1

Chapter 7 Gasification

Renewable Energy Program - MJU

Mae Jo University

Thailand

RE311 Biomass Energy Technology หวขอ

1. ค ำนยำม

2. กระบวนกำรแกสซฟเคช น

3. ปจจยทมผลตอกำรผลตกำซเชอเพลง

4. ชนดของเตำแกสซฟำยเออร

5. กำรก ำจดน ำมนดน

6. ระบบผลตกำซเชอเพลง

ค ำนยำม

กระบวนการแกสซฟเคชนเปนการแปลงสภาพชวมวลของแขงโดยปฏกร ยาออกซเดชนบางสวน (partial oxidation) ทอณหภมสงดวยอากาศ ออกซเจน หรอไอน า ในชวง 800-1800 oC ท าใหเกดการแตกตวมาเปนกาซเชอเพลง (producer gas) ทมคาความรอนคอนขางต าถงปานกลางประมาณ 3-10 MJ/m3 ขน กาซเชอเพลงทไดสามารถน าไปใชประโยชนได หลากหลาย

ค ำนยำม

เตาปฏกรณของกระบวนการเรยกวา แกสซฟายเออร (Gasifier)

Nexterra's proprietary gasification technology

2

ชนดของเตำกำซเชอเพลง

เครองผลตโปรดวเซอรแกสสามารถแบงออกเปน 4 ชนด ใหญๆ ตามลกษณะการใช

วตถดบและขนตอนการเกดแกสซฟเคชนในเครองผลตโปรดวเซอรแกส คอ

1. แบบ Fixed Bed Gasifier หรอ Pack Bed Gasifier

2. แบบ Fluidized Bed Gasifier

3. Entrained Flow Gasifier

4. Molten Media Gasifier

Fluidized Bed Gasifier Entrained Flow Gasifier

ชนดของเตำกำซเชอเพลง

เตำผลตกำซเชอเพลงแบบ Fixed bed Gasifier

เตาผลตกาซเชอเพลงแบบ Fixed Bed Gasifier แบงเปน 3 ชนด

เตำผลตกำซเชอเพลงแบบ Fixed bed Gasifier

เตาผลตกาซเชอเพลงแบบ Fixed Bed Gasifier แบงเปน 3 ชนด

Up draft gasifier Down draft gasifier Cross draft gasifier

- อากาศจะไหลเขามาทางดานลางและกาซทผลตไดจะไหลออกมาทางดานบน Gasifier

- ไมคอยเปนทนยมมากนกเพ ร า ะ ว า ม ปญห าทา ง เ ร อ งClinker, Tar และตองมการเตมไอน าเขาไปชวยในการท าปฏกรยาทReduction Zone

- อากาศจะไหลเขามาทางดานบนและกาซทผลตไดจะไหลออกมาทางดานลาง

- บรเวณ Combustion Zone จะไมตดกบบรเวณสวนทเปนขเถา ด ง นน ในกรณทอณหภมของCombustion Zone สง ๆ จะไมท าใหเกดการละลายและรวมตวเปนกอนของขเถา (Clinker) และนอกจากน Gasifier ชนดนยงสามารถน าความชนทไดจากการอบเชอเพลงทบรเวณ Distillation Zone มาใชในการท าปฏกรยาทReduction Zone ไดดวย

- การออกแบบจะงายและมขนาดเลก อากาศจะเขามาทางดานหนงและกาซทผลตไดจะออกไปในดานตรงกนขามอากาศทเขามาในตอนแรกนนจะผาน Combustion Zone และ Reduction Zone ตามล าดบเพอผลตกาซ

3

ขอด-ขอเสย ของเตำ Gasifier ขอด-ขอเสย ของเตำ Gasifier

หลกการท างานReductionCO・H２・CH４

900～400℃

PyrolysisCH,4 Tar , H2O

900～300℃

DRYINGMoisture to Vapor

300～100℃

Partial OxidationCO２・H２O ・ CO ・H２

CH4, 1200℃ over

BIOMASS

Down Draft Gasifier

Ash

airair

AIR

Gas（450℃）

Tar free

Volatile: Downward

ปฏกรยำกำรเผำไหมในเตำ

Combustion หรอ Oxidation Zone (1000-1500 C)

