Tình hình sản xuất và tiêu thụ
TP.HCM hiện có trên 4.000 hệ thống biogas lớn nhỏ (tập trung ở các quận, huyện ngoại thành). Các hệ thống này giúp giảm ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi, sản xuất và cung cấp nguồn năng lượng sinh học nhiều tiềm năng ứng dụng là khí biogas. Tuy nhiên, do trong thành phần biogas có khí H2S là một khí độc hại và gây ăn mòn cho các hệ thống đường ống và thiết bị, nên các ứng dụng hiện nay của biogas còn rất hạn chế. Để có thể ứng dụng làm nhiên liệu cho máy phát điện thì cần loại bỏ H2S khỏi biogas.
Có hai phương pháp chính để làm sạch khí H2S trong biogas là: phương pháp “ướt” - hấp phụ bằng dung dịch lỏng (dung dịch kiềm/amine) và phương pháp “khô” - hấp phụ bằng các vật liệu rắn (Fe2O3, ZnO, than hoạt tính,...). Mặc dù phương pháp ướt dùng dung dịch NaOH đang được sử dụng để làm sạch khí H2S, nhưng đang đối mặt với các vấn đề như gây ăn mòn thiết bị, tăng hàm lượng H2O trong dòng khí đầu ra, vận hành hệ thống phức tạp, nhất là cần phải có nhân công có trình độ mới có thể đảm bảo an toàn khi vận hành hệ thống.
Các vấn đề trên được giải quyết khi sử dụng phương pháp “khô” - sử dụng vật liệu rắn để làm sạch H2S. Tuy nhiên các vật liệu hấp phụ H2S thông thường chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế để làm sạch biogas dùng cho máy phát điện. Các oxit như Fe2O3, ZnO có dung lượng hấp phụ H2S thấp, hoặc chỉ dùng trong điều kiện nhiệt độ cao; than hoạt tính hấp phụ đồng thời CH4 làm giảm nhiệt trị của biogas. Vì vậy, việc chế tạo vật liệu rắn (cải tiến hiệu quả hấp phụ H2S) dùng trong công nghệ làm sạch biogas cho phép sản xuất trong nước với giá thành chấp nhận được sẽ giúp tạo nguồn nhiên liệu sạch, nhiên liệu tái tạo có thể sản xuất điện năng, phát triển ứng dụng cho các trang trại chăn nuôi, các cơ sở có quy mô vừa và nhỏ nhằm giảm chi phí năng lượng, đáp ứng các quy định của pháp luật ngày càng thắt chặt trong bảo vệ môi trường.
Quy trình và phương pháp thực hiện
Quy trình tổng hợp vật liệu hấp phụ khí H2S trên cơ sở ZnO
Dung dịch muối của các kim loại (bao gồm muối nitrate của Zn và muối nitrate hoặc muối sulfate của các chất xúc tiến tương ứng) được hòa tan trong nước cất với tỉ lệ phần mol là x (0/0,05/0,1/0,2/0,3/0,4) và y (0/0,05/0,1/0,2/MexZn1 – xO/MeIxMeIyZn1 – x – yO). Tiếp theo, điều chỉnh pH của dung dịch muối này tới giá trị trong khoảng 9-9,5 bằng dung dịch Na2CO3 0,2M, đồng thời khuấy đều để quá trình đồng kết tủa diễn ra ở nhiệt độ phòng. Sau khi quá trình chỉnh pH kết thúc, hỗn hợp sản phẩm được khuấy đều trong vòng 4 giờ ở nhiệt độ phòng. Kế tiếp, hỗn hợp được lọc, rửa bằng nước cất cho đến khi pH đạt giá trị bằng 7, và không phát hiện ra ion sulfate trong quá trình thử nước rửa bằng dung dịch Ba2+. Hỗn hợp rắn được sấy ở 1000C trong vòng 12 giờ (sấy qua đêm) ở điều kiện tĩnh. Lúc này, vật liệu ở dạng hỗn hợp carbonate hydroxide của kim loại Zn và kim loại được sử dụng làm chất xúc tiến đã được hình thành. Cuối cùng, hỗn hợp các loại carbonate hydroxide này được nung ở nhiệt độ 4000C trong vòng 5 giờ bằng cách sử dụng một lò nung tĩnh để thu được vật liệu hấp phụ dạng bột.
