C. PHƯƠNG PHÁP NHIỆT – KHÍ HOÁ
IV. Q UY TRÌNH CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA BIOMASS
Quá trình khí hóa biomass đầu tiên được nghiên cứu với quy mô pilot với thiết bị tầng
sôi sử dụng thân cây ngô.
Hình 5.11 là một hệ thống pilot được thiết kế và vận hành tại trường đại học Kansas State với sức chứa khoảng 45,5 kg. Dòng khí tạo tầng sôi và nhiệt được cung cấp bằng cách đốt propan. Các hạt bụi than được loại bỏ nhờ thiết bị cyclon nhiệt độ cao. Những chất dễ bay hơi được tách ra khỏi các phân đoạn cặn dầu tar và phân đoạn dung dịch thải nhờ thiết bị rửa kiểu Ventori. Raman et al [80] đã thực hiện một loạt các thử nghiệm với nhiệt độ thay đổi từ 840 đến 1020 K. Sản phẩm khí tối ưu đạt được khi tốc độ nhập liệu là 27 kg/h và nhiệt độ 930 K. Tại điều kiện đó 0,25x106 BTU/h của khí được tạo ra, đủ để vận hành một động cơ đốt trong 25 mã lực ở mức hiệu suất 25%.
Một nghiên cứu khác về hệ thống chuyển hóa biomass là hệ thống khí hóa VEGA của Thụy Điển. Skydkraft AB, một công ty điện lực của Thụy Điển, quyết định trong tháng 6 năm 1991 để xõy dựng một nhà mỏy nhiệt điện cấp hơi tại Vọrnamo, Thụy Điển, để chứng minh quá trình khí hóa tích hợp với các chu trình công nghệ (IGCC). Bioflow, Ltd được thành lập vào năm 1992 như là một liên doanh giữa Skydkraft và Alstrom để phát triển công nghệ thổi khí tầng sôi tuần hoàn khí hóa biomass. Công nghệ khí hóa biomass kết hợp tuần hoàn (BIGCC) được đưa vào năm hoạt động 1993 và hoàn chỉnh vào năm 1995. VEGA là một hệ thống dựa trên công nghệ IGCC kết hợp nhiệt và năng lượng cho một hệ thống sưởi ấm cộng đồng. Nó tạo ra khoảng 6,0 MWe và 9,0 MWth
cho hệ thống sưởi thành phố Vọrnamo, Thụy Điển. Đõy là hệ thống BIGCC hoàn chỉnh đầu tiên cho ra nhiệt và điện từ nguyên liệu sinh khối. Như thể hiện trong hình 5.12, độ ẩm của nguyên liệu sinh khối nhập được loại bỏ thông qua một "máy sấy nhiên liệu sinh học" để giảm lượng khí thải khí. Sinh khối khô sau đó được chuyển đổi thành một "nhiên liệu sinh học" trong một chu kỳ khí hóa kết hợp. Khí đó được làm nguội trước khi cho vào lò thu hồi nhiệt và phân phối đến lò sưởi. Thiêt bị khí hóa được biết đến như một thiết bị khí hóa tầng sôi dòng khí bioflow hay dòng khí tạo áp lực tuần hoàn.
