การวิเคราะห์หลักการและอุปกรณ์ของการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวล

บทคัดย่อ: ในฐานะพลังงานสะอาดที่หมุนเวียนได้ เทคโนโลยีการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลได้รับการพัฒนาอย่างจริงจังบทความนี้จะแนะนำหลักการพื้นฐานของการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลและประเภทของกระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊สโดยย่อ และอธิบายหลักการทำงาน ข้อดีและข้อเสียของตัวสร้างแก๊สประเภทหลักประสิทธิภาพการแปรสภาพเป็นแก๊สสูงแต่โครงสร้างมีความซับซ้อนการวิเคราะห์คุณลักษณะของเครื่องผลิตแก๊สมีความสำคัญเป็นแนวทางในการออกแบบและการดำเนินงานของโครงการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สชีวมวล

การแนะนำ

ด้วยวิกฤตพลังงานโลกที่รุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ และการทำลายสิ่งแวดล้อมทางนิเวศน์ ชีวมวลในฐานะพลังงานสะอาดที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ จึงเป็นทรัพยากรที่ใหญ่เป็นอันดับสี่รองจากน้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ และได้รับความสนใจอย่างมากเทคโนโลยีการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลไม่เพียงแต่สามารถจ่ายก๊าซและการผลิตไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้เพื่อสังเคราะห์เมทานอลและแอมโมเนียได้อีกด้วยมีความยืดหยุ่นทางเทคนิคเพียงพอ ความสะอาดที่ดี ความประหยัดสูง และประสิทธิภาพสูงประเทศต่างๆ ทั่วโลกกำลังส่งเสริมการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลอย่างแข็งขัน

1 หลักการของการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวล

การแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลเป็นกลุ่มของปฏิกิริยาที่ซับซ้อนมากขึ้นจากมุมมองระดับมหภาค สามารถแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอนของปฏิกิริยา: การอบแห้ง ไพโรไลซิส ออกซิเดชัน (การเผาไหม้) และการรีดักชัน

การอบแห้งเป็นกระบวนการทางกายภาพง่ายๆ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่าง 100 ถึง 150 °C และกระบวนการทั้งหมดจำเป็นต้องดูดซับความร้อนจำนวนมากเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 15 °C ชีวมวลจะเริ่มเกิดปฏิกิริยาไพโรไลซิส สารระเหยจะถูกตกตะกอน และปล่อยถ่านไว้เป็นเบดสำหรับปฏิกิริยาต่อไปผลิตภัณฑ์ก๊าซของชีวมวลไพโรไลซิส ได้แก่ CO, CO2, CH4, H2 ฯลฯ ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (การเผาไหม้) กับออกซิเจน และปล่อยความร้อนออกมาจำนวนมาก โดยให้ความร้อนเพียงพอสำหรับการอบแห้ง ปฏิกิริยาไพโรไลซิส และปฏิกิริยารีดักชัน และรักษาสภาพของ กระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊สทั้งหมดดื้อดึง.ไอน้ำและ CO2 ที่เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน (การเผาไหม้) จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้าง H2 และ CO2 ซึ่งจะทำให้การแปลงเชื้อเพลิงแข็งเป็นเชื้อเพลิงแก๊สเสร็จสมบูรณ์กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยารีดักชัน (ปฏิกิริยาดูดความร้อน)ยิ่งอุณหภูมิสูงปฏิกิริยาก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 800°C โดยพื้นฐานแล้วปฏิกิริยาจะอยู่ในสถานะนิ่ง

เครื่องผลิตแก๊สแบบเตียงคงที่ 2 เครื่อง

ในเครื่องผลิตแก๊สแบบเบดแบบตายตัว เชื้อเพลิงชีวมวลจะผ่านการอบแห้ง ไพโรไลซิส ออกซิเดชัน (การเผาไหม้) และการรีดักชัน และถูกแปลงเป็นก๊าซที่ติดไฟได้ตามตำแหน่งการจ่ายของสารเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สและลำดับของการไหลผ่านชั้นเชื้อเพลิง มีประเภทดูดขึ้น ประเภทดูดลง ประเภทดูดข้าม และประเภทเปิด และส่วนใหญ่จะใช้เครื่องสร้างแก๊สสองประเภทแรก

