Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt Hoàn toàn vào cuối thế kỷ 21. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ. Biogas là một sự thay thế đầy tiềm năng cho nhiên liệu chính là dầu mỏ, đang săp cạn kiệt trong vòng khoảng 30- 40 năm nữa. Dựa vào những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó.
Một số ưu điểm của nhiên liêu Biogas. - Về mặt môi trường.
+Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường.
+Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel).
+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thư.
+Khí thiên nhiên Biogas không chữa chì gây tác hại đến sức khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường không khí.
+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày).
+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất. + Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ. - Về mặt kỹ thuật
+ Biogas rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào. -Về mặt kinh tế.
+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có.
+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn.
+ Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn.
3.5. Tình hình sử dụng Biogas hiện nay
Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài nghiên cứu được nhiều nhà quan tâm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lượng này càng trở nên phong phú. Các xu hướng chính sử dụng nhiên liệu Biogas trên thế giới như sau:
+ Đốt trực tiếp.
+ Làm nhiên liệu cho các loại động cơ. + Bán cho các nhà cung cấp khí tự nhiên.
Nguồn biogas. Đốt trực tiếp. Động cơ. Bán cho nhà cung cấp. Tạo năng lượng. Công suất trên
trục. Vận tải.
Cấp nhiệt, làm lạnh. Sấy.
Quạt, bơm,
máy nén. Xe tải, Máy Xe khách, kéo Phát nhiệt
điện.
Turbin lỏng. Tur bin khí. Điều hoà hay đun nước Phát điện. Máy phát thuỷ lực. Hình 3. 2 Sơ đồ các ứng dụng Biogas
3.6. Khả năng ứng dụng biogas để chạy động cơ đốt trong
Có thể nói rằng động cơ đốt trong sử dụng Biogas từ các hệ thống xử lý rác thải thành phố đã được ứng dụng trên mấy chục năm nay và mang lại những thành công ở nhiều mức độ khác nhau. Trong những năm trở lại đây, công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi cho các ngành sản xuất nông nghiệp và công nghiệp dưới sức ép của việc khan hiếm năng
lượng hoá thạch trong tương lai. Các động cơ đánh lửa cưỡng bức cố định có thể cung cấp năng lượng cho rất nhiều loại thiết bị tải bao gồm:
+ Máy phát điện. + Máy bơm. + Quạt.
+ Thiết bị nâng chuyển.
+ Bơm nhiệt, điều khoà không khí.
Ngoài ra, Biogas cũng là nguồn năng lượng tiềm năng để cung cấp cho các phương tiện vận tải như xe ca, xe tải cũng như các thiết bị công nghiệp khác như máy kéo…
Việc đánh giá hiệu quả ứng dụng của các hệ thống này sẽ nhằm mục đích tối ưu hoá việc ứng dụng Biogas. Những vấn đề cần quan tâm là:
3.7. Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đôt trong.
Vấn đề cần quan tâm và cần được nghiên cứu là làm sao có thể nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thải ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra. Ta biết rằng trong Biogas có một lượng đáng kể
hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000 ppm thậm chí sau khi qua thiết bị
xử lý vẫn còn khoảng 200-400 ppm H2S) là một khí rât độc tạo nên hỗn
hợp nổ với không khí. Khi Biogas được sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S
có thể ăn mòn các chi tiết các động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là
một khí rất độc cho con người (TCVN cho phép là 0.3 mg/m3). Vì thế,
hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải động cơ. Hàm lượng của các chất này không được vươt quá mức cho phép.
nhưng hơi nước có thể ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình cháy Biogas. Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí /nhiên liệu của Biogas. Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn của các thiết bị, do đó cần phải giảm lượng hơi nước có trong Biogas. Phụ thuộc vào nhiệt độ thông thường Biogas lấy ngay từ hầm phân hủy có hàm lượng ẩn khoảng 50 mg/l gần với nồng độ bão hòa.
3.8. Các tạp chất trong biogas
3.8.1 Carbon dioxide (COx)
COx là khí không màu, không mùi và không vị. Sinh ra do quá trình cháy
không hoàn toàn của các nhiên liệu có chữa cacbon (Than, củi, dầu). C + O2 = COx
COx Bao gồm (CO, CO2)
Với CO: trữ lượng sinh ra hằng năm là 250 triệu tấn/năm. Hàm lượng CO trong không khí không ổn định, chúng thường biến thiên nhanh nên rất khó xác định được chính xác.
