- COOAB Màng
c. Chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức
3.5. Lọc tạp chất trong khí biogas để sử dụng cho động cơ đốt trong
Như đã biết, khí biogas cĩ thành phần chủ yếu là methane (CH4), là chất cĩ nhiệt trị cao, ít gây ơ nhiễm trong quá trình cháy. Nhưng khí biogas từ các nguồn sản xuất thường chứa các tạp chất gây trở ngại khi dùng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Các tạp chất đáng lưu ý là hydrosunfua (H2S), khi cháy sinh Sox là nguồn gốc tạo thành axit ăn mịn các chi tiết động cơ và phát sinh các chất ơ nhiễm độc hại trong khí thải, carbon dioxide (CO2) là giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Vì vậy để khí biogas cĩ thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cần phải khử bỏ các tạp chất, quan trọng nhất là khử bỏ H2S và CO2.
Sau đây sẽ trình bày một số phương pháp khử tạp chất trong khí biogas do GS. TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự ở Đại học Bách khoa Đà Nẵng nghiên cứu;
- Khử H2S trong biogas:
Sử dụng phương pháp hấp thụ để khử H2S, ở quy mơ phịng thí nghiệm cĩ thể dùng oxit kẽm (ZnO) làm vật liệu hấp thụ. ở quy mơ sản xuất lớn, cĩ thể dùng oxit sắt
(Fe2O3) để làm vật liệu hấp thụ. Các phương trình phản ứng như sau: Phản ứng hấp thụ:
ZnO + H2S = ZnS + H2O (1) Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O (2) Hồn nguyên vật liệu hấp thụ (phản ứng nhả hấp thụ):
2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S (3)
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 đĩ để nâng cao tốc độ phản ứng, độ rỗng (xốp) của vật liệu hấp phụ phải lớn. Điều kiện lý tưởng cho phản ứng hấp phụ H2S bằng oxit sắt là nhiệt độ nằm trong khoảng 28 # 30oC và độ ẩm của vật liệu hấp phụ khoảng 30%. Ngồi oxit sắt người ta cịn cĩ thể sử dụng quặng bùn cĩ chứa sắt (III) hydroxit Fe(OH)3 để khử H2S theo phản ứng sau:
3H2S + 2Fe(OH)3 = Fe2S3 +H2O + 62,5 kJ/mol (4)
Phản ứng trên diễn ra tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ 28 # 30oC, độ ẩm vật liệu khoảng 30%. Sau khi bão hịa, vật liệu hấp phụ được hồn nguyên bằng oxy trong khơng khí với sự tham gia của hơi nước. Kết quả thu được là hydroxit sắt và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng:
2Fe2S3 + 3O2 +6H2O = 4Fe(OH)3 + 6S +606 kJ/mol (5)
Thể tích khơng khí cấp cho quá trình hồn nguyên được điều chỉnh tuỳ theo nhiệt độ và hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí đi vào hệ thống lọc. Vật liệu hấp thụ được xem là hết tác dụng khi hàm lượng lưu huỳnh chiếm 50% khối lượng vật liệu. Lưu huỳnh tích tụ trong vật liệu hấp thụ dần dần bao bọc các hạt Fe(OH)3 và gây cản trở cho sự thâm nhập của H2S vào bề mặt của các hạt vật liệu hấp thụ.
