Gasifier ชีวมวลคืออะไรและทำงานอย่างไร?

Gasifier ชีวมวลคืออะไร

A เครื่องผลิตก๊าซชีวมวล เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่แปลงวัสดุอินทรีย์ที่เป็นของแข็ง เช่น เศษไม้ แกลบ หรือของเสียทางการเกษตรให้เป็นส่วนผสมก๊าซที่ติดไฟได้ที่เรียกว่าก๊าซผู้ผลิต (หรือซินกาส) ผ่านการเผาไหม้บางส่วนในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำ แทนที่จะเผาไหม้ชีวมวลจนหมด เครื่องผลิตแก๊สจะจำกัดปริมาณออกซิเจนให้เหลือเพียงประมาณ 20-40% ของปริมาณการเผาไหม้ทั้งหมดที่ต้องการ ซึ่งทำให้วัสดุแตกตัวเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจน มีเทน และก๊าซอื่นๆ ที่สามารถเผาในเครื่องยนต์ กังหัน หรือหัวเผาได้

สิ่งนี้มีความสำคัญในทางปฏิบัติเนื่องจากช่วยให้อุตสาหกรรมและสิ่งอำนวยความสะดวกในชนบทเปลี่ยนวัสดุเหลือใช้ที่อาจจะถูกกำจัด เช่น เศษพืชหรือเศษไม้ ให้เป็นความร้อนหรือไฟฟ้าที่ใช้งานได้ เครื่องสร้างก๊าซแบบดาวน์ดราฟต์ที่ออกแบบมาอย่างดีซึ่งทำงานบนเศษไม้แห้งสามารถบรรลุผลสำเร็จ ประสิทธิภาพก๊าซเย็น 70-85% ซึ่งหมายความว่าปริมาณพลังงานดั้งเดิมของชีวมวลส่วนใหญ่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ในก๊าซที่ส่งออก แทนที่จะสูญเสียไปเป็นความร้อนระหว่างการแปลง

วิธีการทำงานของแก๊สชีวมวล

ภายในเครื่องผลิตแก๊ส ชีวมวลจะเคลื่อนที่ผ่านโซนเทอร์โมเคมีที่แตกต่างกันสี่โซนขณะที่เคลื่อนลงมาหรือผ่านเครื่องปฏิกรณ์ การทำความเข้าใจขั้นตอนเหล่านี้จะอธิบายได้ว่าทำไมความชื้นของวัตถุดิบตั้งต้นและขนาดอนุภาคจึงมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมอย่างมาก

โซนอบแห้ง

ที่อุณหภูมิ 100-200°C ความชื้นที่กักอยู่ในชีวมวลจะระเหยไปก่อนที่จะเกิดการสลายสารเคมี วัตถุดิบตั้งต้นที่มีความชื้นสูงกว่า 25% บังคับให้เครื่องผลิตก๊าซต้องใช้ความร้อนที่ไม่สมส่วนเพียงแค่ทำให้วัสดุแห้ง ซึ่งจะทำให้ปริมาณก๊าซที่ใช้งานได้ลดลง

โซนไพโรไลซิส

ระหว่าง 200-600°C ชีวมวลแห้งจะสลายตัวด้วยความร้อนโดยไม่มีออกซิเจน ปล่อยก๊าซระเหยและทิ้งถ่านไว้ ขั้นตอนนี้จะผลิตสารประกอบทาร์ส่วนใหญ่ซึ่งต่อมาจำเป็นต้องได้รับการจัดการในระบบทำความสะอาดแก๊ส

โซนการเผาไหม้

อากาศที่มีจำกัดที่ถูกฉีดเข้าไปจะเผาถ่านและสารระเหยบางส่วน ทำให้เกิดอุณหภูมิที่ 1,000-1,200°ซ ที่กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาการลดความร้อนที่เกิดขึ้นด้านล่าง

โซนลด

ที่อุณหภูมิ 700-900°C คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำจะทำปฏิกิริยากับถ่านที่เหลืออยู่เพื่อก่อตัวเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน ซึ่งเป็นก๊าซสองชนิดที่ทำให้ก๊าซของผู้ผลิตได้รับมูลค่าเชื้อเพลิงมากที่สุด

ประเภทของเครื่องผลิตก๊าซชีวมวล

เครื่องผลิตแก๊สถูกจำแนกประเภทตามการเคลื่อนที่ของอากาศและเชื้อเพลิงผ่านเครื่องปฏิกรณ์โดยสัมพันธ์กันเป็นหลัก การออกแบบแต่ละแบบมีข้อแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกันในด้านปริมาณน้ำมันดิน ความเหมาะสมของขนาด และความทนทานต่อวัตถุดิบตั้งต้น

