CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.5. CÁC MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
2.5.2. Hệ thống xử lý khí thải quy mơ phịng thí nghiệm
Dựa trên các kết quả phân tích thành phần khí thải đốt than cũng như các kết quả nghiên cứu chức năng của từng loại vật liệu thì hệ thống cơng nghệ đốt được lựa chọn với các hạng mục như trên hình 2.9.
Mơ tả tồn bộ các đặc tính thiết bị trong hệ thống như sau:
Lị đốt than:
Các thơng số kỹ thuật chính của lò đốt :
Nhiên liệu sử dụng: than tổ ong
Các kích thước chính của lò đốt: Lò đốt được thiết kế chế tạo với các kích thước chính DxH: 400x360mm
Lị có kết cấu như sau:
- Lớp 1: Phần vỏ lò chế tạo bằng thép CT38 dày 0,5mm. - Lớp 2: Lớp bảo ôn bằng bê tông chịu nhiệt dày 100mm. Cấu tạo lò đốt gồm các bộ phận :
1 – Vỏ lị
2 – Lớp bê tơng chịu nhiệt 3 – Cửa nạp liệu
4 – Cửa lấy tro
5 – Quạt cấp khí cháy 6 – Ghi lị
7 – Bộ phận gom tro
Phễu thu khí: được chế tạo bằng inox dày 1mm, có kích thước DxRxH:
360x360x150mm.
Buồng tách bụi: được chế tạo bằng inox dày 1mm, có kích thước DxRxH:
360x360x150mm.
Buồng trộn khí: được chế tạo bằng inox dày 1mm, có kích thước DxRxH:
360x360x360mm.
Buồng hấp phụ/ xúc tác: được chế tạo bằng inox dày 1mm, có kích thước
DxRxH: 750x360x360mm.
Buồng hấp phụ/ xúc tác có kết cấu như sau: - Lớp 1: Phần vỏ lò chế tạo bằng inox dày 1mm
- Lớp 2: Lớp bảo ôn bằng bông thủy tinh cách nhiệt dày 20mm - Lớp 3: Lớp gạch chịu nhiệt dày 120mm
Cấu tạo buồng hấp phụ/ xúc tác ngoài vỏ lị, lớp bảo ơn nhiệt, lớp gạch chịu nhiệt có 3 modun chính:
Modun hấp phụ: Đây là thiết bị sử dụng lớp vật liệu hấp phụ CaO-Na2CO3
trên chất mang gốm cordierit Mg2Al2Si5O18 để khử các hợp chất lưu huỳnh.
Thời gian lưu của khói thải trong buồng hấp phụ này nằm trong khoảng từ 0,5 đến 2,5 giây. Thời gian lưu nhỏ hơn 0,5 giây thì hiệu quả làm sạch khơng đáp ứng
được yêu cầu. Thời gian lưu lớn hơn là không cần thiết và không đem lại hiệu quả kinh tế do làm giảm năng suất làm sạch của toàn modul.
Buồng hấp phụ này hoạt động ở nhiệt độ 100 – 120 oC. Ở khoảng nhiệt độ này, sẽ xảy ra cả q trình hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý, điều này giúp hiệu quả làm sạch hơi axit, hơi kim loại nặng và các hợp chất của lưu huỳnh hiệu quả hơn.
Trong đó bộ hấp phụ CaO-Na2CO3 chứa 35% khối lượng CaO, 10% khối lượng Na2CO3 phần còn lại là gốm cordierit. Các bộ hấp phụ thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80 mmx80cmx60cm.
Các thơng số thiết kế của modul hấp phụ CaO-Na2CO3 như sau: Thể tích lớp hấp phụ CaO-Na2CO3: V = 1152 (cm3)
Trong đó:
+ Chiều rộng modun hấp phụ: 80 (mm) + Chiều dài modun hấp phụ: 180 (mm) + Chiều cao modun hấp phụ: 80 (mm) + Vận tốc qua vật liệu hấp phụ: 0,34 (m/s)
+ Thời gian làm việc của modun hấp phụ: 24 (h).
