1- Hầm biogas. 5- Bếp nấu.
2- Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas. 6- Mây bơm nƣớc.
3- Thiết bị phđn phối khí biogas. 7- Mây xay xât.
4- Mây phât điện.
Chú thích: Khí biogas cịn chứa H2S vă CO2 từ hầm ủ (1) đƣợc dẫn văo hệ thống thiết bị xử lý (2), ở đđy hỗn hợp khí H2S vă CO2 đƣợc tâch ra vă hỗn hợp khí Biogas chứa 97,9% CH4. Sau đó hỗn hợp khí đi đến thiết bị phđn phối, từ đó hỗn hợp khí Biogas đƣợc dẫn đến câc thiết bị sử dụng nhiín liệu khí Biogas trong trại chăn nuôi nhƣ: Mây bơm nƣớc, mây phât điện, mây xay xât, bếp nấu ăn...
2.5 Thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas – Khơng khí cho động cơ 2.5.1 Thiết kế hệ thống lọc H2S vă loại trừ CO2 2.5.1 Thiết kế hệ thống lọc H2S vă loại trừ CO2
+ Khí H2S có trong khí Biogas khi sử dụng sẽ tạo thănh SOx gđy ăn mịn thiết bị, tạo ra ơ nhiễm mơi trƣờng.
+ Khí CO2 có trong khí Biogas sẽ hấp thụ nhiệt của quâ trình chây của động cơ do đó lăm giảm hiệu suất của động cơ.
2.5.1.1 Hấp phụ
Hấp phụ lă q trình hút khí (hơi) hay chất lỏng bằng bề mặt chất rắn xốp. Chất khí hay hơi đƣợc hút đƣợc gọi lă chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi đƣợc gọi lă chất hấp phụ vă những khí khơng bị hấp phụ gọi lă khí trơ.
Tuỳ theo đặc trƣng của quâ trình mă chúng ta phđn biệt câc loại hấp phụ sau đđy: Hấp phụ hoâ học vă hấp phụ vật lý.
2.5.1.2 Ứng dụng quâ trình hấp thụ
Lăm sạch vă sấy khí
Khi lăm sạch vă sấy khí thì chất bị hấp phụ thƣờng khơng có giâ trị. Ví dụ lăm sạch amoniac trƣớc khi ơxy hô, lăm sạch H2 trƣớc khi hyđro hơ, lăm sạch khơng khí trong câc bộ phận chống khí độc, lăm sạch khơng khí để khử mùi, tâch H2S, CO2 trong khí Biogas.
Tâch hỗn hợp câc khí hay hơi thănh từng cấu tử
Khi tâch câc hỗn hợp thì chất bị hấp phụ thƣờng lă chất quý. Muốn thu đƣợc câc khí đó thì sau khi hấp phụ ta phải tiến hănh q trình nhả vă tiếp theo lă ngƣng tụ. Ví dụ sự thu hồi dung môi dễ bay hơi, lấy hơi xăng ra khỏi khí tự nhiín, tâch hỗn hợp câc Cacbuahydro ra từng chất riíng biệt.
Tiến hănh q trình xúc tâc khơng đồng thể trín bề mặt phđn chia pha
Trong trƣờng hợp năy chất hấp phụ lă chất xúc tâc. Ví dụ q trình oxy hô NH3 thănh oxit nitơ trín bề mặt bạch kim (Pt), oxy hơ SO2 thănh SO3 trín bề mặt bạch kim, hay oxit Vanadium.
Nhƣ vậy ta thấy rằng trừ mục đích thứ ba, hai mục đích đầu giống nhƣ mục đích của hấp thụ nhƣng mục đích sử dụng hai phƣơng phâp hấp thụ vă hấp phụ khâc nhau.
Q trình hấp phụ triệt để hơn, nó đƣợc ứng dụng trong những trƣờng hợp không thể dùng hấp thụ đƣợc. Cụ thể lă khi hỗn hợp khí loêng quâ nếu dùng hấp thụ thì hiệu suất rất thấp vă khơng kinh tế, hay lă khi tính chất câc cấu tử gần giống nhau cũng không thể hấp thụ đƣợc. Trong những trƣờng hợp năy nếu dùng hấp phụ thì kinh tế hơn vă hiệu suất lớn hơn rất nhiều.