C+O2 CO2

2H2+O2 2H2O

Heat source

Reduction Zone

C+CO2 2CO

C+H20 CO+H2 (Boundouard Reduction) 900 C

C+2H2O CO2+H2 (Water gas Reduction) 500-600 C

CO+H2O CO2+H2

C+2H CH4 (Methane Production)

Pyrolysis หรอ Distillation Zone (200-500 C)

Dry Biomass+Heat Charcoal+CO+CO2+ H2O +CH4

C2H6+ Pyroligneous Acid+Tar

Drying Zone (100-200 C)

กระบวนกำรผลตกำซชวมวล

4

REACTOR - เตำผลตกำซชวมวล ท ำหนำทในกำรเ ผ ำ ไ ห ม ช ว ม ว ล ต ำ มกระบวนกำร Gasification วตถดบจะถกปอนเขำเตำทำงดำนบนขณะทอำกำศจะถกจ ำกดโดยกำรปรบวำลวโดยรอบ ใหอยในสภำวะอบอำกำศทเหมำะสม

bio

mass

Ash

Producer gas

CO2 12-14 %

CO 18-20 %

CH4 1-2 %

H2 18-20 %

N2 45-48 %

O2 1-2 %

HHV 4.6-4.8 MJ/m3

Activated Carbon ( Bamboo, Coconuts)Amorphous Silica ash ( Rice husk ash)Char Coal (Wood , Carbonizer )Fertilizer Pellet (Ash + P, K )Fuel for Cocking StovePrecipitate Silica from Husk Ash

Ash Utilization

เตำผลตกำซชวมวล องคประกอบของกำซเชอเพลงจำกเตำแกสซฟำยเออร

องคประกอบของกำซเชอเพลงจำกเตำแกสซฟำยเออร องคประกอบของกำซเชอเพลงจำกเตำแกสซฟำยเออร

5

ปจจยทผลตอกำรผลตกำซเชอเพลง

1. ควำมชนของเชอเพลง

ความชนในเชอเพลง (moisture content) ชวยท าใหเกดสดสวนกาซไฮโดรเจนสงข นในกาซเชอเพลง แตความชนจะท าใหประสทธภาพของเตาผลตกาซ และคาความรอนทตองการลดลง ความชนของเชอเพลงชวมวลขนอยกบชนดของเชอเพลง แหลงทมา และการเตรยมสภาพกอนน าไปผลตกาซชวมวล ความชนในชวมวลสามารถแบงไดเปน 3 ลกษณะ คอ

(i) ความชนทอยภายในเนอชวมวล สามารถอยในรเปดของเซลลในชวมวลได โดยสมดลกบบรรยากาศทมความชนสมพทธ 96 – 97%

(ii) ความชนทผว เปนสวนทลนเกนจากความชนในรเปดของเซลลชวมวล (iii) ความชนจากการสลายตวของสารอนทรยดวยความรอนทอณหภม 200-

250oC ซงสงกวาอณหภมทใชระเหยความชนทผวและความชนทอยภายในชวมวล ถาตองการน าชวมวลมาใชเปนพลงงาน ความชนควรไมเกน 50%

ปจจยทผลตอกำรผลตกำซเชอเพลง

2. ขนำดของเชอเพลง

ขนาดของเชอเพลง (fuel size) จะมผลกบการเกดความดนตก (pressure drop) ภายในเตาแกสซฟายเออร ถาเกดความดนลดภายในเครองมากเกนไปจะท าใหตองใช

พลงงานในการน าอากาศเขา และพากาซทไดออกจากเตาแกสซฟายเออรมาก เครองยนตกจะตองมแรงดดมากพอทจะเอาชนะความดนตกของระบบทงหมด

ในทางทฤษฎ อากาศควรสมผสกบพนทผวของเชอเพลงใหมากทสดเพอใหได ปรมาณกาซทเพมข น และเกดกระบวนการทเรวยงข น

