33 1939
Khoảng 250 000 xe cộ được đăng kí ởThụy Điển. Ngồi con số đó, 90% đã chuyển đổi sang dạng dùng gas. Gần nhưtất cả20 000 máy kéo dùng gas làm nhiên liệu. 40 % nhiên liệu được dùng là gỗvà phần còn lại là than đá.
Sau 1945
Sau khi kết thúc Chiến Tranh ThếGiới II, với sự dồi dào về xăng và diesel với giá rẻ, kỹthuật hóa khí dần mất đi danh tiếng và tầm quan trọng.
1950- 1970
Trong suốt những năm này, kỹ thuật hóa khí bị bỏ quên. Nhiều chính phủ ở Châu Âu đã cảm thấy rằng tốc độtiêu thụgỗngày càng nhanh sẽdẫn đến nạn phá rừng, sẽ tạo ra các vấn đềvề mơi trường.
Sau 1970
Trong những năm 1970 đã có những kỹ thuật mới trong việc phát điện ở quy mơ nhỏ. Từ đó, người ta đã dùng các nhiên liệu khác thay cho gỗ và than đá.
Như vậy kể từ sau năm 1970, trước những cuộc khủng hoảng của thế giới về dầu mỏ, cơng nghệ khí hóa từ phụ phẩm nơng nghiệp lại được phục hồi và phát triển mạnh mẽ, từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch, kỹ thuật hóa khí trở nên hiện đại hơn, phục vụ được nhiều nhu cầu đời sống dân sinh , phục vụ sản xuất công nghiệp dưới nhiều dạng năng lượng phức tạp hơn.
Ưu điểm của kỹ thuật này là cho phép chuyển đổi năng lượng để sử dụng tiết kiệm bao gồm cả quy mơ nhỏ.
Bằng các thí nghiệm của một số tác giả hàng đầu trên thế giới cho thấy, tác nhân nhiệt độ cao (> 1.000 oC) trong thiết bị khí hóa cho phép khí hóa được một dải rộng nhiên liệu cung cấp bao gồm những nhiên liệu sinh học hạng thấp và chất thải như bùn xỉ.Khơng khí được đốt nóng trước ở nhiệt độ cao sẽ làm lượng nhựa tạo ra thấp hơn, sản phẩm khí sinh ra cao hơn và giàu H2.
Năm 2005,Carlos đã nghiên cứu ra q trình khí hóa ở nhiệt độ cao cho phép khí hóa các loại vỏ cây, than gỗ, gỗ bào và gỗ dạng viên trong thiết bị khí hóa cấp khí từ trên xuống trong cơng nghệ hóa khí dạng mẻ.Khơng khí được đốt nóng trước, hơi nước và khơng khí là hỗn hợp được sử dụng làm mơi trường khí hóa. Khơng khí cấp vào được đốt nóng lên đến 830oC và giữ nhiệt độ trong vùng ơxy hóa của thiết bị khí hóa trên 1000oC, điều này sẽ thức đẩy mạnh q trình bẻ gãy keo-nhựa (tag) và làm cho nhiệt trị tăng lên từ 4,6 đến 7,3 MJ/Nm3.
Năm 2006, Yang đã khám phá cơng nghệ khí hóa với tác nhân ở nhiệt độ cao cho nhiên liệu hố khí là gỗ dạng viên trong lị khí hóa có lớp cố định dạng mẻ, cấp khí theo hướng dịng ngang
Singh (2006) đã tiến hành khí hóa vỏ hạt điều có cơng suất 1.500.000 kcal/h. Hiệu suất khí hóa đạt 70%, tốc độ khí hố 167 kg/m2h. Năng suất dịng khí sinh ra là 130 m3/h và nhiệt trị thấp là 1.081kcal/m3.Nhiên liệu khí hố sinh ra được sử dụng cấp nhiệt cho các lò
hơi dưới dạng đốt cháy trực tiếp hoặc đốt nóng khơng khí qua thiết bị trao đổi nhiệt để cấp tác nhân cho các thiết bị sấy nông sản, thực phẩm.
