Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, SẤY VÀ CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA SINH KHỐI
2.4.2. Công nghệ khí hóa sinh khối
2.4.2.4. Phân loại thiết bị khí hóa
a. Phân loại theo môi chất sử dụng để khí hóa
Thiết bị khí hóa sử dụng không khí làm môi chất. Loại hình thiết bị khí hóa này sử dụng không khí để cung cấp cho quá trình khí hóa. Tuy nhiên không khí chứa tới 79% Nitơ nên sản phẩm khí tạo thành có nhiệt trị thấp. Thường khoảng 4-6 MJ/Nm3.
Thiết bị khí hóa sử dụng ôxy làm môi chất. Với thiết bị khí hóa loại này, do không tồn tại một lượng lớn Nitơ trong sản phẩm khí nên sản phẩm khí có thể có chất lượng cao hơn với nhiệt trị lớn hơn (12-15 MJ/m3 tc).
Thiết bị khí hóa sử dụng hơi nước làm môi chất. Thiết bị khí hóa dạng này sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để cung cấp cho quá trình khí hóa hoặc có thể có vùng cháy riêng biệt với vùng khí hóa. Hơi nước làm môi chất có thể làm tăng hàm lượng H2 trong sản phẩm khí và cho sản phẩm khí chất lượng cao (12-15 MJ/m3 tc).
b. Phân loại theo hình thức cung cấp nhiệt cho hóa trình khí hóa
Thiết bị khí hóa kiểu trực tiếp. Nhiệt cung cấp cho quá trình khí hóa là lấy từ chính quá trình cháy một phần nhiên liệu sinh khối.
Thiết bị khí hóa kiểu gián tiếp. Nhiệt cung cấp cho quá trình khí hóa lấy từ nguồn bên ngoài thông qua các bộ trao đổi nhiệt hoặc từ một quá trình cháy riêng rẽ.
c. Phân loại theo áp suất của thiết bị khí hóa
Thiết bị khí hóa áp suất thường. Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất không khí bình thường.
GVHD: GS.TS. Lê Chí Hiệp HVTH : Đặng Văn Bên Thiết bị khí hóa áp suất cao. Quá trình khí hóa diễn ra ở áp suất cao.
d. Phân loại theo quy trình làm việc của thiết bị khí hóa
* Thiết bị khí hóa kiểu lớp cố định - Thiết bị khí hóa ngược chiều
Đây là loại hình thiết bị khí hóa đơn giản nhất với nguyên lý hoạt động chỉ ra trên hình 2.13.
Hình 2.13. Thiết bị khí hóa kiểu ngược chiều [18]
Nhiên liệu sinh khối được cấp vào từ trên và đi dần xuống dưới theo quá trình khí hóa và loại bỏ tro ra khỏi thiết bị khí hóa. Không khí được cấp vào từ dưới và đi dần lên trên theo quá trình phản ứng và sản phẩm khí được lấy ra ở phía trên thiết bị khí hóa.
Dòng đi của khí và của nhiên liệu như vậy sẽ ngược chiều nhau và các vùng sấy, nhiệt phân, hoàn nguyên và cháy sẽ được sắp xếp từ trên xuống dưới như hình 2.13.
Ưu điểm của loại thiết bị khí hóa này là đơn giản, dễ cháy kiệt, khí ra có nhiệt độ thấp do trao đổi nhiệt với nhiên liệu sinh khối và do đó hiệu quả khí hóa khá cao.
Do trao đổi nhiệt trực tiếp ở bên trong nên cho phép nhiên liệu cấp vào có độ ẩm cao hơn (tới 60%).
Loại thiết bị khí hóa này còn cho phép nhiên liệu cấp vào có độ khác biệt kích thước lớn do đó rất thuận tiện trong sử dụng.
Nhược điểm lớn nhất của loại thiết bị khí hóa này là hàm lượng tar cao do sản phẩm khí nhiệt phân không được đốt cháy. Thiết bị khí hóa này phù hợp cho việc sử dụng sản phẩm khí để cấp nhiệt trực tiếp trong đó tar có thể đốt cháy một cách đơn giản. Đối với những ứng dụng để chạy động cơ thì cần có thêm thiết bị khử tar rất phức tạp.