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 1×3×1 = 3 viên. + Khối lượng vật liệu: 3×0,2= 0,6 kg.
Modun oxi hóa: bao gồm xúc tác oxit phức hợp perovskit La0,9K0,1CoO3 với 5
% khối lượng được phủ trên chất mang gốm cordierit Mg2Al2Si5O18, thúc đẩy các phản ứng oxi hoá các hợp chất CO và hyđrocacbon thành CO2 và H2O. Các bộ xúc tác thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80 mmx80cmx60cm.
Modun được thực hiện ở nhiệt độ khoảng từ 230 đến 320oC. Các thông số thiết kế của modul oxy hóa như sau:
Thể tích lớp vật liệu: V = 1920 (cm3) Trong đó:
+ Chiều rộng modun oxy hóa: 80 (mm) + Chiều dài modun oxy hóa: 300 (mm) + Chiều cao modun oxy hóa: 80 (mm) + Vận tốc qua vật liệu oxy hóa: 0,34 (m/s)
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 1×5×1 = 5 viên.
+ Khối lượng vật liệu: 5×0,425= 2,125 kg (trong đó tỷ lệ xúc tác/ vật liệu là 1: 20, tương đương với khối lượng La0,9K0,1CoO3 là 100 gram).
Modun chuyển hóa NOx: hỗn hợp oxit đa thành phần có cấu trúc nano, do đó
thể hiện đa: khí thải sẽ được dẫn vào buồng khử các hợp chất NOx để tiếp tục khử các hợp chất NOx chưa phản ứng, trong đó chất xúc tác dùng trong buồng khử là V2O5+WO3/TiO2 + Al2O3+ SiO2. Các bộ xúc tác thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80 mmx80cmx60cm.
Modun được thực hiện ở nhiệt độ khoảng từ 230 đến 380oC. Các thông số thiết kế của modul như sau:
Thể tích lớp vật liệu: V = 1152 (cm3) Trong đó:
+ Chiều rộng modun: 80 (mm) + Chiều dài modun: 180 (mm) + Chiều cao modun: 80 (mm) + Vận tốc qua vật liệu: 0,34 (m/s)
+ Thời gian làm việc của modun: 24 (h).
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 1×3×1 = 5 viên.
+ Khối lượng vật liệu: 3×0,4= 1,2 kg (trong đó tỷ lệ xúc tác/ vật liệu là 10:100, tương đương với khối lượng xúc tác là 120 gram).
Thiết bị gia nhiệt: sử dụng các thanh đốt thạch anh có chất lượng cao. Giàn phun sương : được chế tạo bằng inox dày 1mm.
Sơ đồ thiết bị được trình bày trong hình 2.9. Chuẩn bị:
+ Khí thải được cung cấp từ lị đốt than
+ Vật liệu hấp phụ/ xúc tác được chuẩn bị ở các thí nghiệm có thể tích như nhau. + Lắp thiết bị như hình vẽ, kiểm tra đảm bảo hệ thống hồn tồn kín.
Thao tác:
+ Chỉnh lị đốt đến nhiệt độ thích hợp + Đưa than vào lò đốt than
+ Điều chỉnh thiết bị đẩy khơng khí cho tốc độ dịng ổn định.
+ Đo nồng độ khí thải cịn lại sau phản ứng có xúc tác/ hấp phụ tại buồng số 8.
Hình 2. 9. Hệ thống thu hồi CO2 và xử lý khí đồng hành lị đốt than
1- Lị đốt than 2- Phễu thu khí 3- Buồng tách bụi 4- Buồng trộn khí 5- Buồng xúc tác/ hấp phụ 6- Buồng xúc tác/ hấp phụ 7- Buồng xúc tác/ hấp phụ 8- Tháp hấp thụ 9- Bể chứa dung dịch 10- Máy nén khí CO2 11- Bình chứa khí CO2 12- Khung giá
2.5.3. Hệ thống xử lý khí thải quy mơ nhà máy
Hình 2. 10. Hệ thống thu hồi CO2 và xử lý khí đồng hành tại lò nung Nhà máy gạch tuynel, Đan Phượng, Hà Nội
1- ống khói lị nung gạch
2 –Tủ điều khiển 3- Xyclon 4- Tháp hấp
phụ/xúc tác
5- Tháp hấp thụ
6- Bình ổn áp 7- Bộ lọc khí 8- Máy nến khí 9- Khung bệ
Dựa trên các kết quả phân tích thành phần khí thải đốt than tại nhà máy cũng như các kết quả nghiên cứu chức năng của từng loại vật liệu thì hệ thống cơng nghệ đốt được lựa chọn với các hạng mục như trên hình 2.10.
