Tốc độ gia nhiệt tỷ lệ với năng suất nhiệt phân, lượng Gas sinh ra nhanh chóng, đồng nghĩa các thành phần còn lại trong nhiên liệu cũng giảm đi nhanh. Điều này rất có ý nghĩa khi chúng ta bắt đầu vận hành hệ thống. Khi tốc độ gia nhiệt càng cao thì đồng thời gian khởi động hệ thống rút ngắn đi, các thành phần ẩm, hắc ín cũng sẽ giảm đi nhanh chóng, ngược lại nếu tốc độ gia nhiệt chậm thì hệ thống làm việc nặng nề, lượng Gas sinh ra chậm và rất dễ gập sự cố tắc nghẽn do hắc ín.
1.3.2.8. Thời gian lƣu trú của nhiên liệu
Thời gian lưu trú của nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước chiều dài buồng phản ứng và cơ cấu tháo liệu. Thời gian càng lâu đồng nghĩa với nhiên liệu có cơ hội phản ứng càng nhiều, như vậy lượng Gas sinh ra sẽ nhiều hơn, lượng nhiên liệu chưa được khai thác cũng giảm đi, góp phần làm tăng hiệu suất của hệ thống.
1.3.2.9. Hàm lƣợng Nitơ
Nguyên nhân làm nồng độ Gas loãng là do sự có mặt của khí N2 (làm giảm nhiệt trị của Gas). Hầu hết từ 50% - 60% Gas là thành phần khí không cháy đó là N2. Do đó có thể hạn chế hơn nếu ta sử dụng khí Oxi để cấp cho quá trình khí hóa.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 22 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Tuy nhiên do sự tốn kém và tính sẵn có của Oxi mà yếu tố đó bị giới hạn trong lĩnh vực này. Dù sao sản phẩm cuối cùng của khí Gas mà sử dụng không khí cấp cũng có hỗn hợp khí methanol, một loại khí có hàm lượng năng lượng cao, cũng đỡ hơn việc tiêu tốn sử dụng Oxi làm khí cấp.
Trung bình 1 kg sinh khối sản xuất ra khoảng 2.5 m3 sản phẩm Gas. Trong quá trình này thì cần khoảng 1.5 m3 không khí để đốt. Trong khi để đốt cháy hoàn toàn thì 1 kg nhiên liệu cần khoảng 4.5 m3 không khí. Do đó khí hóa sinh khối chỉ cần khoảng 30% lượng không khí của quá trình cháy hoàn toàn.
Hiệu suất trung bình chuyển đổi năng lượng của thiết bị khí hóa sinh khối vào khoảng 60 – 70%.
1.3.2.10. Nhựa - hắc ín
Hắc ín là một thành phần khó chịu nhất của sản phẩm Gas, nó có xu hướng đóng cục lại bên trong những nơi có tiết diện nhỏ khi nó đi qua, như bộ chế hòa khí của các động cơ, hay là những nơi đặt các lá van. Nó là nguyên nhân bị nghẽn và những sự cố trong vận hành. Nó là quá trình của sự phản ứng một chiều bên trong miền nhiệt phân.
Thông số vật lý của hắc ín phụ thuộc vào nhiệt độ và năng suất nhiệt, nó làm xuất hiện những dải hóa nâu và có nước (60% nước) khi đến màu đen nó có tính dính nhớt (7% nước). Có khoảng 200 thành phần hóa học được tìm thấy trong hắc ín, rất nhiều nghiên cứu đã được làm để loại bỏ chúng, như có thể đốt hắc ín bên trong thiết bị nhiệt khí hóa sao cho sản phẩm Gas đi ra ngoài, lượng hắc ín còn lại tương đối ít, nhưng thực tế lượng hắc ín vẫn ở giá trị rất lớn. Đối với những trường hợp cấp sản phẩm Gas cho động cơ đốt trong phải trang bị thêm một số thiết bị tách hắc ín bên ngoài, như phin lọc, thiết bị làm mát để đảm bảo độ sạch không gây hại của hắc ín đối với động cơ.
Một thiết bị khí hóa được gọi là tốt thì thành phần hắc ín ở đầu ra phải thấp 1g/m3. Thông thường sản phẩm hắc ín đối với hệ thống cấp khí từ trên xuống có
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 23 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
thành phần hắc ín thấp hơn những hệ thống khác. Tuy nhiên hiệu suất chưa phải là cao, nó chưa cho phép phá vỡ hoàn toàn thành phần hóa học của hắc ín.
