CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Giới thiệu về hóa khí
3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hóa khí
Hiệu suất của lị hóa khí được đo bằng cả chất lượng và số lượng syngas được tạo ra. Lượng sinh khối chuyển hóa thành khí được biểu thị bằng hiệu suất khí hóa. Chất lượng sản phẩm được đo bằng nhiệt trị cũng như lượng syngas mong muốn.
Hiệu suất của lị khí hóa sẽ được thể hiện bằng nhiều cách đánh giá tùy vào mục đích sử dụng của syngas. Thơng thường người ta sẽ đánh giá bằng hiệu suất cold-gas, hiệu suất hot-gas và hiệu suất chuyển hóa cacbon.
- Hiệu suất cold-gas được tính đơn giản bằng nhiệt trị của syngas chia cho nhiệt trị của nhiên liệu.
gg cg ff Q M LHV M =
Trong đó: Qg là nhiệt trị thấp của syngas (kJ/m3) Mg là lưu lượng của syngas (m3/h)
LHVf là nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg) Mf là khối lượng của nhiêu liệu cấp vào (kg/h)
Mg = n x 24.465 (m3/h)
Trong đó: n là tổng số mol của syngas (kmol/h), 24.465 là thể tích mol tại 25oC (L/mol).
24
4.18 (30.18 25.76 85.78 ) / 1000
g
Q = CO+ H + CH (MJ/m3)
Trong đó: CO, H2, CH4 là thành phần thể tích của lần lượt các khí trong syngas (%)
28 - Hiệu suất hot-gas được sử dụng trong trường hợp syngas được sử dụng đốt trực tiếp sau khi ra khỏi lị hóa khí mà khơng qua q trình làm mát. Hiệu suất này chưa tính đến nhiệt do than chưa chuyển hóa hết và tro mang đi. Do đó nhiệt mà syngas mang ra khỏi lị hóa khí cũng được tính vào trong hiệu suất:
( ) gggpfo hg ff Q MM C TT LHV M = + −
Trong đó: Tf là nhiệt độ của syngas đi ra khỏi lị khí hóa (K) To là nhiệt độ của nhiên liệu đi vào lị khí hóa (K)
Cp là nhiệt dung riêng của syngas (kJ/kg).
- Hiệu suất chuyển hóa cacbon muốn nói đến hiệu quả của q trình cháy và hóa khí. Hiệu suất này chỉ ra rằng lưu lượng của tác nhân khí hóa là đủ hay khơng. Nó đánh giá lượng cacbon trong phần rắn thải ra ở đáy lò.
(gas) C f C C =
Trong đó, tử số là Tổng số mol của cacbon trong syngas (mol), mẫu số là mol của cacbon trong nhiên liệu (mol).
3.1.4.1. Tác nhân hóa khí
Ngồi các ảnh hưởng của loại tác nhân hóa khí trên đến syngas của lị hóa khí thì lưu lượng của tác nhân hóa khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa cacbon và nhiệt trị của syngas. Đối với tác nhân khí hóa là khơng khí, nếu cấp lưu lượng khơng khí q ít cho lị hóa khí thì hiệu quả chuyển hóa cacbon của lị sẽ khơng được đảm bảo nhưng nếu cấp quá nhiều lưu lượng khơng khí cho lị thì dẫn đến q trình cháy diễn ra mãnh liệt làm tăng làm lượng CO2 đồng thời lượng N2 trong syngas cũng tăng do N2 trong khơng khí rất nhiều.
3.1.4.2. Thành phần của nhiên liệu
Thành phần nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của q trình hóa khí. Khi độ ẩm lớn hơn 30% sẽ rất khó để làm cháy khối nhiên liệu, đồng thời làm giảm trị số năng
29 lượng của sản phẩm khí bởi vì lượng nhiệt một phần để làm bay hơi lượng hơi nước này. Khi tăng độ ẩm và có sự hiện diện của CO sẽ thúc đẩy phản ứng nước khí chuyển đổi, do đó thành phần của H2, CH4 sẽ tăng lên trong khi CO giảm điều này dẫn đến nhiệt đốt cháy của khí sẽ bị giảm bởi vì sự giảm của CO sẽ ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt lượng của khí. Thành phần phân tích C, H, O trong phân tích cuối cùng,3 thành phần này góp vai trị quan trọng trong việc quyết định đến năng lượng cháy của khí syngas được biểu hiện như sau:
Nhiệt trị cao và thấp của nguyên liệu được tính tốn như sau [19]:
HHVf = 339.1Cdr + 1178.3Hdr + 100.5Sdr – 103.4Odr – 15.1Ndr – 21.1 Adr LHVf = HHV – 9mHhfg
Trong đó: HHVf : giá trị năng lượng cháy thuần trên khối lượng khô cơ bản (kJ/kg) LHVf : giá trị năng lượng cháy thấp của nguyên liệu (kJ.kg-1)
Cdr, Hdr, Odr, Sdr, Ndr: thành phần hóa học chất khơ (%) Adr: thành phần tro trong nguyên liệu khô (%)
hfG: ẩn nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg).
Bên cạnh đó, lượng carbon trong nguyên liệu sẽ ảnh hưởng đến thành phần CO trong syngas. Một trong những chỉ số ảnh hưởng quan trọng hơn là tỉ lệ C/O và giá trị làm nóng của syngas. Tỉ lệ này càng cao thì giá trị năng lượng càng cao.
Khả năng tham gia vào phản ứng khí hóa của Carbon cũng phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, theo Gozde Duman và cộng sự [20] cũng công bố nghiên cứu khả năng tham gia phản ứng khí hóa của các loại nhiên liệu có nguồn gốc từ gỗ cao hơn so với phụ phẩm nông nghiệp.
Thành phần nhiều tro sẽ làm giảm giá trị nhiệt của vật liệu. Thành phần của tro sẽ ảnh hưởng đến quá trình tro bay hơi, có thể dẫn đến các vấn đề về lắng, kết tụ và gây tắc nghẽn.
3.1.4.3. Tar cracking
Tar được sinh ra chủ yếu ở quá trình nhiệt phân sơ cấp, khoảng 88%. Theo những thí nghiệm đã quan sát được lưu lượng tar sẽ giảm nhanh ở nhiệt độ cao hơn và thời gian
30 lưu lớn hơn. Bằng cách thay đổi thiết kế thiết bị khí hóa sẽ điều chỉnh được các yếu tố này để hình thành nhiều hơn các khí cháy được như H2, CO, CH4.
Khi tar bị khử sẽ làm tăng nồng độ của CO và một sự tăng nhẹ thành phần CO2. Thông thường để tăng khả năng khử tar, xúc tác như Fe2O3, Al2O3 sẽ được thêm vào nguyên liệu để tăng khả năng chuyển hóa các loại này thành CO.
Giá trị nhiệt trị cao (HHV) do của khối khí đã tăng thêm gần 30% khi độ chuyển hóa của tar đạt 95% cho thấy quá trình tar-cracking ảnh hưởng rất lớn đến thành phần của các khí cháy được [20].