2.1 เครื่องผลิตก๊าซแบบ Updraft

ชั้นปฏิกิริยาของแก๊สซิไฟเออร์แบบดูดขึ้นจากบนลงล่างคือชั้นการทำให้แห้ง ชั้นไพโรไลซิส ชั้นรีดิวซ์ และชั้นออกไซด์ชีวมวลจะถูกป้อนเข้าไปในเครื่องสร้างแก๊สจากด้านบน จากนั้นให้ความร้อนและทำให้แห้งด้วยแก๊ส จากนั้นจึงไพโรไลซ์ด้วยความร้อน สารระเหยจำนวนมากจะถูกตกตะกอน และคาร์บอนที่เป็นของแข็งจะเข้าสู่ชั้นรีดิวซ์และชั้นออกไซด์ด้านล่างตามลำดับ .สารก่อแก๊สจะถูกจ่ายจากส่วนล่างและขั้นแรกจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับคาร์บอนแข็ง โดยปล่อยความร้อนออกมาเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของกระแสแก๊สและเบดอย่างรวดเร็ว และกระแสแก๊สก็เต็มไปด้วยผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้หลังจากเข้าสู่ชั้นรีดิวซ์ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้และคาร์บอนจะเกิดปฏิกิริยารีดิวซ์ และความร้อนดูดกลืนความร้อนจะลดอุณหภูมิลงเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 800 °C อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะช้าลงและหยุดลงด้วยซ้ำการไหลเวียนของอากาศยังคงดำเนินต่อไปด้านบน โดยให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงไพโรไลซิสและทำให้แห้ง

2.2 เครื่องผลิตก๊าซแบบดาวน์ดราฟต์

ชั้นปฏิกิริยาของเครื่องสร้างแก๊สแบบดาวน์ดราฟต์จากบนลงล่างคือชั้นการทำให้แห้ง ชั้นไพโรไลซิส ชั้นออกไซด์ และชั้นรีดิวซ์ก๊าซซิฟิเคชั่นแบบดาวน์ดราฟต์มีอยู่สองประเภท ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่จ่ายสารแก๊สซิฟิเคชั่น: ประเภทหนึ่งคือแก๊สซิฟิเคชั่นดาวน์ดราฟต์ที่มีส่วนคอตรงกลาง และสารแก๊สซิฟิเคชั่นถูกจ่ายจากส่วนบนของส่วนคอตรงกลาง;อย่างที่สองคือเครื่องสร้างแก๊สแบบดาวน์ดราฟท์โดยไม่มีส่วนคอตรงกลาง และจ่ายสารทำให้เกิดแก๊สจากส่วนบนหลักการทำงานของเครื่องสร้างแก๊สแบบกระแสไหลลงนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับของประเภทกระแสไหลย้อน ยกเว้นว่าความร้อนที่จำเป็นสำหรับการอบแห้งเชื้อเพลิงและไพโรไลซิสนั้นมาจากชั้นออกไซด์ที่ต่ำกว่า

3 เครื่องผลิตก๊าซฟลูอิไดซ์เบด

กลไกปฏิกิริยาการเกิดแก๊สซิฟิเคชั่นหลักของฟลูอิไดซ์เบดและเบดคงที่นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกัน แต่ไม่มีเบดคงที่ที่ชัดเจนปัจจุบันฟลูอิไดซ์เบดมีสามประเภทหลัก: ฟลูอิไดซ์เบดแบบฟอง, ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียนและฟลูอิไดซ์เบดคู่

3.1 เครื่องผลิตก๊าซฟลูอิไดซ์เบดแบบฟอง (BFB)

ในฟลูอิไดซ์เบดที่เป็นฟอง เมื่อความเร็วของก๊าซเกินความเร็วก๊าซฟลูอิไดเซชันวิกฤติ ของแข็งจะเริ่มฟลูอิไดซ์เบด ฟองสบู่จะปรากฏขึ้นในเบด และโซนเฟสหนาแน่นที่อนุภาครวมตัวกันและโซนเฟสเจือจางที่ถูกครอบงำโดยฟองอากาศจะปรากฏขึ้น

ตัวเตาค่อนข้างหนาและมีไขมันและส่วนล่างเป็นพื้นที่เฟสหนาแน่นและมีชั้นเตียงที่ชัดเจนปฏิกิริยาแปรสภาพเป็นแก๊สส่วนใหญ่เกิดขึ้นในพื้นที่เฟสหนาแน่นเพื่อป้องกันไม่ให้เชื้อเพลิงอนุภาคละเอียดถูกนำออกจากพื้นที่เฟสหนาแน่นโดยการไหลของอากาศ ส่วนบนของเตาเผาได้รับการออกแบบให้มีส่วนขยายเพื่อลดความเร็วของก๊าซซึ่งยังช่วยยืดเวลาปฏิกิริยาของเชื้อเพลิงในบริเวณเฟสเจือจางอีกด้วย

3.2 เครื่องผลิตก๊าซฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน (CFB)

ตัวเตาของเครื่องสร้างแก๊ส CFB มีรูปร่างเพรียวบาง และมีการติดตั้งเครื่องแยกไซโคลนที่ทางออกด้านบนของเตาเพื่อแยกและรวบรวมอนุภาคของแข็งที่มีอุณหภูมิสูงและส่งกลับไปที่เตาเผา

