a. Đặc điểm
Trong công nghệ này, có nhiều kiểu khí hóa khác nhau như Downdraft, Crossdraft, Updraft. Mỗi kiểu có ưu và nhược điểm, tùy mục đích sử dụng khác nhau. Đồng thời các kiểu cũng khác nhau về cách bố trí nhiên liệu, hướng khí vào và ra… tuy nhiên tất cả đều có các vùng cơ bản là vùng xỉ, vùng cháy, vùng khử ( vùng tạo ra sản phẩm khí hóa – phản ứng), vùng bán cốc (vùng nhiệt phân), vùng sấy.
b. Ưu điểm chung của quá trình khí hóa tầng cố định
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 dưới càng nóng. Phương pháp khí hóa tầng cố định có thể sử dụng được tất cả các loại nhiên liệu ban
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 30 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng đến chất lượng khí. Nhiên liệu đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc có lượng ẩm và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng khử, vùng cháy, nhiên liệu vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng sản phẩm khí ở đây vẫn tốt.
Chính vì phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than, từ than non đến than già, kể cả các loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro).
Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hydrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt. Mất mát cacbon theo 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.
c. Nhược điểm chung của quá trình khí hóa tầng cố định
Phương pháp này 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 quá trình không cao.
Do đặc điểm của công nghệ khí hóa là tạo nhiều sản phẩm lỏng như hydrocacbon, dầu, nhựa, phenol… và sản phẩm khí có chiếm lượng CH4, CxHy lớn nên quá trình phân riêng và xử lý khí hóa phức tạp.
d. Các kiểu khí hóa tầng cố định
Khi có sự tương tác của không khí hoặc oxi và sinh khối trong thiết bị khí hóa, chúng được phân loại theo lối đi của không khí hoặc oxi thì có 3 loại.
Khí hóa kiểu Downdraft
Kiểu không khí cấp từ trên xuống xuyên qua lớp nhiên liệu của buồng phản ứng.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 31 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đối với kiểu Downdraft, kiểu này thường dùng cho các hộ gia đình hoặc qui mô sản xuất nhỏ do dễ thiết kế và sử dụng, có khả năng tạo khí không khói.
Hiện nay, về mặt dân dụng, người ta có xu hướng thiết kế bếp không khói để sử dụng không ảnh hưởng môi trường và con người.
Kiểu này các vùng sẽ sắp theo thứ tự từ trên xuống:
Vùng sấy - vùng bán cốc - vùng khử - vùng cháy - vùng xỉ
Hình 2.2: Khí hóa kiểu Downdraft
Không khí được đưa vào từ trên xuống hoặc đưa trực tiếp vào vùng cháy, Gas được lấy từ phía dưới, do đó nhiên liệu và không khí đi cùng chiều. Trên đường đi xuống, những thành phần nhựa phải xuyên qua lớp than nóng vì thế được chuyển thành CO, CO2, H2, CH4.
Các vùng chủ yếu được gia nhiệt nóng bởi bức xạ (và một phần đối lưu) nhiệt từ vùng đốt, nơi mà một phần của than bị cháy. Khi đốt nhiệt phân cũng xuyên qua khu vực này và cũng được đốt cháy. Mức độ mà các khí nhiệt phân được đốt cháy nhiều hay ít phụ thuộc vào thiết kế, nhiên liệu sinh khối cấp và các kỹ năng của người vận hành. Sau khi quá trình oxy hóa thành phần chính, phần còn lại là than và những sản phẩm cháy là cacbon dioxide và hơi nước đi xuyên qua vùng chuyển
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 32 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
hóa, ở đây diễn ra các phản ứng hình thành khí CO và H2. Do đó ưu điểm chính của hệ thống khí hóa cấp khí từ trên xuống là việc sản xuất ra một lượng khí đốt với nồng độ hắc ín tương đối thấp, có thể ứng dụng phù hợp cấp khí đốt cho các động cơ.
Tùy thuộc vào nhiệt độ ở vùng cháy và thời gian lưu của khói mà lượng hắc ín bị phân hủy nhiều hay ít. Đồng thời, không phải tất cả khí đốt đều đi qua vùng nóng nhất, và thời gian lưu trú của chúng tại khu vực cháy có thể là quá ngắn do đó có thể lượng hắc ín vẫn còn khá cao.
Ưu điểm:
- Thiết kế dễ dàng
- Sản xuất lượng khí tương đối sạch
Nhược điểm:
- Hạn chế trên 1 số loại nhiên liệu và so với Updraft thì hiệu suất Gas thấp hơn
Khí hóa kiểu Crossdraft
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 33 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Được thiết kế như Downdraft, nhưng không khí không đi song song nhiên liệu từ trên xuống mà là đi bên cạnh.
