĩnh tại <1000ppm Khơng cần Khơng ngưng tụ
Ơ tơ Cần thiết Nên Cần thiết
Hệ thống khí thiên nhiên
thành phố Cần thiết Cần thiết Cần thiết
CO2 là khí chiếm tỉ lệ lớn thứ hai trong biogas. CO2 và CH4 thường chiếm đến 95% đến 99% thể tích khí sinh học. Nhiệt lượng trên đơn vị thể tích biogas cĩ thể
Làm khơ Lọc Khử lưu huỳnh Khử các tạp chất H2O Hạt rắn H2S Siloxanes H2S, VOC, NH3, Cl Nguồn biogas Sử dụng biogas Lị hơi
Sản xuất điện (động cơ đốt trong) Sản xuất điện (pin nhiên liệu, turbine)
tăng lên khá đáng kể nếu loại bỏ CO2 trong nhiên liệu. Ví dụ biogas chứa 55% CH4 và 45% CO2 nếu được loại trừ hồn tồn CO2 thì nhiệt lượng trên một đơn vị thể tích của khí tăng đến 1,8 lần so với nhiên liệu thơ ban đầu.
Việc loại bỏ CO2 cũng yêu cầu phải thực hiện khi lưu trữ biogas nhằm làm giảm thể tích của thiết bị chứa. Sự hiện diện của CO2 trong biogas ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng nhiên liệu này trên động cơ đốt trong. Lượng biogas chứa 50% CH4 phải gấp 3,7 lần thể tích nhiên liệu chứa 100% CH4 để đảm bảo cùng cơng suất động cơ.
Tuy nhiên, trong nhiều mục đích sử dụng và ở hầu hết hệ thống cơng suất nhỏ, việc loại bỏ CO2 cĩ thể khơng cần thiết.
CO2 trong biogas cĩ thể được loại bỏ bằng cách cho khí lội qua nước cĩ chứa bất kỳ chất kiềm nào, chẳng hạn như hydroxit canxi Ca(OH)2, do CO2 và nước hình thành acid carbonic:
CO2+H2O H2CO3
Sau đĩ các chất alkaline như hydroxide calcium kết hợp và loại trừ acid carbonic hình thành bicarbonate calcium:
2H2CO3+Ca(OH)2 2H2O+Ca(HCO3)2
Khi hỗn hợp này được bày trong mơi trường khơng khí, carbonate calcium được hình thành:
O2+2Ca(HCO3) 2CaCO3+2CO2+2H2O Hỗn hợp được tái sinh và cĩ thể được sử dụng lại.
Ngồi ra cĩ thể lọc CO2 bằng phương pháp nén và làm lạnh. Áp suất ngưng tụ của CO2 thấp hơn nhiều so với CH4 ở cùng nhiệt độ. Do đĩ trước khi nén biogas vào bình chứa áp suất cao, cĩ thể cho biogas đi qua cơng đoạn nén ngưng tụ CO2 ở điều kiện nhiệt độ và áp suất phù hợp. CO2 dạng lỏng sau đĩ sẽ được thu hồi cho những mục đích sử dụng khác. Q trình này khơng cần hĩa chất nhưng chỉ phù hợp với những trạm cung cấp biogas cơng nghiệp qui mơ lớn.
H2S cĩ thể được lọc bằng một trong các cách sau: - Phương pháp hấp thụ bằng Na2CO3
Khi cho biogas đi qua dung dịch chứa carbonate natri, H2S và CO2 bị giữ lại: Na2CO3+H2S NaHCO3+NaHS
Na2CO3+CO2+H2O 2NaHCO3
Do dung dịch cũng phản ứng với CO2 nên làm giảm khả năng lọc H2S. - Phương pháp hấp thụ bằng NaOH
Tương tự như trên, dung dịch NaOH cũng cĩ thể loại trừ H2S và CO2: H2S+2NaOH Na2S+2H2O
NaOH+CO2 NaHCO3
Nếu quá trình tiếp tục, sulfide natri Na2S tác dụng với H2S và hình thành hydrosulfide natri:
Na2S+H2S 2NaHS - Phương pháp hịa tan trong nước
Lọc nước được dùng để loại bỏ CO2 và H2S trong biogas vì những chất khí này hịa tan trong nước mạnh hơn methane. Quá trình này thuần túy là hấp thụ vật lý. H2S cĩ thể hịa tan trong nước với mức 2,6 thể tích khí trong 1 thể tích nước ở 20C. Khi cho dịng khí chạy ngược chiều với dịng nước kết hợp với lắc mạnh sẽ giúp quá trình hịa tan H2S và CO2 vào nước dễ dàng hơn.