เตียง CFB เติมเต็มพื้นที่คอนเทนเนอร์ทั้งหมด และไม่มีโซนเฟสหนาแน่นและโซนเฟสเจือจางเงื่อนไขที่จำเป็นในการรักษาความเข้มข้นของอนุภาคในเบดคืออนุภาคของแข็งหมุนเวียนในปริมาณมากเมื่อการไหลเวียนไม่ดีอนุภาคบนเตียงอาจถูกเป่าหมดเนื่องจากคุณสมบัติการฟลูอิไดเซชันของเชื้อเพลิงชีวมวลไม่ดี โดยทั่วไป เครื่องสร้างก๊าซ CFB จะใช้ทรายเป็นตัวกลางในการฟลูอิไดเซชันเสริม

เครื่องสร้างแก๊ส CFB มีสองลักษณะ: อัตราการไหลของก๊าซสูง โดยทั่วไประหว่าง 4~7m/s เบดทำงานในโซนฟลูอิไดเซชันที่รวดเร็วอัตราการหมุนเวียนสูงของอนุภาคคงที่อยู่ระหว่าง 10 ~ 20

3.3 เครื่องผลิตก๊าซแบบฟลูอิไดซ์เบดคู่ (DFB)

เครื่องสร้างแก๊สแบบฟลูอิไดซ์เบดแบบคู่ใช้เตาฟลูอิไดซ์เบดสองแบบ ตัวหนึ่งคือตัวสร้างแก๊สและอีกตัวเป็นเตาเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวมวลจะถูกเติมลงในเครื่องผลิตแก๊สโดยใช้ทรายร้อนเป็นวัสดุเบด และปริมาณของทรายจะถูกดูดซับ และเกิดปฏิกิริยาไพโรไลซิสผลิตภัณฑ์ก๊าซจะบรรทุกคาร์บอนและทรายที่ตกค้าง และถูกแยกออกจากเครื่องแยกกากคาร์บอนและทรายที่แยกออกจากกันจะถูกเผาไหม้ด้วยอากาศในเตาเผาไหม้เพื่อให้ความร้อนแก่ทราย และทรายร้อนจะถูกลำเลียงโดยก๊าซไอเสียและแยกออกจากกันโดยตัวแยก และทรายร้อนจะถูกส่งกลับไปยังเครื่องสร้างแก๊สคุณลักษณะที่โดดเด่นของเครื่องสร้างแก๊ส DFB คืออนุภาคเชื้อเพลิงจะถูกขนส่งในเตาฟลูอิไดซ์เบดสองเตา โดยใช้ความสามารถในการขนส่งที่แข็งแกร่งของฟลูอิไดซ์เบด

4 ลักษณะของแก๊สซิไฟเออร์ประเภทต่างๆ

เครื่องผลิตแก๊สแบบเบดคงที่มีโครงสร้างที่เรียบง่าย สามารถปรับวัตถุดิบได้หลากหลาย ขนาดอนุภาคสูงถึง 100 มม. มีความไวต่อตะกรันต่ำ และมีปริมาณเถ้าลอยที่เป็นก๊าซต่ำ แต่เหมาะสำหรับการดำเนินการแปรสภาพเป็นแก๊สขนาดเล็กเท่านั้น และยากต่อการขยายขนาด .

เครื่องผลิตก๊าซแบบฟลูอิไดซ์เบดมีประสิทธิภาพการแปรสภาพเป็นแก๊สสูงและค่าความร้อนสูง แต่โครงสร้างค่อนข้างซับซ้อนมีข้อกำหนดบางประการเกี่ยวกับขนาดอนุภาค ความสม่ำเสมอ ปริมาณน้ำ และมุมการสะสมตามธรรมชาติของเชื้อเพลิงมีความไวต่อตะกรันและปริมาณเถ้าลอยของก๊าซ หากมีจำนวนมาก จำเป็นต้องติดตั้งระบบกำจัดฝุ่นและการทำให้บริสุทธิ์ในปัจจุบัน โครงการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลขนาดใหญ่จะค่อยๆ นำเทคโนโลยีเครื่องสร้างก๊าซฟลูอิไดซ์เบดแบบแรงดันมาใช้

5. สรุป

ในปัจจุบัน ข้อกำหนดการปล่อยก๊าซคาร์บอนทั่วโลกมีความเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ และความสำคัญของชีวมวลที่มีคุณลักษณะ "การปล่อยก๊าซคาร์บอนเป็นศูนย์" ก็ชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆบทความนี้จะแนะนำหลักการของการแปรสภาพเป็นแก๊สชีวมวลโดยย่อ รวมถึงเปรียบเทียบและวิเคราะห์ตัวสร้างแก๊สประเภทต่างๆจะเห็นได้ว่าเตียงแบบคงที่และฟลูอิไดซ์เบดมีข้อดีในตัวเอง แต่ฟลูอิไดซ์เบดเหมาะสำหรับขนาดใหญ่และเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคต เพื่อนำความสำคัญเล็กน้อยมาสู่การออกแบบและการทำงานของ โครงการแปรสภาพเป็นก๊าซชีวมวล