GVHD: GS.TS. Lê Chí Hiệp HVTH : Đặng Văn Bên - Thiết bị khí hóa thuận chiều
Trong thiết bị khí hóa này thì nhiên liệu cấp vào từ phía trên và không khí vào cũng từ phía trên. Sản phẩm khí ra ở phía dưới ghi lò. Nhiên liệu và khí như vậy đi cùng chiều nhau. Các vùng được sắp xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới là sấy, nhiệt phân, cháy và hoàn nguyên như trên hình 2.14
Hình 2.14. Thiết bị khí hóa thuận chiều [18]
Sản phẩm khí sau khi nhiệt phân được đưa qua vùng cháy có nhiệt độ cao có thể làm giảm được tar trong sản phẩm khí.
Ưu điểm lớn nhất của loại hình khí hóa dòng thuận chiều là có hàm lượng tar trong sản phẩm khí rất thấp (<100mg tar/m3tc) thuận tiện cho các ứng dụng để chạy động cơ.
Nhược điểm của thiết bị khí hóa dòng thuận chiều là hàm lượng tro, bụi trong sản phẩm khí cao do nó được lấy ra từ vùng cháy và vùng hoàn nguyên là vùng có chứa nhiều hạt tro, bụi cỡ nhỏ. Lượng tro, bụi này sẽ tăng lên khi thiết bị vận hành ở phụ tải cao và giảm đi khi vận hành ở phụ tải thấp. Tuy nhiên khi vận hành ở phụ tải thấp, nhiệt độ thấp ở vùng cháy sẽ làm giảm hiệu suất cracking tar và làm tăng hàm lượng tar trong sản phẩm khí. Hiệu suất khí hóa của thiết bị cũng giảm thấp do sản phẩm khí có nhiệt độ cao khi lấy ra ở vùng hoàn nguyên. Các điều kiện vận hành và chất lượng nhiên liệu cấp vào cũng đòi hỏi cao hơn về độ ẩm, và độ đồng đều kích thước hạt so với thiết bị khí hóa dòng ngược chiều.
- Thiết bị khí hóa kiểu đi ngang
Thiết bị khí hóa dạng này được thiết kế chủ yếu cho than củi. Khí hóa than củi có thể tạo ra vùng nhiệt độ rất lớn (>15000C) có thể gây khó khăn về vấn đề vật liệu chế tạo. Hình 2.15 mô tả thiết bị khí hóa kiểu dòng ngang.
GVHD: GS.TS. Lê Chí Hiệp HVTH : Đặng Văn Bên Hình 2.15. Thiết bị khí hóa kiểu đi ngang [18]
Trong thiết bị khí hóa kiểu dòng đi ngang, không khí được cấp vào trung tâm của lớp nhiên liệu và tạo ra vùng tâm cháy ở giữa mà bao quanh là vùng nhiệt phân, vùng hoàn nguyên, vùng sấy và tro hình thành một lớp cách nhiệt giữa tâm cháy và vỏ thiết bị để bảo vệ vật liệu chế tạo thiết bị khí hóa.
*Thiết bị khí hóa kiểu lớp sôi
Trong các thiết bị khí hóa kiểu lớp sôi, nhiên liệu sinh khối cấp vào lò và làm việc theo nguyên lý lớp sôi. Thông thường do sinh khối là vật liệu khó sôi nên các vật liệu hỗ trợ được đưa vào lò để duy trì trạng thái sôi của thiết bị khí hóa. Vật liệu sôi sử dụng có thể là cát quartz, cát silic, đá vôi, dolomit, olivine,... để có thể vừa hỗ trợ sôi vừa với mục đích khác như giảm SOx, giảm tar, tránh tình trạng kết khối của tro...
Khí cấp vào lớp sôi có thể sử dụng là oxy, không khí hoặc hơi nước tùy theo mục đích khí hóa và phải được điều chỉnh để vừa đảm bảo tốc độ sôi cần thiết và tỷ lệ khí-nhiên liệu cần thiết cho quá trình khí hóa.
Ưu điểm chính của các thiết bị khí hóa kiểu lớp sôi là:
+ Khả năng trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong lớp sôi cao nên tốc độ phản ứng cao.
+ Nhiệt độ đồng đều trong toàn lớp sôi không có điểm nóng đặc biệt cao.
GVHD: GS.TS. Lê Chí Hiệp HVTH : Đặng Văn Bên + Có thể đáp ứng nhiều loại nhiên liệu và cho phép thay đổi đặc tính nhiên liệu như độ ẩm và tro. Có thể đáp ứng với các vật liệu hạt nhỏ, nhẹ, độ tro cao và khối lượng riêng nhỏ.
