Nghiên cứu xây dựng mô hình động học giả cân bằng cho quá trình khí hóa các loại vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sôi

THÂN NGỌC TRUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------

Thân Ngọc Trung
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN
BẰNG CHO Q TRÌNH KHÍ HĨA CÁC LOẠI VẬT LIỆU
SINH KHỐI TRONG THIẾT BỊ KHÍ HĨA TẦNG SƠI

KỸ THUẬT HĨA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

KHÓA 2011B
Hà Nội – Năm 2013


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... I
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................III
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.................................................................................... V
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. IX

PHẦN I: TỔNG QUAN ..............................................................................................1
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠNG
NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Q TRÌNH
KHÍ HĨA .................................................................................................................1
CHƯƠNG 2. CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI ............4
CHƯƠNG 3. KHÁI QT VỀ CÁC DẠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ỨNG
DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI KHÍ HĨA ...................16
3.1. Mơ hình hệ thống q trình (PSM) .............................................................16
3.2. Tính tốn thủy động lực học dịng chảy (CFD) ..........................................18
3.3. Mục tiêu của nghiên cứu .............................................................................19
PHẦN II. MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM...................20
CHƯƠNG 4. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG CHO
LỚP TẦNG SƠI ....................................................................................................20
CHƯƠNG 5. MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC GIẢ CÂN BẰNG....................................22
5.1. Nhiệt phân ...................................................................................................23
5.2. Phản ứng Than-khí ......................................................................................28
5.3. Phản ứng pha khí .........................................................................................29
5.4. Quy trình tính tốn ......................................................................................31

I


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
CHƯƠNG 6. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ Q TRÌNH KHÍ HĨA SINH KHỐI
TRONG HỆ THỐNG DFB ...................................................................................34
CHƯƠNG 7. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................38
7.1 So sánh các kết quả mơ hình với dữ liệu thí nghiệm ...................................38
7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ hơi nước ...................................................41
7.3 Điều kiện hoạt động hiệu quả của các khí tổng hợp cho phát điện ..............53

CHƯƠNG 8. KẾT LUẬN .....................................................................................56
PHẦN 3. TỔNG KẾT VÀ KẾT LUẬN CỦA NGHIÊN CỨU ................................58
3.1. KẾT LUẬN.....................................................................................................58
3.2. HẠN CHẾ VÀ ĐỊNH HƯỚNG CHO NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG
TƯƠNG LAI..........................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................60

II


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu
xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại vật
liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi” được hoàn thành dưới sự hướng
dẫn của TS. Nguyễn Đặng Bình Thành – Bộ mơn Máy và Thiết bị Cơng nghiệp
Hóa chất – Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi
xin cam đoan, luận văn không sao chép nội dung từ bất kỳ một luận văn thạc sỹ
hoặc luận án tiến sỹ nào khác.

Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2013

Người viết

Thân Ngọc Trung

III

Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
LỜI CẢM ƠN


Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Đặng Bình Thành, Bộ mơn
Máy và Thiết bị Cơng nghiệp Hóa chất đã tận tình hướng dẫn về chun môn,
phương pháp nghiên cứu và tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện
đề tài.
Xin gửi lời trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học và
các thầy, cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình
dạy dỗ, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành các nội dung học tập và
thực hiện đề tài thuận lợi.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, và các bạn
cùng lớp Cao học Kỹ thuật Hóa học 2011 - 2012 đã giúp đỡ và động viên tôi trong
thời gian học tập và quá trình làm luận văn.