Khi khảo sát khả năng hấp phụ khí H2S, vật liệu hấp phụ trên cơ sở ZnO được chia thành 2 loại: vật liệu dạng bột nén viên (không có thêm các phụ gia) và vật liệu viên trụ được tạo thành bằng cách phối trộn với các phụ gia và tạo viên.
Vật liệu dạng bột nén viên được tạo thành từ các vật liệu dạng bột đã tổng hợp, sau đó nén các vật liệu này ở áp suất cao (khoảng 200 bar) trong vòng 10 phút, nghiền khối vật liệu này và sử dụng quá trình sàng để thu được các hạt có kích thước 1-2 mm.
Viên vật liệu (vật liệu viên trụ) được tạo bằng phương pháp ép đùn trên thiết bị ép đùn công suất nhỏ. Hỗn hợp tạo viên được tạo thành bằng cách phối trộn vật liệu dạng bột với các thành phần phụ gia kết dính, chất tạo lỗ xốp và nước với các tỉ lệ khác nhau. Các hỗn hợp bột được trộn trong dụng cụ trộn công suất nhỏ với tốc độ quay 200 vòng/phút trong thời gian 30 phút. Các viên sau khi ép đùn sẽ được sấy qua đêm ở 1000C và nung ở các nhiệt độ nung khác nhau. Kích thước viên vật liệu hình trụ thu được là D = 1,5-2,0 mm và L = 5,0-8,0 mm.
Quy trình tổng hợp vật liệu hấp phụ H2S trên cơ sở Fe2O3
Cho muối sắt nitrat vào 400ml nước cất hòa tan, khi muối sắt được hòa tan hết, cho lượng bentonite đã cân vào tiếp tục khuấy đều. Điều chỉnh pH dung dịch bằng NaOH 0,5M cho tới khi đạt pH bằng 7, tiếp tục khuấy trong 12 giờ liên tục, sau đó đem lọc và rửa bằng nước cất. Tủa thu được đem sấy trong tủ sấy ở 1000C trong 12 giờ, sau khi tủa khô hoàn toàn, đem nghiền mịn rồi phối trộn với chất tạo lỗ xốp theo tỉ lệ đã định sẵn, việc trộn được thực hiện bằng máy trộn trong 30 phút với tốc độ trộn 200 vòng/phút. Hỗn hợp sau đó được hòa với nước cất rồi tạo viên theo phương pháp đùn tương tự mẫu vật liệu cơ sở ZnO ở trên, rồi đem nung ở các nhiệt độ khác nhau trong lò nung tĩnh trong 4 giờ thì thu được vật liệu hấp phụ cơ sở Fe2O3. Tất cả các vật liệu hấp phụ trên cơ sở Fe2O3 được chế tạo ở dạng viên trụ có kích thước D = 1,5-2,0 mm và L = 5,0-8,0 mm.
Hệ thống xử lý biogas năng suất 1m3/giờ
Hệ thống được thiết kế chế tạo và lắp đặt tại trại chăn nuôi Gia Phát (thuộc hợp tác xã Tiên Phong, huyện Củ Chi, TP.HCM) nhằm đánh giá khả năng loại bỏ khí độc H2S trong biogas của vật liệu mới được phát triển từ quy trình nêu trên (viên vật liệu ZCM). Hệ thống được thiết kế gồm (1) bộ lọc thô để tách bụi, tạp chất rắn trong dòng khí và một phần ẩm, (2) cột xử lý 1 – chứa bọt sắt, (3) cột xử lý 2 – chứa vật liệu ZCM, (4) lưu lượng kế để theo dõi và điều chỉnh lưu lượng dòng khí. Nguồn biogas thực trong thử nghiệm này có hàm lượng H2S cao, khoảng 2.000–3.500 ppm, nên để duy trì hoạt động của lưu lượng kế, thiết bị này được lắp phía sau các cột xử lý.