2.5.3.1 Chất hấp phụ
Yíu cầu căn bản của chất hấp phụ lă bề mặt riíng phải lớn. Hiện tại ngƣời ta hay dùng than hoạt tính vă silicaghen để lăm chất hấp phụ.
Than hoạt tính
Nguyíu liệu đề lăm than hoạt tính lă những vật liệu có chứa cacbon nhƣ: gỗ, than bùn, xƣơng động vật.
Q trình lăm than hoạt tính nhƣ sau:
Chƣng khơ câc ngun liệu.
Kích thích hoạt tính của than sau khi chƣng cất khơ.
Q trình kích thích hoạt tính đƣợc thực hiện ở nhiệt độ khoảng 900oC với câc chất oxy hơ nhƣ khơng khí, oxy, hơi, nƣớc….
Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc văo tính chất của nguyín liệu đầu vă điều kiện hoạt hơ. Than hoạt tính có thể dùng ở dạng bột (50 ữ 200 à) hay dng ht kớch thƣớc hạt từ 1 ÷ 7mm. Bề mặt hoạt động biểu diễn bằng m2/g. Một gam than hoạt tính có thể đạt đến 600 ÷ 1700m2
.
Than hoạt tính lă một chất hấp phụ rất tốt, nó đƣợc ứng dụng chủ yếu trong việc thu hồi câc dung môi hữu cơ vă để thu hồi chúng.
Nhƣợc điểm của than hoạt tính lă dễ chây ở nhiệt độ cao, thƣờng khơng dùng than hoạt tính ở nhiệt độ lớn hơn 200oC, để khắc phục nhƣợc điểm đó ngƣời ta trộn thím Silicagen với than hoạt tính nhƣng điều đó sẽ lăm giảm hoạt tính của than.
Silicagen
Silicagen lă axit silic kết tủa khi cho tâc dụng với H2SO4 hay HCl hay lă muối của chúng với Silicat Natri kết tủa đó đem rữa sạch vă sấy ở nhiệt độ 115 ÷ 130oC đến độ ẩm 5 ÷ 7%. Silicagen đƣợc ứng dụng ở dạng hạt kích thƣớc từ 0,2 ÷ 7mm. Bề mặt riíng đạt đến 600 mm2/g. Ứng dụng chủ yếu của Silicagen lă để sấy khí.
Sắt (III) oxit
Sắt (III) oxit lă chất rắn hấp phụ rất tốt khí H2S, nó lă chất hấp phụ hơ học đặc biệt có tính chọn lọc cao với H2S.
2.5.2 Cơng nghệ xử lý khí H2S vă CO2 2.5.2.1 Nguyín tắc 2.5.2.1 Nguyín tắc
Khử acide cho khí lă q trình tâch câc khí acide (CO2 vă H2S) ra khỏi thănh phần
khí biogas, thơng thƣờng loại bỏ H2S u cầu triệt để hơn vì vấn đề sức khoẻ con ngƣời, mơi trƣờng vă u cầu của việc vận chuyển (khả năng kết tinh của khí acide khi nó vận chuyển ở nhiệt độ thấp của CO2 vă ăn mòn của H2S).
2.5.2.2 Câc phƣơng phâp khử CO2 vă H2S
+ Phƣơng phâp hấp thụ. + Phƣơng phâp hấp phụ. + Phƣơng phâp sinh học.
2.5.2.3 Lựa chọn công nghệ xử lý CO2 vă H2O
Dùng phôi sắt để hấp phụ H2S:
Phôi sắt lă những sợi mảnh phế liệu trong tiện, phay, băo ... rất dễ kiếm nín có hiệu quả kinh tế cao.
Phơi sắt có tính hấp phụ chọn lọc cao với H2S, có khả năng tâch triệt để H2S. Phƣơng phâp tâi sinh phơi sắt đơn giản bằng câch sục khơng khí nóng ở ( 20 ÷ 50oC) qua lớp phoi sắt.