Hiện nay Mỹ, Canada, Trung Quốc, Ấn độ, Úc, Thụy Điển, ... là các quốc gia đạt được nhiều thành tựu trong nghiên cứu về công nghệ, thiết bị hóa khí liên tục, cũng như ứng dụng sản phẩm hóa khí vào đời sống cơng nghiệp đạt hiệu quả cao. Ở khu vực châu á Ấn Độ hiện là quốc gia có nhiều phát minh, cũng là đất nước đang sử dụng nhiều thành tưu của công nghệ hố khí từ ngun liệu sinh khối. Theo báo cáo của cơng ty AlKure Tại Ấn độ có tới 2000 hệ thống khí hố với dải cơng suất khí hố từ 3 ÷ 500kWe. Bang tây BENGAL (West Bengal) và
bang UTTAR PRADESH là hai bang có nhiều nghiên cứu và ứng dụng thành cơng cơng nghệ
hố khí này.
Trung Quốc, những năm gần đây cơng nghệ khí hóa cũng được phát triển mạnh ở nhiều tỉnh và đạt được nhiều thành tựu. Trong số các tỉnh triển khai cơng nghệ thì tại tỉnh An Huy là tỉnh có nhiều thành cơng nhất trong việc nghiên cứu và triển khai hệ thống khí hóa liên tục, ngun lý cấp khí từ trên xuống. Sản phẩm hóa khí có thể kết nối với tổ hợp phát điện công suất đầu ra 200 kWe.
2.2.2 ỞViệt Nam
Đối với trong nước, cơng nghệ hóa khí từ nhiên liệu sinh khối đã có mặt ở Việt Nam từ những năm trước 1975, đặc biệt trong hơn 10 năm đất nước vừa giải phóng, cả nước khan hiếm xăng, dầu. Trong thời gian này hầu hết trên các tuyến đường giao thông, các xe tải chở khách đã ứng dụng cơng nghệ hóa khí từ than củi (đây là loại nhiên liệu được đánh giá có nhiều ưu điểm nhất khi ứng dụng cơng nghệ hóa khí) để làm nhiên liệu cho các động cơ xe cải biên từ động cơ xăng. Do kỹ thuật hóa khí cịn sơ khai, đặc biệt là cơng nghệ lọc và xử lý khí gas cịn rất thơ sơ, nên chi sau một thời gian ngắn các động cơ bị hỏng hóc, các lái xe thường xuyên phải làm lại máy, làm phát sinh chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ, cao hơn so chi phí sử dụng nhiên liệu
dầu mỏ, do vậy cơng nghệ hóa khí sử dụng cho xe hơi và xe tải chấm dứt vào những năm 1991-
1994.
Cơng nghệ hố khí từ trấu cũng đã có một số tác giả nghiên cứu và đưa ra một số mơ hình buồng đốt, tuy nhiên các mơ hình buồng đốt mới chỉ ở dạng pilot, cơng suất bé, hóa khí
dưới dạng mẻ. Nổi bật trong những năm 1993 ÷ 1996, có tác giảBùi Trung Thành, Trung tâm
Nghiên cứu Cơ điện- Bộ Nông nghiệp công bố kết quả nghiên cứu và chuyển giao 10 buồng
đốt trấu hố khí với năng suất nhiệt là 160 ÷ 200.000 kcal/giờ ,cung cấp nhiệt trực tiếp cho các máy sấy nông sản dạng máy sấy tháp, năng suất sấy 5 tấn/mẻ cho Trung tâm Nghiên cứu Nông
35 nghiệp Đồng Tháp Mười, Nông trường Cờ đỏ tỉnh, Nông trường Sông Hậu tỉnh Cần Thơ. Kết quả nghiên cứu đã được nhận giải thưởng khoa học kỹ thuật thanh niên của Trung Ương Đoàn và Trung tâm khoa và cơng nghệ quốc gia năm 1995. Do lị hố khí được thiết kế theo ngun lý hóa khí dạng mẻ nên gặp hạn chế trong khâu nạp trấu vào lò và thải tro ra khỏi buồng. Để giải quyết vấn đề cấp nhiệt gián đoạn khi sấy, tác giả phải thiết kế và chế tạo hai lị hố khí và bố trí song song để đấu nối với tmáy sấy khi hết mẻ trấu. Các buồng đốt trấu hố khí này hoạt động liên tục được nhiều năm nhưng đến năm 2003 thì các ghi lị và vật liệu cách nhiệt bị hỏng, các nhà máy sấy ngưng bảo dưỡng và khơng cịn được bảo trì để sử dụng tiếp.