เตาแกสซฟายเออรขนาดเลกตดตงกบท หากใชเชอเพลงขนาดใหญจะเกดปญหาการเผาไหมขามโซน ซงเปนสาเหตของการเกดเถาหลอมเยมตดผนง (slag) เพราะถาเชอเพลงโตเกนไปเทยบกบขนาดเครอง พอเผาไหมแลวเชอเพลงจะไหลลงไมสะดวก และไมทนกบการเผาไหมทมอากาศเขาเทาเดม อตราการปอนอากาศตอเชอเพลงจงสงข นท าใหอณหภมเพมสงถง 2000oC ซงสงพอทจะเหนยวน าใหเกดเถาหลอมในเชอเพลงทกชนดได จงควรทจะมการน ามาตดเปนชนเลกๆ ขนาดประมาณ 1 เซนตเมตร จะท าให ประสทธภาพการเผาไหมดข น

ปจจยทผลตอกำรผลตกำซเชอเพลง

3. กำรกระจำยขนำด

เชอเพลงทไมสรางปญหาใหกบเตาแกสซฟายเออร ตองมขนาดไมแตกตางกนมากนก ถาขนาดแตกตางกนมาก อากาศและกาซจะไหลผานตามชองวางทเกดจากเชอเพลงขนาดโตและเลกเกยกน ท าใหบางบรเวณมการเผาไหมรนแรง บางบรเวณเยนตวลงและอาจสลบกนในเวลาตอมา ท าใหเกดการหลอมกนเปนกอน (clinker)

4. ควำมหนำแนน

เปนคาทแสดงลกษณะการใชปรมาตรของเชอเพลงนน กลาวคอ เมอเทเชอเพลงทเปนเมดลงในภาชนะ รปทรงของแตละเมดจะท าใหผวของเมดเชอเพลงแนบกนไมได นนคอ เกดชองวางระหวางเมดเชอเพลงข น ท าใหเปลองปรมาตรในภาชนะ เพราะบรรจได น าหนกนอย เนองจากมชองวางอากาศท าใหคาความหนาแนนโดยรวมต าลง โดยทวไป เชอเพลงทใชในการผลตกาซ จะเปลองเนอทประมาณ 20-75 เปอรเซนต ของปรมาตรบรรจ

ปจจยทผลตอกำรผลตกำซเชอเพลง

5. สำรระเหยในเชอเพลง

สารระเหย (volatile matter) ทปลอยออกมาระหวางปฏกรยา สามารถควบแนนทมอณหภม 100-500 oC จะกอตวเปนน ามนดน (Tar) และน ามนทกลนตวตางๆ ถาเชอเพลงทมสารระเหยมากอาจจะสรางปญหาไดเนองจากน ามนดนและไอน ามนทมอณหภมควบแนน 120-150oC จะเกาะฝงตวบนผนง จงตองแยกออกกอนน าไปใชงานกบเครองยนต

6. ขเถำ

ขเถาเกดจากสารแรธาตทเปนสวนประกอบในเชอเพลง รวมตวกบออกซเจนขณะเผาไหม ในความเปนจรง อาจจะมถานชารคางอยดวย สดสวนของขเถาในเชอเพลงจะมผลตอการท างานของเตาแกสซฟายเออร ถาสดสวนขเถาในเชอเพลงมคาสงกจะท าให พลงงานของกาซเชอเพลงลดลง และเตาแกสซฟายเออรตองส ารองเนอทเกบขเถามากขน และถาเกดขเถาหลอมตว ซงมโอกาสมากขนเมอสดสวนขเถามมากขน ชวมวลสวนใหญจะมขเถาประมาณ 1-3% ยกเวนแกลบและฟางขาวจะมสดสวนขเถาประมาณ 10-20% ซงจะมปญหาในการเผาไหมและการก าจดพอสมควร

6

ปจจยทผลตอกำรผลตกำซเชอเพลง

7. ควำมหนำของช นเชอเพลง

ความหนาของชนเชอเพลง (bed thickness) จะมผลตอปฏกร ยาทางเคมทเกดข นในเตาเผา ในกรณทชนของเชอเพลงเพมสงข นจะท าใหบรเวณทเกดปฏกรยารดกชนมชวงกวางขน ปฏกรยาทางเคมทเกดข นจะเปลยนกาซคารบอนไดออกไซดใหเปนกาซคารบอนมอนอกไซด ซงเปนปฏกรยาดดความรอน จะสงผลใหอณหภมของเตาลดลง

