Kết quả nghiên cứu từ bảng 3.9 cho thấy khí thải đốt than chủ yếu là CO2, CO, SO2, NOx nên với mục đích làm sạch CO2 cho ni Spirulina platensis, ở quy mô này HMĐXLKT ứng dụng các vật liệu CaO-Na2CO3, La0,9K0,1CoO3, V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2. Hình 3.19 là sơ đồ hệ thống xử lý khí thải từ lị đốt than. HMĐXLKT hoạt động theo quy trình như sau:
(i) thu khí thải đốt than vào buồng thu khí;
(ii) dẫn khí thải đốt than vào modun hấp phụ có chứa CaO-Na2CO3 để xử lý SO2 (iii) dẫn khí thải đốt than đã khử SO2 ở bước (ii) sang modun oxy hóa để oxy hóa các hợp chất CO thành CO2, trong đó chất xúc tác dùng trong modun này là La0,9K0,1CoO3 được phủ trên chất mang gốm cordierit Mg2Al2Si5O18.
(iv) tiếp tục dẫn khí thải đốt than thu được ở bước (iii) sang modun chuyển hóa NOx, trong đó chất xúc tác dùng trong buồng khử là V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2.
(v) rửa khí thu được ở bước (iv) bằng dàn phun sương bằng nước để tạo ra khí thải CO2 sạch phù hợp cho nuôi Spirulina platensis;
(vi) tích trữ khí CO2 sạch phù hợp cho nuôi VKL thu được ở bước (v) vào bình chứa chịu áp để làm nguồn CO2 sục vào dịch nuôi sao cho độ pH của môi trường nuôi nằm trong khoảng từ 8,5 đến 9,5.
Các modun hấp phụ và xúc tác được gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp và bảo ơn nhiệt độ trong suốt q trình làm sạch khí. Hàm lượng các khí thải được đo tại lối vào và lối ra trước khi khí được đưa vào thiết bị nén. HMĐXLKT được chế tạo bằng vật liệu inox. Các modun riêng biệt có thể tháo rời để xử lý, thay thế khi có yêu cầu.
d. Nghiên cứu ảnh hưởng miền nhiệt độ lên hiệu quả hoạt động của hệ xúc tác- hấp phụ
Những kết quả nghiên cứu cơ bản đã cho phép luận án lựa chọn được tổ hợp modul xúc tác-hấp phụ phù hợp với điều kiện hiện hành. Tuy nhiên, khi tích hợp các
modul xúc tác- hấp phụ vào cùng một điều kiện phản ứng, cần phải khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu quả hoạt động của hệ thống xúc tác/hấp phụ theo sơ đồ hình 3.19.
Số liệu trình bày trên bảng 3.12 là kết quả đo trung bình của 18 lần lặp lại tại các miền nhiệt độ khác nhau trong hệ hấp phụ-xúc tác từ 250oC đến 500oC. Tại nhiệt độ 250oC, nồng độ NOx gần như không thay đổi chứng tỏ rằng ở nhiệt độ này, modun xử lý NOx hầu như khơng hoạt động. Trong khi đó nồng độ CO và SO2 giảm 68,84 % và 86,44 %, tức là modun oxi hoá và modun hấp phụ đều hoạt động ở 250oC. Khi nhiệt độ buồng xúc tác tăng lên 320oC, độ chuyển hoá CO là 74,75 %, lượng SO2 mất đi tới 93,36 %, còn NOx giảm 66,36%. Khi tăng nhiệt độ buồng xúc tác lên 350oC, độ chuyển hoá CO là 64,72 %, SO2 đạt 93,89 % và NOx đạt 56,67%. Ở nhiệt độ 400OC, độ chuyển hoá CO là 58,21% trong khi SO2 là 92,84% và NOx là 51,52 %. Tại nhiệt độ 500oC, độ chuyển hoá CO chỉ là 23,83 %; SO2 là 91,26 % trong khi NOx chỉ là 48,48 %.
