Hệ thống cung cấp khí Biogas cho động cơ cỡ nhỏ

khí H2S có trong Biogas khi sử dụng sẽ tao thành khí SOx làm ăn mòn các thiết bị trong động cơ và tạo ra ô nhiễm môi trường không khí. 5.3 Sunfua dioxit SO2 Sunfua dioxit là chât khí không mau, có vị hăng, mùi khó chịu. SO2 trong không khí chỉ có thể biến thành SO3 dưới ánh sáng mặt trời khi có chất xúc tác. Chúng được sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu có chữa lưu huỳnh, đặc biệt là trong công nghiệp có nhiều lò luyện gang, lò rèn, lò gia công nóng. Hàm lượng lưu huỳnh thường xuất hiện nhiều trong than đá (0,2-0,7%) và dầu đốt (0.5-4%), nên trong quá trình cháy sẽ tạo ra khí SO2. S + O2=SO2 Trữ lượng của SO2 là khoảng 132 triệu tấn/năm, chủ yếu là do đốt than và sử dụng xăng dầu. SO2 sẽ kích thích tới cơ quan hô hấp của người và động vật nó có thể gây ra chứng tức ngực, đau đầu, nếu nồng độ cao có thể gây bệnh tật và tử vong. Trong không khí SO2 có thể gặp nước mưa dễ chuyển thành Axit Sulfuric(H2SO4). Chùng sẽ làm thay đổi tính năng vật liệu, thay đổi màu sắc công trình, ăn mòn kim loại giảm độ bền sản phẩm đồ dùng. Thực vật khi tiếp xúc với SO2 sẽ bị vàng lá, rụng lá, giảm khả năng sinh trưởng và có thể bị chêt. 6. Tính toán hệ thống lọc và lưu trữ Biogas 6.1 Lý thuyết tính toán quá trình hấp phụ Lý thuyết tính toán quá trình hấp phụ có thể được xây dựng bằng các phương pháp tiếp cận vấn đề một cách khác nhau. Ở đây ta có thể xuất phát từ sự cân bằng vật chất trong vùng hấp phụ hoặc có thể nói trong sóng hấp phụ. Trên hình 6-1 là sóng hấp phụ bề dày đang ở vị trí x = x1 và x2 của lớp đệm có diện tích tiết diện ngang S và bề dài l. Như trên đã trình bày, phần vật liệu đệm phía trước mép trái (x1) của sóng là hoàn toàn bảo hoà, điều đó có nghĩa là phần này của lớp đệm pha khí và pha rắn ở trạng thái cân bằng. Như vậy nồng độ của chất khí bị hấp phụ trong pha khí tại mép trái của sóng là Y = Y0 (Nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ trong pha khí) và ở cuối sóng (mép phải) là Y = 0. Còn đối với pha rắn, nồng độ chất bị hấp phụ ở mép trái và mép phải của sóng một cách tương ứng Xbh và 0. Nếu gọi vs là vận tốc dịch chuyển của sóng thì sau một tời gian sóng sẽ dịch chuyển được một đoạn đường x = vs.và chiếm vị trí mới x’1 - x’2. Nếu điểm quan sát cũng dịch chuyển theo làng sóng, ta luôn nhận thấy rằng nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí đi vào mép trái của sóng là Y = Y0 và đi ra khỏi mép phải của sóng là Y = 0. Về phía pha rắn, lượng chất bị hấp phụ từ pha khí chuyển vào pha rắn sẽ làm cho dãi vật liệu đệm có bề dày x hoàn toàn bảo hoà vì rằng phần khí đã bị hấp phụ vào pha rắn ở vị trí đầu x1-x2 (phần gạch chéo) đã chuyển sang một cách nguyên vẹn ở vị trí x’1 - x’2 (phần chấm chấm). Do đó ta có thể viết phương trình cân bằng vật chất cho sóng hấp thụ như sau: (6-1) Hình 6-1 Biểu đồ sóng hấp thụ Từ đó rút ra được vận tốc dịch chuyển của sóng hấp phụ vs: (6.2) Trong đó: hp-Khối lượng đơn vị đổ đống của vật liệu hấp phụ trong lớp đệm, kg/m3. G’ - Lưu lượng chất khí trơ mang chất bị hấp phụ trên một đơn vị diện tích tiết diện ngang của thiết bị, kg/m2s. Y0 - Nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ trong pha khí, kg/kg khí trơ; Xbh - Nồng độ bảo hoà của chất bị hấp phụ trong lớp đệm bằng vật liệu hấp phụ, kg/kg chất hấp phụ. Nồng độ bảo hào Xbh của chất bị hấp phụ trong vật liệu hấp phụ dưới nhiệt độ và ấp suất nhất định phụ thuộc vào nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí và thường biểu diễn bằng biểu thức: (6.3) Trong đó: Yc - Nồng độ cân bằng trong pha khí ứng với nồng độ bão hoà Xbh của pha rắn. - Các hắng số thực nghiệp cho từng cặp chất hấp phụ và bị hấp phụ ở nhiệt độ và áp suất nhất định. Như trên đã giả thiết, phần vật liệu hấp phụ ở phía trái của sóng hấp phụ là bão hòa và cân bằng với nồng độ ban đầu của chất hấp phụ trong pha khí, do đó ta có thể nhận Yc = Y0 và thay trị số Xbh từ biểu thức 6.3) vào (6.2), ta sẽ có: (6.4) Bây giờ để xác định được bề dày của sóng hoặc vùng hấp phụ, ta cần thiết lập mối quan hệ giữa Y và X bằng cách xem xét quá trình trao đổi chất diễn ra trong dãi vật liệu đệm có bề dày dx trong vùng hấp phụ nói chung và của phần tử đệm dx trong vùng hấp phụ nói riêng đều có một giá trị Y của pha khí tương ứng với X của pha rắn. Nếu gọi dm là khối lượng chất bị hấp phụ trao đổi giữa pha khí và pha rắn trong phần tử đệm dx, dựa vào lý thuyết trao đổi chất đã áp dụng ở phần hấp thụ, ta có thể viết phương trình sau đây: (6.5) Trong đó: K: - Hệ số trao đổi chất của quá trình hấp phụ, kg/m2s; a: - Diện tích bề mặt tiếp xúc quy về cho một đơn vị thể tích của chất hấp phụ, m2/m3 Y: - Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí tại toạ độ X, kg/kg. Ye: - Nồng độ chất chất bị hấp phụ trong lớp biên của pha khí trên bề mặt chất hấp phụ, kg/kg. Đây là trị số nồng độ cân bằng của pha khí trong lớp biên ứng với nồng độ X hiện có trong pha rắn ở tạo độ và thời điểm đang xét. Cần lưu ý rằng Y ở đây có ý nghĩa gần tương tụ như y* trong phương trình của lý thuyết hấp thụ. Với những ý nghĩa nêu trên, ta có thể áp dụng công thức (6.3) cho Ye và X: Ye=X Lượng chất bị hấp phụ dm chuyển từ pha khí vào pha rắn nêu trên (phương trình (6.5) làm cho nồng độ pha khí giảm xuống một đại lượng dY, do đó ta có: dm = -G’SdY (6.6) Cân bằng vế phải của (6.5) và (6.6) ta thu được: -G’dY = Ka (Y – Ye)dx (6.7) Thay trị số Ye = X vào ((5.7)) và rút dx: (6.8) Mặt khác giữa X và Y trong phần tử đệm dx vẫn tồn tại mối quan hệ tương tự như phương trình (6.1). Cụ thể là: do đó: (6.9) Từ (6.9) và (6.4) ta rút ra được: (6.10) Thay giá trị từ (6.10) vào (6.8) ta sẽ có: (6.11) Nếu đặt phương trình (5.11) sẽ trở thành: (6.12) Tích phân phương trình (6.12) với các cận x từ x1 đến x2 và từ 1 đến 0 vì tại x1: Y = Y0 và tại x2: Y = 0), ta có: (6.13) Đây là phương trình xác định bề dày của sóng hấp phụ. Phương trình có dạng tương tự như các phương