4 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT TRẠM HỆ THỐNG NÉN KHÍ BIOGAS
4.5 Chức năng, nhiệm vụ các bộ phận trong hệ thống nén Biogas
4.5.1 Bộ phận cung cấp
4.5.1.1 Máy nén
Máy nén được sử dụng ở đây là loại máy nén cao áp đặt nằm ngang- cân bằng đối xứng, làm mát bằng không khí. Các chi tiết của máy nén gồm: cácte, trục khuỷu, xi lanh, piston, van nạp và van xả khí, vv. Các cácte được làm bằng hợp kim nhôm và các vòng bi kim được lắp đặt trên cả hai mặt trước và phía sau cuối của cácte để hỗ trợ chuyển động quay của trục khuỷu. Trong khi đó, mặt trước và phía sau bao gồm
Tất cả các thanh truyền được gắn trên các trục khuỷu với các góc đặc biệt. Piston của cấp nén thứ nhất và thứ hai đều dược làm bằng nhôm và có trang bị các vòng xec- mang khí. Piston của cấp nén thứ 3 được làm bằng hợp kim nhôm và có trang bị các vòng xec-mang đặc biệt. Piston của cấp nén thư tư được làm bằng thép có hàm lượng cacbon trung bình với độ tin cậy cao mà không có xec-mang làm kín. Các xi-lanh với tấm tản nhiệt được cung cấp trong từng cấp nén.
4.5.1.2 Bộ lọc khí vào [11]
Khí Biogas trước khi vào máy nén cao áp phải được lọc sạch các thành phần khí khác như H2S, CO2… bằng các thiết bị lọc chuyên dụng đã được thử nghiệm và đưa vào ứng dụng Biogas trong đun nấu chạy máy phát điện ở các trang trại trên địa bàn thành phố Đà Nẵng.
a. Thiết bị tách H2S:
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phoi sắt để tách H2S. 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.
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau:
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O
Fe3O4 + 4H2S FeS+Fe2S3 + 4H2O
FeO + H2S FeS + H2O
Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày), khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4%. Sau 1 tháng sử dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98%. Khi hiệu suất của thiết bị
giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Phản ứng tái sinh diễn ra như sau:
Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S FeS + O2 FeO + S
Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quá trình tái sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút. Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:
Fe2S3 + 9/2O2 Fe2O3 + 3SO2 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.
Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung tâm bảo trợ xã thiết bị, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và sau khi đi qua lọc cho ở bảng 1. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%).
b. Thiết bị tách CO2:
Khí CO2 trong Biogas có thể khử bằng nhiều vật liệu khác nhau. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát hiệu quả và tính ổn định của hệ thống khử CO2 bằng vôi nung dạng cục vôi nung dạng bột, diatomit dạng cục, diatomit dạng bột, sút phối hợp với các loại vật liệu này. Kết quả cho thấy nếu sử dụng một cách riêng lẻ các loại vật liệu này thì hiệu quả đạt cao nhất là 80%. Nếu kết hợp với vôi bột và xút, hiệu quả xử lý CO2 đạt 99%. Đặc biệt giai pháp này cho hiệu quả lọc ổn định ở 50- 60%.
Sau khi xem xét các ưu nhược điểm của từng loại vật liệu lọc khác nhau, chúng tôi chọn phương án xử lý khí Biogas bằng phôi sắt và hỗn hợp vôi nung bột – xút.
4.5.1.3 Thiết bị làm mát giữa các cấp
Giảm nhiệt độ khí trước khi đi vào cấp tiếp theo để giảm tải nén và tăng hiệu suất. Khí nén được dẫn qua ống kim loại bằng đồng, đường ống được kéo dài bằng cách bố trí xoắn xung quanh đỉnh piston của từng cấp nén nhằm tăng khả năng làm
1. Ống dẫn khí vào cấp nén thứ 3 được làm bằng đồng để tản nhiệt tốt.
2. Ống dẫn khí ra của cấp nén thứ 3 được làm bằng đồng để tản nhiệt tốt.
3. Quạt làm mát.
4. Bộ tản nhiệt làm bằng hợp kim nhôm 5. Động cơ nén.
Hình 4.14: Các chi tiết chính của bộ phận làm mát
Phần lớn các máy nén đa cấp đều có bộ làm mát trung gian. Đó là các bộ trao đổi nhiệt thực hiện việc loại bỏ nhiệt sinh ra trong quá trình nén giữa các cấp nén. Làm mát trung gian ảnh hưởng đến hiệu suất toàn phần của máy nén.