Sơ đồ hệ thống:
Thuyết minh hệ thống xử lý:
Dòng khí biogas từ túi chứa khí được tách một dòng đi vào hệ thống xử lý. Sau khi đi qua bộ lọc thô các chất rắn, bụi và một phần ẩm sẽ bị tách khỏi dòng khí. Khí biogas sau đó đi vào cột xử lý 1 chứa bọt sắt nhằm loại bỏ một phần H2S thông qua quá trình phản ứng tạo các sản phẩm muối sulfua (H2S + Fe2O3 và FeS + FeS2 + H2O). Dòng khí được loại bỏ một phần H2S ở cột xử lý 1 sẽ đi vào cột xử lý 2 có chứa vật liệu ZCM dạng viên. Đây là cột xử lý chính trong hệ thống. H2S được xử lý ở cột xử lý 2 nhờ kết hợp quá trình hấp phụ và quá trình phản ứng tương hỗ của các oxit kim loại trong vật liệu ZCM. Sự có mặt của các oxit kim loại với hàm lượng nhỏ nhưng đã cải thiện đáng kể khả năng xử lý H2S của vật liệu ZCM so với vật liệu ZnO thông thường. Ra khỏi cột lọc 2 thì dòng khí đã được làm sạch H2S đến mức thấp hơn 50 ppm. Lưu lượng của dòng biogas trong hệ thống được điều chỉnh và theo dõi bằng van và lưu lượng kế lắp phía cuối của hệ thống xử lý. Trong quá trình thực hiện, các mẫu khí được lấy ở các vị trí: (1) sau bộ lọc thô, (2) sau cột xử lý 1, và (3) cuối hệ thống xử lý.
Ưu điểm của công nghệ, hiệu quả kinh tế
Các quy trình tổng hợp nhóm vật liệu hấp phụ H2S trên cơ sở ZnO (27 loại) và Fe2O3 (14 loại) đã phát triển được vật liệu tổ hợp oxit ZnO-CuO-MnO (viên ZCM) có khả năng xử lý H2S tốt hơn vật liệu thương mại (so với 3 vật liệu thương mại đang có tại thị trường Việt Nam), thể hiện thông qua dung lượng hấp phụ H2S của vật liệu này (42,6 mgS/g).
Về tính toán kinh tế, chi phí sản xuất vật liệu ZCM có giá khoảng 61,8 ngàn đồng/kg; chi phí xử lý H2S trong biogas thay đổi từ 1.161-4.474 đồng/m3 (tính toán dựa trên giá cả điện, dầu,… của năm 2017), tùy theo hàm lượng H2S trong dòng biogas ban đầu. Làm sạch biogas bằng vật liệu ZCM tạo nguồn nhiên liệu giá rẻ cho các ứng dụng lò đốt, ưu việt hơn hẳn các nguồn nhiên liệu đang có. Hệ thống xử lý biogas vận hành đơn giản, thiết bị tinh gọn, có thể xử lý tốt H2S trong biogas và ứng dụng trong chạy máy phát điện công suất nhỏ.
Về ứng dụng phát điện, tính toán cho thấy, dùng máy phát điện biogas thì chi phí nhiên liệu chỉ bằng 40% so với máy phát điện diesel truyền thống. Nếu so sánh với giá điện sản xuất hiện nay vào giờ cao điểm thì điện từ biogas chỉ bằng 80% điện lưới quốc gia. Như vậy, nếu sử dụng hệ thống lọc tạo biogas sạch thì có thể tiết kiệm được chi phí điện năng tiêu thụ trong giờ cao điểm. Đối với các trang trại, việc sử dụng hệ thống xử lý biogas để tạo nguồn biogas sạch sản xuất điện thay thế điện lưới vào giờ cao điểm có thể giúp trang trại chủ động về nguồn năng lượng điện, loại bỏ khí độc hại và tiết kiệm được chi phí điện.
Thông tin liên hệ chuyên gia, hỗ trợ
1. PGS.TS. Nguyễn Quang Long
ĐT: 0934145417. Email: nqlong@hcmut.edu.vn
2. Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM
Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TP.HCM. Điện thoại: 028 3864 7256.