Khí CO xâm nhập vào cơ thể người theo con đường hô hấp, chúng sẽ tác dụng thận nghịch với Oxy hemongglobin, làm mất khả năng vận chuyển Oxy của máu và gây ngạt:
HbO2+CO=HbCO+O2
CO tác dụng với Hb mạnh gấp 250 lần so với O2.
Triệu chứng của con người khi bị nhiễm bởi CO thường bị nhức
đầu, ù tai, chóng mặt, buồn nôn, mỏi mệt. Nếu bị lâu sẽ có triệu chứng đau đầu dai dẳng, chóng mặt, mệt mỏi, sút cân. Nếu bị nặng sẽ bị hôn mê, co giật, mặt xanh tím, chân tay mềm nhũ, phù phổi cấp.
Thực vật ít nhạy cảm với CO, nhưng nồng độ cao (100-
sinh trưởng của cây cối.
Với CO2: có lợi cho cây cối phát triển trong quá trình quang hợp
nhưng gây nên hiệu ứng nhà kính làm nóng bầu khí quyển của Trái Đất.
Đối với đông cơ thì CO2 có trong động cơ sẽ hấp thụ nhiên liệu
làm giảm công suất của động cơ.
3.8.2. Hydrogen sulfide (H2S)
H2S còn gọi là sunfur hydro là khí không màu, có mùi trứng thối.
H2S sinh ra do quá trình rác hữu cơ hủy các chất hữu cơ, các xác chết
động thực vật, đặc biệt là ở các bãi rác, khu chợ, cống rãnh thoát nước, sông hồ ô nhiễm và hầm lò khai thác than.
Trữ lượng H2S sinh ra khoảng 113 triệu tấn/năm (mặt biển tương
đương là 30 tiệu tấn, mặt đất là 80 triệu tấn, sản xuất công nghiệp là 3 tiệu tấn).
H2S có tác hại làm rụng lá cây, thối hoa quả và giảm năng suất cây
trồng.
Đối với con người, khi tiếp xúc với H2S sẽ cảm thấy khó chịu,
nhức đầu buồn nôn và mỏi mệt. Nếu tiếp xúc lâu sẽ làm mất khả năng nhận biết của khứu giác, từ đó làm tổn hại đến hệ thần kinh khứu giác và rối loạn đến khả năng hoạt động bình thường của các tuyến nội tiết trong cơ thể, cuối cùng dẫn đến bệnh thần kinh hoảng hốt thất thường. Ngoài ra nó còn kích thích tim đập nhanh, huyết áp tăng cao khiến những người mắc bệnh tim càng nặng thêm. Ở nồng độ 150ppm sẽ gây tổn thương, đến cơ quan hô hấp.
Đối với động cơ thì khí H2S có trong Biogas khi sử dụng sẽ tao
thành khí SOx làm ăn mòn các thiết bị trong động cơ và tạo ra ô nhiễm
3.8.3. Sunfua dioxit SO2
Sunfua dioxit là chât khí không màu, có vị hăng, mùi khó chịu.
SO2 trong không khí chỉ có thể biến thành SO3 dưới ánh sáng mặt trời khi
có chất xúc tác.
Chúng được sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu có chứa lưu huỳnh, đặc biệt là trong công nghiệp có nhiều lò luyện gang, lò rèn, lò gia công nóng.
Hàm lượng lưu huỳnh thường xuất hiện nhiều trong than đá (0,2-
0,7%) và dầu đốt (0.5-4%), nên trong quá trình cháy sẽ tạo ra khí SO2.
S + O2 = SO2
Trữ lượng của SO2 là khoảng 132 triệu tấn/năm, chủ yếu là do đốt
than và sử dụng xăng dầu. SO2 sẽ kích thích tới cơ quan hô hấp của
người và động vật nó có thể gây ra chứng tức ngực, đau đầu, nếu nồng
độ cao có thể gây bệnh tật và tử vong. Trong không khí SO2 có thể gặp
nước mưa dễ chuyển thành Axit Sulfuric(H2SO4). Chúng sẽ làm thay đổi
tính năng vật liệu, thay đổi màu sắc công trình, ăn mòn kim loại giảm độ bền sản phẩm đồ dùng.