Hà Nội, ngày 26 tháng 3 năm 2013

IV


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Latin
cp

kJ/kmol-K

Nhiệt dung riêng mol phân tử

Cp

kJ/kg-K

Nhiệt dung riêng

E non

1/K

Hệ số không cân bằng nhiệt động học

∆GT0

kJ/kmol

Năng lượng tự do Gibbs tiêu chuẩn

H biomass

kg/hr

Nhiệt thay đổi của sinh khối tại điều kiện đầu vào

H char

kg/hr

Nhiệt thay đổi của than chưa phản ứng tại đầu ra
khí hóa

H demand

kJ/hr

Lượng nhiệt cần thiết

H g,in

kJ/hr

Lượng nhiệt đi vào lị khí hóa

H g,out

kJ/hr

Lượng nhiệt ra khỏi lị khí hóa

H loss

kJ/hr

Nhiệt thất thốt ra ngồi mơi trường

H steam

kJ/hr

Lượng nhiệt thay đổi của hơi nước

∆H 0f

kJ/kmol

Enthalpy tại điều kiện chuẩn

ΔH C

MJ/hr

Lượng nhiệt đốt cháy của khí sản phẩm

K

-

Hằng số cân bằng nhiệt động học

K*

-

Hằng số cân bằng đã hiệu chỉnh

LHV biomass kJ/kg

Giá trị nhiệt trị thấp của sinh khối

LHV product MJ/Nm3

Giá trị nhiệt trị thấp của khí sản phẩm

LHV char

kJ/kg

Giá trị nhiệt trị thấp của than

n

kmol/hr

Lưu lượng mol

Q bomass

kg/hr

Lưu lượng sinh khối vào

V


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

QC

kg/hr

Lượng carbon trong sinh khối

Q char

kg/hr

Lượng carbon chưa phản ứng

Q C,convert

kg/hr

Lượng carbon đã chuyển hóa sang khí sản phẩm

Q C,fixed

kg/hr

Lượng carbon cố định trong sinh khối

Q product

Nm3/hr

Lưu lượng khí sản phẩm

r add

kg/kg

Tỷ lệ bổ sung sinh khối

r cir

kg/kg

Tỷ lệ hạt rắn (cát) tuần hồn

R

kJ/kmol-K

Hằng số khí

T

K

Nhiệt độ khí hóa

T riser

K

Nhiệt độ lị đốt

UC

kg/MJ

Hệ số giá cả đơn vị

V yield

Nm3/kg-

Sản lượng khí sản phẩm

biomass
x

-

Thành phần khối lượng

y

-

Thành phần mol

γ

kg/kg

Tỷ lệ hơi nước trên sinh khối

ε

kmol

Hệ số cấu tử phản ứng

κ

-

Hệ số không cân bằng

ηe

-

Hệ số thu hồi nhiệt

ϕ

-

Tỷ lệ thành phần

φC

-

Độ chuyển hóa carbon

Kí kiệu Hy Lạp

VI


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

φ char

-

Than dư

ν

-

Số tỷ lượng

i

-

Chỉ số cấu tử

j

-

Chỉ số phản ứng

Subscripts

VII


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 5.1. Thành phần khí nhiệt phân (% thể tích) [21]……………………………………….
Bảng

5.2.

Tỉ

lệ

của

CO

và

CH 4

tạo

thành

(ϕ CO

25

và 26

ϕ CH )………………………………………
Bảng 7.1. Thành phần hóa học của sinh khối ở thân cây họ đậu và điều kiện
tiến hành thí nghiệm………………………………………………………………………………………………….

39

Bảng 7.2. Thành phần hóa học của gỗ thơng………………………………………………………… 41
Bảng 7.3. Điều kiện tiến hành thí nghiệm và các thông số nghiên cứu……………... 42
Bảng 7.4. Đánh giá điều kiện làm việc của mơ hình khí hóa gỗ thơng bằng
yếu tố hơi nước cho thiết bị khí hóa kiểu tầng sơi tổ hợp (DFB) với cơng suất
1.8 MW tại ba điểm làm việc đáng lưu ý trong Hình 7.14…………………………………..

VIII

47


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại

vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Độ tăng mức độ tiêu thụ năng lượng tồn cầu (2001-2005) [3]……

2

Hình 1.2. Cơng nghệ khí hóa và ứng dụng của sản phẩm khí tổng hợp…………..

3

Hình 2.1. Phân loại các kiểu khí hóa……………………………………………………………………

4

Hình 2.2. Các giai đoạn trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dịng hướng
lên (updraft) [12]…………………………………………………………………………………………………….

5

Hình2.3. Thiết bị khí hóa tầng sơi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao (HTW)
[12]……………………………………………………………………………………………………………………………

7

Hình 2.4. Thiết bị khí hóa tầng sơi tuần hồn [12]…………………………………………….

