1- Bể lắng cât. 4- Bể đựng chất thải.
2- Ống dẫn phđn. 5- Hệ thống lọc H2S vă CO2. 3- Ống dẫn bạ thải. 6- Bình chứa khí Biogas sạch.
Nguyín lý lăm việc của hệ thống:
Phđn tƣơi từ chuồng trại đƣợc đƣa văo bể lắng cât(1) để lắng đâ, cât ...rồi qua ống dẫn phđn (2) văo bể phđn huỷ. Ở bệ phđn huỷ xảy ra quâ trình lín men tạo khí sinh học nhƣ sau:
Sau khi lín men hỗn hợp khí Biogas đƣợc dẫn văo hệ thống lọc khí H2S vă CO2, hỗn hợp đƣợc lọc chứa phần trăm H2S vă CO2 nhỏ, thănh phần trăm CH4 chiếm khoảng 97,9%. Sau đó hỗn hợp đƣợc dẫn văo bình chứa Biogas (6), câc chất bê sau khi phđn huỷ đƣợc dẫn ra bể chứa chất thải(4) vă đƣợc sử dụng lăm phđn bón cđy trồng.
2.3.2 Tính năng của Biogas
Cũng nhƣ dầu thực vật, khí Biogas lă nhiín liệu trung hoă CO2 trong khí quyển. Biogas lă kết quả phđn huỷ câc chất hữu cơ trong mơi trƣờng thiếu khơng khí. Câc chất hữu cơ có thể lă thực vật (cđy cối, rơm rạ…) hay thực vật (xâc sinh vật, câc chất thải từ quâ trình chế biến thực phẩm…), câc chất thải từ q trình chăn ni… Q trình diệp lục hơ của thực vật dƣới tâc động của ânh sâng mặt trời hấp thụ khí CO2. Nếu đốt nhiín liệu có nguồn từ thực vật thì CO2 trong khí thải sẽ đƣợc cđn bằng. Hai nguồn Biogas chính lă câc hầm khí sinh học vă khí phât sinh từ câc bêi chơn lấp râc trong q trình lín men hiếm khí của câc chất hữu cơ. Biogas chứa chủ yếu lă CH4 (50-70%) vă CO2 (22-50%) vă câc tạp chất khâc nhƣ H2S.
Biogas đƣợc sử dụng với nhiều mục đích khâc nhau:
+ Dùng lăm nhiín liệu đốt: đun nấu, sƣởi ấm cho vật nuôi, sấy nông sản ...
+ Thay thế nhiín liệu truyền thống để chạy động cơ đốt trong: Chạy động cơ mây phât điện, động cơ mây bơm nƣớc, mây xay xât, mây lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp ...Sử dụng câc loại động cơ năy sẽ giúp cho ngƣời nông dđn tiết kiệm chi phí năng lƣợng, giảm giâ thănh sản xuất vă góp phần tích cực trong cải thiện đời sống ngƣời dđn.
2.3.3 Tình hình sử dụng Biogas hiện nay
Hiện nay, khí nhiín liệu thay thế đê trở thănh đề tăi nghiín cứu đƣợc nhiều nhă quan tđm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lƣợng năy căng trở nín phong phú. Câc xu hƣớng chính sử dụng nhiín liệu biogas trín thế giới nhƣ sau:
+ Đốt trực tiếp.
+ Lăm nhiín liệu cho câc loại động cơ. + Bân cho câc nhă cung cấp khí tự nhiín.
Hình 2.3. Sơ đồ câc ứng dụng Biogas.
2.3.4 Khả năng ứng dụng Biogas chạy động cơ đốt trong
Có thể nói rằng động cơ đốt trong sử dụng biogas từ câc hệ thống xử lý râc thải thănh phố đê đƣợc ứng dụng trín mấy chục năm nay vă mang lại những thănh công ở nhiều mức độ khâc nhau. Trong những năm trở lại đđy, công nghệ năy đê đƣợc ứng dụng rộng rêi cho câc ngănh sản xuất nông nghiệp vă công nghiệp dƣới sức ĩp của việc khan hiếm năng lƣợng hoâ thạch trong tƣơng lai. Câc động cơ đânh lửa
Nguồn Biogas
Quạt, bơm, mây nĩn
Động cơ Bân cho nhă
cung cấp Tạo năng lƣợng Cơng suất trín trục Vận tải Cấp nhiệt, lăm lạnh. Sấy. Xe khâch, Xe tải, Mây kĩo Phât nhiệt điện
Turbin lỏng. Turbin khí. Điều hoă hay đun nƣớc Phât điện. Đốt trực tiếp Mây phât thuỷ lực.
cƣỡng bức cố định có thể cung cấp năng lƣợng cho rất nhiều loại thiết bị tải bao gồm:
+ Mây phât điện. + Mây bơm. + Quạt.
+ Thiết bị nđng chuyển.
+ Bơm nhiệt, điều hịa khơng khí.
Ngoăi ra, biogas cũng lă nguồn năng lƣợng tiềm năng để cung cấp cho câc phƣơng tiện vận tải nhƣ xe ca, xe tải cũng nhƣ câc thiết bị công nghiệp khâc nhƣ mây kĩo… Việc đânh giâ hiệu quả ứng dụng của câc hệ thống năy sẽ nhằm mục đích tối ƣu hô việc ứng dụng biogas. Những vấn đề cần quan tđm lă:
2.3.4.1 Mức độ ứng dụng
Việc cung cấp biogas cho động cơ nhƣ thế năo cho có hiệu quả nhất. Có cần thiết một hệ thống nĩn khí hay một hệ thống cung cấp đặc biệt năo khâc cho động cơ hay không cũng lă vấn đề cần quan tđm.
2.3.4.2 Chi phí lắp đặt
Hệ thống phât điện chạy bằng biogas thƣờng yíu cầu chi phí lắp đặt tƣơng đối cao hơn so với động cơ chạy bằng năng lƣợng điện. Hệ thống phât điện cũng thƣờng yíu cầu chi phí cho hệ thống điều khiển vă kết nối.
2.3.4.3 Chi phí vận hănh, bảo dƣỡng
Câc nhă mây phât điện lớn thƣờng có chi phí vận hănh vă bảo dƣỡng thấp hơn so với câc nhă mây nhỏ. Câc mây móc tiíu thụ tải lớn cần đƣợc ƣu tiín lắp đặt trƣớc câc mây tải nhỏ. Chi phí sửa chữa cũng cần đƣợc tính đến.
2.4 Hệ thống cung cấp năng lƣợng sử dụng Biogas
2.0 HP ON OFF OFF ON OFF ON OFF ON 4 1 2 3 5 6 7
Hình 2.4. Hệ thống cung cấp năng lƣợng cho trại chăn nuôi.
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 mòn thiết bị, tạo ra ô nhiễm môi trƣờng.
+ Khí CO2 có trong khí Biogas sẽ hấp thụ nhiệt của q 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 q. Muốn thu đƣợc câc khí đó thì sau khi hấp phụ ta phải tiến hănh quâ 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 quâ 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.
Quâ 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 không 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 Ngun 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 lơng.
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 phôi 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.