CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Giới thiệu về hóa khí
3.1.2. Phân loại lị hóa khí
Lị hóa khí thường được phân loại dựa trên 2 yếu tố: - Cách cung cấp nhiệt cho lị khí hóa.
- Cách mà dịng nhiên liệu và tác nhân khí hóa tiếp xúc với nhau.
Cách tiếp cận dựa trên yếu tố đầu tiên, lị hóa khí được chia làm 2 loại: lị hóa khí tự nhiệt và lị hóa khí được cấp nhiệt riêng. Đối với lị khí hóa tự nhiệt thì nhiệt lượng cần thiết cho lị được cung cấp bởi các phản ứng oxi hóa một phần nhiên liệu có trong lị. Trong một số trường hợp, hơi nước được cung cấp vào với mục đích cấp nhiệt và tăng hàm lượng H2 ở syngas. Đối với lị hóa khí được cấp nhiệt riêng, nhiệt cần thiết cho lị hóa khí được cung cấp từ các nguồn nhiệt bên ngoài bởi thiết bị trao đổi nhiệt. Trong trường hợp này,
24 hơi nước có thể được cung cấp như một tác nhân hóa khí do đó tạo ra khí tổng hợp giàu hydro, điều này rất thuận lợi cho quá trình tổng hợp nhiên liệu lỏng hoặc tinh chế hydro.
Hình 3.3. Mơ tả hai loại lị khí hóa theo cách cấp nhiệt[16]
Cách tiếp cận dựa trên cách mà dòng nhiên liệu và tác nhân hóa khí tiếp xúc với nhau, lị hóa khí được chia làm 3 loại: lị hóa khí tầng cố định ( fixed (moving) bed), lị hóa khí tầng sơi (fluidized bed), lị hóa khí dịng cuốn(entrained flow bed).
- Ở loại lị hóa khí tầng cố định, nhiên liệu được cấp từ trên xuống và tác nhân hóa khí có thể cấp từ dưới lên hoặc trên xuống tùy theo cấu tạo của lị. Dịng syngas có thể dẫn ra ở phía trên hoặc phía dưới. Vận tốc dịng khí trong kiểu lị này rất thấp vì thế nhiên liệu dường như cố định trong lò. Dòng nhiên liệu chỉ chuyển động từ trên xuống khi mà khối lượng của chúng giảm do tác động của các q trình trong lị hóa khí.
- Trong lị hóa khí tầng sơi, tác nhân hóa khí được nạp từ dưới của lị hóa khí và đi qua lớp nhiên liệu rắn và các hạt sôi. Syngas được lấy ra ở phần trên của lị. Vận tốc dịng khí trong lị tầng sơi cao hơn trong lị tầng cố định. Trong kiểu lò này, cả nguyên liệu và tác nhân được hòa trộn trong thiết bị, bao gồm 2 loại là dạng sơi bọt (Bubbling Fluidized Bed) hoặc dạng tuần hồn (Criculating Fluidized Bed). Nhiệt độ trong thiết bị có thể đạt 800oC đến 1000oC, do đó dễ điều khiển hơn so với thiết bị dạng cuốn (Entrained Bed). Tro được lấy ra ở đáy thiết bị (khơng bị nóng chảy). Thiết bị dạng tầng sôi (Fluidized Bed) khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước và chất lượng ngun liệu, do đó cơng nghệ này phù hợp với nhiều loại sinh khối, kể cả hỗn hợp sinh khối và rác thải đô thị. Nguyên liệu trong thiết bị ở dạng tầng sơi nên q trình truyền nhiệt và truyền khối trong thiết bị được cải thiện đáng kể, đồng thời nhiệt trị của sản phẩm khí cũng được tăng lên. Loại thiết bị này phù hợp với hệ thống có năng suất lớn (>100 MW). Tuy nhiên, do nhiệt độ trong thiết bị thấp hơn so với thiết bị dạng cuốn (Entrained Bed) nên hắc ín (tar) trong sản phẩm khí
25 không được chuyển đổi hồn tồn, đồng thời than khơng được khí hóa hồn tồn, do đó làm giảm hiệu quả q trình.
- Lị hóa khí dạng cuốn thường được dùng cho các loại nhiên liệu dạng bùn hoặc dạng bột. Loại thiết bị này được dùng ở quy mô lớn (>100MW) và thường dùng cho nguyên liệu hóa thạch. Nhiệt độ khí hóa cao (khoảng 2000oC) và áp suất lớn (đến 35 bar). Do nhiệt độ cao nên tro bị tan chảy ra và chảy thành dòng trên thành thiết bị xuống đáy và được lấy ra như xỉ lỏng. Với Nhiên liệu, tro nóng chảy ở khoảng 1000oC, cịn với than thì khoảng 1300oC. Nhiệt độ cao cũng làm cho hắc ín (tar) trong sản phẩm khí bị chuyển đổi hồn tồn trong thiết bị.
Hình 3.4. Hình ảnh các loại lị hóa khí[17]
Hiện tại, lị hóa khí tầng cố định là lị hóa khí được sử dụng phổ biến nhất sau đó là lị tầng sơi. Lị khí hóa tầng cố định được chia làm 2 loại chính là lị thuận dịng (updraft) và lị ngược dịng (downdraft). Ngồi ra cịn có dạng lị crossdraft nhưng vì lý do khơng phổ biến nên sẽ khơng được đề cập đến. Trong lị hóa khí downdraft, nhiên liệu rắn cấp vào lị từ phía trên và khi di chuyển xuống phía dưới nhờ tác dụng của trọng lực, nó trải qua tuần tự các q trình sấy, nhiệt phân, đốt cháy và hóa khí, và cuối cùng tro rời khỏi thiết bị khí hóa từ phía dưới. Tác nhân hóa khí được đưa vào lị phản ứng ở vị trí phía trên vỉ, chổ này diễn ra q trình cháy và đi xuống vùng khí hóa, nơi tạo ra hỗn hợp H2 và CO. Syngas được dẫn ra ở phía dưới của lị. Mặt khác, lị hóa khí updraft cũng tương tự nhưng dịng tác nhân hóa khí được đưa vào lị ở phía dưới và syngas được dẫn ra ở phía trên của
26 lị. Nhiên liệu được dẫn qua tuần tự các quá trình sấy, nhiệt phân, hóa khí và cháy như ở hình 3.4.
So sánh hai loại lị hóa khí tầng cố định, lị downdraft có ưu điểm hơn là hàm lượng hắc ín thấp trong syngas, vì sản phẩm khí từ q trình nhiệt phân đi qua vùng đốt nơi nhiệt độ có thể trên 1000oC. Với nhiệt độ cao như thế, hắc ín và hydrocacbon nặng trong vùng nhiệt phân sẽ bị cracking và syngas sẽ sạch. Nhược điểm của lị hóa khí này là chưa tận dụng được hết nhiệt do vùng cháy tạo ra vì nhiệt độ của syngas đi ra khỏi lò rất cao. Ngược lại, lị hóa khí updraft tận dụng hiệu quả hơn nguồn nhiệt mà vùng cháy tỏa ra do dòng tác nhân đi ngược chiều với dịng nhiên liệu vì thế dịng syngas ra khỏi lị có nhiệt độ tương đối thấp.