Như vậy, độ chuyển hoá CO và NOx cao nhất ở 320oC, trong khi độ chuyển hoá SO2 khoảng 90% tại tất cả các vùng nhiệt độ đã khảo sát, trừ nhiệt độ 250oC gần như modun chuyển hóa NOx không hoạt động. Lưu ý tới hàm lượng CO2 thu được sau hệ xúc tác- hấp phụ (dao động trong khoảng 4,40 – 4,52%), nhiệt độ 320oC được chọn là nhiệt độ hoạt động của buồng xúc tác –hấp phụ trong HMĐXLKT ở quy mô lớn hơn. Với kết quả khảo sát khí thải sau khi xử lý như vậy trên hệ thống trong phịng thí nghiệm: tất cả các hệ số chuyển hóa khí độc đều cao hơn chu kỳ bán hủy (trên 50%), chúng tơi có thể thiết kế hệ thống thiết bị đủ chiều dài cho q trình trao đổi và chuyển hóa khí độc để đạt được hệ số chuyển hóa gần như hồn tồn.
Bảng 3. 12. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tới hiệu quả chuyển hóa khí độc
Nhiệt độ (oC)
CO SO2 NO2 NO NOx H2 CO2
Ct/Co (*) (mg/m3) η-CO (%) Ct/Co (mg/m3) η-SO2 (%) Ct/Co (mg/m3) Ct/Co (%) Ct/Co (mg/m3) η-NO (%) Ct/Co (mg/m3) η-NOx (%) Ct/Co (%) Ct/Co (%) 30 2072/2072 0,00 412/412 0,00 8/8 0,00 25/25 0 33/33 0,00 143 4,35/4,35 250 639/2051 68,84 56/413 86,44 8/8 0,00 22/25 9,38 30/33 9,09 143 4,50/4,35 310-320 526/2083 74,75 28/422 93,36 0,1/8 98,75 11/25 56,00 11,1/33 66,36 140 4,52/4,35 350 677/1919 64,72 26/426 93,89 0,2/8 97,75 14/25 44,00 14,2/33 56,97 141 4,47/4,35 400 804/1924 58,21 30/419 92,84 2/8 75,00 14/25 44,00 16/33 51,52 141 4,46/4,35 500 1745/2291 23,83 36/412 91,26 2/8 71,42 15/25 40,00 17/33 48,48 141 4,40/4,35 Ghi chú:
Co: Nồng độ khí trước khi qua modun xử lý Ct: Nồng độ khí sau khi qua hệ xử lý
Qúa trình phản ứng xảy ra trên các vật liệu xúc tác – hấp phụ khi cho khí thải đốt than đi qua có thể giải thích theo hình 3.20.
Hình 3. 20. Q trình phản ứng của khí thải đốt than khi đi qua hệ modun xúc tác – hấp phụ ở quy mơ phịng thí nghiệm
Nhận xét: Độ chuyển hoá CO và NOx cao nhất ở 320oC, trong khi đó độ chuyển hoá SO2 cao nhất ở 100 – 120oC. Tuy vậy, ở các vùng nhiệt độ đã khảo sát, độ chuyển hố SO2 đều cao trên 90%. Vì vậy, những kết quả nghiên cứu ban đầu đã cho phép chọn tổ hợp những môđun xúc tác-hấp phụ phù hợp với điều kiện hiện hành. Trên cơ sở đó, nhiệt độ 320 oC đã được chọn là nhiệt độ buồng xúc tác-hấp phụ cho hoạt động của HMĐXLKT ở quy mô này.
e. Hiệu quả hoạt động của hệ modun xử lý khí thải trong quy trình tách và làm sạch CO2 từ khí thải đốt than
Dựa trên kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu quả hoạt động của hệ xúc tác, thí nghiệm đánh gía hiệu quả của modun xử lý khí thải tại nhiệt độ 320oC đã được thực hiện. Thành phần khí thải tại lị đốt than trước và sau khi xử lý qua HMĐXLKT được trình bày ở bảng 3.13.