trình xác đinh chiều cao lớp đệm của tháp hấp phụ. Tuy nhiên ở đây tích phân ở vế phải của phương trình (6.13) là không xác định đối với các cận 0 và 1 vì tại các cận này mẫu sồ của biểu thức dưới dấu tích phân là triệt tiêu. Do đó để tính được bề dày của sóng hấp phụ ta có thể dùng các cận lệch đi độ 1% so với 0 và 1 tức là từ 0,01 đến 0,99 thay vì cho tích phân từ 0 đến 1. Điều đó tương đương với việc tìm bề dày của sóng hấp phụ mà nồng độ ở mép trái của nó là 0,99Y0 thay vì Y0 và ở mép phải là 0,01 thay vì = 0. Trong trường hợp đó ta có: (6.14) Cuối cùng cần xác định thời gian làm việc lv của lớp đệm hấp phụ, tức thời gian tính từ lúc bắt đầu sử dụng đến lúc xuất hiện nồng độ Yn ở cuối lớp vật liệu hấp phụ. Thời gian lv này bao gồm: lv = (6.15) Trong đó: 1: - Thời gian hình thành sóng hấp phụ; 2: - Thời gian sóng hấp phụ sau khi hình thành dịch chuyển dọc theo bề dài l của lớp đệm hấp phụ cho đến khi mép phải của sóng chạm vào mốc cuối cùng của lớp đệm; : - Thời gian để nồng độ chất bị hấp phụ ở đầu ra (mốc cuối cùng của lớp đệm) tăng từ 0 đến Yn Về thời gian hình thành sóng hấp phụ ta có thể xem là nằm giữa 0 và =/vs (s - thời gian để sóng hấp phụ đi hết bề dày của bản thân). Nếu 1 = 0 – sóng hấp phụ là đường thẳng đứng – trong trường hợp lý tưởng như đã nói trên đây. Do đó ta có thể giả thiết 1 = =/vs trong đó 1. Trung bình có thể nhận = 0,5-0.6. Còn thời gian 3 có thể xác định bằng cách lấy độ dài l chia cho vận tốc sóng vs, tức là xem như sóng hấp phụ được dich chuyển thêm một độ dài bổ sung là l cho đến khi đường cong nồng độ của sóng hấp phụ cắt mặt phẳng cuối cùng của vật liệu hấp phụ tại điểm có tung độ là Yn. Tóm lại ta có: (6.15) Nếu bỏ qua các khoảng thời gian 1 và 3 thì thời gian làm việc chỉ còn: (6.16) Từ lý thuyết tính toán quá trình hấp phụ ta có thuật toán tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ: 6.2. Tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ H2S 6.2.1 Thành phần nguyên liệu Cấu tử (% vol) CH4 69.33% CO2 20.63% H2S 5.32% N2 1.00% O2 1.55% CO 0.10% H2O 0.10% H2 1.97% TOTAL 100.00% 6.2.2 Các số liệu liên quan đến chế độ hoạt động của thiết bị -Lưu lượng khí vào thiết bị: G’ = 7.4 l/min = 7,26E-03kg/p = 1,21E-04kg/s -Áp suất khí vào thiết bị: P = 108417.2Pa = 1,0697atm =1,0839bar -Khối lượng riêng của khí biogas nguyên liệu biogas=0,905 kg/m3 -Độ nhớt động lực của khí biogas biogas = 1,24.10-5 kg/m.s -Nồng độ khí H2S trong khí biogas chưa xử lý Y0 = 5,32%vol = 7,57*10-4 kgH2S/kg khí biogas không chứa H2S = 7,56E-04 kgH2S/kg khí biogas. -Nhiệt độ khí vào thiết bị: 25 ÷ 30 0C, nhiệt độ này thay đổi tuỳ theo nhiệt độ môi trường. -Chất hấp phụ (phoi sắt). -Khối lượng riêng xốp của chất hấp phụ hp = 2904,5 kg/m3 -Độ rổng của đệm (vật liêu hấp phụ - phoi sắt) 0,63 -Hệ số hình dạng của vật liệu hấp phụ 4,870E-06 ( 1, nếu chất hấp phụ có dạng hạt hình cầu) -Diện tích bề mặt tiếp xúc quy về cho một đơn vị thể tích của chất hấp phụ, m2/m3, a = 750m2/m3. -Hằng số khí (Gas Constant R ) R =8,314 J/mol.K -Khối lượng mol phân tử H2S (Mol. Weight H2S MWH2S): 34,0818 g/mol -Khối lượng mol phân tử S (Mol. Weight Sulfur MWS): 32,066 g/mol -Áp suất ở điều kiện chuẩn (Standard Pressure P0) P0 = 101325 N/m2 -Nhiệt độ ở điều kiện chuẩn (Standard temperature T0) T0 = 298,15 K -Việc tính toán tháp hấp phụ dựa trên hệ SI. Tính chất Kí hiệu Đơn vị (SI) Lưu lượng khí Nhiệt độ Áp suất Độ nhớt khí Khối lượng khí Tỉ trọng khí Độ ẩm của khí Chiều cao Vận tốc Nhiệt dung riêng Thời gian Nhiệt lượng G T P m W h v Cp T Q m3/d 0K kPa cP kg kg/m3 mg/std m m/min kJ/kg0C h kJ -Đường kính ngoài của thiết bị Dn = 450 mm =0,45 m -Đường kính trong của thiết bị Dt = 434 mm =0,434 m -Tồng chiều cao đệm hấp phụ L =1920mm = 1,920 m - Tiết diện ngang của thiết bị hấp phụ -Vận tốc khí trên bề mặt vật liệu hấp phụ -Thử lại tổn thất áp suất: (giá trị này thuộc khoảng cho phép <1400 Pa) -Nồng độ cân bằng trong pha khí ứng với nồng độ bão hoà Xbh của pha rắn. Yc=Y0 =7,57E-04 kg/kg. - Các hằng số thực nghiệm cho từng cặp chất hấp phụ và bị hấp phụ ở nhiệt độ và áp suất nhất định. = 0,7 =2,25 - Hệ số trao đổi chất của quá trình hấp phụ, kg/m2s: K = 1,81E-04 - Diện tích bề mặt tiếp xúc quy về cho một đơn vị thể tích của chất hấp phụ, m2/m3 a = 750 m2/m3 -Vận tốc dịch chuyển của sóng hấp phụ vs, được tính theo công thức sau: -Nồng độ bảo hoà của chất bị hấp phụ trong lớp đệm bằng vật liệu hấp phụ, kg/kg chất hấp phụ được tính dựa vào công thức biến đổi từ công thức. -Bề dày của sóng hấp phụ. -Thời gian làm việc của thiết bị hấp phụ (thời gian bảo hoà của vật liệu hấp phụ) Việc tính thời gian thiết bị hấp phụ, bỏ qua thời gian hình thành sóng hấp phụ, và thời gian để nồng độ khí trong khí H2S trong khí sạch tăng từ 0-Yn sau khi sóng hấp phụ đến cuối thiết bị. Việc làm này để đảm bảo cho nồng độ khí đi ra đảm bảo yêu cầu trong suốt thời gian làm việc. Nếu nhận giá trị G’/Ka = 0,00956, =2,25 và x1 = 0, ta vẽ được đường cong của sóng hấp phụ như thể hiện ở hình (6-2). Trong trường hợp cụ thể này bề dày của sóng hấp phụ = 77,5 mm. Hình 6-2 Đường cong của sóng hấp phụ ứng với trường hợp G’/Ka =0,01, =2 và x1 =0 Hình 6-3 Thiết bị hấp phụ H2S 6.3 Tính toán thiết bị hấp thụ khí CO2 6.3.1 Các thông số đầu vào và ra của khí Biogas a. Lưu lượng và thành phần khí Biogas vào tháp Sau khi đi ra từ thiết bị hấp thụ H2S bằng phoi sắt thì lưu lượng khí biogas là 0,42584 m3/h và có thành phần như sau (phần thể tích bằng phần mol): Thành phần Phần trăm thể tích Phần mol Lưu lượng (m3/h) trong 0,42584 m3/h O2 0,000% 0,0000 0,0000 CO 0,107% 0,0011 0,0005 H2 2,110% 0,0211 0,0090 CO2 22,091% 0,2209 0,0941 N2 1,071% 0,0107 0,0046 CH4 74,240% 0,7424 0,3161 H2S 0,270% 0,0027 0,0011 H2O 0,107% 0,0011 0,0005 Trong tính toán hấp thụ thông thường người ta dùng phần mol tương đối, phần mol tương đối của khí được tính theo công thức sau: và Do đó ta có Trong đó: x là nồng độ phần mol của cấu tử trong pha lỏng. y