- Khử CO2 trong biogas:
Đối với việc loại trừ khí CO2 ra khỏi biogas, phương pháp đơn giản nhất là sử dụng nước làm chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ của nước đối với CO2 dựa trên các phản ứng sau:
Phản ứng hấp thụ CO2 ở nhiệt độ thường:
H2O + CO2 H2CO3 (6) Nhả hấp thụ CO2 ở nhiệt độ cao hơn:
H2CO3 H2O + CO2 . (7)
Hình 2.2.42 mơ tả sơ đồ của hệ thống xử lý tạp chất khí biogas theo phương pháp vừa nêu. Trong quy trình này oxit sắt được dùng để khử H2S và CO2 được khử bằng nước. Khí biogas từ bể sinh khí được dẫn đến bình tách ẩm để ngưng tụ hơi nước chứa trong nhiên liệu, sau đĩ được dẫn qua hệ thống lọc tạp chất. Để khử H2S, phoi tiện sắt được sử dụng làm chất hấp phụ (Hình 2.2.43). Phoi sắt trong mơi trường khơng khí bị oxy hĩa thành oxit sắt Fe2O3. Quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ theo phản ứng (2), (3). Hệ thống khử H2S gồm hai bình lọc đặt song song. Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này cĩ thể dừng lại để hồn nguyên hay thay thế vật liệu hấp phụ mới mà khơng gây cản trở cho việc cung cấp khí biogas. Hồn nguyên lọc được thực hiện nhờ thổi khơng khí ấm qua lõi lọc phoi tiện. Nhiệt lượng cung cấp cho khơng khí cĩ thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ.
Sau khi qua bình lọc H2S, khí biogas được dẫn đến hệ thống khử CO2. Hệ thống này gồm bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ. Khí biogas cĩ chứa CO2 và sương nước chuyển động ngược chiều trong cột hấp thụ cĩ đường kính 0,25m và chiều cao 3m (hình 2.2.44). Sau khi hấp thụ CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phĩng CO2. Nước sạch thu lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hồn trở lại trong hệ thống. Nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống này cĩ thể lấy từ hệ
thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ.
Trước khi đưa vào động cơ, khí biogas được dẫn qua bình tách ẩm và bình điều hịa.
Hình 2. 42 Sơ đồ hệ thống xử lý lọc tạp chất khí biogas để
sử dụng cho động cơ đốt trong (Nghiên cứu của ĐH Bách khoa Đà Nẵng)
Hình 2. 44 Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước
Kết quả phân tích khí biogas trước khi vào lọc, sau khi qua lọc H2S và sau khi ra khỏi hệ thống lọc như trên bảng 2.2.4. Kết quả này cho thấy hàm lượng CH4 tăng từ 69,33% lên 88,09% (tăng 30% so với giá trị ban đầu) do hàm lượng khí CO2 đã bị nước hấp thụ (giảm từ 20,63% xuống 8,3%). Hàm lượng H2S chỉ cịn 0,023%, tức chỉ bằng 0,5% so với hàm lượng của nĩ trong khí biogas trước khi qua lọc. Hàm lượng H2S tiếp tục giảm sau khi qua cột hấp thụ CO2 vì một bộ phận tạp chất này cũng bị nước hấp thụ.
Bảng 2.2.4. Thành phần khí biogas sau khi qua lọc Thành phần Trước lọc (%vol) Sau lọc H2S
(%vol) Sau lọc CO2 (%vol)
CH4 69,33 73,243 88,09 CO2 20,63 23,092 8,3 H2S 5,32 0,270 0,023 N2 1,00 1,071 1,26 O2 1,55 0,000 0,000 CO 0,10 0,107 0,132 H2O 0,10 0,107 0,088 H2 1,97 2,110 2,520 Tổng 100,00 100,00 100,00
- Thử nghiệm sử dụng nhiên liệu khí biogas đã lọc tạp chất cho động cơ xe gắn máy: Khí biogas sau khi qua xử lý lọc tạp chất được sử dụng thử nghiệm cho động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA5 (Hình 2.2.45)
Hình 2. 45Chạy thử nghiệm biogas trên động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện GA5
Kết quả bước đầu cho thấy động cơ làm việc bình thường, chạy êm và rất dễ khởi động. Thử nghiệm định tính bằng phanh của xe khơng cho thấy sự khác biệt nào về cơng suất khi xe chạy bằng biogas và khi chạy bằng LPG.