Dùng nƣớc để hấp thụ:
H2O có khả năng hấp thụ chọn lọc H2S vă CO2 hơn so với CH4 nín khơng gđy mất mât.
H2O dễ dăng tâi sinh bằng phƣơng phâp phun để giảm âp. H2O lă dung mơi rẻ tiền, dễ kiếm nín có hiệu quả kinh tế cao.
Công nghệ đƣợc chọn thiết kế đơn giản, dễ vận hănh vă sữa chữa, rất phù hợp với điều kiện nông thôn.
2.5.2.4 Sơ đồ hệ thống thiết bị xử lý khí Biogas
Thiết bị tâch H2S
4 5 6 7 8 3 9 a b Hình 2.5. Thiết bị tâch H2S.
a- Hình chiếu đứng thiết bị. b- Hình chiếu bằng thiết bị.
a- Hình chiếu đứng thiết bị. b- Hình chiếu bằng thiết bị.
1- Tai cố định. 5- Đệm.
2- Nắp thiết bị. 6- Lƣỡi đỡ đệm.
3- Van dẫn khí văo. 7- Van dẫn khí ra.
4- Thđn thiết bị. 8- Bu lông.
9- Lỗ lắp bulơng.
Q trình hấp phụ H2S trín bề mặt phoi sắt lă hấp phụ hơ học, dựa trín cơ sở câc phản ứng hô học sau:
Q trình hấp phụ: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + H2O (2.1) Quâ trình nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3+6S (2.2)
Phôi sắt trƣớc khi sử dụng phải đƣợc oxy hóa để tạo thănh một lớp oxit sắt trín bề mặt. Q trình năy có thể thực hiện tự nhiín bằng câch phơi ngoăi khơng khí một thời gian hoặc có thể đốt để oxy hóa nhanh hơn. Phản ứng xảy ra nhƣ sau:
Fe + 1/2 O2 -> FeO (2.3)
2Fe + 3/2O2 -> Fe2O3 (2.4)
Oxit sắt tạo thănh lă hỗn hợp của câc oxit FeO, Fe2O3, Fe3O4. Phôi sắt sau khi đƣợc đốt sẽ đƣợc trộn với vỏ băo cƣa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó đƣợc cho văo thiết bị chứa để tăng khả năng tiếp xúc giữa biogas vă phơi sắt.
Hỗn hợp khí biogas đƣợc dẫn văo thiết bị, trong thiết bị hăm lƣợng khí H2S bị hấp phụ lại bằng câc phản ứng trín. Sau khi hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hăm lƣợng H2S rất ít.
Thiết bị tâch CO2
Kết cấu thiết bị: 2 1 5 4 6 3 7 Hình 2.6. Thiết bị tâch CO2
1- Van đƣa khí Biogas ra. 5- Đệm.
2- Thđn thiết bị. 6- Van đƣa khí Biogas văo.
3- Lối văo của nƣớc. 7- Lối ra của nƣớc.
4- Vòi phun nƣớc.
CO2 chiếm một thănh phần lớn trong Biogas. Tuy nó khơng gđy ra ăn mịn, nhƣng nó lăm giảm cơng suất của động cơ phât điện do những ngun nhđn sau:
+ CO2 lăm giảm lƣợng khí CH4 nạp văo động cơ trong kỳ hút. + CO2 hấp thụ nhiệt tạo ra do khí chây.
Vì những ngun nhđn đó, nín CO2 cần đƣợc tâch ra căng nhiều căng tốt. Dựa văo khả năng hấp thụ của CO2 trong nƣớc, sử dụng phƣơng phâp hấp thụ CO2 bằng nƣớc. Nguyín lý của phƣơng phâp năy lă cho khí tiếp xúc ngƣợc chiều với nƣớc
của khí vă nƣớc, sử dụng câc vật liệu trơ nhƣ gỗ, đâ để lăm đệm. Để cố định lớp đệm trong bín trong thâp, dùng một đĩa đục lỗ, đặt ở phần dƣới của thâp.