Thiết bị Cyclone xử lý bụi: được chế tạo bằng inox dày 3mm.
Buồng hấp phụ/ xúc tác: được chế tạo bằng, có kích thước DxRxH:
500x500x1200mm.
Buồng hấp phụ/ xúc tác có kết cấu như sau: - Lớp 1: Phần vỏ lò chế tạo bằng inox dày 3mm.
- Lớp 2: Lớp bảo ôn bằng bông thủy tinh cách nhiệt dày 20mm - Lớp 3: Lớp bê tông chịu nhiệt 27mm
Cấu tạo buồng hấp phụ/ xúc tác ngồi vỏ lị, lớp bảo ơn nhiệt, lớp gạch chịu nhiệt có 3 modun chính:
Modun hấp phụ: Đây là thiết bị sử dụng lớp vật liệu hấp phụ CaO-Na2CO3
trên chất mang gốm cordierit Mg2Al2Si5O18 để khử các hợp chất lưu huỳnh.
Thời gian lưu của khói thải trong buồng hấp phụ này nằm trong khoảng từ 0,5 đến 2,5 giây. Thời gian lưu nhỏ hơn 0,5 giây thì hiệu quả làm sạch khơng đáp ứng được yêu cầu. Thời gian lưu lớn hơn là không cần thiết và không đem lại hiệu quả kinh tế do làm giảm năng suất làm sạch của toàn modul.
Buồng hấp phụ này hoạt động ở nhiệt độ 100 – 120 oC. Ở khoảng nhiệt độ này, sẽ xảy ra cả quá trình hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý, điều này giúp hiệu quả làm sạch hơi axit, hơi kim loại nặng và các hợp chất của lưu huỳnh hiệu quả hơn.
Trong đó bộ hấp phụ CaO-Na2CO3 chứa 35% khối lượng CaO, 10% khối lượng Na2CO3 phần còn lại là gốm cordierit. Các bộ hấp phụ thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80 mmx80cmx60cm.
Các thông số thiết kế của modun hấp phụ CaO-Na2CO3 như sau: Thể tích lớp hấp phụ CaO-Na2CO3: V = 0,048 (m3)
Trong đó:
+ Chiều rộng modun hấp phụ: 400 (mm) + Chiều dài modun hấp phụ: 400 (mm) + Chiều cao modun hấp phụ: 300 (mm) + Vận tốc qua vật liệu hấp phụ: 0,32 (m/s) + Thời gian làm việc của modul hấp phụ: 80 (h).
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 5×5×5 = 125 viên. + Khối lượng vật liệu: 125×0,2= 62,5 kg.
Bộ hấp phụ Fe2O3 – MnO2 chứa 35% khối lượng Fe2O3, 10% khối lượng MnO2 phần còn lại là gốm cordierit. Bộ hấp phụ thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80mmx80cmx30mm.
Các thơng số thiết kế của modul hấp phụ Fe2O3 – MnO2 như sau:
Thể tích lớp hấp phụ Fe2O3 – MnO2: V = 0,0048 (m3) Trong đó:
+ Chiều rộng modun hấp phụ: 400 (mm) + Chiều dài modun hấp phụ: 400 (mm) + Chiều cao modun hấp phụ: 30 (mm) + Vận tốc qua vật liệu hấp phụ: 0,32 (m/s) + Thời gian làm việc của modul hấp phụ: 80 (h).
