Vùng xỉ
Vùng này chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò, nhiệt độ ở đây tương đối thấp, tuy nhiên oxy cũng có phản ứng với phần trấu còn lại trong xỉ khi còn nóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút ít. Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt để đi tiếp vào vùng cháy.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 36 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Quá trình cháy xảy ra khi thành phần chất bốc cháy và một số thành phần than phản ứng với oxy để tạo thành cacbon dioxide và khí cacbon monoxide, để cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa sau này.
Vật chất dễ bắt lửa của nhiên liệu rắn thường được bao gồm là những thành phần từ cacbon, hydro, oxi. Cacbon dioxide là sản phẩm nhận được từ quá trình đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, và nước là sản phẩm nhận được do đốt cháy hoàn toàn hydro, thường là hơi nước.
Phản ứng cháy là quá trình oxi hóa và tỏa nhiệt. Những phản ứng chính đó là:
C + 1/2O2 CO (123.1 MJ/kgmol) C + O2 CO2 (393.8 MJ/kgmol) 2H2 + O2 H2O ( -242 MJ/kgmol)
CO vừa tạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của khí để tạo ra CO2 2CO + O2 2CO2 ( +393 MJ/Kgmol)
Trong vùng này nhiệt tỏa ra mạnh, lượng nhiệt này dùng để cung cấp cho các phản ứng trong vùng khử và các vùng khác.
Vùng phản ứng (vùng khử)
Quá trình khí hóa xảy ra khi than phản ứng với cacbon dioxide và hơi nước để tạo ra khí cacbon monoxide và khí hydro thông qua các phản ứng.
Trong vùng này CO2, hơi nước đi từ vùng cháy và có thể tạo ra các phản ứng quan trọng ở vùng khử vì chính các phản ứng này tạo ra các khí dùng làm khí đốt hoặc dùng làm nhiên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO và H2) trong sản xuất phân đạm và các hóa chất khác… .
Các phản ứng:
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 37 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
C + H2O CO + H2 – Q2 (-122.6 MJ/kgmol) (2) CO + H2O CO2 + H2 – Q3 (+42 MJ/kgmol) (3) C + H2 CH4 (+75 MJ/kgmol) (4) CO2 + H2 CO + H2O (-42.3 MJ/kgmol) (5)
Trong đó, phản ứng (1) và (2) là quan trọng nhất và là phản ứng thu nhiệt, nên có khả năng làm giảm nhiệt độ của Gas, do đó nhiệt độ trong miền này chủ yếu khoảng từ 800oC đến 1000o
C, thấp hơn là từ 700oC đến 800o
C.
Ngoài ra, thành phần nước trong Gas mau chóng đạt đến trạng thái cân bằng và phản ứng ngược lại với Gas tại nhiệt độ trong thiết bị khí hóa. Phương trình (3) cho thấy cân bằng nồng độ của khí cacbon monoxide, hơi nước, cacbon dioxide, hydro.
Về bản chất, cho phép một số lượng hạn chế oxy hoặc không khí được đưa vào lò phản ứng để một số các vật liệu hữu cơ được “đốt cháy” sản xuất khí cacbon monoxide và năng lượng, ở đây diễn ra một sự phản ứng lần thứ hai mà tại đó có sự chuyển đổi nhiều hơn nữa chất hữu cơ để bổ sung thêm khí hydro và cacbon dioxide.
Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp hơn khí ở vùng khử do nhiệt phải cấp cho các phản ứng khử.
Vùng bán cốc (nhiệt phân)
Ở vùng này, nhiệt độ cung cấp khoảng 500oC đến 700oC.
Quá trình nhiệt phân xảy ra khi các vật liệu chứa nhiều cacbon được gia nhiệt. Chất dễ bay hơi được giải phóng và than được tạo ra, dẫn đến khối lượng vật liệu giảm 70% và tạo thành than. Quá trình này phụ thuộc vào tính chất của vật liệu cacbon, cấu trúc và thành phần của các loại than, mà sau đó sẽ tiếp tục trải qua các phản ứng khí hóa.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 38 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Ở nhiệt độ lên đến 200oC chỉ có hơi nước bay hơi. Từ 200 – 280oC thì CO2, CH3COOH và nước bốc ra. Quá trình nhiệt phân thực sự xảy ra ở 280 – 500o
C, sinh ra lượng hắc ín và khí CO2. Bên cạnh hắc ín, CH3OH cũng được tạo thành. Từ 500 – 700o
C khí sinh ra ít và có chứa H2. Phương trình tổng quát:
CnH2n+2 CmH2m + CqH2q+2 CnH2n+2 CqH2q+2 + H2
Nếu nhiên liệu dùng cho khí hóa là các loại trấu, than biến tính thấp (như than nâu, than bùn…) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân hủy chứa nhiều hydrocacbon và khí CO2…. Kết quả là khí sản phẩm không chỉ chứa CO, H2, CO2 mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác và sản phẩm khí này chỉ thuận lợi dùng làm nhiên liệu chứ không thuận lợi cho các quá trình tổng hợp hóa học.
Nếu nguyên liệu dùng cho quá trình khí hóa là than antraxit thì sẽ cho sản phẩm khí CO, H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học như tổng hợp methanol, biogas….
Vùng sấy
Trong vùng này, nhiên liệu được sấy trước khi khí hóa, nguyên liệu đưa vào có độ ẩm từ 10 – 30%. Nhiệt độ nhiên liệu miền sấy khoảng 100 – 150oC, là nơi trao đổi nhiệt giữa Gas và nhiên liệu cháy.
Một số axit hữu cơ đi ra ngoài trong suốt quá trình sấy, những axit đó có khả năng làm tăng sự ăn mòn trong những điều kiện khí hóa.