สำหรับการผลิตไฟฟ้าผ่านเครื่องยนต์ เครื่องผลิตก๊าซแบบดาวน์ดราฟต์เป็นการออกแบบที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุด เนื่องจากน้ำมันดินที่ปล่อยออกมาต่ำจะช่วยลดภาระในอุปกรณ์ทำความสะอาดแก๊ส และปกป้องส่วนประกอบของเครื่องยนต์จากการเปรอะเปื้อน

ตัวเลือกวัตถุดิบและประสิทธิภาพ

ชีวมวลบางชนิดไม่ได้มีประสิทธิภาพเท่ากันภายในเครื่องผลิตแก๊ส ปริมาณความชื้น ปริมาณเถ้า และค่าความร้อนรวมกันจะเป็นตัวกำหนดปริมาณก๊าซที่ใช้ได้ของวัตถุดิบตั้งต้นที่กำหนด

ตามกฎในทางปฏิบัติ ควรทำให้วัตถุดิบตั้งต้นแห้งจนอยู่ด้านล่าง มีความชื้น 20% ก่อนที่จะเข้าสู่เครื่องผลิตก๊าซแบบดาวน์ดราฟท์ส่วนใหญ่ เนื่องจากวัสดุที่เปียกกว่าจะลดค่าความร้อนของก๊าซและสามารถดับโซนการเผาไหม้ทั้งหมดระหว่างการทำงานได้

องค์ประกอบของก๊าซผู้ผลิตและผลผลิตพลังงาน

ก๊าซที่ออกจากเครื่องผลิตก๊าซชีวมวลเป็นส่วนผสมของส่วนประกอบที่ติดไฟได้และเฉื่อย อัตราส่วนที่แน่นอนขึ้นอยู่กับการออกแบบวัตถุดิบตั้งต้นและตัวสร้างแก๊ส แต่เอาท์พุตดาวน์ดราฟท์ทั่วไปจะอยู่ในช่วงที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ

องค์ประกอบนี้ทำให้ก๊าซของผู้ผลิตมีค่าความร้อนประมาณ 4.5-5.5 เมกะจูล/นิวตันเมตร3 ซึ่งต่ำกว่าก๊าซธรรมชาติมาก แต่ยังเพียงพอสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ที่ใช้การจุดระเบิดด้วยประกายไฟเมื่อจ่ายที่อัตราส่วนอากาศ-เชื้อเพลิงที่ถูกต้อง โดยทั่วไปแล้วจะต้องลดพิกัดของเครื่องยนต์ลง 20-30% เมื่อเทียบกับปริมาณก๊าซธรรมชาติที่กำหนด

การใช้เครื่องผลิตก๊าซชีวมวล

ก๊าซผู้ผลิตจากเครื่องผลิตแก๊สชีวมวลสามารถใช้ได้หลายวิธี ขึ้นอยู่กับขนาดและเป้าหมายสุดท้ายของการติดตั้ง

• การผลิตไฟฟ้า – ผู้ผลิตเชื้อเพลิงก๊าซเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ได้รับการดัดแปลงซึ่งเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งพบได้ทั่วไปในระบบตั้งแต่ 10kW ถึง 2MW
• การใช้งานด้านความร้อน – การเผาไหม้โดยตรงของก๊าซของผู้ผลิตในเตาเผา เตาเผา หรือหม้อไอน้ำสำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การทำอิฐ การอบแห้งอาหาร และการแปรรูปสิ่งทอ
• ความร้อนและพลังงานรวม (CHP) – ความร้อนทิ้งจากไอเสียและระบบทำความเย็นของเครื่องยนต์จะถูกจับเพื่อการอบแห้งหรือการทำความร้อนในพื้นที่ควบคู่ไปกับเอาท์พุตไฟฟ้า
• การปรุงอาหารในชนบทและไมโครกริดในชุมชน – เครื่องผลิตแก๊สแบบเตียงคงที่ขนาดเล็กจ่ายแก๊สหุงต้มหรือชุมชนแยกพลังงานที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับกริดระดับชาติ
• ก๊าซซิงก์กับสารเคมี – ในระบบฟลูอิไดซ์เบดขนาดใหญ่ ก๊าซจากผู้ผลิตสามารถแปรรูปเป็นเมทานอลหรือเชื้อเพลิงสังเคราะห์เพิ่มเติมได้โดยใช้ขั้นตอนการเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติม

ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ การผลิตไฟฟ้าแบบกระจายในช่วง 100kW-1MW ยังคงเป็นการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่พบบ่อยที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโรงงาน เช่น โรงสีข้าวหรือโรงเลื่อยที่สร้างขยะชีวมวลในสถานที่เป็นผลพลอยได้

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักในการประเมิน

เมื่อเปรียบเทียบระบบผลิตแก๊สหรือผู้จำหน่าย ตัวชี้วัดจำนวนหนึ่งจะระบุว่าการออกแบบที่กำหนดจะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะการทำงานจริง ไม่ใช่แค่ภายใต้การตั้งค่าห้องปฏิบัติการในอุดมคติเท่านั้น

ประสิทธิภาพก๊าซเย็น

วิธีนี้จะวัดเปอร์เซ็นต์ของปริมาณพลังงานชีวมวลที่สิ้นสุดในก๊าซจากผู้ผลิตที่ผ่านการทำความเย็นและทำความสะอาดแล้ว ระบบ downdraft ที่ออกแบบอย่างดีเข้าถึงได้ 70-85% ในขณะที่หน่วยฉนวนไม่ดีหรือมีขนาดใหญ่เกินไปสามารถลดลงต่ำกว่า 60%

อัตราการแปรสภาพเป็นแก๊สจำเพาะ

แสดงเป็นกิโลกรัมของมวลชีวมวลที่ใช้ต่อชั่วโมงต่อตารางเมตรของหน้าตัดของเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งจะกำหนดว่าเครื่องผลิตก๊าซจะมีขนาดกะทัดรัดเพียงใดสำหรับกำลังไฟฟ้าที่กำหนด โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 100-300 กิโลกรัม/ชั่วโมง/ตารางเมตร

อัตราส่วนเทิร์นดาวน์

สิ่งนี้บ่งชี้ว่าผลผลิตสามารถลดลงจากกำลังการผลิตสูงสุดได้ไกลแค่ไหนในขณะที่ยังคงรักษาสภาพการแปรสภาพเป็นแก๊สให้คงที่ โดยการออกแบบเบดคงที่ส่วนใหญ่รองรับ อัตราส่วนเทิร์นดาวน์ 3:1 ถึง 4:1 ก่อนที่คุณภาพก๊าซจะลดลง

ความท้าทายและแนวทางแก้ไขในการปฏิบัติงานทั่วไป

เครื่องผลิตก๊าซที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าปกตินั้นย้อนกลับไปถึงปัญหาการปฏิบัติงานที่เกิดขึ้นเป็นประจำ ซึ่งแต่ละปัญหาก็มีแนวทางในการบรรเทาผลกระทบที่เป็นที่ยอมรับกันดี

1. การเปรอะเปื้อนของน้ำมันดินในอุปกรณ์ปลายน้ำ จัดการด้วยขบวนทำความสะอาดหลายขั้นตอนที่ประกอบด้วยเครื่องแยกแบบไซโคลน เครื่องฟอกน้ำ และตัวกรองผ้า
2. ความชื้นของวัตถุดิบตั้งต้นไม่สอดคล้องกัน แก้ไขได้โดยการทำให้มวลชีวมวลแห้งล่วงหน้าจนถึงช่วงเป้าหมายโดยใช้ความร้อนเหลือทิ้งที่นำกลับมาใช้จากเครื่องผลิตก๊าซหรือไอเสียของเครื่องยนต์
3. การก่อตัวของเถ้าและปูนเม็ดที่อุณหภูมิสูง จัดการโดยการเลือกวัตถุดิบที่มีปริมาณเถ้าต่ำกว่า 5% และติดตั้งตะแกรงหมุนเพื่อกำจัดขี้เถ้า
4. การเชื่อมต่อและการจ่ายเชื้อเพลิงภายในถังบรรจุ แก้ไขโดยขนาดอนุภาคที่เหมาะสม (โดยทั่วไปคือ 20-100 มม.) และระบบกวนเชิงกล
5. การสึกหรอของเครื่องยนต์จากอนุภาคที่ตกค้าง แก้ไขได้โดยการเพิ่มขั้นตอนการกรองละเอียดขั้นสุดท้ายก่อนที่ก๊าซจะเข้าสู่ไอดีของเครื่องยนต์