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 5×5×1 = 25 viên. + Khối lượng vật liệu: 25×0,2= 5 kg.
Modun oxi hóa: bao gồm xúc tác oxit phức hợp perovskit La0,9K0,1CoO3 với 5
% khối lượng được phủ trên chất mang gốm cordierit Mg2Al2Si5O18, thúc đẩy các phản ứng oxi hoá các hợp chất CO và hyđrocacbon thành CO2 và H2O. Các bộ xúc tác thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80 mmx80cmx60cm.
Modun được thực hiện ở nhiệt độ khoảng từ 230 đến 320oC. Các thông số thiết kế của modul oxy hóa như sau:
Thể tích lớp vật liệu: V = 0,0576 (m3) Trong đó:
+ Chiều rộng modun oxy hóa: 400 (mm) + Chiều dài modun oxy hóa: 400 (mm) + Chiều cao modun oxy hóa: 360 (mm) + Vận tốc qua vật liệu oxy hóa: 0,32 (m/s)
+ Thời gian làm việc của modun oxy hóa: 80 (h).
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 5×5×6 = 150 viên. + Khối lượng vật liệu: 150×0,425= 63,75 kg
Modun chuyển hóa NOx: hỗn hợp oxit đa thành phần có cấu trúc nano, do đó
thể hiện đa: khí thải sẽ được dẫn vào buồng khử các hợp chất NOx để tiếp tục khử các hợp chất NOx chưa phản ứng, trong đó chất xúc tác dùng trong buồng khử là V2O5+WO3/TiO2 + Al2O3+ SiO2.
Các bộ xúc tác thường bao gồm một hoặc nhiều khối có kích thước 80 mmx80cmx60cm.
Modun được thực hiện ở nhiệt độ khoảng từ 300 đến 380oC. Các thông số thiết kế của modul như sau:
Thể tích lớp vật liệu: V = 0,032 (m3) Trong đó:
+ Chiều rộng modun: 400 (mm) + Chiều dài modun: 400 (mm) + Chiều cao modun: 240 (mm)
+ Vận tốc qua vật liệu oxy hóa: 0,32 (m/s) + Thời gian làm việc của modul: 80 (h).
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao là: 5×5×4 = 100 viên. + Khối lượng vật liệu: 100×0,4= 40 kg.
Thiết bị gia nhiệt: sử dụng các thanh đốt thạch anh có chất lượng cao.
Giàn phun sương : được chế tạo bằng inox dày 1mm. 2.5.4. Mơ hình thực nghiệm nuôi Spirulina platensis a. Thiết bị phản ứng quang sinh 10 L nuôi Spirulina platensis
Thiết bị phản ứng quang sinh được chế tạo từ nhựa mica trong suốt (1) có chiều cao 64 cm, chiều rộng 25 cm, chiều dày 9 cm và thể tích của dịch tảo là 10 lít. Bể phản ứng này được lắp đặt cố định trên khung sắt.
Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống thiết bị bể phản ứng quang sinh (PBR) nuôi Spirulina platensis
1 - Bình ni tảo; 2 - Sensor pH; 3 - Nguồn cấp khí CO2 ; 4 - Máy thổi khí 5 - Bình trộn khí ; 6a -Van tự động đóng, mở khí CO2 theo pH; 6b, 6c - Van điều
chỉnh khí ; 7a, 7b, 7c - Lưu tốc khí; 8 - Đá tạo bọt khí; 9 - Ống thốt khí; 10 - Nguồn sáng; 11 - pH Control
pH của môi trường ni được kiểm sốt bằng máy kiểm soát pH (11). Dung dịch tảo được thổi khí liên tục từ máy thổi khí (4) và CO2 được cấp vào từ bình chứa (3), tốc độ dịng khí được xác định bằng các lưu tốc khí (7a, 7b, 7c) và được điều chỉnh bởi các van (6a, 6b, 6c). Nước được bổ sung hàng ngày để bù lượng nước bay hơi trong q trình thí nghiệm.
