Quá trình chuyển đổi khí hóa sinh khối thành khí dễ cháy mà lý tưởng chứa tất cả các năng lượng ban đầu hiện diện trong sinh khối. Trong thực tế, hiệu suất chuyển đổi khác nhau, từ 60% đến 90% là đạt được. Các quá trình khí hóa có thể là trực tiếp (sử dụng không khí hoặc ôxy để tạo ra nhiệt thông qua phản ứng tỏa nhiệt) hoặc gián tiếp (truyền nhiệt sang các lò phản ứng từ bên ngoài). Khí có thể được đốt cháy để tạo ra nhiệt công nghiệp hoặc khu dân cư, để chạy động cơ cho sức mạnh cơ khí hoặc điện, hoặc để làm nhiên liệu tổng hợp.
Khí hóa sinh khối có hai loại – Dòng khí mạnh hướng lên (updraft) và dòng khí mạnh hướng xuống (downdraft). Trong một đơn vị updraft, sinh khối được đưa ở phía trên của lò phản ứng và không khí được bơm vào dưới cùng của lớp than. Hiệu quả của khí hóa updraft khoảng 80-90 phần trăm hiệu quả của trao đổi nhiệt ngược dòng giữa các chất khí bốc lên cao và chất rắn giảm. Tuy nhiên, các loại hắc ín sản xuất bởi khí hóa updraft cho thấy rằng khí phải được làm lạnh trước khi nó có thể được sử dụng trong động cơ đốt trong. Như vậy, trong hoạt động thực tế, đơn vị
50
updraft được sử dụng cho các ứng dụng nhiệt trực tiếp trong khi downdraft được sử dụng cho hoạt động cơ đốt trong.
Ứng dụng quy mô lớn của khí hóa sinh khối bao gồm các phiên bản toàn diện của updraft quy mô nhỏ và các công nghệ downdraft, và công nghệ tầng sôi. Nhiệt độ và khối lượng của tầng sôi dẫn đến nhiệt độ tương đối thống nhất trong cả tầng, sử dụng độ ẩm nhiên liệu tốt hơn, và tốc độ nhanh hơn phản ứng dẫn đến khả năng lưu lượng cao hơn.
Hình 21 Khí hóa sinh khối updraft Hình 22 Khí hóa sinh khối downdraft
Tổng quan về công nghệ lò hôi tầng sôi:
Công nghệ tầng sôi là công nghệ được thế giới nghiên cứu từ lâu, nhưng mới phát triển mạnh mẽ gần đây do nhu cầu phải sử dụng các nhiên liệu xấu và nhiên liệu sinh khối. Công nghệ tầng sôi là công nghệ đốt cháy nhiên liệu trong lớp sôi, được tạo bởi cát thạch anh hoặc tro nhiên liệu. Nó được coi là công nghệ giảm phát thải độc hại và thân thiện với môi trường:
51
Hình 23 Nguyên lý lò hơi tầng sôi
+ Có thể khử SO2 triệt để trong buồng đốt nhờ thêm phụ gia. Quá trình khử trong lớp sôi để tạo thành CaSO4 và lưu lại như tro nhiên liệu làm cho khí SO2 không thoát ra ngoài khí quyển, đây còn gọi là công nghệ khử khí SO2 sơ cấp, ít tốn kém mà hiệu quả, khả năng khử SO2 có thể đến 99%. Nếu cho đủ phụ gia thì nồng độ khí SO2 thải ra ngoài không phụ thuộc vào nồng độ lưu huỳnh trong nhiên liệu và nằm trong khoảng 50-80mg/Nm3.
+ Giảm đáng kể khí NOx so với đốt than đá hoặc dầu FO. Do nhiệt độ của lớp sôi nằm trong khoảng 850-950oC nên quá trình hình thành khí NOx là không thuận lợi, nồng độ khí NOx trong khói thải phổ biến 150-200mg/Nm3, không phụ thuộc vào loại nhiên liệu.
+ Có thể đốt được nhiều loại nhiên liệu xấu, có thành phần lưu huỳnh lớn (S đến 5%) và độ ẩm, độ tro cao (W, A đến 50%), và như vậy có thể sử dụng được các loại nhiên liệu mà trước nay ít được sử dụng do ô nhiễm và khó đốt, giảm sức ép về việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Công nghệ này rất thích hợp cho đốt than cám xấu ở Việt Nam.
52
+ Sử dụng nhiều loại nhiên liệu trong một buồng đốt, có thể thay đổi nhiên liệu một cách linh hoạt mà không phải thay đổi kết cấu của lò.
+ Giảm phát thải bụi nhờ trang bị các bộ lọc công nghiệp đúng tiêu chuẩn: lọc khô + lọc ướt trong đó lọc khô đóng vai trò quan trọng và có thể lọc đến 90-92% lượng bụi bay theo khói, còn lọc ướt sẽ lọc hết 95% lượng còn lại, như vậy lượng bụi bay theo khói là không đáng kể, nằm trong khoảng 100-120mg/Nm3.
Nhiên liệu chính: biomass qua chế biến (Bã mía, trấu xay, trấu viên, bột gỗ, mùn cưa, củi vụn,....).
Nhiên liệu khác (mở rộng).