Sơ đồ hệ thống tâch H2S vă CO2
BIOGAS TỪ HẦM NƯỚC 1 V-01 V-02 V-03 V-04 V-05 V-06 4 7 6 8 2 3 5
Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống thiết bị xử lý khí Biogas.
1- Bình ổn định. 5- Bình điều âp.
2- Thiết bị hấp phụ H2S. 6, 7- Bình chứa nƣớc. 3- Thiết bị hấp phụ dự phòng. 8- Bơm nƣớc.
4- Thiết bị hấp thụ cacbonic. Nguyín lý lăm việc của hệ thống:
Khí biogas từ hầm chứa rất nhiều thănh phần khí đƣợc dẫn qua bình ổn định (1) để ổn định âp suất vă lƣu lƣợng, sau đó đƣợc dẫn văo thiết bị hấp thụ (2) vă H2S đƣợc hấp thụ trín bề mặt phoi sắt . Sau khi qua thiết bị hấp thụ (2) thì hỗn hợp khí chữa H2S với tỷ lệ rất thấp vă đƣợc đƣa văo thiết bị hấp thụ cacbonic (4), ở đđy CO2 đƣợc hấp thụ bằng câch phun nƣớc. Hỗn hợp khí sau khi qua thiết bị hấp thụ khí BIOGA TỪ
HẦM
NƢỚC
BIOGAS SẠCH
cacbonnic chứa hăm lƣợng CO2 vă H2S thấp đƣợc dẫn văo bình điều âp (5) để ổn định âp suất trƣớc khi văo động cơ. Sau khi đƣợc lọc hỗn hợp khí Biogas chứa khoảng 97,9% CH4.
2.5.3 Thiết kế hệ thống lƣu trữ Biogas
Để đảm bảo lƣu lƣợng cũng nhƣ âp suất khí Biogas đƣợc ổn định trƣớc khi nạp văo động cơ, cần phải thiết kế hệ thống lƣu trữ Biogas.
Hình 2.8. Hệ thống lƣu trữ Biogas.
1- Bình chứa khí Biogas. 4- Cụm van nạp, van xả an tòan.
2- Cần khoâ gas. 5- Đồng hồ đo âp suất khí.
3- Van điều âp.
+ Bình chứa khí biogas: Có nhiệm vụ chứa khí, đảm bảo cấp khí đủ cho động cơ hoạt động trong một thời gian nhất định.
+ Cần khô gas: Mở khí cấp văo động cơ khi sử dụng vă đóng khi động cơ ngừng lăm việc đảm bảo khí khơng bị tổn thất ra ngoăi.
+ Van điều âp: Ổn định âp suất khí trƣớc khi văo động cơ.
+ Van an toăn: Thực hiện chức năng an toăn khi âp suất trong bình chứa tăng cao, vƣợt quâ giới hạn cho phĩp.
+ Van nạp: Có nhiệm vụ để nạp văo bình khí khi âp suất trong bình bĩ hơn âp suất sử dụng.
Chƣơng 3
TÍNH TÔN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÂY PHÂT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS
3.1 Tính chọn động cơ 3.1.1 Chọn động cơ 3.1.1 Chọn động cơ 3.1.1.1 Giới thiệu động cơ
Động cơ đang đƣợc dùng để thử nghiệm lă loại động cơ do trung quốc sản
xuất, nhiín liệu dùng cho động cơ năy lă xăng. Động cơ có những đặc điểm: Kích thƣớc của động cơ nhỏ, động cơ đặt thẳng đứng, hệ thống phối khí có 2 súp bắp nạp vă xả đặt, hệ thống khởi động bằng dđy nĩn, công suất cực đại động cơ 5,5 KW. Động cơ đƣợc sử dụng rộng rêi trong sinh hoạt gia đình, trong nơng nghiệp, cơng nghiệp…
Hình 3.1. Động cơ.
1- Nắp xăng. 5- Khô xăng BCHK.
2- Bình xăng. 6- Chĩn xăng BCHK.