8

Hình 2.5. Thiết bị khí hóa tầng sơi kiểu tổ hợp (CFB và BFB) [11, 14]………...

9

Hình 2.6. Thiết bị khí hóa tầng sơi ghép đơi……………………………………………………....

11

Hình 2.7. Minh họa q trình khí hóa trong thiết bị DFB[59]………………………….

12

Hình 2.8. Sự cuốn hạt trong lị khí hóa dịng lơi cuốn……………………………………....

13

Hình 2.9. Hai kiểu chính của lị khí hóa dịng lơi cuốn [12]…………………………..

14

Hình 2.10. Một thiết bị khí hóa dịng cuốn theo kiểu top-fed downflow [12]

15

Hình 4.1. Ngun tắc xây dựng mơ hình của thiết bị tầng sơi tổ hợp dùng
cho khí hóa than………………………………………………………………………………………………………

20

Hình 5.1. Cấu trúc của mơ hình giả cân bằng ba giai đoạn cho khí hóa sinh

khối.……………………………………… .………………………………………………………………………………….

22

Hình 5.2. Thành phần tỷ lệ của CO và CH 4 (ϕ CO và ϕ CH ) tại những nhiệt độ
khác nhau: (a) ϕ CO khi nhiệt độ thay đổi; (b) ϕ CH khi nhiệt độ thay đổi.………..
Hình 5.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí hóa (T) tới hằng số cân bằng (K) và

IX

27


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

hệ số khơng cân bằng (κ) của phản ứng khí-hơi nước: (a) K với T; (b) κ với
T ……………………………………………………………………………………………………………………………….

30

Hình 7.1. Thành phần khí sản phẩm tại những T và γ khác nhau khi so sánh
với số liệu thí nghiệm [65]: (a) Thành phần khí sản phẩm so với T; (b)
Thành phần khí sản phẩm so với γ.............................................................................................................

39

Hình 7.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ T tới độ chuyển hóa carbon (ϕ C ), than dư
(ϕ char )

và

lưu

lượng

khí

sản

phẩm

(V yield )

tại

γ

=

43

0.3………………………………………….
Hình 7.3. Ảnh hưởng của T tới thành phần khí sản phẩm tại γ = 0.3……………..

44

Hình 7.4. Ảnh hưởng của T lên tỷ lệ rắn tuần hoàn (r cir ) và lượng nhiên liệu
thêm vào (r add ) tại γ = 0.3……………………………………………………………………………………..

45

Hình 7.5. Ảnh hưởng của T lên hiệu suất thu hồi nhiệt (η e ) và nhiệt trị thấp
của khí sản phẩm (LHV product ) tại γ = 0.3……………………………………………………………

46

Hình 7.6. Ảnh hưởng của γ lên độ chuyển hóa carbon (ϕ C ), than dư (ϕ char ),
và lưu lượng khí sản phẩm (V yield ) tại T = 780 oC…………………………………………….

48

Hình 7.7. Biểu đồ tổng hợp các chỉ tiêu hoạt động của thiết bị khí hóa DFB
với công suất 1.8 MW với sự tác động của T và γ……………………………………………...

49

Hình 7.8. Ảnh hưởng của γ lên thành phần khí sản phẩm tại T = 780 oC………

50

Hình 7.9. Ảnh hưởng của γ lên tỷ lệ tuần hoàn rắn (r cir ) và lượng nhiên liệu
thêm vào (r add ) tại T = 780 oC………………………………………………………………………..……..

51

Hình 7.10. Ảnh hưởng của γ lên hiệu suất thu hồi nhiệt (η e ) và nhiệt trị thấp
của khí sản phẩm (LHV product ) tại T = 780 oC……………………………………………………..
Hình 7.11. Ảnh hưởng của γ lên hiệu suất thu hồi nhiệt (η e ) và nhiệt trị thấp