Thùng tro, lửa và các vùng trong Crossdraft là riêng biệt.
Trong lò, nhiệt độ có thể lên đến 1200oC, chính vì vậy mà thành phần khí có CO cao mà H2 thấp.
Ưu điểm:
- Hiệu suất cao, gọn nhẹ.
- Thời gian khởi động nhanh hơn so với Downdraft và Updraft (5 – 10phút). Nhược điểm
- Do đặc điểm thiết kế nên hạn chế sử dụng các loại nhiên liệu như những nhiên liệu có độ tro thấp như gỗ, than củi, than cốc.
- Kết cấu phức tạp Khí hóa kiểu Updraft
Hình 2.4: Khí hóa kiểu Updraft
Các vùng kiểu này cũng sắp theo thứ tự như kiểu Downdraft, sinh khối thì được cấp ở trên cùng của lò phản ứng và di chuyển xuống dưới, đó là kết quả của
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 34 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
việc chuyển đổi sinh khối và sản phẩm thải ra tro. Không khí được lấy từ các cửa hút gió ở dưới đáy và khí đốt được thoát ra ở trên, sinh khối di chuyển ngược chiều với dòng khí đốt, băng xuyên qua vùng sấy, vùng nhiệt phân, vùng khử và vùng đốt của thiết bị khí hóa. Trong miền sấy sinh khối được sấy khô.Trong miền nhiệt phân sinh khối được tách ra hai thành chất bốc và chất rắn than. Nhiệt cấp cho vùng nhiệt phân và miền sấy khô thì chủ yếu được gia nhiệt bởi luồng khí đi lên và nhiệt bức xạ bởi vùng cháy của thiết bị khí hóa.
Nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện quá trình khí hóa. Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu bằng con đường đối lưu.
Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt trấu giảm dần vì trấu đã tham gia vào các phản ứng phân hủy nhiệt, phản ứng khử, phản ứng cháy. Hàm lượng cacbon còn lại trong xỉ còn lại tương đối ít. Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2, H2O lại cao do khí vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với trấu.
Trong miền chuyển hóa có nhiều phản ứng xảy ra liên quan đến than, cacbon dioxide và hơi nước, trong đó cacbon được chuyển đổi, khí cacbon monoxide và hydro được sản xuất như là các thành phần chính của sản phẩm khí đốt. Trong vùng đốt thành phần chính là than, than được đốt cung cấp nhiệt, lượng khí cacbon dioxide và hơi nước cung cấp cho các phản ứng liên quan đến vùng chuyển hóa.
Hiện nay Updraft được sử dụng nhiều trong công nghiệp do sau khi thu khí có thể thu thêm phần sản phẩm không mong muốn để dùng cho tổng hợp các chất hữu cơ khác.
Những ưu điểm lớn của khí hóa kiểu này là đơn giản, đốt than khoáng thải ra để sinh nhiệt trao đổi với nhiên liệu bên trong, dẫn đến nhiệt độ khí đốt ra tương đối thấp, hiệu suất khí hóa tương đối cao. Do nhiên liệu bên trong được trao đổi nhiệt với nên nhiên liệu được sấy khô tới phía trên cùng của thiết bị khí hóa và do đó nhiên liệu với độ ẩm cao (lên tới 60% wb) cũng có thể được sử dụng để khí hóa. Hơn nữa kiểu thiết bị khí hóa này thậm chí có thể sử dụng với nhiên liệu hạt có kích
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 35 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
thước tương đối nhỏ và chấp nhận sự thay đổi với kích thước của nhiên liệu (dải kích thước nhiên liệu được sử dụng rộng).
Hạn chế chính của thiết bị này là sản sinh ra lượng hắc ín và sản phẩm nhiệt phân sinh ra quá cao, bởi vì nhiệt phân thì khí đốt không được đốt cháy. Điều này không quan trọng lắm nếu khí được sử dụng để cấp nhiệt trực tiếp, trong đó hắc ín được cháy dễ dàng và cấp thêm một lượng nhiệt đáng kể. Còn trong trường hợp khí đốt được sử dụng cho động cơ, máy phát điện thì khí đốt này yêu cầu phải sạch.
Ưu điểm:
- Đơn giản.
- Hiệu suất cao.
- Thích hợp với nhiều loại nhiên liệu. Nhược điểm
Trong quá trình nhiệt phân hóa chất, hắc ín, các loại dầu được sinh ra và trở thành một phần của Gas. Hạn chế này ảnh hưởng rất lớn đến việc ứng dụng của khí hóa Updraft.
Như vậy, trong các kiểu khí hóa trấu, mỗi kiểu có ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên kiểu khí hóa trấu Updraft có ưu điểm hơn kiểu Downdraft và Crossdraft. Trong bài khóa luận này, chúng em xin được đề cập về khí hóa trấu kiểu Updraft.