Phương pháp phổ biến nhất của khí hóa sinh khối là sử dụng thiết bị khí hóa tầng sôi với luồng không khí thổi tuần hoàn kết hợp reforming xúc tác, mặc dù có nhiều điểm khác nhau. Hầu hết các quá trình khí hóa tầng sôi sử dụng buồng đốt kép khép kín cùng với rất ít hoặc không có khí làm sạch trung gian. Đây là loại quá trình thường hoạt động ở khoảng 900 oC, và sản phẩm khí từ khí hóa chứa H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2H4, benzen, và các loại cặn nhựa. Quá trình khí hóa sử dụng oxy (hoặc không khí) và hơi nước để giúp tăng quá trình chuyển đổi, cũng như công nghệ khí hóa than. Khí thải từ quá trình khí hóa tầng sôi có có hàm lượng lớn khí tổng hợp, tuy nhiên, hàm lượng hydrocarbon cũng khá đáng kể. Do đó, khí thải của khí hóa không thể được sử dụng trực tiếp như khí tổng hợp để chế biến tiếp để sản xuất nhiên liệu lỏng khác hoặc các hóa chất mà không cần bước làm sạch. Đây là lý do tại sao khí hóa được kết hợp với một thiết bị reforming xúc tác, nơi hydrocarbon được tiếp tục biến đổi để tạo thành khí tổng hợp. Trong giai đoạn này, hàm lượng hydrocarbon bao gồm khí metan được giảm 95%
hoặc nhiều hơn. Một ví dụ rất thành công là Chrisgas, một dự án do EU tài trợ, lò phản ứng khớ húa tầng sụi tuần hoàn tại Vọrnamo, Thụy Điển hoạt động với cụng suất18
MWth. Họ sử dụng một thiết bị khí hóa tầng sôi áp lực tuần hoàn hoạt động dựa trên lượng oxy/hơi nước cấp vào, với xúc tác reforming, và một lò phản ứng Water Gas Shift làm giàu thêm hàm lượng hydro của sản phẩm khí. Quá trình này cũng sử dụng một bộ lọc ở nhiệt độ cao. Dự án được tiến hành bởi VVBGC (trung tâm khí hóa sinh khối Vọxjử Vọrnamo). Người ta sử dụng ụxy thay cho khụng khớ để trỏnh tỏc động pha loóng của nitơ, nếu sử dụng không khí thì cần phải thêm công đoạn loại bỏ nitơ trước khi qua các quá trình chế biến sâu.
Một quỏ trỡnh khớ húa CFB khỏc bởi Ermiska Processor AB (TPS) tại Nykửping, Thụy Điển phát triển cho quy mô phát điện vừa và nhỏ được sử dụng sinh khối và cặn thải có nguồn gốc từ nhiên liệu (RDF) làm nguyên liệu. Quá trình này được dựa trên một dòng không khí thổi áp suất thấp hoạt động ở 850-900 °C và 1,8 bar. Sản phẩm khí thô có hàm lượng tar khoảng 0,5-2,0 % với nhiệt trị là 107-188 BTU/scf. Như vậy, các sản phẩm khí thô có giá trị năng lượng thấp, nếu tính theo hệ thống phân loại khí than tổng hợp. Quá trình này có giá trị lớn bởi tính linh hoạt tốt của nhiên liệu, khả năng kiểm soát tốt, và tính chất hoạt động tải thấp, nhiệt độ khí hóa đồng đều do sự chuyển động hỗn loạn cao của các chất rắn sinh khối, năng suất khí hóa cao, bổ sung tính năng cracking xỳc tỏc tar. Tar trong khớ tổng hợp cracking xỳc tỏc bởi dolomite [CaCO3ãMgCO3] trong lò phản ứng tách biệt ở 900 °C để chuyển hóa nhanh thành khí tổng hợp. Các dolomit nung hoàn toàn hoạt động ở nhiệt độ này, như hằng số cân bằng hóa học (KP) cho sự phân hủy canxit (CaCO3) là đồng nhất vào khoảng 885 °C. Một cơ chế của quá trình TPS với một thiết nị cracking tar quy mô pilot được thể hiện trong hình 5.13. Một nhà máy khí hóa chất thải nhiên liệu được xây dựng dựa trên quá trình TPS CFB bởi Ansaldo Aerimpianti SpA trong Greve-in-Chianti, Ý.