X

52


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

của

khí

sản

phẩm

(LHV product )

o

C………………………………………………………

XI

tại

T

=

780

53


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

PHẦN I: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠNG
NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Q
TRÌNH KHÍ HĨA
Như chúng ta đã biết, trên trái đất có 9 loại tài nguyên năng lượng gồm: Mặt trời,
sinh khối, gió, sóng, Hydro, nhiệt đất, hạt nhân và năng lượng hóa thạch. Ngoại trừ
3 loại cuối, 6 loại cịn lại được coi là những nguồn năng lượng tái tạo được, bởi vì
chúng khơng bị mất dần theo thời gian sử dụng của con người [69]. Sinh khối dự trữ
năng lượng mặt trời bên trong nó dưới dạng hóa năng trong suốt quá trình quang
hợp khi chúng sinh trưởng. Dạng năng lượng dự trữ này có thể được giải phóng và
chuyển hóa sang nhiều dạng năng lượng khác nhau như nhiệt, điện, ánh sáng, và cơ
học thông qua một số q trình cơng nghệ nâng cấp và nhiệt chuyển hóa [10].
Trong những năm gần đây, đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào các cơng nghệ
nhiệt chuyển hóa sinh khối bởi vì: việc sử dụng sinh khối làm năng lượng có khả
năng kiểm sốt mức thải CO 2 ra ngồi mơi trường [10] và có thể kiểm sốt được
vấn đề năng lượng không bị phụ thuộc bởi những nguyên liệu hóa thạch. Trong số
những cơng nghệ nhiệt chuyển hóa như khí hóa, nhiệt phân hủy và đốt, thì khí hóa
được coi là một cơng nghệ kinh tế nhất bởi vì nó có thể chuyển hóa sinh khối sang
những dạng khí đốt sạch một cách trực tiếp.

1

Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

Hình 1.1: Độ tăng mức độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu (2001-2005) [3]

2


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

Sản phẩm đa dạng

Sản suất
điện

Nhiên liệu đa dạng

-Than
-Sinh khối
-RDF

Turbine
khí chu
trình kết
hợp

Pin nhiên
liệu

Hydroge
n
Cơng
nghệ
khí
hóa

Khí tổng hợp
Sạch
Giá thành thấp

Ethanol

Tổng hợp
FischerTropsch

Methano
l

Phân bón

Diesel/
Keroense

Acid
Acetic

Hình 1.2. Cơng nghệ khí hóa và ứng dụng của sản phẩm khí tổng hợp
Ưu điểm của phương pháp khí hóa là sử dụng khí tổng hợp hiệu quả hơn nhiều so

với việc đốt trực tiếp các nguồn nhiên liệu ban đầu do có thể đốt ở nhiệt độ cao hơn.
Khí tổng hợp có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, sử dụng để sản xuất
methanol và hydro hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu tổng hợp nhờ phương pháp
Fischer-Tropsch. Phương pháp khí hóa cũng có thể áp dụng với các loại nhiên liệu
khơng có ích khác như các phế thải hữu cơ hay sinh khối. Quá trình đốt ở nhiệt độ
cao giúp loại bỏ các thành phần tro ăn mòn như clorua, kali tạo thành sản phẩm khí
sạch [2].

3


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

CHƯƠNG 2. CÁC Q TRÌNH CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA SINH KHỐI
Sự phân loại dựa trên cách thức tiếp xúc giữa pha khí-pha rắn và mơi trường khí
hóa. Theo đó, các thiết bị khí hóa được chia ra thành 3 kiểu cơ bản [12]:
- Tầng dịch chuyển
- Tầng sơi
- Tầng (dịng) cuốn theo

Cơng nghệ khí hóa

Tầng dịch
chuyển

Sủi bọt
(BFB)

Tầng sơi

Tuần hồn
(CFB)

Dịng cuốn
theo

Tổ hợp
(DCFB)

Hình 2.1. Phân loại các kiểu khí hóa
Với mỗi kiểu khí hóa thì có một khoảng áp dụng riêng [13] (tùy theo cơng suất
nhiệt u cầu).
2.1 Khí hóa tầng dịch chuyển ( fixed/ moving bed)
Trong thiết bị khí hóa dịng cuốn theo và tầng sơi (ở phần sau), mơi trường khí hóa
vận chuyển các hạt nhiên liệu trong lò, nhưng với tầng dịch chuyển thì nhiên liệu
được đỡ bởi ghi lị. Trong q trình khí hóa, nhiên liệu dịch chuyển tịnh tiến xuống
dưới. Thiết bị cỡ nhỏ kiểu này có thể xây dựng dễ dàng, bởi thế có một số lượng lớn
được sử dụng trên toàn thế giới [12].