b. Bể ni Spirulina platensis
Bể dạng kênh đã được sử dụng để nuôi cấy sinh khối Spirulina platensis trong nghiên cứu này. Bể nuôi Spirulina platensis (Hình 9) được xây dựng tại Nhà máy
gạch tuynel, Đan Phượng, Hà Nội. Bể bê tơng có tổng diện tích 25 m2; chiều dài 12,5 m; chiều rộng 2,0 m; chiều cao 0,5 m; độ rộng của kênh là 1,0 m. Hai đầu của bể đã được làm tròn để giảm sự cản trở của sự di chuyển của nước. Các thùng nhựa (200 L) được sử dụng để nuôi cấy tảo và chuẩn bị môi trường dinh dưỡng. Các hệ thống canh tác được phủ bởi nylon trắng.
+ Phương pháp nuôi là phương pháp bán liên tục. + Chiều cao dịch tảo là 30 cm.
+ Sau khoảng 14 -16 ngày ni, chúng ta có thể thu hoạch sinh khối Spirulina
platensis cho đến khi OD giảm xuống còn 0,2, theo dõi việc cung cấp chất dinh
dưỡng. Môi trường nuôi cấy tảo được sử dụng trong nghiên cứu của chúng tôi là môi trường dinh dưỡng Zarrouk cải tiến. Khí CO2 sau khi được làm sạch từ hệ thống xử lý khí thải được đưa vào môi trường nuôi tảo. Cần phải có các biện pháp bảo vệ để ngăn chặn sự tản nhiệt từ quang hợp dưới điều kiện ánh sáng
mạnh trong khi nhiệt độ thích hợp cho sự tăng trưởng của Spirulina platensis từ
28 oC đến 35 oC.
+ Thiết bị phao CO2 cho nuôi cấy vi tảo trên diện rộng theo thiết kế hiện hành được lắp đặt vào bể ni cấy. Phía trước thiết bị phao CO2 có gắn một guồng đảo nước để dịch tảo vận chuyển vào thiết bị phao CO2 rồi ra khỏi thiết bị cấp CO2 ở phía bên kia của hộp chứa khí sau khi đã hấp thụ một lượng CO2.
Hình 2. 12. Bể ni tảo Spirulina platensis SP8 sử dụng CO2 sạch tại Nhà máy gạch tuynel, Đan Phương, Hà Nội
Công nghệ cung cấp khí CO2 cho bể hở ni tảo Spirulina platensis SP8
Hình 2. 13. Thiết bị phao CO2 sử dụng cho nuôi Spirulina platensis trong điều kiện bể hở
Thiết bị phao CO2 bao gồm: một hộp chứa khí có cửa cho dung dịch vào, ra và một vách ngăn thẳng đứng có chiều cao bằng nhau. Trong hộp có gắn một phao cấp và phân phối khí, phao có thể đóng mở theo áp lực của khí, phía trên của hộp chứa khí có gắn một đồng hồ chỉ thị áp lực và một van an toàn cùng một cửa quan sát. Đáy của hộp chứa khí phải phẳng và nằm sát với đáy bể để tránh thất thốt khí. Vật liệu tạo hộp chứa khí là mica có độ bền cao. Nguồn cấp khí cho phao CO2 được kết nối với một van tự động đóng mở, van này hoạt động nhờ một sensor pH.
2.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
2.6.1 Các phương pháp bố trí thí nghiệm nghiên cứu khả năng xử lý của vật liệu xúc tác/ hấp phụ liệu xúc tác/ hấp phụ
Thí nghiệm 1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ SO2 của vật liệu CaO – Na2CO3 Nhằm xác định được độ hấp phụ cực đại khí SO2 của vật liệu CaO - Na2CO3, các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện sau: nồng độ SO2 đầu vào là 4000
mg/m3; khối lượng vật liệu là 10 g; lưu lượng dịng khí là 90 ml/s; nhiệt độ trong suốt quá trình hấp phụ được giữ khơng đổi ở 120°C [137].
Thí nghiệm 2. Nghiên cứu khả năng oxi hóa CO của vật liệu La0.9K0.1CoO3