là nồng độ phần mol của cấu tử trong pha khí. kmol khí trơ) (kmol/kmol khí trơ) (kmol/kmol khí trơ) (kmol/kmol khí trơ) (kmol/kmol khí trơ) (kmol/kmol khí trơ) (kmol/kmol khí trơ) Do đó ta có bảng phần mol tương đối của các cấu tử vào tháp như sau: Thành phần Phần mol tương đối O2 0,000 CO 0,001 H2 0,022 CO2 0,284 N2 0,011 CH4 2,882 H2S 0,003 H2O 0,001 b. Lưu lượng và thành phần khí ra khỏi tháp hấp thụ Lưu lượng khí ra khỏi tháp là: Gyc = Gyđ – GyđCO2 – GyđH2O = 0,42584 – 0,665 – 0,00022 = 0,3591 (m3/h) = (kg/h) = 7,36.10-5 (kg/s) =0,0147 (kmol/h) Tính phần mol các cấu tử ra khỏi đỉnh tháp: Li: Lưu lượng của cấu tử thứ i : Lưu lượng tổng của hỗn hợp. (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) Ta có bảng nồng độ phần mol các cấu tử khí ra khỏi tháp theo tính toán. Thành phần Phần mol O2 0,000 CO 0,013 H2 0,250 CO2 0,767 N2 0,127 CH4 0,8804 H2S 0,0032 H2O 0,00055 6.3.2 Tính chất của khí Biogas a. Khối lượng riêng của hỗn hợp khí vào tháp (kg/m3) [4, tr 183] = 0,903 (kg/m3) b. Khối lượng riêng của hỗn hợp khí ra khỏi tháp = 0,737 (kg/m3). c. Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí Khối lượng riêng của hỗn hợp khí được xác định theo công thức (kg/m3) ([4], tr 183) ytbi: Nồng độ phần mol của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí. Mi: Phân tử lượng của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí. Tính nồng độ phần mol trung bình của các cấu tử trong tháp hấp thụ (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) (phần mol) Do đó ta có bảng nồng độ phần mol trung bình của các cấu tử khí là: Thành phần Phần mol trung bình O2 0,0000 CO 0,0012 H2 0,0231 CO2 0,1488 N2 0,0117 CH4 0,8114 H2S 0,0030 H2O 0,0008 Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m3). = 0,82 (kg/m3) d. Độ nhớt của hỗn hợp khí vào tháp Độ nhớt của hỗn hợp khí có thể xác định theo công thức Mhh: Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí mhh, m1, m2…: Độ nhớt của hỗn hợp khí và các cấu tử thành phần m1, m2….:Nồng độ phần thể tích (phần mol) của các cấu tử thành phần trong hỗn hợp. Độ nhớt của các cấu tử khí được lấy ra ở phụ lục 1. Dùng công thức nội suy để xác định độ nhớt (Ns/m2) (Ns/m2) (Ns/m2) (Ns/m2) (Ns/m2) (Ns/m2) (Ns/m2) (Ns/m2) Từ công thức I.18 ta có độ nhớt của hỗn hợp khí là: = cP = 1,257.10-5 (Ns/m2) e. Khối lượng phân tử trung bình của khí biogas vào tháp yiđ: Nồng độ phần mol của cấu tử khí i trong hỗn hợp khí Mi: Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí Myđ = 0,0011.28 + 0,0211.2 + 0,2209.44 + 0,0107.28 + 0,7424.16 + 0,0027.24 + 0,0011.18 = 22,062 (đvC). f. Khối lượng phân tử trung bình của khí biogas ra khỏi tháp yic: Nồng độ phần mol của cấu tử khí i trong hỗn hợp khí Mi: Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí Myc = 0,0013.28 + 0,025.2 + 0,076.44 + 0,0127.28 + 0,8804.16 + 0,0032.34 + 0,00055.18 = 18,02 (đvC). 6.3.3 Lập phương trình đường cân bằng Phương trình đường cân bằng ([4], tr 140) ● Xác định m: Trong đó: Y là hằng số Henry, tra theo ([4], tr139), ở 25oC thì Y của CO2 và dung dịch nước là 1,24.106 (mmHg) P là áp suất của hỗn hợp khí, P = 803,0326 (mmHg) Do đó ● Phương trình đường cân bằng là: 6.3.4 Tính toán lượng dung môi tiêu tốn và lập phương trình đường làm việc a. Tính lượng dung môi tiêu tốn Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết lượng hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi. Nếu gọi: Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vaò thiết bị hấp thụ, kmol/h. Yđ: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ. Yc: Nồng độ cuốicủa hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ. Gx: Lượng dung môi đi vào thiết bị, kmol/h. Xđ: Nồng độ đầu của dung môi, kmol/kmol dung môi. Xc: Nồng độ cuối của dung môi, kmol/kmol dung môi. Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị, kmol/h. ● Xđ = 0 ● Yđ = 0,284 kmol/kmol khí trơ. ● Xác định Yc: Lượng CO2 trong hỗn hợp ban đầu là: 0,42584.22,091% = 0,094 (m3/h) Nồng độ khí CO2 ra khỏi tháp hấp thụ yêu cầu là 7,67 %, mục đích để tăng độ giàu cho nhiên liệu chạy động cơ, nên lượng CO2 còn lại đi ra khỏi đỉnh tháp: (m3/h), Suy ra lượng CO2 bị hấp thụ trong nước: 0,094 – 0,0276 = 0,0665 (m3/h). Lượng nước trong hỗn hợp khí Biogas 0,00045 m3/h. Ðể đảm bảo hàm lượng nước H2O trong khí Biogas đủ tiêu chuẩn để chạy động cơ, ta thiết kế tháp tách H2O sơ bộ sao cho hàm lượng nước khi ra khỏi tháp là 0,055%. Sau khi hỗn hợp đi vào tháp lượng H2O còn lại ra khỏi tháp là: (m3/h) Suy ra lượng nước rơi xuống đáy tháp = 0,00045 - 0,000197 = 0,000258 (m3/h) Suy ra phần mol của khi CO2 đi ra ở đỉnh tháp: phần mol Phần mol tương đối của CO2 đi ra ở đỉnh tháp kmol/kmol khí trơ. Vậy Yc = 0,0831(kmol/kmol) ● Xác định Xc: Chọn Xc = 1,405.10-5 (kmol/kmol) sau đó kiểm nghiệm lại. Từ các kết quả tính ta có bảng sau: Các thông số Phần mol tương đối Đơn vị Xđ 0 kmol/kmol dung môi Xc 1,405.10-5 kmol/kmol dung môi Yđ=YCO2 0.283548756 kmol/kmol khí trơ Yc 0.083185838 kmol/kmol khí trơ Lượng khí trơ được xác định theo công thức sau: Gy = 0,42584 (m3/h) = 0,42584.0,903 = 0,3846 (kg/h) = 0,000107 (kg/s) = (kmol/h) = 0,0174(1-0,2835) = 0,0136 (kmol/h) Và phương trình cân bằng vật liệu là: Gtr(Yđ -Yc) = Gx(Xc – Xđ) Từ đây ta xác định được lượng dung môi cần thiết là: = (kmol/h) Do đó lượng dung môi thích hợp là Gx = 193,71.18 = 3487 (kg/h) = = 3,5 (m3/h) (khối lượng riêng của nước ở 25oC = 995,867 kg/m3 ) b. Lập phương trình đường làm việc Nếu ta viết phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kỳ nào đó với phần trên của thiết bị thì ta có: Gtr(Y - Yc) = Gx(X - Xđ) Từ đây rút ra: Lượng dung môi, lượng khí trơ, cũng như nồng độ đầu và nồng độ cuối là những đại lượng không đổi nên phương trình trên là phương trình đường thẳng có dạng: Y = AX+B Trong đó: và và Vậy phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ là: Y = 14264.A + 0,0831 Bảng cân bằng vật chất của tháp hấp thụ Thành phần và lưu lượng vào tháp Thành phần và lưu lượng ra khỏi tháp Khí Biogas Thành phần Lưu lượng (m3/h) trong 0,42584 m3/h Khí sạch để chạy động cơ Thành phần Lưu lượng CO 0,0005 CO 0,0005 H2 0,0090 H2 0.0090 CO2 0,0941 CO2 0,02727 N2 0,0046 N2 0,00456 CH4 0,3161 CH4 0,31614 H2S 0,0011 H2S 0,00115 H2O 0,00046 H2O 0,000197 Dung môi H2O 3,5 Sán phẩm đáy H2O dung môi 3,5 CO2 0,0665 H2O từ Biogas 0,000258 Lưu lượng tổng (m3) 3,86 3,86 6.3.5 Tính số đĩa lý thuyết Sử dụng phần mềm PROII. 