4


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
Sự hịa trộn vào trao đổi nhiệt trong tầng dịch chuyển là khá kém, khó đạt được sự
phân phối nhiên liệu, nhiệt độ và thành phần các khí một cách đồng đều theo mặt
cắt ngang của thiết bị. Bởi thế nó khơng hiệu quả trong các thiết bị quy mơ lớn.

Hình 2.2 Các giai đoạn trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dịng hướng lên

(updraft) [12]
Hoạt động:
Theo như trên Hình 2.2 thì một thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dịng hướng lên có
dịng mơi trường khí hóa (khơng khí, oxi, hoặc hơi nước) đi từ dưới lên qua lớp vật
liệu sinh khối còn chuyển động của lớp vật liệu sinh khối có chiều ngược lại. Khí
sản phẩm thốt ra phía trên. Dịng mơi trường đi vào qua bộ phân phối (ghi lị), tại
đó gặp tầng nóng và xỉ lị [12]. Xỉ rơi qua ghi lị.
Kiểu này thích hợp cho loại nhiên liệu có lượng tro xỉ cao, độ ẩm cao (như sinh
khối), chất bốc thấp (như than củi) [12].

5


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

2.2 Khí hóa tầng sơi (fluidized bed)
2.2.1 Tầng sơi bong bóng (BFB)
Được phát triển bởi Fritz Winkler vào năm 1921. Được sử dụng trong thương mại
trong nhiều năm cho khí hóa than và sinh khối [12].
Tùy vào điều kiện hoạt động, thiết bị khí hóa tầng sơi bong bóng có thể được nhóm
thành kiểu nhiệt độ thấp và kiểu nhiệt độ cao. Chúng có thể hoạt động ở áp suất khí
quyển hoặc ở áp suất cao [12].
Trong một lớp tầng sôi phổ biến, vậ liệu sinh khối hoặc than được nghiền nhỏ hơn
10 mm rồi được cấp vào lị. Trong lị có vật liệu tầng ( hạt trơ) đã gia nhiệt và được
tạo tầng sơi bởi dịng hơi, khơng khí, hoặc oxi, hoặc hỗn hợp của chúng (tùy vào
việc lựa chọn môi trường khí hóa) [12]. Tro xỉ được tháo xả dễ dàng ở phía đáy tầng
[12]. Nhiệt độ thường được giữ dưới 980oC với khí hóa than và dưới 900oC với khí
hóa sinh khối để tránh sự nóng chảy của tro và để đảm bảo sự phân hủy hoàn toàn
của nhựa than (tar).

Dịng mơi trường khí hóa có thể được cấp vào qua 2 giai đoạn:
-

Cấp vừa đủ để duy trì tầng sơi ở nhiệt độ mong muốn

-

Cấp thêm để chuyển hóa than (char) chưa phản ứng thành khí hữu ích

Lị khí hóa HTW (Hình 2.3) là một ví dụ cho khí hóa than tầng sơi bong bóng nhiệt
độ, áp suất cao. Để cải thiện hiệu suất chuyển hóa cacbon, các hạt than nhỏ trong
dịng khí sản phẩm được phân tách bởi cyclone và quay trở lại đáy lò. Hệ thống
HTW cho ra khí sản phẩm có chất lượng tốt hơn so với lị tầng sơi nhiệt độ thấp
truyền thống.

