2.4.3.2. Ưu nhược điểm của lị hóa khí cố định.
Ưu điểm
- Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia, nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, nhiên liệu càng đi xuống càng nóng.
- Phương pháp hóa khí tầng cố định, nhất là phương pháp hóa khí thuận và hóa khí ngang có ưu điểm là có thể sử dụng được tất cả các loại nhiên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà khơng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí sản phẩm. Nhiên liệu đi từ vùng sấy qua vùng nhiệt phân nên ẩm và chất bốc đã thốt hết, do vậy khi đến vùng hóa khí và vùng cháy than vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng hóa khí và phản ứng cháy, vì thế chất lượng khí sản phẩm có chất lượng rất tốt.
25 - Mất mát cacbon theo tro xỉ ở phương pháp này tương đối ít, vì theo chiều chuyển
động của nhiên liệu từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần [60].
Nhược điểm
- Nhược điểm của phương pháp này là mất mát nhiệt theo xỉ khá nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy (là vùng có nhiệt độ cao) do đó hiệu suất nhiệt của q trình khơng cao [60].
2.4.3.3. Lị hóa khí tầng sơi.
Lị hóa khí tầng sơi được sử dụng đối với các nhiên liệu có kích thước nhỏ (ví dụ như than cám và than bụi). Do nhiên liệu có kích thước nhỏ nên trở lực của lớp nhiên liệu là khá lớn, nếu hóa khí theo kiểu lị cố định thì phải dùng tốc độ gió lớn mới khắc phục được trở lực đó để đảm bảo cho lị có năng suất cố định. Nhưng nếu tăng tốc độ gió sẽ không tránh khỏi một số hạt sẽ bay lơ lửng hoặc bay ra ngồi lị phản ứng, như vậy lị hóa khí tầng cố định sẽ khơng cịn giữ ngun chế độ hoạt động.
26 Theo phương pháp hóa khí tầng sơi thì nhiên liệu và gió đi cùng một hướng từ phía dưới lị. Nhiên liệu sơi lơ lửng trong lị và tại đây các khí sản phẩm được tạo ra. Khí sản phẩm ra ở cửa trên đỉnh lò qua thiết bị lọc bụi trước khi đưa vào sử dụng.
2.4.3.4. Ưu nhược điểm của lị hóa khí tầng sơi.
Ưu điểm
- Nhiên liệu được liên tục chuyển vào lị hóa khí
- Nhiên liệu được đảo trộn trong lớp sơi nên q trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò.
- Cấu tạo lò đơn giản, vốn đầu tư thấp Nhược điểm
- Do đặc điểm của lò chỉ phù hợp với một số loại nhiên liệu nên lị hóa khí tầng sơi chỉ dùng được cho một số loại nhiên liệu nhất định (ví dụ như than nâu, than bùn và một vài loại than đá có đặc tính thích hợp).
2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hóa khí.
2.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Nhiệt độ của q trình hóa khí được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro (trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ). Đối với viên nén rác điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất hóa khí vào viên nén rác để giảm nhiệt độ nóng chảy của tro xuống. Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm tồn diện hiệu suất của q trình hóa khí. Vì vậy trong q trình hóa khí ta ln đảm bảo nhiệt độ trong lị khơng được vượt quá giá trị cho phép.
2.6.2. Ảnh hưởng của độ ẩm nhiên liệu.
Độ ẩm nhiên liệu càng cao thì hiệu quả q trình hóa khí càng thấp vì vậy sấy viên nén là cần thiết để có được một phạm vi độ ẩm mong muốn cho các q trình hóa khí. Sấy là một q trình tốn kém năng lượng mà có thể làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng tổng thể của q trình. Tuy nhiên, trong trường hợp hóa khí, nhiệt thải có thể được sử dụng để làm giảm độ ẩm của viên nén do đó sẽ làm tăng hiệu quả tổng thể của quá trình này.
27
2.6.3. Ảnh hưởng của tác nhân hóa khí.
Một vài các tác nhân hóa khí có thể được sử dụng trong q trình hóa khí sinh khối như: oxy, khơng khí, hơi nước hoặc là CO2. Việc lựa chọn tác nhân hóa khí sẽ cho phép lựa chọn một số các tính chất cơ bản của sản phẩm khí như thành phần, sự xuất hiện của khí trơ và nhiệt trị của khí.