Hình 2.5: Buồng đốt trấu hố khí cấp cho máy sấy lúa liên tục kiểu tháp năng suất 5 tấn/giờcủa tác giảBùi Trung Thành công bố9.1993
Tháng 5/2010 một đề tài nghiên cứu thiết kế bếp đun gas trấu sử dụng cho hộ gia đình nơng thơn khu vực ngoại thành Tp. Cần Thơ của Trung tâm R&D Tech -trường Đại học Cơng Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh được Sở Khoa học & Cơng nghệ Tp. Cần Thơ xét duyệt cấp kinh phí thực hiện, hiện đề tài đang năm trong giai đoạn chế tạo, chưa cơng bố kết quả chính thức, tuy nhiên đề tài này chỉ nằm ở mức độ hố khídạng thơ, quy mơ nhỏ sử dụng trong gia đình.
Hình 2.6: Bếp đốt khí hóa trấu thửnghiệm của Trung tâm R&D Tech -Đại học Công nghiệp TP HCM công bố5-2010
Tháng 3/2010, Công ty cổ phần Vina Silic, công bố kết quả thử nghiệm loại bếp gas đun bằng trấu và than đá cho người nghèo, đặc biệt là vùng nơng thơn ĐBSCL. Bếp được áp dung cơng nghệ hóa khí bao gồm hai loại nhiên liệu trấu và than đá kết hợp, cho kết quả khả quan.
Hình 2.7: Các mẫu bếp đun trấu hóa khí của Cơng ty cổphần Vina Silic công bố tháng 3/2010
Ứng dụng trong sản suất quy mô công nghiệp:
-Ứng dụng trong sản suất gạch gốm tại lị gạch Tân Mai, ở Sa Đéc – Đồng tháp: Cơng ty TNHH Tân Mai – Sa Đéc đã nhập từ Ấn Độ 1 hệ thống tạo gas từ trấu có cơng suất từ 80-100 kg trấu/h từ giữa năm 2010. Hệ thống hoạt động khá ổn định và đáp ứng tốt cho kiểu lò gạch cấu trúc 4 buồng liên hồn. Kiểu lị đổi vịng này khắc
37 phục được tình trạng thải bụi khói gây ơ nhiễm mơi trường. Đặt biệt nhờ ứng dụng cơng nghệ khí hóa loại lị gạch 4 buồng này cho phép sản xuất gạch liên tục.
Hình 2.8: Thiết bị hóa khí cung cấp nhiệt cho lị gạch gốm Tân Mai tại Sa Đéc – Đồng Tháp
-Ứng dụng cơng nghệ khí hóa trong q trình sấy cao su:
Hiện nay hệ thống sấy cao su chủ yếu sử dụng nhiên liệu dầu DO hoặc gas LPG. Gần đây người ta đã ứng dụng cơng nghệ khí hóa sẽ cho phép thay thế cho nhiên liệu dầu DO hoặc LPG.