7.0 để xác định số đĩa lý thuyết với các thông số như sau: Nhiệt độ vào: 25oC. Lưu khí lượng vào: 0,42584 m3/h Áp suất vào: 1,0706 bar, đây chính là áp suất tại đầu ra của thiết bị hấp phụ Lượng nước vào là:3,5 (m3/h). Lượng nước còn lại đi ra khỏi đỉnh là 0,000197 (m3/h) ứng với nồng độ phần mol của nước là 0,00055 Áp suất dư tại đầu ra của thiết bị hấp phụ là ΔH = 0,585 m (cột nước) ΔH = 0,585.1000.9,81 = 5738,85 (N/m2) Áp suất tuyệt đối P = 5738,85 + 101354 = 107092.85 (N/m2) Áp suất tính theo mmHg là ΔHHg = (mmHg) Áp suất tuyệt đối tính theo mmHg là PHg = ΔHHg + 760 (mmHg) = 43,033 + 760 = 803,0326 (mmHg) = 1,057 (atm) = 1,0706 (bar) đây chính là áp suất vào tháp hấp thụ. Sau khi chạy PROII 7.0. Dựa vào kết quả ở phụ lục 2 ta có số đĩa lý thuyết. là 4 đĩa. 6.3.6 Tính vận tốc của khí đi trong tháp Chọn kích thước đệm: Vđ = 0,76 (m3/m3) và sđ = 165 (m2/m3) [9, tr193]. Đối với tháp đệm thường làm việc ở chế độ thích hợp tốc độ của khí có thể xác định theo [9, tr 188] Trong đó ([4], tr 188) là đường kính tương đương của đệm, m rx, ry: Lần lượt là khối lượng riêng của pha lỏng và khí ở 25oC, kg/m3. Vd: Thể tích tự do của đệm, m3/m3 sd: Bề mặt riêng của đệm, m2/m3 my: Độ nhớt của pha khí ở 250C, Ns/m2 Gx, Gy: Lưu lượng lỏng và hơi, kg/s Vd = 0,76 (m3/m3). sd = 165 (m2/m3) m rx = 995,867 (kg/m3) ry = 0,8194 (kg/m3). g = 9,81 (m/s2) my = 1,257.10-5 (Ns/m2) = = = (m/s) Lức đó vận tốc sặc kí hiệu là ws = 1,2.wy’ = 0,04.1,2 = 0,048 (m/s) 6.3.7 Tính chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ htđ Chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ htđ được tính theo [9, tr168]. (m) 6.3.8 Chiều cao của tháp Số đĩa lý thuyết của thiết bị là 4, giá trị này được xác định bằng công cụ PROII 7.0, giá trị này tìm được khi cho nạp liệu khí Biogas ở trên đĩa thứ 4. Nhưng khi tính toán và nạp liệu cho hấp thụ thì dòng nạp liệu được đưa vào ở dưới đĩa thứ 4. Do vậy khi tính toán chiều cao của thiết bị thì phải cộng thêm một khoảng 0,6 (m) (giá trị này được chọn sao cho đủ không gian để phân tách tốt nước ở đáy và khí Biogas) Do đó chiều cao toàn tháp được xác định theo công thức: H = Nlt.htd + 0,7 = 4.0,41 + 0,6 = 2,2 (m) Chọn chiều cao của tháp là: H = 2,2 (m) 6.3.9 Tính đường kính tháp Đường kính tháp được xác định theo ([4], tr181). Vtb: Thể tích hơi trung bình đi trong tháp (kg/s) wtb = wy’ (m/s) Đường kính tháp là: D = = 5,98.10-2 (m) = 6 (cm) KIỂM NGHIỆM LẠI LƯỢNG DUNG MÔI TIÊU TỐN ÐÃ CHỌN Gx = 3,5 (m3/h) ứng với Xc = 1,405.10-5 (kmol/kmol) Lượng dung môi tiêu hao riêng: = tgα (kmol dung môi/kmol khí trơ) α: Góc tạo thành bởi đường làm việc với trục hoành Hình 6-1 Mối quan hệ giữa lượng dung môi tiêu hao với lưu lượng khí vào Xét sự liên quan giữa lượng dung môi và kích thước thiết bị người ta dựa vào phương trình chuyển khối G = Ky.F.ΔYtb và ΔYtb = Trong điều kiện làm việc nhất định thì lượng khí bị hấp thụ G không đổi và có thể coi hệ số chuyển khối Ky không đổi. Như vậy bề mặt tiếp xúc F chỉ được thay đổi tương ứng với sự thay đổi của ΔYtb sao cho tích số F.ΔYtb không đổi Bề mặt F quyết định kích thước thiết bị, do đó F thay đổi kích thước thiết bị thay đổi theo. Rõ ràng khi Yđ, Yc, Xđ cố định thì giá trị nồng độ cuối Xc của dung môi quyết định động lực trung bình của quá trình. Điểm cuối của đường làm việc chỉ được thay đổi từ A đến A4. Điểm A4 gần sát điểm cân bằng, lúc đó độ dốc của đường làm việc thấp nhất (amin) động lực trung bình sẽ nhỏ nhất (vì Y-Ycb giảm). Như vậy để tích số F.ΔYtb không đổi thì F phải tăng lên đạt giá trị lớn nhất. Nhìn vào đồ thị ta thấy nếu đường làm việc càng dịch về phía trục tung thì độ dốc càng tăng, động lực trung bình càng tăng và ứng với nó bề mặt tiếp F xúc giảm. Bởi vì dung môi thay đổi tỉ lệ thuận với độ dốc của đường làm việc cho nên khi giá trị góc nghiêng nhỏ nhất (amin ở A4) thì lượng dung môi tiêu tốn là nhỏ nhất. Ngược lại khi góc nghiêng đạt giá trị lớn nhất ( α = 90o ở A) thì lượng dung môi tiêu tốn vô cùng lớn. Tóm lại, bề mặt tiếp xúc F tỉ lệ nghịch với ΔYtb và do đó tỉ lệ nghịch với dung môi têu tốn. Đường BA và đường BA4 là hai đường giới hạn, nếu chọn lượng dung môi ít nhất thì thiết bị có chiều cao lớn, nhưng nếu chọn lượng dung môi lớn quá để cho bề mặt tiếp xúc F nhỏ thì cũng không kinh tế (vì nồng độ dung dịch quá loãng) vì thế ta cần chọn lượng dung môi thích hợp để vừa đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật, vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế tốt bằng cách cho trước một vài giá trị của l rồi tính kích thước thiết bị ứng với từng giá trị l đó, xác định vốn đầu tư, chi phí vận hành cho từng trường hợp, khi đó lượng dung môi thích hợp sẽ ứng với tổng chi phí bé nhất. Ta có bảng kiểm nghiệm lượng dung môi tiêu tốn đã chọn: l (kmoldung môi/kmol khí trơ) D Htd Gx Xc 200412,48 10 0,2 49,20 0,000001 66804,16 8,67 0,27 16,40 0,000003 40082,49 7,77 0,31 9,84 0,000005 28630,35 7,22 0,34 7,03 0,000007 22268,05 6,85 0,36 5,47 0,000009 14264,23 5,98 0,41 3,50 0,00001405 11011,67 5,66 043 2,70 0,0000182 10020,62 5,54 0,41 2,46 0,00002 5010,31 4,94 0,470 1,23 0,00004 2818,74 4,3 0,500 0,69 0,0000711 2004,12 4,0 0,512 0,49 0,0001 668.04 3,22 0,520 0,16 0,0003 Dựa vào bảng trên ta chọn lượng dung môi tiêu tốn đảm bảo các điều kiện trên Chọn bơm KIKAWA để bơm dung môi với các thông số sau: Capacity 3,5 (m3/h) U 220V F 50Hz P 270W ● Ðây là bơm có giá thành rẻ so với các bơm khác trên thị trường có thể bơm đến 5,466 (m3/h), 7,026(m3/h)...., sử dụng điện áp 220V, với công suất 270W nhỏ hơn công suất của các bơm khác nên tiết kiệm được kinh phí để cung cấp điện áp cho bơm ● Bơm này có thể bơm 3,5 m3/h, vừa đủ để bơm lượng dung môi ứng với l = 14264,23 (kmol dung môi/kmol khí trơ), đủ để thực hiện quá trình hấp thụ sao cho nồng độ khí CO2 ra là 7,67 % và kích thước thiết bị cũng không quá lớn. → Do đó sẽ có hiệu quả kinh tế khi chọn lượng dung môi tiêu hao riêng l = 14264,233 (kmol dung môi/kmol khí trơ), tương ứng với lượng dung môi tiêu tốn là Gx = 3,5 (m3/h) và Xc = 1,405.10-5 (kmol/kmol). 