Khí hóa gián tiếp là một công nghệ xử lý khí hóa để tận dụng những tính chất độc đáo kết hợp với nguyên liệu sinh khối. Như vậy, quá trình khí hóa sinh khối gián tiếp là khác nhau đáng kể với hầu hết các công nghệ dựa trên xử lý khí hóa than. Ví dụ, sinh khối chứa lưu huỳnh thấp, ít tro, có hoạt tính cao, và rất dễ bay hơi. Trong một quá trình khí hóa gián tiếp, sinh khối được làm nóng gián tiếp sử dụng một phương tiện bên ngoài như cát nóng như trong quá trình Battelle. Sản phẩm khí điển hình từ khí hóa gián tiếp có giá trị BTU trung bình. Battelle đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển quá trình này vào năm 1980 và tiếp tục cho đến bây giờ, tích lũy được đáng kể các dữ liệu có giá trị liên quan đến khí hóa sinh khối và tận dụng thông qua các quá trình vận hành nhà máy. Quá trình Battelle được gọi là quá trình FERCO SilvaGas, đã được thương mại hóa bởi Doanh nghiệp FERCO. Môi trường khí hóa chính cho quá trình này là hơi. Một nhà máy sản xuất ở quy mô thương mại của quá trình SilvaGas được xây dựng vào năm 1997 tại Burlington, Vermont, tại một bộ phận Điện Burlington (BED) McNeil Station. Công suất thiết kế của nhà máy này là 200 tấn sinh khối/ngày (khô). Trạm McNeil sử dụng công nghệ đốt sinh khối truyền thống, một cổng đốt, chu trình năng lượng hơi nước truyền thống, và một ESP (tĩnh điện) dựa trên hệ thống loại bỏ hạt vật chất (PM). Khí được sản xuất bởi quá trình khí hóa SilvaGas được sử dụng như một nhiên liệu cùng đốt cháy trong nồi hơi điện McNeil hiện tại [86]. Khí sản phẩm có nhiệt trị khoảng 450-500 BTU/scf. Một sơ đồ của quá trình FERCO SilvaGas được thể hiện trong hình 5.14.
Một lựa chọn khác cho quá trình khí hóa sinh khối để sản xuất khí tổng hợp liên quan đến việc sử dụng một lò phản ứng dòng chảy cuốn theo. Quá trình này được vận hành ở nhiệt độ rất cao, khoảng 1300 °C, và không sử dụng xúc tác. Nhiệt độ cao là cần thiết cho yêu cầu tốc độ phản ứng cao vì thời gian chuyển hóa vốn rất ngắn. Nếu một nguồn sinh khối đặc biệt có một hàm lượng tro cao, đây không phải loại sinh khối điển hình, xỉ có thể được hình thành ở nhiệt độ cao như vậy. Học hỏi từ những nghiên cứu phát triển trong quá trình khí hóa than, một dòng chảy để cuốn xỉ đi có thể được áp dụng cho quá trình chuyển sinh khối có hàm lượng tro cao. Một yêu cầu quan trọngcủa quá trình ngoài nhiệt độ cao và thời gian lưu ngắn thì kích thước hạt rắn trong nguyên liệu, nó phải rất mịn cho việc cuốn theo được hiệu quả cũng như chuyển đổi tốt hơn mà không hạn chế truyền khối. Tuy nhiên, nói chung sự nghiền hoặc xay sinh khối để kích thước hạt rất mịn là nhiều năng lượng và tốn kém. Để tạo hiệu quả cho việc giảm kích thước của nguồn nguyên liệu sinh khối, hai lựa chọn phổ biến nhất được sử dụng là sấy nhiệt độ cao (Torrefaction) và nhiệt phân. Sấy nhiệt độ cao là quá trình xử lí nhiệt nhẹ tại nhiệt độ khoảng 250-300 oC, chuyển các chất rắn sinh khối thành vật liệu giòn hơn và dễ nghiền hơn có thể chế biến giống như than. Sản phẩm sau khi sấy như vậy thường gọi là than sinh học. Các sinh khối được sấy ở nhiệt độ cao và nghiền nhỏ có thể lối cuốn theo dòng khí hóa trong thiết bị khí hóa than mà không cần thêm gì. Quá trình sấy nhiệt độ cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm cả công nghiệp cà phê. Sấy nhiệt độ cao sinh khối giúp làm giảm bớt khó khăn trong việc tập hợp dòng nguyên liệu và vận chuyển. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm nữa để có thể phù hợp hơn và tối ưu hóa các kỹ thuật tiền xử lí. Sản phẩm khí trong quá trình sấy sinh khối có thể xử dụng
làm nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình, như vậy chu trình tự cung cấp năng lượng.
Như đã giải thích trong phần nhiệt phân nhanh của chương này, nhiệt phân sinh khối diễn ra tích cực vào khoảng 500 oC và tạo ra một sản phẩm lỏng thông qua làm lạnh nhanh (ngắn hơn hai giây) các sản phẩm nhiệt phân dễ bay hơi. Cũng như đề cập ở trên, các sản phẩm lỏng tạo ra được gọi là dầu sinh học. Dầu sinh học có thể được trộn lẫn với than củi (than củi sinh khối hoặc than sinh học) để sản xuất một than bùn sinh học.