2.2 NGHIÊN CỨU VỀCƠNG NGHỆKHÍ HĨA
2.2.1 Tổng quan vềngun lý khí hóa
Q trình khí hóa: Các chất oxi hóa (khơng khí, khơng khí giàu oxy, oxy, hơi nước hoặc hyđrô) phản ứng với nhiên liệu ở nhiệt độ cao, kết quả của phản ứng nhiên liệu chuyển từ dạng rắn sang các dạng sản phẩm khác. Riêng trong các quá trình sản xuất năng lượng sẽ tạo ra hỗn hợp khí làm nhiên liệu hoặc các sản phẩm khác. Trong sản xuất điện năng thì kỹ thuật hóa khí sẽ tạo ra thành phần những khí có thể cháy được cung cấp cho động cơ hay turbine khí phát điện đồng thời sử dụng làm chất đốt. Vì vậy, tùy theo nhu cầu và ứng dụng sản phẩm hóa khí trong lĩnh vực nào thì yêu cầu về chất lượng và thành phần khí hóa cũng như độ phức tạp trong dây chuyền hóa khí cũng khác nhau. Hơn nữa, bản thân thành phần khí hóa được cũng phụ thuộc vào phương pháp, thiết bị
trong dây chuyền và tác nhân hóa khí. Ví dụ sơ đồ điển hình của cơng nghệ khí hóa sinh khối như sau:
Hình 2.9: Sơ đồmơ tảsản phẩm khí hóa từsinh khối và các ứng dụng
Hỗn hợp khí nhiên liệu: hình thành trong điều kiện nhiệt độ khí hóa thấp (dưới 10000C), thành phần khí gồm CO, H2, CH4, CxHy, benzene, toluene và keo nhựa (bên cạnh có CO2và H2O).
Sản phẩm khí sinh học tổng hợp: hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao hơn (trên 1200 0C) và sinh khối được chuyển hóa hồn tồn thành H2và CO (ngồi ra cịn có CO2và H2O). Sản phẩm khí sinh học tổng hợp được từ q trình hóa khí có chất lượng cao và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nhiên liệu hóa thạch.
Tóm lại, tùy vào loại nhiên liệu, q trình cơng nghệ và tác nhân khí hóa mà ta có thể thu được những hỗn hợp khí, thành phần chủ yếu là CO, CO2, H2, N2 với nhiệt trị khác nhau. Ví dụkhí nhiên liệu có nhiệt trịkhoảng: 9,6 6,7MJ/m3; cho tổng hợp: 5 6 MJ/m3; làm nhiên liệu cho luyện kim: 8,4 12,6 MJ/m3, khí metan tổng hợp: 25 38 MJ/m3... (cịn gọi là khí thiên nhiên tổng hợp).
Đứng vềthành phần khí sản phẩm, thường có các loại sau: - Khí nhiên liệu cho tổng hợp NH3 H2: N2= 3 : 1
với thành phần CO + CO2< 10 ppm
CH4< 0,5% thểtích - Khí nhiên liệu cho tổng hợp metanol H2: CO 2
(H2- CO2) : (CO + CO2) 2 - Khí nhiên liệu cho tổng hợp hóa học H2: CO = 1
- Khí nhiên liệu hydro cho hydro hóa H2= 95 98% CO + CO2< 200 ppm
39 N2+ CH4= 2 5%
- Nhiên liệu dạng khí cho luyện kim H2+ CO 95 98% ; H2: CO = 3,5
CO2+ H2) < 3%
(H2O) + CO2)100/ (H2+ CO + CO2+ H2O) = 5 10 - Khí nhiên liệu cho tổng hợp metan (H2+ CO2) / (CO + CO2) = 3 - Khí nhiên liệu cho tổng hợp cacbua hydro H2/ CO = 0,5 2
2.2.2 Các phản ứng trong q trình khí hóa
Trong một buồng đốt hóa khí, các nhiên liệu chứa carbon trải qua nhiều quá trình khác nhau:
-Quá trình nhiệt phân xảy ra khi nhiên liệu được nung nóng lên, chất dễ bay hơi thốt ra và than được giải phóng ra. Q trình này phụ thuộc vào tính chất, thành phần và cấu trúc của nhiên liệu sau đó sẽ trải qua các phản ứng khí hóa.
-Q trình đốt sinh ra các sản phẩm dễ bay hơi và than để sinh ra khí CO2và CO. - Q trình khí hóa xảy ra khi than phản ứng với CO2 và nước để sinh ra CO và H2 theo phản ứng: C + H2O H2+ CO.
