Quy trình làm sạch khí sinh học bằng thiết bị ly tâm tốc độ cao với dung dịch KOH

Văn bằng Sở hữu trí tuệ: “Quy trình làm sạch khí sinh học bằng thiết bị ly tâm tốc độ cao với dung dịch KOH” của nhóm tác giả Đỗ Văn Mạnh, Lê Xuân Thanh Thảo, Trương Thị Hoà, Nguyễn Viết Thoàn thuộc Viện KHCN Năng lượng và Môi trường.

Trong những năm gần đây, trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt thì khí sinh học (khí biogas) được xem là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn và đang được khuyến khích phát triển tại Việt Nam. Thông thường, thành phần khí biogas thu được bao gồm: 60 – 70% CH₄, 30 – 40% CO₂ và dưới 1% H₂S (thường nằm trong khoảng 100 – 2000 ppm). Các khí khác như N₂ có thể đến 10%, H₂ có thể đến 2%. Trong đó, H₂S là một khí rất độc, khi hàm lượng khí H₂S cao trên 50 ppm sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại tại những vị trí mà nó tiếp xúc. Quá trình đốt cháy khí biogas có chứa lưu huỳnh, có thể tạo thành SO_x, cũng là một khí rất độc cho con người. CO₂ là khí thứ hai chiếm tỉ lệ lớn nhất trong khí sinh học, tuy không gây ăn mòn như H₂S nhưng sự có mặt với hàm lượng lớn của CO₂ sẽ làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu biogas.

Tại Việt Nam, trong 10 năm trở lại đây, đã có nhiều các nghiên cứu và ứng dụng thực tế về thu khí biogas bằng quá trình phân hủy kị khí nước thải, phân gia súc, gia cầm, dùng để đun nấu, và chạy máy phát điện ở quy mô hộ gia đình và trang trại, tuy nhiên các đầu công suất phát điện đều ở mức thấp, thiết bị tách lọc khí chiếm diện tích lớn, công nghệ tách các thành phần hỗn tạp khí như SO₂, CO₂, H₂S chưa đạt hiệu quả cao, dẫn đến các thiết bị hay gặp sự cố và bị ăn mòn, nhanh hỏng, từ đó ảnh hưởng đến công suất phát điện. Do đó, việc tìm ra phương pháp làm sạch, loại bỏ các thành phần tạp chất có trong hỗn hợp khí, tạo ra nguồn khí biogas chất lượng để sử dụng là hết sức cần thiết.

Mục đích của giải pháp hữu ích là đề xuất được giải pháp làm sạch khí sinh học với hiệu quả cao hơn các giải pháp hiện nay tại Việt Nam, góp phần làm tăng tối đa khả năng tiếp xúc giữa dòng khí sinh học và dung dịch hấp thụ. Quy trình làm sạch khí sinh học đề xuất bao gồm bước cho dung dịch hấp thụ KOH tiếp xúc với dòng khí sinh học trong thiết bị ly tâm, khác biệt ở chỗ:

Nồng độ C_KOH của dung dịch hấp thụ KOH bằng 0,001 M;

Tỷ lệ giữa lượng khí sinh học cần làm sạch với lượng dung dịch hấp thụ cần cung cấp đi vào thiết bị Q_G/L bằng 30; và

Tốc độ quay R_s của thiết bị ly tâm bằng 900 vòng/phút.

Dưới tác dụng của động cơ quay khối quay với tốc độ cao, dung dịch hấp thụ KOH sẽ chuyển động ly tâm với tốc độ cao, giúp cho dung dịch hấp thụ KOH (pha lỏng) tiếp xúc với dòng khí sinh học đi vào (pha khí) hiệu quả hơn, hiệu suất hấp thụ cao. Đồng thời, với tốc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ KOH sẽ không bị kéo ra ngoài theo dòng khí, nhờ vậy dòng khí sau xử lý có độ ẩm thấp.

Dung dịch hấp thụ KOH có thể được tuần hoàn tái sử dụng ở giá trị pH thích hợp (>7) hoặc thải ra để sử dụng cho mục đích khác như thu hồi thành phần kali để bổ sung vào phân bón cho cây trồng. Việc hiệu chỉnh công nghệ theo hướng này vừa hạn chế lượng CO₂, H₂S đi vào khí quyển làm ô nhiễm thứ cấp không khí, vừa làm tăng thành phần khí mêtan (CH₄) trong hỗn hợp khí sinh học vừa tận dụng được thành phần dinh dưỡng K₂CO₃, sinh ra bởi phản ứng giữa CO2 và KOH, có lợi cho phân bón nông nghiệp, quay vòng lại cải tạo đất, góp phần nâng cao năng suất cây trồng.

Quy trình theo giải pháp hữu ích đã loại bỏ được các thành phần tạp chất có trong khí sinh học , tạo ra nguồn khí sinh học chất lượng để phục vụ nhu cầu sử dụng năng lượng không chỉ mang ý nghĩa kinh tế – môi trường – xã hội mà còn là một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực khoa học công nghệ nước nhà, tạo ra một sự phát triển bền vững, thân thiện môi trường trong bối cảnh ô nhiễm toàn cầu đang ở mức báo động và biến đổi khí hậu đã, đang và sẽ gây ra những hậu quả khôn lường cho người dân. Khí sinh học được làm sạch có thể được sử dụng cho nhiều mục đích như cho động cơ ô tô, xe máy, máy phát điện, v.v., và để phục vụ cho các ngành kinh tế kỹ thuật khác.

Hình. Tác giả Đỗ Văn Mạnh