Thực vật khi tiếp xúc với SO2 sẽ bị vàng lá, rụng lá, giảm khả năng
sinh trưởng và có thể bị chết.
3.9. Hệ thống lọc và lưu trữ Biogas.
3.9.1. 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
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 4:1 về thể
tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc H2S (hình 4.3). 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 hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và sau khi đi qua lọc cho ở bảng 4.2. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%).
Hình 3. 3 Thiết bị lọc H2S
Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng
Trước xử lý Sau xử lý Trước xử lý Sau xử lý Hàm lượng H2S (mg/l) 0,17 0,000 5 0,20 0,001 ppm thể tích 112 0,33 132 0,66
Bảng 3. 2 Hiệu quả lọc H2S
3.9.2. Tháp tách CO2
Việc tách 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, nhóm đã sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch để làm đệm. Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đã sử dụng một đĩa đục lỗ bằng mica,
đặt ở phần dưới của tháp. Với kích thước tháp tách CO2 như hình 3, 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
Hình 3. 4 Tháp tách CO2
3.9.3. Hệ thống lưu trữ Biogas
Để đảm bảo lưu lượng cũng như áp suất khí Biogas được ổn định trước khi nạp vào động cơ, cần phải thiết kế hệ thống lưu trữ Biogas.
V-02 V-01
1
Hình 3. 5 Hệ thống lưu trữ Biogas.
1. Bình chứa khí Biogas. 2.V-01. Van vào túi chữa 3. V-02.Van tới động cơ
L?i vào c?a biogaz
L?i ra c?a biogas L?i vào c?a n??c L?i ra c?a n??c ??a ??c l? ??m ?ng 23 ?ng Thân ?ng ?ng
cho động cơ hoạt động trong một thời gian nhất định.
3.9.4. Duy trì hoạt động hệ thống sản xuất và lưu trữ Biogas
3.9.4.1. Duy trì đường cấp thoát nước và vùng có rác thải hữu cơ
Yêu cầu làm vệ sinh hàng ngày vùng đất bao quanh bằng cách loại bỏ các tạp chất, sau đó mới cho vào ngăn trộn
Làm vệ sinh vùng bao quanh không có rác hữu cơ bằng nước và để nó chảy vào đường thoát nước khác.
Không được cho nước có lẫn các chất hoá học, thuốc kháng sinh hoặc chất khử trùng vào hầm phân huỷ. Vi sinh vật hoạt hoá khí gas trong bể sẽ chết.
3.9.4.2. Duy trì ngăn trộn
Phải loại bỏ khỏi phân tất cả các tạp chất như: cỏ khô, vỏ trấu, sỏi, đất, và các chất vô cơ trước khi cho vào bể trộn. Các chất này sẽ làm cạn mức nước ở ngăn phân huỷ và gây ra tắc các đường ống.
Trộn lẫn hoặc đảo lật hỗn hợp trong hố dẫn vào cho tới khi nó trở thành chất lỏng sau đó mở cửa của ngăn trộn để cho dòng hỗn hợp chảy vào ngăn phân hủy.
Thường xuyên làm vệ sinh ngăn trộn lẫn và cửa sau khi bổ sung phân vào ngăn phân huỷ.
Mỗi lần một tuần dùng gậy gỗ để đảo lật dung dịch lên men để tránh bọt hoặc vảy cặn ở đáy của hầm hoặc tắc ống đầu vào.
Để cho phân dễ chảy vào ngăn phân huỷ, nên dùng gas từng phần trước khi thêm phân. Vì áp lực cao trong ngăn phân huỷ, nó làm chậm dòng phân chảy vào.
3.9.4.3. Duy trì đường dẫn vào ngăn phân huỷ
trừ đất sét bao phủ bên ngoài để làm khô. Khí gas có thể rò rỉ.
Tại ngăn trộn và đường ống vào nên được che đậy kín để ngăn ngừa các loại sinh vật vùng có nước bám vào và cũng ngăn cản nước bay hơi nhanh.
Nên mở nắp đậy của ngăn trộn và ống dẫn đầu vào để kiểm tra mỗi năm một lần, nếu có bọt hoặc vảy do phân thì có thể bỏ đi.