Hắc ín có thể tồn tại ở dạng lỏng, rắn, hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí với mức độ khác nhau. Nhiệt sinh của hắc ín khá cao (tới 31400kJ/kg) , vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí tăng lên nhiều. Tuy nhiên vì điều kiện nào đó như độ ẩm nguyên liệu hoặc chiều cao lớp nguyên liệu tổ chức không hợp lý thì hắc ín tách ra ở dạng lỏng. Trong trường hợp này chất lượng của khí giảm xuống và quá trình khí hóa gặp khó khăn do hắc ín tách ra ở trong lò làm kết dính các lớp nhiên liệu, cản trở sự lưu thông khí và sự dịch chuyển nhiên liệu. Nếu hắc ín tách ra thì bám trên đường dẫn khí hoặc ở vị trí các van trên đường dẫn. Để khắc phục điều đó khi bố trí vận chuyển khí đi tới nơi sử dụng hoặc két chứa, người ta phải dùng thiết bị làm sạch khí để tách nó ra.
1.3.2.11. Tro, xỉ
Khoáng chất chứa trong nhiên liệu, những thành phần còn lại ở dạng đã bị oxi hóa sau khi cháy hoàn toàn thì được gọi là tro. Tro là thành phần của nhiên liệu nó tạo ra những tác động chính vào sự cố vận hành của thiết bị khí hóa.
Về cơ bản, tro ảnh hưởng đến quá trình khí hóa theo các lối sau:
- Tro tạo thành xỉ và chất xỉ này làm dừng hoặc làm tắt nghẽn dòng đi xuống của nhiên liệu sinh khối cấp.
- Trường hợp nó không làm tắt nghẽn thì nó cũng kết lại bên trong nhiên liệu, nó làm phản ứng cháy của nhiên liệu cũng bị giảm đi.
Khử đi tro và hắc ín là hai quá trình quan trọng trong hệ thống khí hóa, để hệ thống vận hành một cách thông suốt, trong thực tế những nhiên liệu với hàm lượng tro cao có thể được khí hóa dễ dàng nếu thiết bị được lắp thêm cơ cấu lấy tro.
Việc khử xỉ dù thế nào đi nữa thì cũng đều thông qua hai kiểu vận hành của thiết bị khí hóa:
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 24 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Vận hành ở nhiệt độ thấp, tại đó nhiệt được duy trì thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của tro.
- Vận hành ở nhiệt độ cao, tại đó nhiêt độ được duy trì trên nhiệt độ nóng chảy của tro.
Phương pháp đầu tiên thì thông thường sử dụng hơi hoặc nước để châm vào, nhầm duy trì nhiệt độ thấp, trong khi phương pháp sau yêu cầu bắt buộc xỉ phải được nóng chảy tại miền oxi hóa. Mỗi phương pháp thì đều có những ưu và nhược điểm của nó, và nó phụ thuộc vào tiêu chuẩn của nhiên liệu, kiểu thiết kế của thiết bị khí hóa.
Thường tro được tách ra trong quá trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của lò. Tại vùng này tro có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao. Nếu nhiệt độ chảy của tro xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quá trình khí hóa và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết. Khi hiện tượng kết tảng xỉ xảy ra, gió sẽ tập trung vào những phần chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào phần này, kết quả làm cho tác nhân khí hóa vượt quá mức bình thường, vì vậy hàm lượng CO2 và N2 của khí sẽ tăng lên. Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tại đây sẽ tăng nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho tro xỉ tiếp tục bị kết dính dẫn tới làm tắc lò, làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất lượng khí giảm xuống nghiêm trọng.
Chi phí cho hệ thống làm sạch khí cần cho việc vận hành động cơ thường rất tốn kém. Hơn nữa, việc loại bỏ các tạp chất của khí nhờ các thiết bị lọc như các phin lọc, chúng vẫn trải qua việc thải bỏ rất khó khăn. Vì thế, một trong những mặt cải tiến của bộ khí hóa tương lai sẽ là những thiết kế mới mà có thể chuyển hóa số lượng tối đa của hắc ín thành Gas trong suốt quá trình khí hóa.