Kết quả phân tích khí thải động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas được giới thiệu ở Bảng 2.2.5. Theo TCVN, ở chế động khơng tải, giới hạn cho phép của HC là 1200ppm và CO là 4,5%. Nếu xem chế độ này ứng với khi động cơ làm quay bánh xe khơng tải 200 vịng/phút thì khi chạy bằng biogas, mức độ phát thải của động cơ chỉ bằng 10% đối với HC và 1% đối với CO so với giới hạn cho phép của TCVN. Điều này cho thấy sử dụng biogas để chạy động cơ là rất lý tưởng về mặt bảo vệ mơi trường.
Bảng 2.2.5 Kết quả phân tích khí xả động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas
xe (v/ph) khơng
tải đổi (km/h) HC (ppm) CO(%vol) CO2(%vol)
200 18.85 102.00 0.04 2.56
300 28.27 738.00 0.08 2.38
450 42.41 644.00 0.09 2.80
Tuy nhiên, cũng giống như đối với khí thiên nhiên, khĩ khăn cần phải giải quyết để cĩ thể sử dụng rộng rãi nhiên liệu khí biogas cho các phương tiện giao thơng vận tải là nghiên cứu tìm kiếm cơng nghệ lưu trữ biogas phù hợp. Ngược lại, cĩ thể thấy việc sử dụng biogas làm nhiên liệu cho các loại động cơ tĩnh tại, nhất là các động cơ cỡ nhỏ phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt ở nơng thơn là rất cĩ triển vọng.
4. Kết luận
Nhiên liệu khí biogas cũng cho thấy cĩ nhiều khả năng sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong nĩi chung và ơ tơ nĩi riêng, bên cạnh các ưu điểm về ít gây ơ nhiễm mơi trường, nhiên liệu biogas cịn cĩ một số lợi thế để phát triển sử dụng cho động cơ đốt trong như sau:
Cĩ thể sản xuất từ các nguồn nguyên liệu cĩ sẵn ở từng vùng, từng địa phương; Quá trình sản xuất loại nhiên liệu này mang tính tự nhiên và hiệu quả cao (cao nhất trong các loại nhiên liệu sinh học đã được biết đến hiện nay);
Quá trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu biogas sẽ gĩp phần làm giảm ơ nhiễm khí nhà kính xét ở nhiều gĩc độ khác nhau.
Tuy nhiên, vẫn cịn nhiều yếu tố hạn chế việc phát triển các cơng nghệ sử dụng nhiên liệu biogas cho động cơ đốt trong trong đĩ cĩ động cơ ơ tơ như:
Thị trường hạn chế do các nhà chế tạo động cơ và xe ơ tơ cịn chưa mạnh dạn đầu tư cho sản phẩm sử dụng nhiên liệu khí do đã quen với nhiên liệu lỏng truyền thống. Giá thành đầu tư cho sản xuất chế tạo cịn đắt, mức lợi nhuận khi đầu tư khơng cao và người tiêu dùng cịn e ngại khi sử dụng;
Hạn chế trong cơ cấu và hệ thống phân phối sản phẩm nhiên liệu khí: Các cơng ty lớn cung cấp nhiên liệu cho xe cịn ngại đầu tư vào nhiên liệu biogas.
Hạn chế trong sản xuất do nguyên liệu chất thải hữu cơ ở nhiều nơi cịn hạn chế, nguồn cung cấp khơng ổn định. Một giải pháp khả thi là cần cĩ chiến lược đầu tư phát triển sử dụng nguyên liệu từ chất thải nơng nghiệp, phụ phẩm thải ra từ rừng ....
Nhìn chung, phát triển sử dụng nhiên liệu biogas cũng là một cơng cụ quan trọng gĩp phần giảm ơ nhiễm khí nhà kính do hoạt động xã hội của con người nĩi chung và lĩnh vực giao thơng vận tải nĩi riêng.
B. THỰC HÀNH
- Nghiên cứu ứng dụng của khí biogas cho sinh hoạt.
BÀI 3 : ỨNG DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) CHOĐỘNG CƠ Ơ TƠ