Bảng 3. 13. Kết quả phân tích thành phần khí thải đốt than trước và sau xử lý xử lý Thành phần khí thải Tại nguồn đốt than Sau bộ xúc tác và hấp phụ Sau môđun phun sương Hiệu suất xử lý (%)
Thành phần khí thải Tại nguồn đốt than Sau bộ xúc tác và hấp phụ Sau môđun phun sương Hiệu suất xử lý (%) SO2 (mg/m3) 422 ± 18,34 28 ± 7,98 5,24 ± 1,06 >98,54 CO (mg/m3) 2086 ± 32,09 446,48 ± 18,44 446,48 ± 18,44 >79,04 NOx (mg/m3) 32,49 ± 0,97 6,2 ± 1,7 5,0 ± 0,53 >83,47 H2 (mg/m3) 143 ± 7 139 ± 1 139 ± 2 - CO2 (%) 4,35 ± 0,01 4,52 ± 0,01 4,50 ± 0,02 -
Kết quả trên bảng 3.13 là giá trị của rất nhiều lần đo khác nhau, cho thấy các khí thải đốt than chính và độc hại khi qua bộ xúc tác - hấp phụ cịn lại rất ít, hiệu quả xử lí khí CO và khí đồng hành khác là rất cao. Khí CO ban đầu từ 2086 ± 132 mg/m3 khi qua hệ mơđun xử lý chỉ cịn 446,48 ± 18,44 mg/m3, hiệu suất xử lý đã đạt được khoảng 79,04 %. Hiệu suất xử lý các khí đồng hành như SO2 gần như hồn tồn và đối với NOx đạt 83,47 %.
Qúa trình phản ứng xảy ra trên hệ modun xử lý khí thải khi cho khí thải đốt than đi qua có thể giải thích theo hình 3.21.
Hình 3. 21. Qúa trình phản ứng của khí thải đốt than khi đi qua hệ modun xử lý khí thải ở quy mơ phịng thí nghiệm
Hàm lượng CO2 thu được sau khi qua hệ modun hấp phụ-xúc tác tăng lên 4,52 ± 0,01 %, tuy nhiên sau khi qua modun phun sương hàm lượng CO2 dao động trong khoảng 4,50 ± 0,02%. Điều này chứng tỏ một lượng nhất định CO2 đã bị mất đi qua
modun phun sương. Ngoài lượng CO2 có trong lượng khí thải đốt than ban đầu cịn có một phần CO2 được tạo ra từ khí CO kết hợp với oxy trong q trình vận hành thiết bị.
Như vậy, quá trình đốt than trong phịng thí nghiệm thải ra nhiều khí thải như CO, SO2, NOx, CO2, và bụi. Lượng CO2 được làm sạch sau HMĐXLKT khoảng
4,50 ± 0,02% đủ để tiến hành các thí nghiệm cung cấp nguồn các bon cho Spirulina
platensis sinh trưởng.
f. Hiệu quả tách CO2 khi kết hợp với hệ xúc tác quang hóa
Kết quả thí nghiệm trình bày trên bảng 3.14 cho thấy khí thải của q trình đốt than sau khi qua hệ thống xử lý khí thải mới xử lý được trên 79,04% CO, 98,54% SOx và 82,14% NOx ở nhiệt độ 310-320oC. Vậy muốn xử lý triệt để các khí độc nói trên cần thiết phải nối dài hệ thống xúc tác hơn gấp 2 lần. Mặt khác, nhiệt độ chuyển hóa khí độc trên xúc tác ở 320oC làm tiêu tốn khá nhiều năng lượng trong quá trình vận hành. Để khắc phục hai vấn đề nêu trên chúng tôi đề xuất phương án sử dụng hệ xúc tác quang nối tiếp vào hệ thống xử lý hiện hành. Luận án đã tiến hành thử nghiệm hiệu quả xử lý khí thải đốt than theo hai giai đoạn (hình 3.22):
Giai đoạn đầu: Khí thải ban đầu được xử lý lần 1 qua hệ xúc tác truyền thống (A) – hệ modun xử lý khí thải hoạt động ở nhiệt độ 320oC. Khí sau khi đã xử lý bằng hệ xúc tác truyền thống có nhiệt độ khá cao nên được dẫn qua hệ thống làm nguội đến nhiệt độ phịng (B), rồi thể tích khí đã nguội này tiếp tục được xử lý tiếp bằng vật liệu quang xúc tác.
Giai đoạn 2: Modul quang xúc tác được thiết kế bởi 3 ống thạch anh, mỗi ống có đường kính 0,7cm chứa 1g xúc tác quang (C). Khí thải qua hai giai đoạn xử lý được tập trung về bình thu khí (D). Nồng độ các chất khí sau mỗi giai đoạn đều được xác định và từ đó có thể tính được hiệu suất xử lý trong mỗi giai đoạn.