6


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

Hình2.3. Thiết bị khí hóa tầng sơi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao (HTW) [12]

7


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
2.2.2 Tầng sơi tuần hồn (CFB)

Hình 2.4. Thiết bị khí hóa tầng sơi tuần hồn [12]
Thiết bị khí hóa CFB có ưu điểm đặc biệt đối với khí hóa sinh khối bởi nó cho phép
kéo dài thời gian lưu của các dòng vật chất trong vùng phản ứng. Đặc biệt thích hợp
với các nhiên liệu có lượng chất bốc cao. Một thiết bị CFB điển hình gồm một ống
đứng (riser), một cyclone, và một thiết bị van tuần hồn rắn (loop-seal). Riser có
vai trị như một lị khí hóa (gasifier reactor) [12].
Khơng giống như thiết bị BFB (kiểu như lò Winkler), thiết bị khí hóa CFB có mức
độ tuần hồn rắn cao hơn nhiều do chế độ thủy động học khác nhau.
Trong thiết bị CFB, lượng rắn được phân tán tới toàn bộ chiều cao riser, do đó kéo
dài thời gian lưu của khí và các hạt rắn mịn (fine particles). Vận tốc sôi trong CFB

8


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
cao hơn nhiều (3,5 – 5,5 m/s) so với tầng sơi bong bóng (bubbling bed) (0,5-1,0
m/s). Lượng pha rắn chưa phản ứng và vật liệu trao đổi nhiệt ra khỏi vùng khí hóa
cũng được thu hồi bằng xyclon và tiếp tục quay trở lại đáy riser [12]. Vì thế, tốc độ
tuần hồn rắn và vận tốc sôi trong riser đủ cao để duy trì riser trong điều kiện thủy
động đặc biệt, được biết như là tầng sôi nhanh (fast fluidized bed). Tùy vào loại
nhiên liệu và ứng dụng, mà riser có thể hoạt động ở dải nhiệt độ từ 800 đến 1000oC
[12].
Khí nóng từ gasifier qua một cyclone, phân tách hầu hết các chất rắn liên kết với nó,
rồi qua loop-seal trả lại các hạt về đáy của gasifier [12].
2.2.3 Tầng sôi tổ hợp (DFB) (hybrid /twin reactor, dual fluidized bed)

Hình 2.5. Thiết bị khí hóa tầng sơi kiểu tổ hợp (CFB và BFB) [11, 14]
Một vấn đề lớn trong q trình khí hóa than hoặc vật liệu sinh khối là sự pha lỗng
khí sản phẩm bởi N 2 trong khơng khí (mà được dùng cho phản ứng cháy nhằm sinh

9


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
ra lượng nhiệt cần thiết để duy trì các phản ứng khí hóa). Để tránh điều này, O 2
được dùng thay thế, nhưng giá thành sẽ tăng đáng kể. Lị khí hóa ghép đơi (trong
một số nghiên cứu gọi là “lị tầng sơi tổ hợp”) có thể khắc phục được vấn đề này
bằng cách tách biệt buồng cháy (combustor) và gasifier (Hình 2.5), như vậy N 2
trong khơng khí cháy sẽ khơng pha lỗng sản phẩm khí. Hệ thống này hiện đang
được sử dụng phổ biến cho cả than và vật liệu sinh khối [12].
Tuy nhiên, hệ thống kiểu này có một vài hạn chế; ví dụ, Corella và các cộng sự [12]
đã xác định hai vấn đề chính trong thiết kế hệ thống tầng sơi kép (dual fluidized
bed):
• Sinh khối chứa ít char hơn so với than (coal); tuy nhiên, nếu char này được
sử dụng cho khí hóa thì với lượng char đó có thể khơng cấp đủ nhiệt cho
gasifier (nơi xảy ra các phản ứng thu nhiệt) để duy trì nhiệt độ trên 900oC.
Khi đó cần phải có thiết bị gia nhiệt phụ.
• Dù gasifier dùng hơi nước nhưng chỉ một phần nhỏ (<10%) tham gia vào
phản ứng khí hóa; phần cịn lại đơn giản là thốt khỏi gasifier, do đó tiêu thụ
một lượng lớn nhiệt và pha lỗng khí sản phẩm [12].
Đại học kỹ thuật Vienna đã dùng hệ thống tuần hồn ngồi để khí hóa các
loại sinh khối khác nhau trong nhà máy điện công nghiệp Gussing, Áo.