+ Nhiệt độ tro thấp có thể chấp nhận được do thiết bị cho phép hoạt động ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Nhược điểm chính của thiết bị khí hóa lớp sôi là:
+ Hàm lượng tar và tro bụi trong sản phẩm khí lớn.
+ Nhiệt độ sản phẩm khí cao + Cháy không hoàn toàn + Vận hành phức tạp
+ Tiêu hao năng lượng cho việc cấp khí để đảm bảo duy trì trạng thái sôi.
+ Có 2 loại chính của thiết bị khí hóa kiểu lớp sôi:
- Thiết bị khí hóa lớp sôi bọt
Mô hình thiết bị khí hóa kiểu sôi bọt (bubling fluidized bed gasifier) được chỉ ra trên hình 2.16.
Hình 2.16. Thiết bị khí hóa lớp sôi bọt [18]
Trong mô hình thiết bị khí hóa này, không khí được cấp vào từ đáy thiết bị đủ để duy trì trạng thái sôi bọt của lớp vật liệu sôi đồng thời để đảm bảo tỉ lệ khí-nhiên liệu cần thiết cho quá trình khí hóa.
Trong thiết bị khí hóa kiểu sôi bọt, ranh giới giữa lớp sôi và vùng tự do tương đối rõ ràng. Tro tạo thành có thể thải ra ngoài theo đường tro bay được phân tách với sản phẩm khí sử dụng cyclone. Trừ trấu và một số phụ phẩm nông nghiệp thường có hàm lượng tro cao cần thải tro theo cách đặc biệt, phần lớn các nhiên liệu sinh khối khác có thể thải tro qua đường tro bay.
GVHD: GS.TS. Lê Chí Hiệp HVTH : Đặng Văn Bên - Thiết bị khí hóa lớp sôi tuần hoàn
Trong mô hình thiết bị khí hóa này, khí cấp vào từ đáy thiết bị ở tốc độ cao đủ để lớp vật liệu sôi ở trạng thái sôi mạnh thổi các hạt vật liệu và nhiên liệu ra buồng khí hóa đến cyclone. Tại đây, các hạt vật liệu sôi và nhiên liệu được tách ra khỏi dòng khí và đưa trở lại buồng khí hóa qua hệ thống tái tuần hoàn.
Hình 2.17. Thiết bị khí hóa lớp sôi tuần hoàn [18]
Trong thiết bị khí hóa kiểu lớp sôi tuần hoàn, không có bề mặt phân cách giữa vùng tự do và vùng vật liệu sôi. Thiết bị này có khả năng cháy kiệt tốt hơn thiết bị khí hóa kiểu sôi bọt.
2.4.2.5. Lƣợng không khí yêu cầu cho sự khí hóa trấu [14]
Lượng không khí cần thiết cho đốt trấu thông thường là từ 4.3 ÷ 4.7 kg không khí/1kg trấu, không khí cần thiết cho việc khí hóa chiếm tỉ lệ từ 30 ÷ 40% của đốt trấu thông thường.
2.4.2.6. Những thông tin cơ bản về khí hoá trấu [14]
- Tỉ lệ tương đương tối ưu cho một buồng đốt khí hoá là 0.32.
- Sự hình thành rãnh xuất hiện trong lớp trấu bên trong buồng đốt khí hóa tại vận tốc 8.5 ÷ 9 cm/s và từ 20 ÷ 23 cm/s cho than trấu.
- Nhiệt độ hoạt động bình thường cho buồng đốt khí hoá từ 700÷ 10000C.
- Phần còn lại thu được từ buồng đốt khí hóa sau khi khí hoá là khoảng 30 đến 40% thể tích ban đầu hoặc 25 ÷ 35% khối lượng ban đầu.
- Hiệu suất khí hoá trấu trong khoảng từ 55.8 ÷ 66.5 %.
- Làm mát gas trong suốt quá trình khí hoá trấu sẽ là nguyên nhân hắc ín ngưng tụ.
- Nguyên liệu có độ ẩm trên 30% cần được xử lý trước khi đưa vào buồng đốt.
- Tỉ lệ khí hoá trấu thay đổi từ 110 ÷ 210 kg/m2.h.