1.3.3. Hiện trạng khí hóa vỏ trấu trên thế giới và ở Việt Nam
Công nghệ khí hóa vỏ trấu là một công nghệ mới đối với một số nước đang phát triển trong đó có Việt Nam nhưng thực tế công nghệ này đã phát triển từ nhiều năm trước.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 25 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Thế giới: Trên thế giới việc phát triển và phổ biến bếp khí hóa đã đạt được những kết quả khả quan có thể kể đến như bếp khí hóa của ông Belonio người Philipine đã nhận được nhiều giải thưởng quốc tế, hàng nghìn chiếc bếp này đã được người dân Philippine và Indonesia sử dụng hiệu quả hoặc như tập đoàn dầu khí của Ấn độ đã sản xuất 400.000 bếp khí hóa dùng phụ phẩm nông nghiệp để phân phối tới dân nghèo Ấn độ và các nước ở châu Phi. Lĩnh vực khí hóa vỏ trấu cũng được ứng dụng rộng rãi theo quy mô công nghiêp để phát triển điện năng, Nhật Bản và Trung quốc là những nước phát triển mạnh về lĩnh vực này.
Việt Nam: Bếp khí hóa trấu đang được nghiên cứu và thử nghiệm, chẳng hạn như tổ chức phát triển Hà Lan đang thử nghiệm tại Quảng Bình và Bình Định nhằm tìm ra một số loại bếp khí hóa thật sự hiệu quả để phổ biến cho các vùng nông thôn tại Việt Nam. Ngoài ra bếp khí hóa đang được sản xuất ở quy mô nhỏ trong các xưởng cơ khí như ở các tỉnh Phú Thọ, Nam Định....
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 26 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA VỎ TRẤU
2.1. Giới thiệu
Thiết bị chuyển đổi nhiên liệu rắn (biomass) thành nhiên liệu Gas có thể đốt được gọi là thiết bị khí hóa. Nó là sự oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu rắn, diễn ra trong điều kiện khoảng 1000oC, quá trình này gọi là quá trình khí hóa.
Những sản phẩm đốt từ sự cháy hoàn toàn nhiên liệu sinh khối nói chung đều chứa N2, hơi nước, CO2 và O2 thừa. Tuy nhiên sự khí hóa là một sự cấp dư nhiên liệu (hay việc cấp thiếu O2) đó là sự cháy không hoàn toàn, những sản phẩm của khí đốt, là những hắc ín và bụi bẩn. Sự sản sinh ra Gas đó là sản phẩm của sự phản ứng của hơi nước và cacbon dioxide xuyên qua lớp nóng cháy rực của lớp than cốc. Vì vậy chìa khóa để thiết kế hệ thống khí hóa là làm tăng những điều kiện như vậy. Sinh khối thì được giảm dần khối lượng dưới tác dụng nhiệt tạo thành than cốc. Than cốc thì được chuyển đổi tại nhiệt độ thích hợp sinh ra khí CO và H2 .
Hiện nay trên thị trường từ dạng công nghiệp tới dân dụng xuất hiện nhiều loại công nghệ sản xuất khí metan từ trấu như bếp DA – IRRI từ chương trình phát triển nông nghiệp ở Philippines của Ts. Robert Stickney, bếp khí hóa PU Single – Burner Batch phát triển năm 1989 cải tiến từ DA – IRRI, bếp khí hóa CPU Proto – Type IDD/T – LUD, CPU Cross – Flow, San San,…. Tuy các loại công nghệ có cách cải tiến khác nhau nhưng căn bản được thiết kế dựa vào các dạng tầng cố định Downdraft, Crossdraft, Updraft, và dạng tầng sôi đang phát triển.
Sơ đồ 2.1: Quá trình khí hóa tổng thể
to, p to Nhiên liệu CO, H2, CH4 Nhiệt lượng Khí hóa
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 27 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
2.2. Các loại công nghệ khí hóa
Có 2 kiểu khí hóa sử dụng đó là kiểu khí hóa lớp cố định như Downdraft, Crossdraft, Updraft và kiểu khí hóa lớp tầng sôi. Nếu sử dụng trong dân dụng thì dạng khí hóa lớp cố định sẽ đem lại sự thuận tiện, đơn giản, ít tốn chi phí nhiều hơn lớp tầng sôi, nhưng nếu dùng trong công nghiệp thì lớp tầng sôi sẽ đem lại hiệu quả về mặt kinh tế do có khả năng tăng hiệu suất cao. Tuy nhiên, trong bài nghiên cứu này, chúng ta chỉ tập trung khảo sát loại khí hóa cố định theo phương pháp Updraft.