6.3.10 Tính trở lực của tháp Sức cản thuỷ học của tháp đệm đối với hệ khí - lỏng ở điểm đảo pha được xác định theo công thức ([4], tr 189). (N/m2) ([4], tr 189). ΔPu: Tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí khi đi qua đệm khô (N/m2) ΔPu: Tổn thất áp suất (trở lực) của đệm khô (N/m2) Tổn thức áp suất của đệm khô được xác định theo công thức ([4], tr 189). Vận tốc thực của khí trong tháp đệm được xác định theo công thức ([4], tr 189). H: Chiều cao lớp đệm (m) wy’: Tốc độ của khí tính trên toàn bộ tiết diện của tháp (m/s) l’: Hệ số trở lực của đệm ( bao gồm trở lực do ma sát và trở lực cục bộ). l’ phụ thuộc vào chuẩn số Re, với các loại đệm khác nhau xác định theo công thức thực nghiệm, đối với đệm bằng sứ đổ lộn xộn mà có Rey’ = 108,12 > 40 thì: ([4], tr 189). = = (N/m2) Các giá trị A, m, n, c đựơc xác định theo bảng ([4], tr 189). Xét đại lượng: Do đó A = 10; m = 0,945; n = 0,525; c = 0,105. Vậy tổn thức áp suất ướt là: (N/m2) Áp suất khí vào tháp hấp thụ là 107092,85 (N/m2) = 1,057 (atm) (đây chính là áp suất đi ra khỏi thiết bị hấp phụ). Để áp suất ra khỏi tháp hấp thụ là 1 (atm) để chạy động cơ thì tổn thất áp suất ướt phải nhỏ hơn 0,57 (atm) = 5738,85 (N/m2). Giá trị tính toán 685,89 (N/m2) < 5738,85 (N/m2). Vậy tổn thất áp suất tính toán trên toàn tháp hoàn toàn thỏa mãn. 6.4 Hệ thống lưu trữ Biogas Để đảm bảo lưu lượng cũng như áp suất khí Biogas được ổn định trước khi nạp vào động cơ, cần phải thiết kế hệ thống lưu trữ Biogas. Hình 5-4 Hệ thống lưu trữ Biogas. 1- Bình chứa khí Biogas. 2-V-01. Van vào túi chữa 3- V-02. Van tới động cơ + 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. 7. Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ tĩnh tại 7.1 Sơ đồ hệ thống Hình 7-1 Sơ đồ cung cấp khí Biogas cho động cơ tĩnh tại. 1. Bình ổn định 8. Bơm nước 2,3. thiết bị lọc khí H2S. 9. Động cơ tĩnh tại 4. Thiết bị hấp thụ CO2 10. Đường ống dẫn Biogas sạch 5. Túi đựng Biogas sạch 11. Các van đóng mở khí 6,7. Bính chữa nước 12.Hầm Biogas 7.2 Tình hình phat triển Biogas 7.2.1 Tình hình phát triển Biogas trên thế giới Hiện nay ở quy mô toàn cầu, Biogas là nguồn năng lượng lớn. Tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9 đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới. Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải toàn cầu thì hàng năm người ta có thể tạo 200 tỷ m3 khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về công nghệ xây dựng các bể lên men mêtan. * Ấn Độ Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897. Ban đầu, các trạm Biogas chỉ có quy mô hộ gia đình. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas. Năm 1985, Ấn Độ có khoảng 1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la. Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9 triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng. Ước tính số công trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê. Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu công trình hầm khí sinh học. *Trung Quốc Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX. Năm 1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m3 khí mêtan, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ. Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Biogas. Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng công suất là 1.500kW. Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí mêtan. Từ những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, người ta đã tính toán đến việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hoá thạch và Biogas đã trở thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc (1994). Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn quốc. Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m3/năm. Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện. 7.2.2 Tình hình phát triển Biogas ở Việt Nam Phong trào xây dựng các hầm khi biogas qui mô gia đình và ở các hộ chăn nuôi gia súc ở nước ta cũng đã được phát triển. Khí biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt. Kết quả đem lại rất tích cực cả về hiệu quả kinh tế lẫn bảo vệ môi trường. Nguồn khí biogas nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu, do đó hiện tượng chặt phá rừng làm chất đốt ở nông thôn phần nào đã được kiểm soát. Tuy nhiên nhu cầu năng lượng ở nông thôn không phải chỉ dừng lại ở đó. Trong thực tế sản xuất và sinh họat ở nông thôn hiện nay, những động cơ cỡ nhỏ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, phát điện, xay xát, máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp... có nhu cầu sử dụng rất lớn. Sử dụng khí biogas để chạy các loại động cơ này sẽ giúp cho người nông dân tiết kiệm được chi phí năng lượng, giảm giá thành sản xuất và góp phần tích cực vào việc cải thiện đời sống người dân. Trên thế giới người ta đã sản xuất những động cơ cỡ lớn sử dụng khí biogas của các bãi rác làm nhiên liệu để sản xuất điện năng. Tuy nhiên các động cơ cỡ nhỏ (công suất nhỏ hơn khoảng 7kW) chạy bằng khí biogas chưa được nghiên cứu phát triển. Từ năm 1995, Bộ môn Động Lực Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã hình thành nhóm nghiên cứu động cơ sử dụng nhiên liệu khí. Hơn 10 năm nay, nhóm này đã nghiên cứu thành công và đưa ra thị trường bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy. Kết quả này cũng được ứng dụng trên tàu thuyền nhỏ chạy trên sông sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG. Trên cơ sở những kinh nghiệm và kết quả đã đạt được đối với xe gắn máy chạy bằng ga, chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo bộ phụ kiện cho phép chuyển đổi động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ chạy bằng xăng sang chạy bằng khí biogas. Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn. Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho nông dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân. Sử dụng động cơ nhiệt chạy ằng khí biogas để kéo máy công tác trong sản xuất và đời sống ở nông thôn vì vậy có ý nghĩa rất thiết thực. Mặt khác việc sử dụng nguồn năng lượng này trong sản xuất và đời sống còn góp phần giảm thiểu chất thải, bảo vệ tài nguyên và môi trường. 7.2.3 Khả năng ứng dụng Biogas cho động cơ tĩnh tại Chất thải của quá trình sản xuất như một nguồn năng lượng, đó là một mô hình lý tưởng cho xã hội. Việc sử dụng nguồn năng lượng này ở những dạng khác nhau phải hết sức cẩn thận, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu từng địa phương, mật độ dân số, nguồn đất sẵn có, điều kiện thổ nhưỡng, thời tiết và nhiều nhân tố khác. Nguồn năng lượng sinh khối từ nhiên liệu tái tạo chiếm một vị trí quan trọng trong nguồn năng lượng tổng số nhưng chỉ mới được tận dụng một phần. Nhiều cơ hội còn tiềm ẩn, nhiều chương trình đã được triển khai, nhiều dự án đã được lên kế hoạch nhằm sử dụng triệt để nguồn năng lượng này. Trong xu thế này, chúng ta là những người trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung, ngành Động Lực nói riêng cần phải phát huy vai trò của mình nghiên cứu cặn kẽ hơn nữa về nguồn năng lượng này để ứng dụng nó làm nguồn năng lượng cho động cơ đốt trong. Điều này không những giải quyết được về vấn đề năng lượng đang có nguy cơ thiếu hụt hiện nay mà còn góp phần giải quyết vấn đề môi trường. Mặt khác cũng mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của động cơ đốt trong đối với thực tiễn. Hình 7-1 Chu trình Biogas Tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Tính chất vật lý và hoá học của Biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng cho việc xử lý và đốt cháy Biogas. Thành phần chính của Biogas là CH4 và CO2. Các tính chất vật lý liên quan đến chúng và sẽ được liệt kê sau đây: Bảng 6-1 Một số tính chất của Biogas. Các tính chất vật lý Methane (CH4) Carbon Dioxide (CO2) Trọng lượng phân tử 16,04 44,01 Tỷ trọng 0,554 1,52 Điểm sôi (1at) 144 0C 60,8 0C Điểm đông (1at) -164,8 0C -38,83 0C Khối lượng riêng 0,66 kg/m3 1,82 kg/m3 Nhiệt độ nguy hiểm 64,44 0C 48,89 0C Áp suất nguy hiểm 45,8 at 72,97at Nhiệt dung Cp (1at) 6,962.10-4 J/ kg-0C 2,643.10-4 J/ kg-0C Tỷ lệ Cp/Cv 1,307 1,303 Nhiệt cháy 55,432 J/kg Giới hạn cháy 5-15% Thể tích Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí 0,0947 Thể tích 0,0581 Khối lượng Nhiệt trị của nhiên liệu: Giá trị nhiệt cao của methane, chất cháy cơ bản trong Biogas, là 1012 Btu/ft3 (37,71.103KJ/m3). Giá trị nhiệt thấp được định nghĩa bằng giá trị nhiệt cao trừ đi năng lượng cần thiết để làm bay hơi nước trong nhiên liệu và sản phẩm cháy. Đối với methane giá trị nhiệt thấp là 912 Btu/ft3(33,98.103KJ). Các chất cơ bản trong Biogas: Hình 7-2 Chu trình carbon khi sử dụng Biogas trong đun nấu Ngoài hai thành phần chính là CH4 và CO2 còn có các tạp chất cơ bản dạng khí có mặt trong Biogas được liệt kê dưới đây: - Hydrogen sulfide H2S - Hơi nước H2O - Sulfur dioxide SO2 - Nitrogen oxides NO2 - Hỗn hợp fluorine bay hơi (ví dụ: HF, SiF4) - Hợp chất nitrogen. - Carbon monoxide CO. Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Vấn đề đáng quan tâm và cần được nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải động gây ra. Ta biết rằng trong Biogas có một lượng đáng kể hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000ppm thậm chí sau khi qua các thiết bị xử lý vẫn còn khoảng 200-400ppm H2S) là một khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khi Biogas được sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc cho con người (TCVN cho phép là 0,3mg/m3). Vì thế, hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải động cơ. Hàm lượng của các chất này không được vượt quá mức cho phép. Hình 7-3 Xây dựng hầm biogas Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas như carbon dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình cháy Biogas. Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas. Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi nước có trong Biogas. Phụ thuộc vào nhiệt độ thông thường Biogas lấy ngay từ hầm phân huỷ có hàm lượng ẩm khoảng 50 mg/l, gần với nồng độ bão hoà. 7.3 Cơ sở khoa học của Biogas Biogas là khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí (còn gọi là kỵ khí). 7.3.1 Bản chất của phương pháp kỵ khí Là các chất thải được phân hủy nhờ các vi sinh vật (VSV) trong điều kiện hoàn toàn không có oxy. Quá trình này được phân chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ cao phân tử được VSV chuyển thành các các chất có trọng lượng thấp hơn axit hữu cơ, đường, glyxerin,..(gọi chung là hydrat cacbon). Giai đoạn 2: là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn metan để chuyển hầu như toàn bộ các chất hydrat cacbon thành CH4 và CO2. Đầu tiên là sự tạo thành các axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ rệt (lên men axit). Các axit hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2, N2, H2 và cả CH4 (bắt đầu lên men metan). Các VSV kỵ khí phát triển mạnh còn các VSV hiếu khí bị tiêu diệt. Các vi khuẩn metan phát triển rất mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành CO2 và CH4 (giai đoạn lên men metan cò gọi là lên men kiềm). Hình 7-4 Hầm biogas mái vòm cố định 1_bể lắng; 2_hầm phân huỷ; 3_bể điều hoà; 4_Bình gas; 5_Ống dẫn khí; 6_nắp hầm ;7_Chất thải sau phân huỷ; 8_Ống xả; 9_Mức chuẩn; 10_Bọt khí 7.3.2 Các vi sinh vật trong bể Biogas Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân sử dụng và  điều kịên nhiệt độ. Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan. Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore). Theo A.R.Prevot, chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine. Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan. Nhóm vi khuẩn sinh khí metan: Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cộng tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ (Family), 17 loài (Genus). Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định. Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan. Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon. Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng,..Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100%. (đối với Myobacterium ; thời gian lưu trong bể biogas từ 6-20 ngày) 7.3.3 Cơ chế của sự tạo thành khí metan Cơ chế 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase: CxHyOz →  các axit hữu cơ, CO2, H2 Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan: CO2 + 4H2   →  CH4 + 2H2O CO  + 3H2   →  CH4 + H2O 4CO + 2H2  →  CH4 + 3CO2 4HCOOH    →   CH4 + 3CO2 + 3H2O 4CH3OH      →  3CH4 + 2H2O + CO2 CH3COOH  →  CH4 + H2O Như vậy biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của enzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzym cellulosase là phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn metan tác dụng với nhau tạo thành khí metan có khả năng đốt cháy sinh năng lượng. 7.4 Hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ cỡ nhỏ 7.4.1 Hệ thống thiết bị xử lý Biogas a.Giới thiệu Trong những năm gần đây, người dân ở nông thôn nước ta đã bắt đầu quen dần với việc sử dụng biogas làm chất đốt. Các hầm biogas này một mặt, cung cấp chất đốt cho người dân và mặt khác, giúp người dân xử lý các chất thải từ chăn nuôi và các hoạt động sản xuất khác, góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường. Tuy nhiên việc sử dụng biogas để đun nấu chỉ mới đáp ứng được một phần tiện ích vì người dân cần nhiều năng lượng hơn để chạy các máy công tác phục vụ sản xuất. Vì vậy việc sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong cỡ nhỏ sẽ góp phần đáng kể vào việc cải thiện đời sống của người dân ở nông thôn. a. b. Hình 6-5 Phoi sắt trước khi bị oxy hóa (a) và sau khi bị oxy hóa (b) Biogas chứa phần lớn CH4 (50-75%), ngoài ra còn có CO2 (25-50%), H2 (0-1%), H2O (0-1%) và H2S (0-3%). Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất. Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu, và làm cho biogas có mùi hôi khó chịu. H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động cơ. Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự như CO2. b.Hệ thống lọc Biogas * Lọc H2S Hình 6-6 Thiết bị tách H2S Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phoi sắt để tách H2S. Chất này được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác. Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa. Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau: Fe + 1/2 O2 à FeO 2Fe + 3/2O2 à Fe2O3 3Fe + 2O2 à Fe3O4 Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3, Fe3O4. Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt. Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp (hình 6-6). Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau: Fe2O3 + 3H2S à Fe2S3 + 3H2O Fe3O4 + 4H2S à FeS+Fe2S3 + 4H2O FeO + H2S à FeS + H2O Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày), khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4%. Sau 1 tháng sử dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98%. Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Phản ứng tái sinh diễn ra như sau: Fe2S3 + O2 à Fe2O3 + 3S FeS + O2 à FeO + S Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quá trình tái sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút. Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2: Fe2S3 + 9/2O2 à Fe2O3 + 3SO2 FeS + 3/2O2 à FeO + SO2 Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần. Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 4:1 về thể tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc (hình 6-6). Với lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử dụng là 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài 200mm. Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là 0,3mbar. Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung tâm bảo trợ xã hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và sau khi đi qua lọc cho ở bảng 1. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%). * Lọc CO2 Việc tách CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính chất hấp thụ khí carbonic của nước. Nguyên lý của phương pháp này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống. Để tăng cường sự tiếp xúc của khí và nước, nhóm đã sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch để làm đệm. Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đã sử dụng một đĩa đục lỗ bằng Hình 7-7 Tháp tách CO2 mica, đặt ở phần dưới của tháp. Với kích thước tháp tách CO2 như hình 3, lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, thành phần CO2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO2 ở đầu ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO2 là 47,30%. Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 là 5mbar. Bảng 6-2 Hiệu quả lọc H2S Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng Trước xử lý Sau xử lý Trước xử lý Sau xử lý Hàm lượng H2S (mg/l) 0,17 0,0005 0,20 0,001 ppm thể tích 112 0,33 132 0,66 7.4.2 Hệ thống cung cấp Biogas Hình 7-8 Cụm động cơ-máy phát điện 4HP chạy bằng biogas với bộ phụ kiện GA5 Bộ phụ kiện GA5 Khí biogas sau khi qua hệ thống lọc H2S và CO2 trên đây có đủ tiêu chuẩn để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Trong nghiên cứu này, khí biogas sau khi qua lọc được dùng để cung cấp điện cho động cơ 2 mã lực kéo máy phát điện. Yêu cầu cơ bản của hệ thống cung cấp nhiên liệu trong trường hợp này là phải đảm bảo dòng điện phát ra có tần số không thay đổi (50Hz) ở bất kỳ chế độ tải nào của máy phát. Khi tải cản bên ngoài ít dao động, về nguyên lý chúng ta có thể dùng bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng GA5, để cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại. Kết quả thử nghiệm lắp đặt bộ phụ kiện GA5 trên động cơ kéo máy phát điện 4HP chạy bằng biogas (hình 7-8) cho thấy hệ thống làm việc tốt khi tải bên ngài không thay đổi. Khi tăng tải đột ngột (như khi khởi động động cơ máy bơm nước chẳng hạn) thì động cơ đốt trong bị lịm máy và tắt. Điều này dễ hiểu vì khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ giảm, mặc dù bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ mở rộng bướm ga nhưng do độ chân không tại họng bé, không đủ sức mở van công suất, kết quả là động cơ chết máy do hỗn hợp quá nghèo. Để hoàn thiện hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ tĩnh tại, cần bổ sung thêm bộ điều tốc phụ vào bộ phụ kiện GA5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong kéo máy phát điện chạy bằng khí biogas được giới thiệu trên hình 7-9. Hệ thống gồm van công suất 1 với vòi phun chính 3 đặt tại họng bộ chế hòa khí; Van không tải 11 với vòi ziclơ không tải 10 nối thông với lỗ cấp khí 6 đặt sau bướm ga; Van làm đậm kiểu điện từ 12 với ziclơ làm đậm 9 mắc song song với cụm 11, 10; Mạch điều khiển van điện từ 14 được cung cấp điện một chiều 12 volts thông qua các cực 13 và nhận tín hiệu từ máy phát điện thông qua đầu nối 15. Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng nguyên thủy của động cơ không thay đổi gồm bộ chế hòa khí 7, khóa xăng 8, bướm gió khởi động 2, bướm ga 5 được điều khiển bởi bộ điều tốc thông qua cánh tay đòn 4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả tóm tắt như sau: Khi động cơ chạy bằng xăng, khóa ga cung cấp cho hệ thống ở vị trí đóng, khóa xăng mở, động cơ hoạt động bình thường như trước khi cải tạo. Khi chạy bằng biogas, khóa xăng đóng, khóa ga mở, khí biogas sau khi qua lọc được đưa vào hệ thống ở đầu ống 16. Hình 7-9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong kéo máy phát điện chạy bằng biogas Khi động cơ khởi động động cơ, van điện từ 12 ở vị trí đóng, độ chân không phía sau bướm ga lớn mở van không tải thông qua ziclơ không tải 10 cung cấp cho động cơ một lượng ga tối thiểu đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định ở chế độ không tải. Khi tăng tải từ từ, bộ điều tốc động cơ thông qua tay đòn 4, mở rộng dần bướm ga 5, lượng không khí vào động cơ tăng dần, độ chân không tại họng tăng, thông qua vòi phun chính 3 mở van công suất 1 cung cấp một lượng biogas đủ lớn để mô men động cơ phát ra cân bằng với mô men cản. Khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ bị giảm tức thời khiến độ chân không tại họng bộ chế hòa khí bị tụt, không đủ sức để mở lớn van công suất làm động cơ bị lịm dẫn đến chết máy. Để khắc phục hiện tượng này, nhóm nghiên cứu sử dụng bộ điều tốc phụ gồm van điện từ 12 với mạch điều khiển 14 và ziclơ làm đậm 9 để cung cấp một lượng biogas phụ đảm bảo cho động cơ phát mô men động đủ lớn để thắng sự gia tăng đột ngột của mô men cản. Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc phụ như sau. Khi tăng mô men cản đột ngột, điện áp máy phát tụt xuống dưới 200volts. Tín hiệu điện áp được đưa vào mạch điều khiển 14 làm phát sinh một xung điều khiển cung cấp cho cuộn dây của van điện từ 12: van mở một lượng ga phụ qua ziclơ 9 cung cấp vào họng bộ chế hòa khí, duy trì chế độ tốc độ ổn định của động cơ. Khi điện áp máy phát tăng trên 200volts, van điện từ đóng, chế độ công tác của động cơ được khống chế bởi bộ điều tốc chính. Điện áp tác động của bộ điều tốc phụ có thể điều chỉnh nhờ biến trở của mạch điện 14. Hình7-10 chạy thử tải máy phát điện 2HP Ảnh chụp của hệ thống điều tốc phụ kiểu điện từ sử dụng trong thí nghiệm được giới thiệu trên hình 7.10. Cụm máy phát điện có công suất cực đại 1,5kW, công suất định mức 0,8kW. Trong thí nghiệm này, máy phát cấp điện cho tải ngoài gồm 10 bóng đèn, công suất mỗi bóng là 100W (hình 7-10). Thí nghiệm được tiến hành ứng với hai trường hợp thay đổi tải bên ngoài. Trường hợp thứ nhất, tải bên ngoài thay đổi từ từ, khi đó các bóng đèn được bật sáng lần lượt. Thí nghiệm cho thấy trong trường hợp này, nếu cô lập bộ điều tốc phụ, động cơ vẫn hoạt động bình thường nhờ van công suất, van không tải và bộ điều tốc chính của động cơ. Trường hợp thứ hai, tải bên ngoài thay đổi đột ngột. Trong trường hợp này, mỗi lần chúng ta bật sáng 5 bóng đèn. Thí nghiệm cho thấy nếu không có bộ điều tốc phụ, động cơ chết máy. Kết quả nghiên cứu này cho thấy bộ điều tốc phụ không thể thiếu trong hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam và Trần Thanh Hải Tùng. “Ô Tô Và Ô Nhiễm Môi Trường”. Hà Nội: NXB Giáo dục; 1999. [2] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hồng Thiện, Phạm Duy Phúc – đặng Hữu Thành. “Hệ Thống Cung Cấp Khí Biogas Cho Động Cơ Kéo Máy Phát Điện 2hp”. Báo cáo khoa học; Đại Học Đà Nẵng; 2008. [3] Hồng Đức Thông, Huỳnh Thanh Công, Hồ Phi Long (và một số tác giả).“Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng Nhiên Liệu, Năng Lượng Mới Trên ÔTô”. Khoa kỹ thuật giao thông; Đại Học Bách Khoa TP.HCM; 2005. [4] Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông,Trần Quang Thảo, Võ Thị Ngọc Tươi, Trần Xoa. “Cơ Sở Các Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hoá Học-Tập 2”. Hà Nội: NXB Giáo Dục; 2000. [5] Bùi Văn Ga. “Quá Trình Cháy Trong Động Cơ Đốt Trong ”. Hà Nội: NXB Giáo Dục; 1999. [6] Đinh Ngọc Ái. “Thuỷ Lực Và Máy Thuỷ Lực - Tập 2”. Hà Nội: NXB ĐH & THCN; 1979. [7] Báo cáo về hiện trạng môi trường quốc gia năm 2004 [8] Các Webside: www.Wikimedia.com www.Vietnamnet.com.vn www.Autogas.com www.nangluongmoi.com.vn www.khoahocvadoisong.com.vn