Khi cơ năng được cấp cho khí nén, nhiệt độ của khí tăng lên. Bộ làm mát sau được lắp đặt sau cấp nén cuối cùng để giảm nhiệt độ khí cấp. Khi nhiệt độ khí giảm, hơi nước trong không khí ngưng tụ lại, được phân tách, thu hồi và xả ra khỏi hệ thống. Hầu hết nước ngưng từ máy nén có bộ làm mát trung gian được loại bỏ ngay tại các bộ làm mát trung gian, và phần còn lại sẽ được loại bỏ trong bộ làm mát sau. Ở phần lớn các hệ thống công nghiệp, trừ những hệ thống cung cấp khí nén tới những thiết bị không nhạy cảm nhiệt, đều cần có quá trình làm mát sau. Ở một số hệ thống nén, bộ làm mát sau được tích hợp với bộ máy nén, trong khi ở một số hệ thống khác, bộ làm mát sau là một thiết bị rời. Một vài hệ thống có cả hai lựa chọn.
Một cách lý tưởng, nhiệt độ khí vào ở mỗi cấp của máy nén đa cấp phải tương tự như nhiệt độ khí vào ở cấp đầu tiên. Đây được xem là “làm mát hoàn hảo” hoặc nén đẳng nhiệt. Nhưng trên thực tế, nhiệt độ khí vào ở các cấp tiếp theo thường cao hơn ở cấp đầu, dẫn tới mức tiêu thụ điện cao hơn, vì phải xử lý một thể tích lớn hơn cho cùng một tác vụ.(xem bảng 4).
Bảng 4.2: Minh hoạ tác động của làm mát trung gian đối với mức tiêu thụ điện của máy nén (Confederation of Indian Industries)
Chi tiết Làm mát không Làm mát hoàn hảo Nước Làm
5
3 1
2
lạnh
Nhiệt độ vào ở cấp 1 (oC) 21,1 21,1 21,1
Nhiệt độ vào ở cấp 2 (oC) 26,6 21,1 15,5
Năng suất (nm3/min) 15,5 15,6 15,7
Công suất hữu dụng (kW) 76,3 75,3 74,2
Tiêu thụ năng lượng cụ thể (nm3/min)
4,9 4,8 4,7
% thay đổi +2,1 Giá trị tham khảo -2,1
4.5.1.4 Van - đường ống
Hình 4.15: Van và đường ống nạp
1- Đường ống nối 2 bình; 2- Van đầu bình;3- đồng hồ đo áp suât; 4- Đường ống đầu ra từ máy nén.
Van và đường ống của hệ thống nạp khí đều được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất (canada) chịu áp suất cao 3000psi tương đương 207bar. Đường ống đầu vào bình 1 là loại ống cứng làm bằng nhôm hợp kim chịu được áp cao. Đường ống đầu ra máy nén 3 là loại ống mềm làm bằng vật liệu composit chịu được áp suất cao, độ kín khít cao, làm việc an toàn. Van đầu bình 2 làm bằng đồng thau chị được áp suất cao, van có 2 lổ thông để trong hệ thống khí nén có thể nối thông với nhau qua nhiều bình hoặc có thể lắp thêm đồng hồ đo áp.
1
3
Hình 4.16: Cấu tạo van đầu bình VB-A1 1. Xy lanh 2. Thân van 3. Kẹp 4. Đệm xu 5. Van tràn
6. Ống thông hơi đến đĩa an toàn và cầu chì nhiệt 7. Lỗ thông khí
8. Đầu đóng hình trụ tròn 9. Tay đóng/mở van
4.5.1.5 Giá đỡ bình di động
Với trọng lượng của hai bình chưa khí nén đầy khí khoảng 100kg, nên việc di chuyển bình là rất khó khăn. Giá đỡ bình rất thuận tiện: có thể di chuyển bình từ vị trí này đến vị trị khác dể dàng, có thể đặt đứng hay đặt nằm bình trong quá trình nạp khí. Giá đỡ bình có cấu tạo như hình bên.
500 1 3 3 0 1 0 0 4 5 0 4 5 0 2 0 0 1 0 0 1 4 0 8 8 0 250 230 30° 4 5 0 100 3 5 15 15 100 520 150 Ø20 4 40 40 150 3 5 1 0 0 Ø10 0 150 200 230 100 1 A 2 3 4 5 6 7 8 Hình 4.17: Giá đỡ bình chứa khí nén
1. Bích nối bánh xe với giá đỡ 2. Bu lông nối bích 3. Thanh kẹp bình dưới 4. Bánh xe 5. Bình chứa khí 6. Thanh kẹp bình trên 7. Cần đỡ nằm 8. Tay cầm