เตำปฏกรณแบบช นเชอเพลงนง

เชอเพลงปอนทางสวนบนของเตา

อากาศสงผานตะแกรงเขามาดานลาง

ขอจ ากด กาซทไดมผลตภณฑประเภทน ามน และน ามนดน จ านวนมาก

เตาประเภทนเหมาะส าหรบน าไปใช

ส าหรบหมอไอน า หรอการอบแหงวสดทางการเกษตร

ลกษณะของเตำปฏกรณผลตกำซเชอเพลงแบบกำซไหลขน

เตำปฏกรณแบบช นเชอเพลงนง

ออกแบบมาเพอขจดน ามนดน ลดลงได 10% เทยบกบเตาแบบไหลขน

ไอน ามนดนจะไหลผานโซนการเผาไหมจงถกสลายตวดวยความรอน

ขอจ ากด ไมเหมาะกบเชอเพลงทมขเถามาก อาจเกดเศษเถาหลอมเยนตวลงและแขงตดหองเผาไหม ท าใหกดขวางการไหลของกาซและเชอเพลง

ลกษณะของเตำปฏกรณผลตกำซเชอเพลงแบบกำซไหลลง

เตำปฏกรณแบบช นเชอเพลงนง

ออกแบบมาเพอใชกบยานพาหนะ

น าหนกเบา ตอบสนองตอภาระทเกดข น

เชอเพลงทใชควรเปนถานไมทมคณภาพสง

ไอสารระเหยและน ามนดนทไดจากการไพโรไลซสนจะผานโซนรดกชนอณหภมสงกอนทจะออกไปสภายนอกเตา ท าใหน ามนและน ามนดนเกดการแตกตวเปนกาซกอน

ลกษณะของเตำปฏกรณผลตกำซเชอเพลงแบบกำซไหลขวำง

7

เตำปฏกรณแบบช นของไหล

แกปญหาการเกดเศษเถาหลอมในเตา

การท าใหมสภาวะเสมอนของไหล หมายถงการใหกลมเมดของแขงขนาดเลกเปลยนไปมสภาวะคลายของไหลโดยการสมผสกบกาซหรอของเหลวในชนของไหล

ใชเมดวสดเฉอย ไดแก เมดทราย หรอวสดเรงปฏกรยา เชน หนปน ซงจะชวยถายเทความรอนและชวยท าความสะอาดกาซทได

ม 2 แบบ คอ แบบฟองอากาศ (Bubbling) และแบบหมนวน (Circulating)

ลกษณะของเตำปฏกรณผลตกำซเชอเพลงแบบช นของไหล

เตำปฏกรณแบบช นของไหล

กำรเปรยบเทยบลกษณะพนฐำนและกำรท ำงำนของเตำปฏกรณ (Basu, 2006) กำรเปรยบเทยบเตำแบบช นนงกบเตำแบบช นของไหล (Warnecke, 2000)

8

กำรก ำจดน ำมนดน

น ามนดนเปนของผสมสารประกอบไฮโดรคารบอนทซบซอน ควบแนนได มลกษณะขนเหนยวสด า ตดไฟได องคประกอบภายในน ามนดนนนขนอยแลวแตชนดของสารตงตนทน ามาเผาไหม มสวนผสมเชน แนปทาลน หรอ เบนซน เปนตน ปกตน ามนดนเปนผลผลตจากกระบวนการแกสซฟเคชนของชวมวล หรอถานหน น ามนดนเปนปญหามากในการน ากาซเชอเพลงทผลตไดไปใช โดยสามารถควบแนนในอณหภมต า และน าไปสการอดตน และขดขวางเสนทางการไหลของระบบ เกาะตดตวกรอง และเครองยนตได

สวนประกอบของน ำมนดน

กำรก ำจดน ำมนดน

แบงออกเปน 2 ชวง คอ ระหวางการเกด (primary method) และชวงหลงการเกดปฏกรยา (secondary method)

ชวงระหวางการเกดปฏกรยา ชวงหลงการเกดปฏกรยา1. การใชสภาวะท างานทเหมาะสม2. การใชวสดเตมพเศษ3. การออกแบบเตาปฏกรณทเหมาะสม

1. การดกจบทางกายภาพ2. การแตกตวดวยความรอน3. การแตกตวดวยตวเรงปฏกรยา4. การแตกตวดวยพลาสมา

