Báo cáo tổng kết đề tài - Nghiên cứu công nghệ xử lý và lưu trữ biogas sử dụng cho các phương tiện vận tải cơ giới

thành m ối BÁO CÁO T ỔNG K ẾT quan tâm hàng đầu c ủa c ả th ế gi ới. Ti ết ki ệm n ăng l ượng và gi ảm thi ểu ô nhi ễm môi tr ường luôn là m ục tiêu nghiên c ứu c ủa ngành ĐỀ TÀI KHOA H ỌC VÀ CÔNG NGH Ệ CẤP ĐẠI H ỌC ĐÀ N ẴNG động c ơ và ô tô. Song song v ới vi ệc hoàn thi ện các h ệ th ống c ủa động c ơ đốt trong để nâng cao hi ệu su ất nhi ệt, gi ảm tiêu hao nhiên li ệu, gi ảm thi ểu ô nhi ễm môi tr ường thì các ch ươ ng trình nghiên c ứu tìm ki ếm ngu ồn n ăng l ượng s ạch, n ăng l ượng tái sinh và nâng cao hi ệu qu ả s ử NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ LƯU TRỮ BIOGAS dụng các ngu ồn n ăng l ượng này là vi ệc r ất c ần thi ết. SỬ DỤNG CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI CƠ GIỚI Trong các ngu ồn nhiên li ệu thay th ế, biogas là ngu ồn n ăng lượng tái sinh được hình thành trong quá trình phân h ủy k ỵ khí các Mã s ố: Đ2012-02-26 ch ất h ữu c ơ nh ư ch ất th ải c ủa động v ật, ph ụ ph ẩm cây tr ồng (r ơm, r ạ ...), rác th ải, ch ất th ải c ủa nông nghi ệp, lâm nghi ệp ... Thành ph ần ch ủ y ếu c ủa biogas là khí metan (CH 4), khí cacbonic (CO 2) ngoài ra còn có các t ạp ch ất khác nh ư H 2S. N ếu khí biogas được l ọc s ạch các tạp ch ất, chúng ta s ẽ nh ận được nhiên li ệu có tính ch ất t ươ ng t ự nh ư Ch ủ nhi ệm đề tài: ThS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG khí thiên nhiên. S ử d ụng biogas làm nhiên li ệu cho phép gi ải quy ết đồng th ời v ấn đề ô nhi ễm khi s ản xu ất biogas và thay th ế nhiên li ệu truy ền th ống. Với lý do đó đề tài “NGHIÊN C ỨU CÔNG NGH Ệ X Ử LÝ VÀ L ƯU TR Ữ BIOGAS S Ử D ỤNG CHO CÁC PH ƯƠ NG TI ỆN VẬN T ẢI C Ơ GI ỚI” có ý ngh ĩa to l ớn và h ết s ức c ấp thi ết; nó không nh ững góp ph ần làm đa d ạng hóa ngu ồn nhiên li ệu dùng cho động c ơ Đà N ẵng, tháng 12 năm 2012 nhi ệt khi d ầu m ỏ đang ngày càng c ạn ki ệt, mà còn góp ph ần s ử d ụng 2 3 hi ệu qu ả h ơn ngu ồn nhiên li ệu sinh h ọc cho động c ơ đốt trong và năng l ượng có d ấu hi ệu kh ủng ho ảng, d ầu m ỏ đang c ạn ki ệt và tình gi ảm thi ểu ô nhi ễm môi tr ường trong tình hình m ới. hình bi ến đổi khí h ậu ngày m ột tr ở nên nghiêm tr ọng. MỤC ĐÍCH NGHIÊN C ỨU: Bố c ục c ủa đề tài bao g ồm: Thi ết k ế, ch ế t ạo h ệ th ống x ử lý khí H 2S và CO 2 trong khí Ch ươ ng 1: Tổng quan v ề tình hình nghiên c ứu ứng d ụng khí biogas đảm b ảo tiêu chu ẩn v ề nhiên li ệu khí s ử d ụng cho động c ơ đốt sinh h ọc Biogas. Yêu c ầu ch ất l ượng biogas để làm nhiên li ệu cho trong; động c ơ đốt trong. Thi ết k ế quy trình công ngh ệ nén biogas s ạch và l ưu tr ữ làm Ch ươ ng 2: Nghiên c ứu công ngh ệ x ử lý các t ạp ch ất trong nhiên li ệu cho các ph ươ ng ti ện v ận t ải c ơ gi ới; biogas làm nhiên li ệu cho động c ơ. Lý thuy ết v ề h ấp th ụ và các tính ĐỐI T ƯỢNG VÀ PH ẠM VI NGHIÊN C ỨU: Nh ư m ục đích nghiên toán hình thành thông s ố ch ế tạo mô hình th ực nghi ệm. cứu đã ch ỉ rõ, v ới đề tài “NGHIÊN C ỨU CÔNG NGH Ệ X Ử LÝ VÀ Ch ươ ng 3: Nghiên c ứu công ngh ệ l ưu tr ữ biogas s ạch làm LƯU TR Ữ BIOGAS S Ử D ỤNG CHO CÁC PH ƯƠ NG TI ỆN V ẬN nhiên li ệu cho các ph ươ ng ti ện v ận t ải c ơ gi ới. TẢI C Ơ GI ỚI” thì đối t ượng nghiên c ứu: Kết lu ận và h ướng phát tri ển c ủa đề tài - Thành ph ần Biogas tr ước và sau quá trình l ọc; Ch ươ ng 1 - V ật li ệu l ọc, ph ươ ng pháp l ọc và các thông s ố ảnh h ưởng đến hi ệu TỔNG QUAN V Ề TÌNH HÌNH NGHIÊN C ỨU ỨNG D ỤNG BIOGAS qu ả c ủa h ệ th ống l ọc; 1.1. Đặc điểm khí sinh h ọc biogas - Công ngh ệ l ưu tr ữ biogas s ạch ở m ột s ố trang tr ại trong khu v ực