Việc sử dụng khơng khí làm tác nhân hóa khí sẽ làm giảm nhiệt trị của khí do sự xuất hiện của N2. Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở nhiệt độ hóa khí là 800oC và hệ số ER là 0,35 với tác nhân là khơng khí thì sẽ thu được hỗn hợp khí là 10% H2, 14% CO, 15% CO2 (theo thể tích) và N2 chiếm một tỷ lệ lớn. Và cũng từ các nghiên cứu này, khi tăng hệ số ER thì có thể giảm được phát thải tar, tuy nhiên tăng khả năng xuất hiện của O2 trong vùng nhiệt phân dẫn đến giảm lượng H2, CO và tăng CO2. Điều này gây nên giảm nhiệt trị của khí
Việc lựa chọn hơi nước làm tác nhân hóa khí thay cho khơng khí sẽ giải quyết được vấn đề này. Kết quả là hỗn hợp sản phẩm khí với tỷ lệ H2 là hơn 50% và đặc biệt là khơng có sự xuất hiện của N2. Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước/ngun liệu với ngun liệu có kích thước hạt từ 0,5 – 2,5 mm cũng được nghiên cứu. Khi tăng tỷ lệ này thì H2 và CO tăng, trong khi đó CO giảm. Hydrocacbon nhẹ như CH4 giảm nhẹ, các hydrocacbon nặng hơn như C2H2, C2H4, C2H6 giữ nguyên. Lượng tar giảm mạnh, nhưng nhiệt trị của khí thì giảm đáng kể do giảm tỷ lệ CO [7].
2.7. Sơ đồ qui trình hệ thống hóa khí.
Dựa vào kết quả tham khảo một số tài liệu có liên quan đến đề tài nhóm đã đưa ra sơ đồ cơng nghệ hệ thống khí hóa với cơng suất lị khí hóa là 65kW.
28
Hình 2.7: Sơ đồ qui trình lị hóa khí [60].
Phần nhiên liệu thơ sau khi qua xử lý được đưa vào lị khí hóa đồng thời khơng khí được cấp thơng qua đai khí bên ngồi lị. Sau đó bộ đốt cung cấp nhiệt lượng mồi để khởi động lị đốt, thơng qua các lỗ cấp khi quạt đưa khơng khí vơ trong lị và bắt đầu q trình hóa khí theo thời gian. Dịng khí sản phẩm sau đó được quạt hút đưa vào cyclone để lọc bụi sau đó được đưa thẳng tới lị hơi để phục vụ cho q trình sản xuất hơi nước.
2.8. Ứng dụng của cơng nghệ hóa khí.
Sản xuất nhiệt: hóa khí cung cấp linh hoạt cho ứng dụng nhiệt nên được trang bị trong thiết bị sử dụng nhiên liệu như lò nướng, lò nung, lị hơi, …
Sản xuất điện: hóa khí quy mơ cơng nghiệp chủ yếu sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí tổng hợp đốt trong tuabin khí. Ứng dụng sản xuất điện, amoniac và nhiên liệu lỏng nhờ q trình hóa khí tích hợp IGCC trong việc sản xuất khí CH4 và hydro pin nhiên liệu
Dùng làm nhiên liệu vận chuyển: người ta thay thế động cơ diesel hoặc vận hành ở chế độ nhiên liệu kép bằng hóa khí, ngồi ra cịn dùng để cung cấp nhiên liệu cho nhiều động cơ công suất nhỏ.
29
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HĨA KHÍ VIÊN NÉN RDF (RDF).
Một nhà máy hóa khí bao gồm lị phản ứng hóa khí cũng như các thiết bị phụ trợ hoặc hỗ trợ của nó. Vì vậy, việc thiết kế một nhà máy hóa khí sẽ liên quan đến việc thiết kế các đơn vị riêng lẻ như:
Lò phản ứng
Hệ thống xử lý viên nén RDF. Hệ thống phân phối viên nén RDF. Hệ thống làm sạch khí.
Hệ thống xử lý tro xỉ sau phản ứng.
Căn cứ vào các đặc điểm của lò hóa khí thuận chiều và tổng quan các hệ thống khí hóa trong những nghiên cứu trước nhóm đưa ra sơ đồ quy trình cơng nghệ như hình 3.1.