Nhiệt trị nhiên liệu: 3000-6000kcal/kg
Chế độ làm việc: tự động cấp nước, tự động giữ ổn định áp suất trong phạm vi cho phép, bảo vệ quá áp suất, bảo vệ mức nước thấp, bảo vệ nhiệt độ buồng đốt .
Khử bụi: 2 cấp, đảm bảo tiêu chuẩn môi trường của Việt Nam về khí thải ra ngoài không khí (TCVN 5939:2005).
Lò trang bị bộ tiết kiệm nhiệt, tăng hiệu suất lò hơi, giảm tiêu hao nhiên liệu đồng thời tăng tuổi thọ của phần thiết bị phía sau lò hơi như quạt khói, ống dẫn khói,...
* Lò hơi tầng sôi tuần hoàn có cấu tạo bản thể gồm 03 phần chính: Buồng đốt tầng sôi, lò hơi (bao gồm bộ tiết kiệm nhiệt) vàbộ xừ lý khói thải:
+ Buồng đốt tần sôi: Buồng đốt tần sôi của lò tầng sôi tuần hoàn có hình dáng tương tự như lò than phun, tuy vậy do khác nhau về phương pháp đốt nên có một số điểm khác biệt lớn về chi tiết.
Phần hơi (gồm bộ tiết kiệm nhiệt): là một bộ phận dùng để thu các hạt bột chưa cháy hết trở lại buồng đốt tạo thành một vòng tuần hoàn.
Phần xừ lý khói thải: Gồm cyclone lắng kết hợp phun nước dập bụi, bể lắng bụi, bể xử lý, ống khói và cụm tuần hoàn nước sau xử lý.
53
Thiết bị lò hơi công nghệ tầng sôi ngoài những ưu điểm nổi trội về giảm thiểu phát thải độc hại như đã phân tích trên, còn có những ưu điểm về mặt kỹ thuật như có thể thay thế lò dầu FO và vượt trội so với lò đốt than thủ công cũng như lò ghi xích như sau:
Tự động hoàn toàn, công nhân vận hành nhẹ nhàng, chỉ cần lò phễu nhiên liệu trong nhà chứa nhiên liệu. Lò tự động cấp nước, tự động điều chỉnh công suất, cấp nhiên liệu liên tục, bảo vệ áp suất cao, bảo vệ cạn nước, bảo vệ lớp sôi.
Lượng hơi sinh ra ổn định, thay đổi công suất nhanh giống như lò dầu FO, áp suất được giữ ổn định trong phạm vi cho phép không phụ thuộc vào tải sử dụng hơi. Việc cấp liệu và xả bụi là liên tục khi lò đang hoạt động nên không làm ảnh hưởng đến áp suất của hơi.
Lò trang bị hệ thống thu bụi hai cấp (khô và ướt), có bộ tiết kiệm nhiệt. Phát thải sinh ra đảm bảo tiêu chuẩn môi trường của Việt Nam.
Nhiên liệu: tận dụng được nguồn nhiên liệu sạch từ phế phẩm Công – Nông nghiệp.
Có thể thay đổi nhiên liệu một cách linh hoạt mà không phải thay đổi kết cấu của lò.
Khởi động lò nhanh (dưới 60 phút) như lò dầu FO nên có thể đảm bảo yêu cầu cấp hơi gián đoạn.
54
Công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn (CFB) là công nghệ tiên tiến phù hợp với việc nhiều loại nhiên liệu sinh khối khác nhau. Với đặc điểm là có nhiệt độ buồng đốt khá thấp so với buồng đốt thông thường nên phát thải SOx có thể khắc phục được nhờ biện pháp đưa bột đá vôi vào trong buồng đốt và cũng vì nhiệt độ buồng đốt thấp nên phát thải NOx cũng bị giới hạn ở mức thấp.
Công nghệ này hiệu quả với việc hiệu chỉnh và duy trì quá trình cháy ở một phạm vi khá rộng có hiệu suất cháy cao. Công nghệ CFB cũng đã được ứng dụng trong các các lò hơi công suất nhỏ quy mô công nghiệp nhưng trước đây chúng chỉ được áp dụng trong các nhà máy nhiệt điện với quy mô công suất lớn.
* Nguyên lý và cơ chế:
Công nghệ CFB tỏ ra thích hợp đối với khá nhiều loại nhiên liệu khác nhau mà vẫn giữ được đặc điểm phát thải thấp của nó. Nhiên liệu được cấp vào vùng dưới của buồng đốt và cháy cùng với dòng không khí từ dưới đi lên trên buồng đốt. Nhiên liệu, tro và nhiên liệu chưa cháy hết cùng nhau đi từ dưới đi lên trên và được thu hồi lại trong bộ phận thu bụi và quay trở lại một phần vào buồng đốt phía dưới. Đá vôi là chất hấp thụ lưu huỳnh sẽ được cấp vào vùng dưới vùng buồng đốt. Nhiệt độ buồng đốt được duy trì ở mức 15000F (8160C) đến 17000F(9270C).
* Tiết kiệm năng lượng:
Để tăng hiệu quả kinh tế của toàn bộ lò hơi và đạt được các đặc tính thân thiện với môi trường, công nghệ này nên được kết hợp với bộ lọc tách lấy tác nhân phản ứng để giảm thiểu tiêu hao năng lượng khi mà sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao trên 8% hay khi đốt cặn bã dầu thô cảu quá trình chưng cất dầu thô.