Biogas (khí sinh họ c) là sả n ph ẩm khí sinh ra t ừ quá trì nh phân Thành Ph ố Đà N ẵng để làm nhiên li ệu cho động c ơ đốt trong. hủ y kị khí cá c h ợp ch ất h ữu c ơ. Thành ph ần ch ủ y ếu c ủa biogas là PH ƯƠ NG PHÁP NGHIÊN C ỨU: Do tính ứng d ụng đa d ạng c ủa đề khí methane (CH 4) và khí cacbonic (CO 2). Khí methane cháy cho tài, nên ph ươ ng pháp nghiên c ứu là thu th ập các d ữ li ệu liên quan v ề nhi ệt l ượ ng cao nên biogas th ườ ng đượ c sử dụ ng là m nhiên li ệu. biogas và tiêu chu ẩn v ề nhiên li ệu khí cho động c ơ đốt trong để xây Để có th ể s ử d ụng biogas làm nhiên li ệu cho ô tô, c ần ph ải dựng ph ươ ng pháp tính toán và xây d ựng mô hình th ực nghi ệm. Hơn tinh luy ện (hay nâng c ấp) biogas t ức là lo ại b ỏ các t ạp ch ất để đáp nữa để kh ẳng định tính đúng đắn c ủa ph ươ ng pháp nghiên c ứu, k ết qu ả cho b ởi mô hình lý thuy ết s ẽ được ki ểm ch ứng b ởi các giá tr ị đo ứng theo tiêu chu ẩn nhiên li ệu khí. Hi ệu qu ả l ọc biogas ph ụ thu ộc được t ừ k ết qu ả c ủa quá trình th ực nghi ệm. ch ủ y ếu vào thi ết b ị, v ật li ệu và ph ươ ng pháp tách b ỏ CO 2 và H 2S, có Ý NGH ĨA KHOA H ỌC VÀ TÍNH TH ỰC TI ỄN C ỦA ĐỀ TÀI: th ể s ử d ụng h ệ th ống lo ại b ỏ CO 2 và H 2S đồng th ời ho ặc riêng bi ệt, Biogas làm nhiên li ệu cho động c ơ đốt trong s ẽ gi ảm được s ự hi ệu qu ả và th ời gian làm vi ệc c ủa m ỗi h ệ th ống là khác nhau. phát th ải các khí CH 4, CO 2, NO x, HC, CO... góp ph ần b ảo v ệ môi tr ường. Hơn n ữa, nó còn làm phong phú và đa d ạng hóa ngu ồn n ăng lượng dùng cho động c ơ đốt trong. Vì v ậy đề tài không nh ững có ý ngh ĩa khoa h ọc l ớn mà còn mang tính th ực ti ễn cao trong tình hình 4 5 1.2. Tình hình nghiên c ứu và s ử d ụng biogas Hi ệu qu ả l ọc biogas ph ụ thu ộc ch ủ y ếu vào thi ết b ị, v ật 1.2.1. Tình hình nghiên c ứu và s ử d ụng biogas trên th ế gi ới li ệu và ph ươ ng pháp tách b ỏ CO 2 và H 2S, có th ể s ử d ụng h ệ th ống lo ại b ỏ CO 2 và H 2S đồng th ời ho ặc riêng bi ệt, hi ệu qu ả và th ời gian làm vi ệc c ủa m ỗi h ệ th ống là khác nhau. 1.3. Yêu c ầu ch ất l ượng biogas để làm nhiên li ệu Biogas có th ể được s ử d ụng cho nh ững m ục đích gi ống nh ư khí thiên nhiên khi đã được x ử lý. Bảng 1.1. Công ngh ệ ứng d ụng biogas và yêu c ầu x ử lý [3] Công ngh ệ Yêu c ầu x ử lý H S<1000 ppm, Áp su ất: 0.8-2.5 kPa, lo ại b ỏ c ặn Hình 1.1. s ản l ượng biogas m ột s ố n ước n ăm 2010 Đun n ấu (N ồi h ơi) 2 ( Đối v ới b ếp n ấu: H S < 10 ppm) (Ngu ồn EBA) 2 H S<100 ppm, Áp su ất: 0.8-2.5 kPa, lo ại b ỏ c ặn, 2 siloxanes Động c ơ đốt trong (Động c ơ x ăng d ễ b ị t ổn h ại đối v ới H S h ơn động c ơ 2 diesel) H S đạt 70,000 ppm, Áp su ất 520 kPa lo ại b ỏ c ặn, Microturbines 2 siloxanes PEM: CO<10 ppm, lo ại b ỏ H S 2 ề ả ấ ứ ụ ạ PAFC: H S<20 ppm, CO<10 ppm, Halogens< Hình 1.2. Dây chuy n s n xu t và ng d ng Biogas t i 2 Th ụy Điển (Ngu ồn: SGC (Swenisk Gastekniskt CenterAB)) ppm Fuel Cells MCFC: H S <10 ppm đối v ới nhiên li ệu 1.2.2. Tình hình nghiên c ứu và s ử d ụng biogas ở Vi ệt Nam 2 H S<0.5 ppm đối v ới stec, 100 2 Bentonit 80 Halogens<1 ppm SOFC: H 2S<1 ppm, Halogens<1 ppm c H2S(%) 60 ọ ắ l Phoi s t ả H S<1000 ppm, Áp su ất: 1-14 kPa Động c ơ Stirling 2 u qu 40 ệ Diatomit Hi H S95%, CO <2 % th ể tích, 2 4 2 20 Nâng c ấp thành khí -4 3 Lượ ng biogas qua l ọc (m ) H O<(1 *10 ) kg/mm 3, lo ại b ỏ c ặn, siloxanes, Áp 0 thiên nhiên 2 0 2 4 6 8 10 12 14 su ất >3000 kPa Hình 1.3. Hi ệu qu ả l ọc H 2S trong biogas b ằng v ật li ệu khác nhau 6 7 Ch ươ ng 2 kể t ừ m ột ti ết di ện b ất k ỳ nào đó v ới ph ần trên c ủa thi ết b ị thì ta có: NGHIÊN C ỨU CÔNG NGH Ệ X Ử LÝ CÁC T ẠP CH ẤT TRONG Gtr (Y - Y c) = G x(X - X đ) (2.8) BIOGAS LÀM NHIÊN LI ỆU CHO ĐỘNG C Ơ Từ (2.8) suy ra: 2.1. C ơ s ở lý thuy ết v ề quá trình lo ại b ỏ các t ạp ch ất có trong biogas Hấp th ụ là quá trình hút khí b ằng ch ất l ỏng, khí được hút là ch ất Ph ươ ng trình (2.9) g ọi là ph ươ ng trình đường n ồng độ làm vi ệc c ủa bị h ấp th ụ, ch ất l ỏng dùng để hút khí là dung môi (còn g ọi là ch ất h ấp quá trình h ấp th ụ. th ụ), khí không b ị h ấp th ụ g ọi là khí tr ơ. Quá trình h ấp th ụ đóng m ột 2.3. Nghiên c ứu th ực nghi ệm vai trò quan tr ọng trong công ngh ệ hoá h ọc, s ản xu ất và ch ế bi ến d ầu 2.3.1. Tính toán thi ết k ế mô hình h ệ th ống l ọc biogas khí; nó được ứng d ụng để thu h ồi các c ấu t ử quí, làm s ạch khí, tách 2.3.1.1. Mô hình h ệ th ống l ọc biogas và các thông s ố ban đầu hỗn h ợp thành nh ững c ấu t ử riêng bi ệt... 2.3.1.1. Mô hình h ệ th ống l ọc biogas và các thông s ố ban đầu 2.2. C ơ s ở c ủa quá trình h ấp th ụ biogas Để h ấp th ụ khí CO 2 và H 2S trong biogas, ta s ử d ụng tháp đệm Quá trình lo ại b ỏ các t ạp ch ất có trong biogas được d ựa trên c ơ với dung môi là nước. Tháp đệm có s ơ đồ c ấu t ạo nh ư hình v ẽ 2.2. ch ế c ủa quá trình h ấp th ụ v ật lý v ới dung môi s ử d ụng là n ước, các Để đảm b ảo th ực hi ện quá trình h ấp th ụ, c ột l ọc c ần được chia ch ất khí c ần h ấp th ụ là CO và H S. 2 2 làm 3 ph ần chính: Cơ s ở tính toán quá trình h ấp th ụ là định lu ật Henry v ề thành Ph ần đầu tháp (có chi ều cao h 1): Là ph ần không gian l ắp đặt h ệ ph ần cân b ằng c ủa các pha trong h ệ khí - dung d ịch ch ất l ỏng hòa tan th ống phân ph ối n ước và ống d ẫn khí biogas s ạch. khí: Ph ần thân tháp (có chi ều cao h 2): dùng để ch ứa đệm vi sinh d ạng Khi tính toán h ấp th ụ ta th ường bi ết l ượng h ỗn khí, n ồng độ ban đầu cầu. và n ồng độ cu ối c ủa khí b ị h ấp th ụ trong h ỗn h ợp khí biogas và trong Ph ần đáy tháp (có chi ều cao h 3): để l ắp đường ống d ẫn và phân dung môi và được tính theo [11]. ph ối khí vào tháp c ũng nh ư đường ống d ẫn n ước sau h ấp th ụ ra ngoài. Trong đó: Gy [kmol/h] - L ượng h ỗn h ợp khí đi vào thi ết b ị h ấp th ụ; Yđ - N ồng độ đầu c ủa h ỗn h ợp khí, kmol/kmol khí tr ơ. Yc - N ồng độ cu ối c ủa h ỗn h ợp khí, kmol/kmol khí tr ơ. Gx - L ượng dung môi đi vào thi ết b ị, kmol/h. Xđ - N ồng độ đầu c ủa dung môi, kmol/kmol dung môi. Xc - N ồng độ cu ối c ủa dung môi, kmol/kmol dung môi. Gtr - L ượng khí tr ơ đi vào thi ết b ị, [kmol/h]. Hình 2.1. S ơ đồ c ấu t ạo h ệ th ống l ọc biogas Ph ươ ng trình cân b ằng v ật li ệu đối v ới kho ảng th ể tích thi ết b ị 8 9 2.3.1.2. Tính toán thi ết k ế kích th ước c ột l ọc Bảng 2.3. Thành ph ần các khí sau h ấp th ụ Để tính toán thi ết k ế các kích th ước c ủa c ột l ọc tr ước h ết ta ch ọn Thành Ph ần mol, Kh ối l ượng Mi.y i một s ố các thông s ố ban đầu cho phù h ợp v ới yêu c ầu th ực t ế ngu ồn ph ần yi phân t ử, M i khí và yêu c ầu s ử d ụng: CO 2 0,0201 44 0,8800 3 - L ưu l ượng khí biogas vào tháp: G y = 1,5 [m /h]; N2 0,0042 28 0,1181 - Áp su ất khí vào thiết b ị: P = 1,0 [Mpa] = 7500,62 [mmHg]; CH 4 0,9659 16 15,4550 H S 0,0000 34 0,0000 - Hàm l ượng khí CO 2 sau khi h ấp th ụ: 2%; 2 - Ch ọn nhi ệt độ c ủa n ước h ấp th ụ là 30 [ oC]; H2O 0,0098 18 0,1772 Đệm vi sinh d ạng c ầu v ới thông s ố k ỹ thu ật nh ư sau [26]. Tổng 1,0000 16,6303 - D = 105mm, H = 60mm. Áp d ụng định lu ật Henry và ph ươ ng trình cân b ằng v ật li ệu, 2 3 xây d ựng đường n ồng độ cân b ằng và đường n ồng độ làm vi ệc c ủa - σd = 160 [m /m ] - di ện tích b ề m ặt riêng c ủa đệm. 3 3 quá trình h ấp th ụ t ươ ng ứng nh ư ph ươ ng trình (2.12), (2.13) - V d = 0,9 [m /m ], th ể tích t ự do c ủa đệm . 