10


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

Hình 2.6. Thiết bị khí hóa tầng sơi ghép đơi
Hệ thống gồm một thiết bị khí hóa tầng sơi bong bóng BFB gasifier và một buồng
cháy tầng sơi tuần hồn CFB combustor (Hình 2.6). Riser trong CFB làm việc như
một buồng cháy; BFB ở nhánh quay trở lại có tác dụng như vùng khí hóa (gasifier).
Sự nhiệt phân và khí hóa diễn ra ở BFB do dòng hơi quá nhiệt và lớp vật liệu trơ
trao đổi nhiệt. Char và nhựa than (tar) chưa chuyển hóa di chuyển đến riser qua van
“phi cơ khí”. Lượng chất chưa chuyển hóa này được đốt cháy tại riser nhờ khơng
khí [12].

11


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi

Hình 2.7. Minh họa q trình khí hóa trong thiết bị DFB[59]
Nhựa than và khí sinh ra trong q trình nhiệt phân được đốt cháy trong vùng
cháy của riser. Nhiệt do sự cháy làm tăng nhiệt độ của nguyên liệu cũng như lớp vật
liệu trao đổi nhiệt (ví dụ: silica sand- heat carrier) đến khoảng 950oC. Vật liệu này
ra khỏi riser và được thu giữ bởi cyclone ở cửa thoát của riser [12]. Lượng rắn thu
được rơi vào một ống đứng (downcomer) và sau đó đi vào BFB gasifier để cấp nhiệt
cho các phản ứng thu nhiệt của nó. Char được khí hóa trong BFB gasifier với sự có
mặt của hơi nước, tạo ra khí sản phẩm. Hệ thống này cũng khắc phục vấn đề nhựa
than bằng cách đốt nó trong buồng cháy. Bằng cách này, có thể đạt được khí sản
phẩm tương đối độc lập với nhựa than [12].
2.3 Khí hóa dịng cuối theo (Entrained-Flow)
Kiểu này được sử dụng rộng rãi nhất cho khí hóa than, cốc dầu mỏ… quy mơ lớn.
Thích hợp với hầu hết các loại than (ngoại trừ một số loại như licnit-than non và
sinh khối vì chúng có độ ẩm cao). Than có độ tro cao cũng khơng phù hợp bởi hiệu

suất khí lạnh giảm với sự tăng hàm lượng tro [12].

12


Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học giả cân bằng cho q trình khí hóa các loại
vật liệu sinh khối trong thiết bị khí hóa tầng sơi
Bởi vì thời gian lưu trong lị khí hóa dịng cuốn theo là nhỏ (khoảng vài giây) nên
hạt nhiên liệu cấp vào cần phải mịn (nhỏ hơn 75μm [12, 13]) mà nghiền mịn sinh
khối là khó (do có thớ, sợi), hơn nữa tro sinh khối có điểm nóng chảy thấp hơn
nhiều so với than [12].
Nhiệt độ khí hóa của thiết bị kiểu này là trên 1000oC. Điều này cho phép khí sản
phẩm gần như độc lập với nhựa than và lượng khí metan lẫn rất thấp. Với một thiết
bị được thiết kế và hoạt động đúng thì hiệu suất chuyển hóa cacbon gần như đạt
100%. Dịng khí ra rất nóng nên cần phải làm nguội qua thiết bị trao đổi nhiệt và tạo
hơi q nhiệt cho q trình khí hóa [12].
Hình 2.8 mơ tả sự cuốn theo dòng hạt trong thiết bị. Các hạt nhiên liệu mịn được gia
nhiệt nhanh bởi nhiệt bức xạ từ tường nóng của buồng lị và dịng khí nóng rồi cháy
trong oxi dư. Khối nhiên liệu được đốt cháy gần vùng cửa vào (entrance zone)
thông qua sự phân giải chất bốc; tại đó nhiệt độ có thể lên đến 2500oC. Phản cháy
gần như tiêu thụ hết toàn bộ lượng oxi cấp vào [12].

Hình 2.8. Sự cuốn hạt trong lị khí hóa dịng lơi cuốn
Thiết bị khí hóa dịng cuốn theo có thể phân loại thành 2 kiểu (Hình 2.9, 2.10) tùy
theo cách mà nhiên liệu được cấp vào [12]:
-

Dịng cấp (nhiên liệu và tác nhân khí hóa) từ trên (top-fed downflow)

-

Dòng nhiên liệu vào từ bên và tác nhân đi từ dưới (side-fed upflow)

13