Tổng quan quy trình cơng nghệ của hệ thống hóa khí như sau :
30
Nguyên lý hoạt động : Nguyên liệu viên nén RDF được xử lý qua quá trình ép viên và
được đưa vào thiết bị khí hóa 3, lúc này thiết bị mồi lửa 2 được khởi động làm duy trì quá trình cháy ban đầu cho nguyên liệu, sau khi lửa cháy bén dần quạt thổi khơng khí 1 được khởi động nhằm cung cấp lượng khơng khí cho q trình cháy, đồng thời thiết bị mồi lửa được ngừng. Nguyên liệu lần lượt trải qua 4 giai đoạn trong thiết bị khí hóa gồm: sấy khơ, nhiệt phân, đốt cháy, khí hóa. Phần xỉ tro sẽ được tháo ra ở phần đáy lị khí hóa. Phần khí sản phẩm gồm CO, CO2, H2, CH4 có cuốn theo hàm lượng nhựa và bụi lần lượt được đi vào Cyclone 4, tại đây bụi và một số nhựa được loại bỏ, phần khí tiếp tục đi ra khỏi Cyclone qua bình điều khí để ổn định rồi sau đó được cấp cho buồng đốt của lị hơi.
Để ước tính chi phí và để nộp hồ sơ dự thầu ban đầu, hầu hết các nhà sản xuất sử dụng bước đầu tiên là xác định kích thước thiết bị hóa khí. Bước thứ hai chỉ được xem xét đối với một dự án đã được xác nhận — nghĩa là, khi một đơn đặt hàng được đặt và nhà sản xuất đã sẵn sàng cho giai đoạn cuối cùng của thiết kế cơ khí hoặc chế tạo chi tiết. Thiết kế cơ khí chi tiết bắt đầu sau khi thiết kế được tối ưu hóa và bắt đầu chế tạo thực tế. Phần này chủ yếu liên quan đến giai đoạn đầu tiên và ngắn gọn là giai đoạn thứ hai (tối ưu hóa thiết kế). Để tạo cơ sở cho các phương pháp thiết kế, mộ bản thảo mơ tả ngắn gọn về các loại hóa khí khác nhau được trình bày, sau đó là thảo luận về các cân nhắc thiết kế và phương pháp thiết kế.
Hình 3.2: Quy trình thiết kế.
3.1 Lựa chon thông số ban đầu và nhiệm vụ thiết kế.
3.1.1. Lựa chọn thông số ban đầu.
Bước đầu tiên là tìm ra một thiết kế có khả năng vận hành trong thực tế, có thể được lấy làm cơ sở cho việc gia cơng lắp đặt thiết bị hóa khí. Bài trình bày dưới đây là sự biến tấu kết hợp giữa lị hóa khí Imbert và lị hóa khí thuận chiều.
31 Lị hóa khí thuận chiều là một lị phản ứng đồng dịng trong đó khơng khí đi vào bộ hóa khí ở một độ cao nhất định bên dưới đỉnh. Khí sản phẩm cũng đi xuống và rời khỏi phần dưới của lị hóa khí qua lớp tro nóng. Bởi vì nó đi qua vùng nhiệt độ cao của tro nóng, hắc ín trong khí sản phẩm có điều kiện thuận lợi để phân hủy. Vì lý do này, trong tất cả các loại, lị hóa khí thuận chiều có hắc ín sinh ra thấp nhất
Điều này nhằm tận dụng những ưu điểm của cả hai thiết kế, đặc biệt là sự dễ dàng nạp sinh khối vào thiết bị hóa khí thơng qua nắp mở và hiệu ứng phân hủy hắc ín ở thân lị. Một bộ phận có chức năng duy trì viên nén RDF đã được đưa vào để giải quyết vấn đề cầu nối bổ sung của nguyên liệu ở vùng phản ứng. Người ta cũng nhận thấy rằng, ở giai đoạn này, khí tổng hợp sẽ được đốt cháy trong một vòi đốt đơn giản hơn là cấp cho động cơ đốt trong.
3.1.2 Nhiệm vụ thiết kế
Mục tiêu của việc chế tạo thiết bị hóa khí nhằm phục vụ cung cấp nhiên liệu đốt cho lị hơi có thơng số như sau:
Bảng 3.1. Thơng số ban đầu.
Thông số Số liệu Đơn vị
Công suất nhiệt yêu cầu 50 kW
Cơng suất cần thiết của thiết bị hóa khí.
𝑄𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 = 𝑄𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 η𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 =
50
0,7785 = 64,223 𝑘𝑊 Chọn cơng suất nhiệt lị hóa khí : 𝑄𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 = 65 𝑘𝑊.
η𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 : Hiệu suất của lị hóa khí ; η𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟 = 0,7785 dựa theo mô phỏng Aspenplus [64]
Sau một vài cân nhắc kỹ thuật, công suất 65kW sử dụng khơng khí làm tác nhân hóa khí đã được quyết định làm đầu ra được thiết kế cho bộ hóa khí.
32
Bảng 3.2: Thơng số đầu vào của lị hóa khí.
Các đặc tính của lị hóa khí . Lị hóa khí thuận chiều
Loại nhiên liệu. Viên nén rác tổng hợp (RDF).