3 - ρd = 145 [kg/m ] - kh ối l ượng riêng c ủa đệm vi sinh. Thành ph ần biogas vào tháp được xây d ựng trên s ố li ệu th ực nghi ệm t ại tr ại Nh ơn S ơn xã Hòa S ơn, Huy ện Hòa Vang TP Đà N ẵng như trong b ảng 2.2. Áp d ụng các công th ức tính toán các thông s ố thi ết b ị h ấp th ụ Bảng 2.2. Thành ph ần các khí trong Biogas theo [10, 11], ta thu được k ết qu ả v ề thông s ố c ần thi ết để ch ế t ạo Thành ph ần Ph ần tr ăm Ph ần mol Ph ần mol sau thi ết b ị nh ư sau: th ể tích ban đầu ban đầu, hấp th ụ, - Đường kính tháp h ấp th ụ: D = 150 [mm] (%) yi yi - Chi ều cap lớp v ật li ệu đệm: h 2 = 3500 [mm] CO 2 30 0,3000 0,0201 - Chi ều cao ph ần đầu tháp: h 1 = 200 [mm] N2 0,3 0,0030 0,0042 - Chi ều cao ph ần đáy tháp: h 3 = 300 [mm] CH 68,7 0,6870 0,9659 4 1. Điểm l ấy m ẫu khí đầu vào; H2S 0,3 0,0030 0,0000 2. B ơm hút khí AC0-318; H2O 0,7 0,0070 0,0098 3. H ệ th ống phân ph ối khí; Tổng 1,0000 1,0000 4. C ột l ọc; 5. V ật li ệu đệm 6. H ệ th ống phân ph ối n ước; 7. Điểm đo khí sau l ọc; Yêu c ầu hàm l ượng CO2 sau h ấp th ụ 2%, thành ph ần biogas sau l ọc có s ự thay đổi l ớn, được th ể hi ện trong b ảng 2.3. 8. Túi ch ứa khí; 9. B ơm n ước; 10. B ể ch ứa n ước Hình 2.2. Mô hình th ực nghi ệm h ệ th ống l ọc 10 11 Mô hình th ực nghi ệm t ại tr ại ch ăn nuôi Nh ơn S ơn được th ể 2.3.3. K ết qu ả th ực nghi ệm hi ện trong hình 2.5. Biogas t ừ h ầm ủ đi vào túi ch ứa khí d ưới áp l ực Bảng 2.1. Thành ph ần khí khi sau l ọc v ới l ưu l ượng khí vào V = 1 [m 3/h] tự nhiên c ủa khí trong h ầm ủ. Túi ch ứa khí có tác d ụng l ưu tr ữ và ổn Thành ph ần CH CO H S định áp l ực c ủa khí sinh ra. Sau đó biogas đi vào cột l ọc t ừ dưới lên khí 4 2 2 3 (%) (%) (%) trên nh ờ b ơm hút để ti ếp xúc v ới v ật li ệu l ọc d ưới t ốc độ 1,5 [m /h], Lần đo đi vào van ti ết l ưu duy trì t ốc độ dòng khí là 1,5 [m 3/h], tr ước khi đi vào c ột l ọc. Trong su ốt th ời gian h ấp th ụ, th ường xuyên đo nồng độ Lần 1 92.3 5 0.0040 các khí tr ước và sau khi x ử lý b ằng máy đo phân tích khí th ải lần 2 92 5.4 0.0040 GFM435. Lần 3 92.7 4.8 0.0030 Lần 4 92.5 5.2 0.0030 Lần 5 92.5 5.1 0.0040 Lần 6 93 5.1 0.0020 Lần 7 93.2 4.7 0.0020 Lần 8 93.5 5 0.0010 Lần 9 92.6 6 0.0030 Lần 10 92.8 6 0.0020 Hình 2.3. ảnh c ột l ọc th ực nghi ệm Hình 2.4. Đồ th ị bi ểu di ễn s ự thay đổi thành ph ần khí biogas sau l ọc ứng v ới V = 1 [m 3/h] 12 13 Bảng 2.3. Thành ph ần khí khi sau l ọc v ới l ưu l ượng khí vào V = 2 [m 3/h] Bảng 2.2. Thành ph ần khí khi sau l ọc với l ưu l ượng khí vào V = 1,5 [m 3/h] Thành ph ần CH4 CO2 H2S Thành ph ần khí CH CO H S (%) (%) (%) khí 4 2 2 Lần đo (%) (%) (%) Lần đo Lần 1 92 7 0,0040 Lần 1 96,7 2 0,0010 lần 2 91,5 6,8 0,0050 lần 2 97,1 1,6 0,0010 Lần 3 91,6 7 0,0070 Lần 3 97,0 1,7 0,0000 Lần 4 91 7 0,0070 Lần 4 96,5 2 0,0010 Lần 5 90,6 8 0,0050 Lần 5 96,8 2,2 0,0010 Lần 6 91,7 6,7 0,0060 Lần 6 96,3 2,3 0,0010 Lần 7 91 6,7 0,0070 Lần 7 97,0 1,7 0,0000 Lần 8 90 8,5 0,0060 Lần 8 96,7 2,1 0,0000 Lần 9 90,5 8,7 0,0050 Lần 9 97,0 1,6 0,0010 Lần 10 90,7 8 0,0060 Lần 10 97,2 1,5 0,0000 Hình 2.6. Đồ th ị bi ểu di ễn s ự thay đổi thành ph ần khí biogas sau l ọc ứng v ới Hình 2.5. Đồ th ị bi ểu di ễn s ự thay đổi thành ph ần khí biogas V = 2 [m 3/h] sau l ọc ứng v ới V = 1,5 [m 3/h] 14 15 Bảng 2.4. Thành ph ần khí khi sau l ọc v ới l ưu l ượng khí vào V = 2,5 [m 3/h] Bảng 2.5. Thành ph ần khí khi sau l ọc v ới l ưu l ượng khí vào V = 3 [m 3/h] Thành ph ần Thành ph ần CH CO H S CH CO H S khí 4 2 2 khí 4 2 2 (%) (%) (%) (%) (%) (%) Lần đo Lần đo Lần 1 84,7 14,0 0,0070 Lần 1 78,8 20 0,009 lần 2 84,2 14,5 0,0060 lần 2 78,4 19,5 0,009 Lần 3 83,7 15,0 