Thơng thường biogas được đưa vào ở phần dưới tháp lọc và nước được bơm vào phía đỉnh tháp lọc. Khí và nước đi ngược chiều nhau. H2S hịa tan vào nước tốt hơn CO2. Nước rời khỏi cột lọc cĩ chứa H2S và CO2 cĩ thể được tái sinh và đưa trở lại vào lọc.
Ưu điểm của phương pháp này là khơng sử dụng hĩa chất mà vẫn cĩ thể lọc đồng thời CO2 và H2S. Nhược điểm là phải sử dụng một lượng nước lớn ngay cả khi tái sinh nước cũng như giới hạn lọc H2S vì CO2 làm giảm pH của dung dịch.
- Phương pháp catalyst vi sinh
Oxy hĩa sinh học hiện nay là một trong những phương pháp dùng phổ biến nhất ở những trạm biogas qui mơ lớn. Phương pháp này bao gồm phun một lượng khơng khí nhỏ (khoảng 2-8%) vào biogas. Lượng khơng khí tối thiểu cần thiết để xử lý H2S được xác định bằng thực nghiệm. Oxy trong khơng khí đĩng vai trị bio-
catalytic, tách lưu huỳnh trên bề mặt bùn. Phương pháp đơn giản này hoạt động tốt khi biogas được lưu trữ trên bề mặt lớp bùn vì các vi khuẩn cần độ ẩm, nhiệt độ (tối ưu khoảng 35-37C) và chất dinh dưỡng.
- Phương pháp hấp phụ bằng vơi hoặc bằng vật liệu chứa sắt
Phương pháp thơng dụng nhất để loại trừ H2S là cho biogas đi qua buồng lọc cĩ chứa rỉ sắt. Một trong những phân tử tìm thấy trong rỉ sắt là oxide ferric Fe2O3. Khi chúng phản ứng với H2S, sản phẩm sinh ra là sulfide ferric (Fe2S3). Ít khi phản ứng sinh ra sulfide ferrous (FeS) hay lưu huỳnh (S). Cả hai chất sulfide ferric và sulfide ferrous đều rất khơng ổn định. Khi cĩ sự hiện diện của oxy chúng bị biến thành Fe2O3 và sinh ra nhiệt, vì vậy phải thận trọng khi phơi những sulfide này trong khơng khí trong q trình thực hiện việc tái sinh lọc.
Cho một lượng nhỏ khơng khí đi từ từ vào bầu lọc là cách để tái sinh lọc nhưng nếu phơi tồn bộ Fe2S3 và FeS trong khơng khí ngay lập tức cĩ thể gây nguy hiểm do lượng nhiệt tỏa ra lớn. Mặt khác các phản ứng cũng phụ thuộc dạng ngậm nước của ferric hay oxide sắt. Điều này cĩ nghĩa là chúng cần cĩ các phân tử nước đi kèm. Nếu nhiệt làm tồn bộ nước bốc hơi, rỉ sắt khơng cịn chức năng lọc H2S.
Phoi sắt đã bị oxy hĩa là chất rắn hấp phụ rất tốt khí H2S theo cơ chế hấp phụ hĩa học. Phoi sắt lấy từ các cơ sở gia cơng cơ khí được oxy hĩa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt. Quá trình này cĩ thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngồi khơng khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hĩa. Phản ứng oxy hĩa phoi sắt diễn ra như sau:
Fe + 1/2 O2 FeO 2Fe + 3/2O2 Fe2O3 3Fe + 2O2 Fe3O4