สิ่งอำนวยความสะดวกที่ข้ามขบวนการทำความสะอาดแก๊สที่เหมาะสมจะรายงานช่วงเวลาการบำรุงรักษาเครื่องยนต์ลดลงจากปกติ ชั่วโมงการทำงาน 4,000-6,000 ชั่วโมง ลดลงเหลือต่ำกว่า 1,000 ชั่วโมง ทำให้ระบบทำความสะอาดเป็นหนึ่งในการลงทุนที่มีมูลค่าสูงสุดในการติดตั้งทั้งหมด

การพิจารณาต้นทุนและการคืนทุน

ต้นทุนทุนสำหรับระบบผลิตไฟฟ้าจากก๊าซชีวมวลแบบสมบูรณ์ ซึ่งรวมถึงเครื่องผลิตแก๊ส ชุดทำความสะอาดแก๊ส และชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของเครื่องยนต์ โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 800 ถึง 1,500 เหรียญสหรัฐต่อกิโลวัตต์ ของกำลังการผลิตติดตั้ง โดยมีระบบขนาดเล็กซึ่งมีต้นทุนต่อกิโลวัตต์สูงกว่าเนื่องจากค่าโสหุ้ยของอุปกรณ์คงที่

ต้นทุนการดำเนินงานถูกครอบงำโดยการจัดการและการเตรียมวัตถุดิบมากกว่าวัตถุดิบตั้งต้นเองเมื่อมีการใช้ชีวมวลของเสียในสถานที่ เนื่องจากวัสดุอาจเป็นอิสระได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ทำให้แห้ง การบิ่น และการขนส่งสำหรับค่าใช้จ่ายจำนวนมากอย่างต่อเนื่อง สำหรับโรงงานทดแทนเครื่องดีเซล ระยะเวลาคืนทุนของ 2 ถึง 4 ปี มีรายงานโดยทั่วไปว่าราคาน้ำมันดีเซลเกิน 0.80 ดอลลาร์ต่อลิตร และมีกระแสของเสียจากชีวมวลคงที่อยู่แล้ว

วิธีการเลือกระบบผลิตก๊าซชีวมวลที่เหมาะสม

การเลือกระบบที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการออกแบบและขนาดเครื่องผลิตแก๊สที่ตรงกับวัตถุดิบตั้งต้นที่มีอยู่และการใช้งานปลายทางที่ต้องการ แทนที่จะเลือกตามกำลังการผลิตเพียงอย่างเดียว

• ยืนยันว่าประเภทเครื่องผลิตแก๊สตรงกับวัตถุดิบตั้งต้นหลักของคุณ วัสดุหลวมและมีความหนาแน่นต่ำ เช่น แกลบ มักต้องการฟลูอิไดซ์เบดมากกว่ายูนิตดาวน์ดราฟต์แบบเบดคงที่
• ตรวจสอบว่าผู้ขายจัดเตรียมข้อกำหนดขบวนการทำความสะอาดแก๊สที่สมบูรณ์ ไม่ใช่แค่เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้แก๊สซิฟายเออร์ เนื่องจากการจัดการกับน้ำมันดินจะกำหนดความน่าเชื่อถือในโลกแห่งความเป็นจริง
• ขอข้อมูลประสิทธิภาพก๊าซเย็นจริงจากการติดตั้งอ้างอิงโดยใช้วัตถุดิบที่คล้ายกัน แทนที่จะอาศัยตัวเลขการออกแบบทางทฤษฎีเพียงอย่างเดียว
• ประเมินความสม่ำเสมอในการจัดหาวัตถุดิบตลอดทั้งปี เนื่องจากสารตกค้างทางการเกษตรตามฤดูกาลอาจต้องใช้ความสามารถในการจัดเก็บหรือวัตถุดิบรองเพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดทำงาน
• ตรวจสอบความเข้ากันได้ของเครื่องยนต์และข้อกำหนดการลดพิกัดล่วงหน้า เนื่องจากเครื่องยนต์ดีเซลหรือแก๊สบางรุ่นไม่ได้เปลี่ยนมาใช้การทำงานของแก๊สจากผู้ผลิตโดยไม่มีการดัดแปลง

ขนาดระบบและการจับคู่อย่างถูกต้องกับคุณลักษณะวัตถุดิบตั้งต้นตั้งแต่เริ่มแรกมีประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบที่เลือกตามจำนวนกำลังการผลิตเพียงอย่างเดียว เนื่องจากประสิทธิภาพของเครื่องผลิตก๊าซมีความอ่อนไหวต่อคุณภาพเชื้อเพลิงมากกว่าเทคโนโลยีการสร้างพลังงานความร้อนอื่นๆ ส่วนใหญ่