Than bùn sinh học có thể dễ dàng để nhập liệu, như bơm, với hiệu quả khí hóa cao. Than bùn sinh học có phần tương tự như than bùn và dầu (COM). Một ví dụ thành công của việc sử dụng than bùn sinh học được tìm thấy trong quá trình FZK. FZK (Forschungszentrum Karlsruhe) đã phát triển một quá trình sản xuất khí tổng hợp từ chất thải nông nghiệp như là rơm. Họ đã phát triển một quá trình nhiệt phân nhanh dựa trên vít đôi cho nhiệt phân, như đã giải thích trước đó như là một máy nhiệt phân dạng khoan.
Khái niệm quá trình được dựa trên quá trình khí hóa than LurgiRuhrgas. Một đơn vị quá trình phát triển (PDU) năng suất 5-10 kg/giờ có sẵn tại công ty FZK. Trong quá trình này, rơm được nhiệt phân nhanh thành chất lỏng mà sau đó được trộn với than để tạo thành dầu sinh học/ than bùn sinh học. Than bùn có khả năng bơm được giúp làm giảm bớt những khó khăn về kỹ thuật trong việc vận chuyển và xử lý sinh khối rắn. Than bùn này được vận chuyển và cộng với áp lực của dòng oxy thổi vào sẽ bị cuốn theo dòng khí hóa. Điều kiện hoạt động của hệ thống khí hóa ở Freiberg, Đức với năng suất bùn là 0,35-0,6 tấn/ngày, áp suất 26 bar, và nhiệt độ 1,200-1,600 oC. Các khái niệm quá trình FZK hiện tại bao gồm nhiệt phân nhanh các sản phẩm gỗ, nhiệt phân chậm rơm than bùn (với nước ngưng tụ), và nhiệt phân chậm rơm than bùn (với nhiệt phân dầu sinh học). Than bùn từ rơm đã được chuyển đổi hiệu quả thành khí tổng hợp với độ chuyển đổi cao và gần như không tạo ra khí methane. Mục tiêu cuối cùng của họ là xây dựng một nhà máy chuyển hóa sinh khối thành chất lỏng hiệu quả. Một sơ đồ khối đơn giản của quá trình FZK dẫn đến BtL được thể hiện trong hình 5.15.
Ở Canada, sự phát triển về công nghệ trong khí hóa sinh khối để sản xuất khí có BTU trung và cao cũng đã nhận được sự chú ý trên toàn thế giới. Quá trình khí hóa BIOSYN được phát triển bởi Biosyn Inc, một công ty con của Nouveler Inc, một bộ phận của Hydro-Quebec. Quá trình này được dựa trên thiết bị khí hóa tầng sôi chứa silica (hoặc alumina) và có thể vận hành ở áp suất cao như 1,6 MPa. Họ đã thử nghiệm quá trình rộng rãi trong năm 1984 cho đến năm 1988 với một nhà máy trình năng suất 10 tấn/giờ dạng thiết bị khí hóa tầng sôi dòng nguyên liệu đưa vào bởi dòng không khí hoặc oxy áp suất cao . Hệ thống này có khả năng sử dụng nhiều loại nguyên liệu bao gồm: toàn bộ sinh khối, các phân đoạn sinh khối, than bùn và chất thải rắn đô thị. Các khí sinh học
này được sử dụng thay thế cho dầu trong các lò hơi công nghiệp. Nó cũng có khả năng thêm vào cho sản xuất khí tổng hợp methanol hoặc sản xuất khí năng lượng thấp. Sau đó, họ sử dụng các đơn vị phát triển quá trình khí hóa BIOSYN 50 kg/giờ và các chương trình thử nghiệm cũng đã chứng minh tính khả thi với một loạt các nguyên liệu khác, chẳng hạn như các cặn cơ bản, nhiên liệu thải bỏ, cặn cao su có chứa 5-15% Kevlar, hạt polyethylene, và polypropylene.