Tỷ trọng đổ viên nén RDF [61] 733 Kg/m3
Hiệu suất của lị hóa khí 0,7785
Tỷ số khơng khí 0,3
Cơng suất đầu ra u cầu của lị hóa khí. 65 kW.
Nhiệt trị thấp của khí gas 4,574 MJ/Nm3
Viên nén RDF từ rác tổng hợp là một nguồn năng lượng tiềm năng thích hợp cho việc hóa khí. Trong rác thải chứa nhiều thành phần độc hại khi đốt cháy và phác thải ra mơi trường thì cần rất nhiều giai đoạn xử lý khói. Cho nên việc lựa chọn viên nén RDF để hóa khí giúp hạn chế kinh tế phần xử lý khói cho các lị đốt rác. Bên cạnh đó nó cũng giúp các đơn vị có thể đưa ra hướng xử lý rác của doanh nghiệp tại chính nơi sản sinh ra rác.
3.1.3. Thơng số đầu vào.
Đối với bất kỳ thiết kế nào, thông số kỹ thuật của máy là rất quan trọng. Đầu vào bao gồm đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu, mơi trường hóa khí và khí sản phẩm. Thơng số kỹ thuật nhiên liệu điển hình sẽ bao gồm phân tích gần và cuối cùng, nhiệt độ hoạt động và đặc tính tro. Đặc điểm kỹ thuật của mơi trường hóa khí dựa trên việc lựa chọn hơi nước, oxy và / hoặc khơng khí và tỷ lệ của chúng.
Các thơng số này có thể ảnh hưởng đến thiết kế của thiết bị hóa khí như sau:
1. Giá trị gia nhiệt mong muốn của khí sản phẩm quyết định việc lựa chọn mơi trường hóa khí. Nếu khơng khí là mơi trường hóa khí, giá trị nhiệt thấp hơn (LHV) của khí nằm trong khoảng 4,7 MJ / m3, trong khi trong trường hợp hóa khí dựa trên oxy và hơi nước, giá trị này nằm trong khoảng 10,20 MJ/m3 (Ciferno và Marano, 2002, trang 4). Có thể lưu ý rằng khi nguyên liệu là sinh khối, giá trị gia nhiệt thấp hơn do hàm lượng oxy và độ ẩm cao.
33 2. Hyđrơ có thể được tối đa hóa bằng hơi nước, nhưng nếu khơng được ưu tiên, ơxy hoặc khơng khí là lựa chọn tốt hơn, vì nó làm giảm năng lượng được sử dụng để tạo ra hơi nước và năng lượng bị mất qua hơi nước chưa được sử dụng.
3. Nếu nitơ trong khí sản phẩm khơng được chấp nhận thì khơng thể chọn khơng khí. 4. Chi phí vốn thấp nhất đối với khơng khí, tiếp theo là hơi nước. Cần đầu tư lớn hơn nhiều cho một nhà máy ôxy, cũng tiêu tốn một lượng lớn điện năng phụ trợ.
5. Tỷ lệ hóa khí (ER) có ảnh hưởng lớn đến chuyển đổi carbon hiệu quả. Đối với khí sản phẩm, đặc điểm kỹ thuật bao gồm:
a. Thành phần khí mong muốn
b. Giá trị gia nhiệt mong muốn
c. Tốc độ sản xuất mong muốn (Nm3/s hoặc MWth được sản xuất)
d. Sản lượng khí sản phẩm trên một đơn vị nhiên liệu tiêu thụ
e. Công suất đầu ra yêu cầu của bộ hóa khí, Q. Kết quả mơ phịng bằng ASPEN PLUS.
Bảng 3.3: Thành phần khí sử dụng mơ phỏng Aspenplus [64].
Thành phần khí sản phẩm
CO CO2 H2 CH4 N2 LHV (MJ/m3)
% 22,24 5,9 16,16 - 48,61 4,547
3.2. Cân bằng trong lị hóa khí.
3.2.1. Cân bằng khối lượng.
3.2.1.1. Lưu lượng syngas.
Nhiệt lượng đầu ra của syngas cần phục vụ cho q trình sản xuất hơi nước có áp suất của lò hơi Q = 50 kW. Dựa trên cơ sở này người thiết kế sẽ đưa ra ước đoán cho lượng ngun liệu được cấp cho lị hóa khí phản ứng trong chế độ hoạt động bình thường.
𝑉𝑠𝑦𝑛𝑔𝑎𝑠 = 𝑄
34 Nhiệt trị thấp của syngas được trính tốn dựa trên thành phần khí ra. Thành phần thường