0,0070 Lần 3 78 20 0,010 Lần 4 84,0 14,7 0,0060 Lần 4 77,8 21 0,015 Lần 5 83,4 15,3 0,0060 Lần 5 79,1 19,7 0,009 Lần 6 84,0 15,0 0,0050 Lần 6 78 20 0,008 Lần 7 83,9 14,8 0,0060 Lần 7 78,5 19,5 0,017 Lần 8 84,0 14,5 0,0080 Lần 8 78,3 20,5 0,009 Lần 9 83,3 15,4 0,0080 Lần 9 77,8 21,2 0,020 Lần 10 83,4 15,5 0,0060 Lần 10 76,5 21,6 0,020 Hình 2.8. Đồ th ị bi ểu di ễn s ự thay đổi thành ph ần khí biogas sau l ọc ứng v ới Hình 2.7. Đồ th ị bi ểu di ễn s ự thay đổi thành ph ần khí biogas sau l ọc ứng v ới V = 3 [m 3/h] V = 2,5 [m 3/h] 16 17 Qua các giá tr ị th ực nghi ệm ứng v ới các l ưu l ượng khí đầu vào 2.4. Nh ận xét k ết qu ả và k ết lu ận khác nhau chúng ta nh ận th ấy s ự thay đổi các thành ph ần khí sau l ọc. 2.4.1. Nh ận xét k ết qu ả Ứng v ới l ưu l ượng t ừ 1-1,5 m 3/h thì hi ệu qu ả l ọc cao (thành ph ần Với cùng đặc tính ngu ồn biogas đầu vào, so sánh k ết qu ả kh ả 3 CH 4) trên 91%). Khi l ưu l ượng khí t ăng d ần t ừ (2-3) [m /h] thì hi ệu năng h ấp ph ụ H 2S, CO 2 trong biogas đối mô hình th ực nghi ệm có th ể qu ả l ọc gi ảm. Điều này cho th ấy t ốc độ dòng khí t ăng th ời gian l ưu rút ra m ột s ố nh ận xét: th ấp và m ật độ khí t ăng theo nên hi ệu qu ả th ấp. Giá tr ị trung bình c ủa Kh ả n ăng h ấp th ụ CO 2, H 2S ph ụ thu ộc vào t ốc dòng khí ( hay các thành ph ần được t ổng h ợp nh ư b ảng 2.6 và đồ th ị 2.9. th ời gian ti ếp xúc c ủa khí biogas v ới n ước). Bảng 2.6. Thành ph ần khí khi sau l ọc theo l ưu l ượng khí vào Ứng v ới l ưu l ượng khí đầu vào [1,5 m 3/h] cho k ết qu ả 96,7% CH , 1,87%CO , thành ph ần khác chi ếm 1,43%, thành ph ần H S Thành ph ần 4 2 2 được h ấp th ụ g ần nh ư hoàn toàn. khí CH 4 CO 2 H2S 3 (%) (%) (%) Khi t ăng d ần l ưu l ượng khí t ừ (2-3) [m /h] thì l ượng CO 2 sau 3 Vk [m /h] lọc đượng t ăng lên t ừ (7,44% -20,3%) đồng th ời các thành ph ần khác cũng t ăng lên. H S chi ếm 100 [ppm]. Điều này ch ứng t ỏ khi l ưu 1,00 92,71 5,23 0,00 2 lượng t ăng lên thì hi ệu su ất lọc theo mô hình s ẽ gi ảm. Điều này cho 1,50 96,83 1,87 0,00 th ấy th ời gian ti ếp xúc c ủa khí biogas trong tháp nh ỏ nên hi ệu qu ả l ọc 2,00 91,06 7,44 0,01 th ấp. 2,50 83,86 14,87 0,01 Nước sau khi h ấp th ụ s ẽ bão hòa do đó để tái tu ần hoàn n ước ta 3,00 78,12 20,30 0,01 cần th ực hi ện gi ải h ấp th ụ b ằng cách t ăng nhi ệt độ và gi ảm áp su ất, để s ử d ụng ngu ồn n ước có hi ệu qu ả c ần s ử d ụng ở nh ững n ơi có ngu ồn n ước s ẵn ho ặc có tr ạm x ử lý n ước th ải. Ưu điểm c ủa ph ươ ng pháp là không s ử d ụng hóa ch ất mà có th ể lo ại b ỏ đồng th ời CO 2 và H 2S. Nh ược điểm là ph ải s ử d ụng m ột lượng n ước l ớn để đảm b ảo hi ệu qu ả l ọc. 2.4.2. K ết lu ận Mô hình th ực nghi ệm (các thông s ố ch ế t ạo c ột l ọc, thi ết b ị, v ật li ệu đệm...) phù h ợp v ới c ơ s ở lý thuy ết v ề h ấp th ụ biogas, đồng th ời đảm b ảo ch ất l ượng khí biogas sau l ọc theo các tiêu chu ẩn nhiên li ệu khí cho động c ơ ô tô. 3 Lưu l ượng khí c ủa b ơm hút 1,5 [m /h] cho k ết qu ả 96,7% CH 4, 1,87%CO 2, thành ph ần khác chi ếm 1,43%, thành ph ần H 2S được h ấp Hình 2.9. Đồ th ị biểu di ễn s ự thay đổi thành ph ần khí biogas sau l ọc theo l ưu l ượng khí biogas vào 18 19 th ụ g ần nh ư hoàn toàn. Đây là thông s ố cho hi ệu qu ả l ọc cao nh ất c ủa ngh ệ này ch ưa được kh ẳng định trong th ực ti ễn. Nhi ều nhà nghiên mô hình th ực nghi ệm. cứu cho r ằng k ỹ thu ật này đòi h ỏi quá trình làm l ạnh. Do các yêu c ầu Hệ th ống l ọc thi ết k ế đảm b ảo yêu c ầu c ủa nhiên liệu khí s ử làm s ạch H 2S, CO 2, h ơi n ước và làm l ạnh nên gi ải pháp này r ất t ốn dụng cho động c ơ ô tô mà còn đảm b ảo tính thân thi ện v ới môi kém, ch ỉ phù h ợp v ới