3.1.1.2 Những thông số kỹ thuật của động cơ
- Công suất cực đại của động cơ. 5,5 HP. - Nhiín liệu đƣợc dùng cho động cơ Xăng. - Thể tích cơng tâc 163 cm3.
- Đƣờng kính xylanh D 68 mm.
- Hănh trình của piston S 45 mm.
- Tỷ số nĩn 8.5. - Số vòng quay định mức n 3600 vòng/phút. - Khe hở bugi 0,5 ÷ 0,6 mm. - Góc mở sớm súp bắp nạp 1 12o. - Góc đóng muộn súp bắp nạp 2 40o. - Góc mở sớm súp bắp thải 3 42o. - Góc đóng muộn súp bắp thải 4 10o. - Góc đânh lửa sớm đ 10o.
3.1.1.3 Câc chi tiết cố định của động cơ
Câc chi tiết cố định của động cơ bao gồm: Thđn mây, nắp mây, nắp hộp câc te vă
câc đệm bao kín.
2
3 4
Hình 3.2. Sơ đồ phđn chia động cơ.
1- Nắp mây. 3- Nắp hộp câc te.
Thđn mây
Thđn mây của động cơ lă một chi tiết lớn nhất, khối lƣợng của than mây chiếm khoảng 70 ÷ 80% tổng số khối lƣợng của động cơ. Trín thđn mây đƣợc lắp câc cụm chi tiết:
+ Cụm trục khuỷu - bânh đă.
+ Cụm trục cam dẫn động cơ cấu phối khí. + Xi lanh, bugi đânh lửa.
+ Cụm bộ điều tốc.
Bín trong thđn mây lă nơi chứa dầu bơi trơn.
Bín ngoăi thđn mây có câc gđn tản nhiệt vì động cơ lăm mât bằng gió. Vật liệu chế tạo thđn mây: Nhôm hợp kim.
Nắp mây
Nắp mây cùng với piston vă xylanh tạo thănh buồng chây của động cơ.
Phía trín phần đối diện với đỉnh piston đƣợc bố trí câc chi tiết nhƣ: + Súp bắp nạp .
+ Súp bắp thải. + Bugi đânh lửa.
Bín ngoăi nắp mây có câc gđn tản nhiệt. Vật liệu chế tạo nắp mây: Nhôm hợp kim. Đệm nắp mây.
Giữa thđn mây vă nắp mây có lắp một đệm nắp mây, tâc dụng của đệm nắp mây dùng để bao kín buồng chây khơng cho khí lọt ra ngoăi.
Vật liệu chế tạo: amiăng có viền thĩp ở mĩp của lỗ xi lanh.
Chiều dăy của đệm: 1mm.
Nắp hộp câc te.
Nắp hộp câc te của động cơ dùng để chắn bụi vă ngăn không cho dầu bôi trơn vung ra ngoăi, nắp đƣợc lắp một bín phần giới động cơ.
3.1.1.4 Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền – piston
Trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ đƣợc đúc liền.
Câc bề mặt tiếp xúc đƣợc gia cơng đạt độ bóng vă chính xâc cao. Vật liệu chế tạo trục khuỷu: gang.
Thanh truyền
Thanh truyền đƣợc chế tạo bằng hợp kim nhôm.
Đầu to thanh truyền lắp với chốt khuỷu nhờ hai bulông, bề mặt tiếp xúc với chốt khuỷu đƣợc gia cơng với độ bóng cao.
Tiết diện thanh truyền có hình dạng chữ I.
Ở đầu nhỏ vă đầu to thanh truyền có câc rênh vă câc lỗ để dầu nhớt văo bôi trơn câc bề mặt lắp ghĩp giữa chốt khuỷu vă đầu to thanh truyền vă chốt piston vă đầu nhỏ thanh truyền.
Piston
Piston của động cơ đƣợc chế tạo bằng hợp kim nhôm. Đầu piston phẳng.
Trín piston có hai rênh để lắp sĩc măng khí vă một rênh để lắp sĩc măng dầu, bề rộng để lắp sĩc măng khí 1,5 mm, bệ rộng rênh để lắp sĩc măng dầu 2,5 mm, chiều sđu câc rênh 3 mm.