-Ngồi ra, khí CO đạt cân bằng rất nhanh khi phản ứng với nước ởnhiệt độtrong buồng đốt hóa khí. Điều này làm cân bằng nồng độcủa khí CO, hơi nước, CO2và H2.
Về bản chất, một số lượng hạn chếoxy hoặc khơng khí được đưa vào buồng đốt hóa khí đểcho phép một sốcác nhiên liệu hữu cơ được đốt cháy đểsản xuất CO và năng lượng đểcác phản ứng liên tục sinh ra hydro và bổsung CO2.
Các phản ứng tỏa nhiệt :
(1) Phản ứng cháy: C + O2 CO2–401,9 kJ/mol (2) Phản ứng oxy hóa khơng hồn tồn: C + 1/2O2 CO
(3) Phản ứng Mêtan hóa: C + 2H2 CH4
(4) Phản ứng luân phiên khí – nước: CO2+ H2 CO + H2O –42,3 kJ/mol (5) Phản ứng Mêtan hóa từCO: CO+3H2 CH4+H2O –205,9 kJ/mol
Các phản ứng thu nhiệt
(6) Phản ứng C và hơi: C + H2O CO + H2+ 122,6 kJ/mol (7) Phản ứng Boudouard: C + CO2 2CO + 164,9 kJ/mol
Các phương trình (6), (7) là các phản ứng chính của quá trình khử, cho thấy rằng nhiệt lượng sẽ giảm xuống do phải cung cấp nhiệt cho phản ứng nên nhiệt độcủa dịng khí
hóa sẽ giảm dần trong suốt q trình khử. Phương trình (4) được gọi là phản ứng cân bằng khí – nước (phản ứng luân phiên khí – nước).
Về mặt lý thuyết, đối với mỗi nhiệt độ, tỉ số giữa sản phẩm của CO và H2O và sản phẩm của CO2 và H2 là cố định và bằng giá trị cân bằng khí – nước khơng đổi KWE.Trong thực tế, thành phần cân bằng của khí sẽchỉ đạt được trong trường hợp tốc độphản ứng và thời gian cho phản ứng là đủ.
Tốc độphản ứng sẽ giảm khi nhiệt độgiảm. Trong trường hợp cân bằng khí – nước, tốc độ phản ứng trởnên thấp dưới 7000C mà nó cân bằng thì được gọi là trạng thái “đơng lạnh – frozen”. Thành phần khí sau đó vẫn khơng thay đổi. Giá trị của KWE cho nhiệt độ khác nhau được đưa ra trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Nhiệt độphụthuộc vào trạng thái cân bằng nước -khí khơng đổi [7]
Nhiệt độ(0C) 600 700 800 900 1000
KWE 0,38 0,62 0,92 1,27 1,60
2.2.3 Các vùng làm việc chính trong q trình khí hóa
Theo [7] hóa khí là một q trình lý hóa phức tạp, nhiệt độcao nhất của q trình có thể tới 14000C tùy thuộc vào thiết bịhóa khí và một q trình hóa khí của ngun liệu sinh khối thực hiện trong các lị phản ứng sinh khí kiểu cổ điển có thể được phân chia thành từng giai đoạn như sau:
- Vùng sấy:nguyên liệu sinh khối được dùng để hóa khí có độ ẩm dao động từ5 ÷ 35 % khi được cho vào lò phản ứng sẽ đi qua vùng sấy. Nhiệt độ vùng sấy khoảng 100 ÷ 150oC. Ở vùng sấy không xảy ra bất kỳ quá trình phản ứng hay sự nhiệt phân nào của nguyên liệu sinh khối mà chỉxảy ra quá trình lấy đi lượng ẩm trong nhiên liệu. Nếu nguyên liệu đưa vào có lượng ẩm càng thấp thì thời gian sấy ngắn, q trình phản ứng hóa khí trong lị tốt hơn, hiệu suất hóa khí cao hơn.