nh ững ứng d ụng đặc bi ệt. tr ường và hi ệu qu ả kinh t ế. 3.1.2. Lý thuy ết quá trình nén l ưu tr ữ biogas s ạch γγγ Ch ươ ng 3 Gi ả s ử quá trình nén là đoạn nhi ệt, pv = const , g ọi V 2 là th ể NGHIÊN C ỨU CÔNG NGH Ệ L ƯU TR Ữ BIOGAS S ẠCH LÀM tích bình ch ứa khí nén ở áp su ất sau khi nén p 2 và V 1 là th ể tích khí ở NHIÊN LI ỆU CHO CÁC PH ƯƠ NG TI ỆN V ẬN T ẢI C Ơ GI ỚI áp su ất ban đầu p 1, ta có: 3.1. Tính toán lý thuy ết quá trình nén l ưu tr ữ biogas /1 γγγ  p  =  2  (3.1) 3.1.1. Các gi ải pháp l ưu tr ữ biogas V1 V2    p  Trong s ản xu ất và sinh ho ạt ở nông thôn, ngoài n ăng l ượng 1 = − η điện ng ười dân c ần nhi ều ngu ồn động l ực khác, đặc bi ệt là động l ực Công c ủa quá trình nén W ∫ pdV , n ếu g ọi c là hi ệu su ất cho các máy móc v ận chuy ển c ơ gi ới. Vì v ậy vi ệc l ưu tr ữ biogas để của máy nén thì công c ần thi ết để nén biogas vào bình ch ứa ở áp su ất làm nhiên li ệu cung c ấp cho các ph ươ ng ti ện v ận chuy ển c ơ gi ới ở p2 là: nông thôn có nhu c ầu r ất l ớn. Biogas không ph ải lúc nào c ũng có s ẵn  1−γγγ    γγγ với kh ối l ượng c ần thi ết theo yêu c ầu c ủa ng ười s ử d ụng. Vì v ậy, c ần p2V 2 p2  1 (3.2) W =   −1 lưu tr ữ biogas để đảm b ảo ngu ồn cung c ấp ổn định. M ặc khác, b ộ 1− γγγ  p   ηηη  1  c ph ận l ưu tr ữ biogas cũng cho phép ổn định áp su ất cung c ấp cho thi ết bị s ử d ụng. Số mole biogas ch ứa trong bình ở áp su ất p 2, th ể tích V 2 và Ch ứa trong bình áp su ất cao: Biogas áp su ất cao được s ử d ụng nhiệt độ T 2 là: p V trong tr ường h ợp c ần m ật độ n ăng l ượng c ủa nhiên li ệu cao hay n = 2 2 (3.3) tr ường h ợp ph ải gi ới h ạn th ể tích các thi ết b ị l ưu tr ữ c ủa h ệ th ống. Hệ RT 2 th ống áp su ất cao được duy trì trong kho ảng 135-345 [bars]. Khi nén Gi ả s ử biogas ch ứa X CH4 % CH 4 còn l ại là CO 2, s ố mole CH 4 biogas lên đến áp su ất 135 [bars], n ăng l ượng c ần thi ết lên đến g ần ch ứa trong bình là: 14 [kWh] cho m ỗi 28 [m 3] biogas hay kho ảng 8% n ăng l ượng ch ứa p V X = 2 2 CH 4 (3.4) nCH 4 trong biogas [3]. RT 2 100 Ch ứa ki ểu h ấp th ụ: H ấp th ụ methane trong propane l ỏng Nhi ệt tr ị th ấp c ủa methane là Q LHV = 50.1 [MJ/kg]. Do đó n ăng được xem là cách để ch ứa biogas s ạch và khô. Methane hòa tan trong lượng c ủa nhiên li ệu ch ứa trong bình biogas nén là: propane làm t ăng l ượng l ưu tr ữ biogas lên đến t ừ 4 đến 6 l ần l ượng p V X Q = 2 2 CH 4 M Q (kJ) (3.5) biogas ch ứa bình th ường ở cùng áp su ất [3]. Ch ỉ có kho ảng 4% CH 4 LHV RT 2 100 propane thoát theo biogas trong quá trình s ử d ụng. Tuy nhiên công 20 21 tr ữ c ủa CNT được đánh giá d ựa trên l ượng methane thoát ra trong điều ki ện gi ải h ấp. 3.2. Nghiên c ứu th ực nghi ệm công ngh ệ nén l ưu tr ữ biogas 3.2.1. S ơ đồ h ệ th ống nén khí Hình 3.1. Bi ến thiên n ăng l ượng tích l ũy trong biogas theo áp su ất nén Khi thành ph ần methane trong biogas gi ảm thì hi ệu qu ả c ủa vi ệc s ử d ụng biogas nén c ũng gi ảm theo. Khi áp su ất nén t ăng thì Hình 3.2. S ơ đồ h ệ th ống nén khí biogas s ạch hi ệu qu ả Q/W ứng v ới m ỗi X CH4 ti ến t ới m ột giá tr ị gi ới h ạn. 1. Túi ch ứa khí Biogas s ạch 9. Đồng h ồ đo áp Để t ăng kh ả n ăng l ưu tr ữ biogas trong bình ch ứa, ta có th ể s ử 2. Đường ống d ẫn khí 10. Đầu n ối dụng nano carbon (CNT) nh ư sau: đầu tiên bình l ưu tr ữ sau khi hút 3. Van m ở khí đến máy nén 11. Van đầu bình 4. Máy nén khí 12. Bình tích khí nén chân không s ẽ được cân xác định kh ối l ượng c ủa bình đo (m 1), sau đó nó s ẽ được l ấp đầy b ởi CNT đã được t ạo hình và s ấy ở 100°C trong 5. Bình tách khí/n ước 13. Giá đỡ c ố định bình ch ứa 6. Đường ống nén khí cao áp khí nén vòng 