ชวงระหวางการเกดปฏกรยา ชวงหลงการเกดปฏกรยา- ใชสภาวะท างานทเหมาะสม ไดแก อณหภมความดน คาอตราสวนสมมล (equipvalence ratio)

- การใชวสดเตมพเศษ ตวเรงปฏกรยา เชน นเกลโดโลไมต แมกนไซต ซโอไลต โอลไวน และเหลก ปนขาว ลงไปในชนเชอเพลง

- การออกแบบเตาทเหมาะสม ฉดอากาศชวงทสอง การหมนเวยนกาซภายใน

- การดกจบเชงกล เครองกรองทราย ถงพนน า สกบเบอรแบบคอคอต ไฟฟาสถตแบบเปยก ตวดดซบน ามนดน

- การแตกตวดวยความรอน เพมอณหภม1250 C

- การแตกตวดดวยตวเรงปฏกรยา

ตวอยำงระบบผลตกำซเชอเพลง

ลกษณะของเตาปฏกรณผลตกาซเชอเพลงแบบ Lurgi

9

ลกษณะของเตำปฏกรณผลตกำซเชอเพลงแบบ Imbert

ตวอยำงระบบผลตกำซเชอเพลง

ลกษณะของเตำปฏกรณผลตกำซเชอเพลงแบบปรบปรงจำก Imbert

ตวอยำงระบบผลตกำซเชอเพลง

ระบบผลตกำซเชอเพลงจำกชวมวลส ำหรบกำรผลตไฟฟำ

ส าหรบการผลตพลงงานไฟฟาจากชวมวลขนาดใหญ มกจกรรมการวจยดานนมากในยโรป ศนยวจยทางเทคนคแหงฟนแลนดไดท าการประเมนระบบการผลตพลงงานจากชวมวล โดยแบงออกเปน 4 ขนาด

ขนำดฟำรมเกษตร 100-300 kWe

เหมาะกบระบบเตาปฏกรณผลตกาซเชอเพลงแบบไหลลง และใชเครองยนตดเซลเปนตนก าลงผลตไฟฟา

ขนำดเลก 5 – 10 MWe

ใชกบระบบเตาปฏกรณผลตกาซเชอเพลงแบบชนของไหล โดยอาจจะใชเครองจกรกงหน (steam injected gas furbine, STIG) กาซแบบพนไอน า หรอเครองยนตดเซล เปนตนก าลงผลตไฟฟา

ขนำดกลำง 20 – 30 MWe

ใชกบระบบเตาผลตกาซเชอเพลงแบบชนของไหล โดยอาจจะใชเครองจกรกงหนกาซแบบพนไอน า หรอ วฏจกรรวมแบบรวมเทคโนโลยแกสซฟเดชน (integrated gasification combined cycle, IGCC) หรอเครองยนตดเซลเปนตน ก าลงผลตไฟฟา

ขนำดใหญ 40 – 60 MWe

ใชกบระบบเตาปฏกรณผลตกาซเชอเพลงแบบชนของไหล โดยอาจจะใช STIG หรอ IGCC เปนตนก าลงผลตไฟฟา

ระบบผลตกำซเชอเพลงจำกชวมวลส ำหรบกำรผลตไฟฟำIGCC , Gasification combined cycle

10

หลกกำรหำคำควำมรอนของโปรดวเซอรแกส

คำควำมรอนของแกสเชอเพลง (Calorific Value of producer gas)

กำรหำประสทธภำพของเตำผลตกำซเชอเพลง

ประสทธภำพของแกสเชอเพลง

ตวอยำงท 1

เตาผลตกาซเชอเพลง ใชใบออยอดแทงเปนเชอเพลงปอนในอตรา 10 kg/hr มคาความรอน 18 MJ/kg ทอตราการไหลของกาซเชอเพลง 24.6 Nm3/hr จงหาวาเตาชนดนใหความรอนเทาใด และมประสทธภาพเทาใด

ตวอยำงท 1

11

ตวอยำงท 1

เชอเพลงอดแทงสดสวนผสม แปงมน : ผกตบชวำ [1:9]ควำมหนำแนน = 600 กก. / ลบ.ม.

1. นำย2. นำงสำว3. นำย4. นำย5. นำย6. นำย7. นำย8. นำย9. นำย10.นำย

เชอเพลงอดแทง

ฉลำกตด

Thank You