2.2.1. Công nghệ khí hóa tầng sôi
Hình 2.1: Khí hóa tầng sôi
a. Đặc điểm
Thiết bị khí hóa tầng sôi ban đầu được phát triển để khắc phục những vấn đề hoạt động của thiết bị khí hóa lớp nhiên liệu cố định. Thích hợp với đặc tính nhiên liệu có hàm lượng tro cao, và hệ thống có công suất lớn hoặc rất lớn (lớn hơn 10Mw). Các tính năng của khí hóa tầng sôi có thể so sánh tương tự với những buồng đốt tầng sôi. So với những thiết bị khí hóa kiểu cố định thì khí hóa tầng sôi nhiệt độ khí tương đối thấp: vào khoảng 750 – 900oC. Trong khi thiết bị khí hóa
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 28 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
kiểu cố định nhiệt độ tại khu vực khí hóa có thể cao 1200oC, thậm chí còn cao hơn trong thiết bị khí hóa than khoảng 1500oC.
Công nghệ này thường dùng cho kích cỡ hạt lớn, không đều. Khi cho tốc độ khí đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn, là quá trình cân bằng giữa tốc độ dòng khí và trọng lực, lúc này vật chất sẽ ở dạng lơ lững còn gọi là tầng sôi. Kết quả là nhiệt phân nhiên liệu xảy ra rất nhanh, một lượng lớn khí được sinh ra. Do nhiệt độ thấp nên năng suất chuyển đổi hắc ín không phải là cao nên hàm lượng hắc ín ra khỏi thiết bị tương đối lớn.
Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi trong thiết bị. Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc. Trong quá trình, nhiên liệu và khí đi cùng một hướng từ dưới đáy lò lên. Nhiên liệu sôi lơ lững trong lò và tại đây các khí đốt được tạo ra. Khí sản phẩm cùng với tro đi ra ở cửa trên đỉnh lò qua thiết bị lọc bụi trước khi đưa ra ngoài sử dụng.
b. Ưu điểm
- Nhiên liệu liên tục được chuyển vào lò khí hóa.
- Linh hoạt theo sự thay đổi đặc tính của nhiên liệu như độ ẩm và hàm lượng tro, khả năng thích ứng với nhiên liệu nhỏ vụn và hàm lượng tro cao hoặc nhiên liệu có khối lượng riêng nhỏ.
- Không bị ảnh hưởng bởi hình thái nhiên liệu.
- Tro có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp do đó được phép phản ứng tại nhiệt độ thấp, khả năng tạo xỉ thấp.
- Nhiên liệu được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình trao đổi nhiệt và năng suất phản ứng rất cao, làm cho nhiệt độ phân bố đều theo chiều cao của lò.
- Nhiên liệu và khí cùng đi từ dưới lên nên nhiên liệu sẽ tiếp xúc ngay với vùng nhiệt độ cao, quá trình phản ứng được đẩy nhanh. Lượng chất sinh ra từ
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 29 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
trấu gặp ngay oxy trong khí sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ còn lại sẽ bị nhiệt phân vì vậy khí đi ra sạch, thường dùng cho tổng hợp hóa học.
- Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt trấu luôn chuyển động và trong lò không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng như khí hóa tầng cố định, khi đó nhiệt độ trung bình của lò sẽ được phân bố đều và giảm xuống.
c. Nhược điểm
- Quá trình xử lý tro phức tạp vì tro và gas cùng 1 đường ra nên phải thiết kế quạt có cột áp lớn.
- Do các hạt rắn chuyển động với tốc độ khá cao nên dễ sinh ra tình trạng ăn mòn thiết bị.
- Không thể nâng cao nhiệt độ quá mức vì có thể làm hư hỏng thiết bị. Do đó, các loại than già, than antraxit có tốc độ phản ứng của C với các tác nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho quá trình khí hóa tầng sôi.
- Phức tạp trong việc thiết kế và vận hành, chi phí đầu tư cao.