3 gi ờ, bình đo được đậy n ắp và đem đi hút chân không kho ảng 7. Van bi 14. Bình ch ứa khí 10 – 15 phút, đem cân l ại chúng ta s ẽ có được t ổng kh ối l ượng c ủa 8. Van ba ngã 15. Van x ả h ơi n ước bình đo và CNT (m ). Bình đo sau đó được l ắp vào h ệ th ống để n ạp 2 3.2.2. B ố trí thi ết b ị nén th ử nghi ệm biogas khí methane ở áp su ất là 35 bar cho đến khi kh ối l ượng không đổi 3.2.2.1. Máy nén ki ểu XF-3 (kho ảng 30 phút). Cân l ại ta s ẽ thu được kh ối l ượng c ủa bình đo, Máy nén CNG ki ểu XF-3 (0,025-250) là m ột thi ết b ị t ạo áp l ực CNT và l ượng methane b ị h ấp ph ụ (m ). Sau khi xác định kh ối l ượng 3 khí t ự nhiên được s ử d ụng để nén khí cung c ấp nhiên li ệu s ạch cho xong, methane được gi ải h ấp t ừ bình đo, quá trình gi ải h ấp này di ễn động c ơ – ôtô, t ức là áp l ực sử d ụng với áp su ất khí t ự nhiên từ 200- ra trong kho ảng 1 phút. Kh ối l ượng t ổng c ủa bình đo sau khi gi ải h ấp 250 bar v ới th ời gian nén đầy khí từ 3-6 gi ờ m ỗi l ần n ạp (ph ụ thu ộc (m ) có th ể được s ử d ụng để xác định l ượng methane được l ưu tr ữ 4 vào th ể tích bình ch ứa). Máy nén có kích th ước nh ỏ, tr ọng l ượng nh ẹ, trong bình ch ứa v ới v ật li ệu CNT (m – m ). Quá trình đo được th ực 3 4 hi ệu su ất cao, an toàn, độ tin c ậy cao, b ền và kinh t ế khi s ử d ụng. hi ện 3 l ần trên m ỗi m ẫu để gi ảm sai s ố c ủa quá trình. Kh ả n ăng l ưu 22 23 được tích l ũy trong các van khí. N ếu d ầu quá th ấp, các ch ất bôi tr ơn ít ho ặc không đủ s ẽ làm cho máy nén b ị h ư h ại. Theo các yêu c ầu trong s ơ đồ h ệ th ống điện, ngu ồn điện cung c ấp ph ải đảm b ảo đúng ngu ồn yêu c ầu (220-240V/50Hz). Ki ểm tra độ c ăng c ủa dây đai và k ết n ối c ủa t ất c ả các ph ần. Xoay các cánh qu ạt b ằng tay để ki ểm tra xem nó có bình th ường hay không. Kh ởi động máy nén để ki ểm tra h ướng xoay. N ếu các lu ồng khí làm mát t ừ qu ạt th ổi v ề h ướng bình tách khí/d ầu, đó là h ướng quay đúng. 3.4. Quy trình v ận hành tr ạm khí nén 3.4.1. Quy trình kh ởi động nén 1. Tr ước khi b ắt đầu, hãy ki ểm tra m ức d ầu trong cacte, m ức dầu n ằm trong kho ảng gi ới h ạn trên và d ưới. Hình 3.3. Các b ộ ph ận trong máy nén cao áp 4 c ấp XF-3 2. Dây điện ph ải được k ết n ối đúng v ới ngu ồn mà máy yêu c ầu. 3.2.2.2. Bình ch ứa khí nén cao áp 3. Tr ước khi nén, van x ả n ước ph ải được m ở để quá trình nén được b ắt đầu nén t ừ m ức t ải nh ẹ cho đến t ải cao ( đóng d ần van x ả sau m ột th ời gian ch ạy không t ải). 4. Kết n ối các ống khí vào máy nén và h ệ th ống đường ống nén đảm b ảo kín. 5. Các van đầu bình ph ải ở ch ế độ m ở để khí đi vào bình. 6. Nh ấn nút màu xanh lá cây t ừ 2-3 giây để b ắt đầu nén. Hình 3.4. Hình ảnh van và đường ống n ạp 3.4.2. Quy trình ng ừng nén 3.3. Công tác chu ẩn b ị tr ước khi v ận hành 1. Khi máy nén đạt áp su ất t ới h ạn (giá tr ị cài s ẵn cho r ơ le áp Máy nén ph ải được đặt t ại v ị trí thông thoáng và s ạch s ẽ, g ần su ất) sẽ t ự động d ừng. N ếu mu ốn ng ừng theo ý mu ốn thì bấm ngu ồn điện cung c ấp là t ốt nh ất. Độ chênh l ệch gi ữa v ị trí đặt máy nút đỏ để c ắt đứt ngu ồn cung c ấp điện. nén v ới m ặt đất là không quá 5°. Ph ải có không gian đủ r ộng xung 2. Mở van thoát n ước để làm s ạch khí áp su ất cao trong h ệ quanh máy nén để thu ận ti ện quá trình b ức x ạ nhi ệt và ho ạt động c ủa th ống để gi ữ cho các giá tr ị trên đồng hồ đo áp l ực trong t ừng máy. cấp ph ải ở mức “không”. Đổ d ầu bôi tr ơn đúng lo ại yêu c ầu (SLG150/GCS150/BP125) 3. Tháo các ống khí m ềm. vào cacte và ki ểm tra m ức d ầu có n ằm trong gi ới h ạn trên và d ưới 4. Khi d ừng máy nén b ằng tay: b ấm nút đỏ để c ắt đứt ngu ồn không. Lưu ý: nó s ẽ là b ất l ợi n ếu m ức d ầu quá cao ho ặc quá th ấp. cung c ấp điện. M ở van thoát n ước để làm s ạch khí áp su ất Nếu m ức d ầu quá cao, tiêu th ụ d ầu s ẽ l ớn h ơn và carbon sinh ra s ẽ 24 25 cao trong h ệ th ống để gi ữ cho các giá tr ị trên đồng h ồ đo áp Ph ươ ng án này có ưu điểm là thi ết b ị x ử lý khí biogas đơ n gi ản, chi lực trong t ừng c ấp ph ải ở m ức “không”. phí đầu t ư th ấp và thân thi ện v ới môi tr ường. 3.5. Mô hình h ệ th ống nén khí biogas 3.6. nh ận xét k ết quả mô hình nén l ưu tr ữ biogas Tùy theo m ục đích s ử d ụng khí biogas chúng ta có th ể thi ết k ế mô Quá trình nén biogas th ử nghi ệm được ti ến hành theo 2 hình theo các ph ươ ng án sau: tr ường h ợp: Ph ươ ng án 1: Biogas sau khi qua l ọc H 2S r ồi nén tr ực ti ếp biogas và hóa l ỏng CO 2. Ph ươ ng pháp này cho ưu điểm s ử d ụng CO 2 cho các nhà máy Khí biogas Hấp ph ụ b ằng Nén hóa l ỏng Nén biogas đến 200 bar nh ưng ch ất l ượng khí không cao, đồng th ời b ởi quá nén hóa l ỏng CO 2 phoi s ắt (tách H 2S) tách CO 2 đòi h ỏi nhi ều h ệ th ống kèm theo. Khí biogas sau khi qua thi ết b ị h ấp ph ụ b ằng phoi s ắt để kh ử Chúng ta th ấy khi s ử d ụng ph ươ ng án 2 cho th ấy ch ất l ượng H S, đem đi nén hoá lỏng CO để tách CO ra kh ỏi thành ph ần khí 2 2 2 khí r ất cao b ởi quá trình l ọc các t ạp ch ất r ất t ốt, quá trình nén cho kh ả biogas và nén khí biogas đến 200 [bar]. năng l ưu tr ữ r ất cao ở áp su ất nén 200 [bar]. Ph ươ ng án 2: Biogas từ h ầm ủ KẾT LU ẬN VÀ H ƯỚNG PHÁT TRI ỂN C ỦA ĐỀ TÀI Xác định n ồng độ khí H 2S, CO 2 Vi ệc s ử d ụng nhiên li ệu hóa th ạch đã gây ô nhi ễm n ặng n ề b ầu khí quy ển. CO s ản ph ẩm cháy c ủa nhiên li ệu hóa th ạch là ch ất khí Tháp l ọc 2 gây hi ệu ứng nhà kính, d ẫn đến tình tr ạng bi ến đổi khí h ậu và m ực nước bi ển dâng, đe d ọa cu ộc s ống c ủa nhân lo ại. Thi ết b ị Hơn n ữa, ngu ồn nhiên li ệu hóa th ạch trong lòng đất có gi ới đo Xác định n ồng hạn, s ự khai thác c ường độ cao trong th ời gian dài đã làm ngu ồn n ăng độ khí H S, 2 CO 2 lượng này c ạn ki ệt nhanh chóng. Trong th ời gian g ần đây v ấn đề khai thác ngu ồn n ăng l ượng này tr ở nên t ốn kém đã làm cho giá nhiên li ệu Bơm tăng cao. Một khía c ạnh khác c ần được xem xét là khi nhiên li ệu hóa Túi ch ứa khí th ạch c ạn ki ệt thì loài ng ười s ẽ s ử d ụng n ăng l ượng nào để thay th ế, ch ỉ có ngu ồn n ăng l ượng tái t ạo có ngu ồn g ốc t ừ n ăng l ượng m ặt tr ời là có th ể đảm b ảo duy trì n ền v ăn minh c ủa nhân lo ại cho đến khi h ệ Máy nén khí mặt tr ời bi ến m ất! Một trong nh ững ngu ồn n ăng l ượng tái t ạo có tr ữ l ượng l ớn và Bình ch ứa khí được s ản sinh trong cu ộc s ống c ủa con ng ười đó là khí sinh h ọc 26 27 biogas, để s ử d ụng ngu ồn n ăng l ượng này m ột cách có hi ệu qu ả thì trong quá trình s ử d ụng. M ặt khác, ph ươ ng pháp này không s ử d ụng ph ải có công ngh ệ l ọc và l ưu tr ữ biogas. các hóa ch ất, hoàn nguyên n ước s ử d ụng l ại đơ n gi ản và ít t ốn kém. Kết lu ận 4. Vi ệc l ưu tr ữ biogas trong các bình ch ứa khí thiên nhiên r ất Đề tài “ NGHIÊN C ỨU CÔNG NGH Ệ X Ử LÝ VÀ L ƯU TR Ữ thu ận l ợi cho vi ệc s ử d ụng trên các ph ươ ng ti ện v ận chuy ển c ơ gi ới. BIOGAS S Ử D ỤNG CHO CÁC PH ƯƠ NG TI ỆN V ẬN T ẢI C Ơ GI ỚI” Áp su ất nén càng l ớn thì hi ệu qu ả s ử d ụng càng cao, tuy nhiên công bước đầu th ực hi ện đã có nh ững k ết qu ả có th ể rút ra nh ững k ết lu ận bỏ ra cho quá trình nén l ại l ớn nên ảnh h ưởng đến hi ệu qu ả s ử d ụng. sau: 5. Công ngh ệ nén l ưu tr ữ biogas vào bình có nano carbon cho 1. Vi ệt Nam là n ước vùng nhi ệt đới có c ường độ b ức x ạ m ặt th ấy hi ệu qu ả t ăng t ừ (3,5-4)