đề tài khí hóa than

Tập tài liệu về khí hoá than này trình bày tóm tắt những vấn đề chủ yếu nhất của công nghệ khí hóa than, trong đó ưu tiên trình bày về nghiên cứu và sản xuất khí than dùng cho tổng hợp h

ĐỀ TÀI

Khí hóa than

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG 8

2 NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CÁC KIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN 10

2.1 Khí hóa than tầng cố định (đường kính cục than 10 100 mm) 11

2.1.1 Quá trình khí hóa thuận 11

C + CO2 = 2CO  Q1 13

C + H2O = CO + H2  Q2 13

2.1.2 Quá trình khí hóa nghịch 14

2.1.3 Khí hóa liên hợp 15

2.1.4 Ưu nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định 16

2.2 Khí hóa than tầng sôi (Đường kính cục than từ 0 - 10mm) 18

2.2.1 Đặt vấn đề 18

2.2.2 Tốc độ gió trong khí hóa dạng tầng sôi 18

4g T d 19

3 C khí 19

2.2.3 Đặc điểm và ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi 20

2.2.4 Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi 21

2.2.5 Sơ đồ khí hóa tầng sôi kiểu Winkler 21

2.3 Khí hóa than dạng dòng cuốn (than cám, than bụi đường kính 0 - 2mm) 23

2.4 Tóm tắt về ba phương pháp khí hóa than 25

3 SẢN XUẤT KHÍ THAN KHÔ VÀ KHÍ THAN ƯỚT 29

3.1 Sản xuất sản phẩm khí than khô 29

CO2 + C = 2CO  41,965 kcal/kmol 30

3.2 Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước 32

3.2.1 Bản chất của quá trình 32

C + H2O H2 + CO - Q 33

Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh 34

3.2.2 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa gián đoạn dùng hơi nước 38

3.3.1 Phương pháp tháo xỉ rắn 41

3.3.2 Phương pháp tháo xỉ lỏng 42

3.3.3 Phương pháp dùng áp suất cao (p = 20 atm), tháo xỉ rắn 44

3.3.4 Phương pháp khí hóa than dưới áp lực, tháo xỉ lỏng 46

4 GIỚI THIỆU MỘT VÀI KIỂU LÒ KHÍ HÓA THAN CẢI TIẾN 46

5 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN TRÊN THẾ GIỚI 49

5.1 Công nghệ khí hóa than kiểu tầng cố định: 49

5.2 Công nghệ khí hóa than kiểu tầng sôi ở nhiệt độ cao Winkler (HTW) 50

5.3 Công nghệ khí hóa than kiểu dòng cuốn 50

5.4 Tình hình ứng dụng các kiểu lò khí hóa than ở một số hãng 51

6 KHÍ HÓA THAN Ở CÁC NƯỚC 53

6.1 Áp dụng công nghệ khí hóa than trong sản xuất amoniăc 53

Hiện nay phần lớn sản lượng amoniăc và urê trên thế giới được sản xuất từ nguyên liệu khí thiên nhiên Về mặt lý thuyết, mọi nguyên liệu hydrocacbon đều có thể sử dụng được, với điều kiện chúng có thể được oxi hóa thành khí tổng hợp (CO + H2) Ví dụ, do thiếu khí thiên

nhiên Ấn độ đã sử dụng nhiều naphtha để chế tạo khí tổng hợp Tuy nhiên, vì giá khí thiên nhiên (kể cả naphtha) tăng mạnh, nên ngày nay

người ta càng quan tâm đến việc đi tìm nguồn nguyên liệu thay thế

khác để sản xuất amoniăc 53

6.2 Khí hóa than ở Trung Quốc 54

6.3 Khí hóa than ở Nam Phi 57

6.4 Khí hóa than ở Ấn độ 58

6.5 Khí hóa than ở Mỹ 58

7 CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN CỦA SHELL VÀ TEXACO 60

7.1 Công nghệ Shell: 60

7.2 Công nghệ TEXACO 63

8 THÔNG SỐ KỸ THUẬT MỘT SỐ LOẠI THAN VIỆT NAM THÍCH HỢP VỚI CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 67

9 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT URÊ TỪ THAN 74

Khí hóa than là phương pháp toàn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới, hoặc các vật liệu có chứa cacbon (kể cả sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp) thành các nguyên liệu hoá chất quan trọng như CO, H2, và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng

Khác với việc đốt than trực tiếp, công nghệ khí hóa chuyển hóa than - thực tế là nguyên liệu cacbon - thành các thành phần hoá chất cơ bản Trong thiết bị khí hóa hiện đại, than được tiếp xúc với không khí (hoặc oxy) và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao được kiểm soát chặt chẽ Trong những điều kiện đó, các phân tử cacbon trong than sẽ tham gia các phản ứng hoá học tạo ra hỗn hợp CO, H2 và các khí thành phần khác

Hydro và các loại khí khác có trong khí than có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm hoá chất quan trọng như

amoniăc, phân urê, các sản phẩm hữu cơ, hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện Khí hóa than cũng là phương pháp tốt nhất để sản xuất nhiên liệu hydro sạch cho xe ôtô của tương lai và cho pin

nhiên liệu dùng để phát điện

Công nghệ khí hóa than còn mang lại ích lợi lớn về mặt môi trường trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ô nhiễm trong khí than Ví dụ, lưu huỳnh trong than có thể được chuyển thành dạng H2ÂS và được thu giữ hoặc chuyển hóa thành lưu

huỳnh thương phẩm Tương tự, nitơ có trong khí than sẽ được chuyển hóa thành amoniăc và chất này có thể được dùng để sản xuất phân bón hoặc các hoá chất khác

Nhìn chung, khả năng sản xuất một cách hiệu quả điện năng, hyđro

và các nguyên liệu hoá chất khác, cũng như khả năng cắt giảm khí gây ô nhiễm, đang làm cho công nghệ khí hóa than trở thành một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho các ngành năng lượng và hoá chất của tương lai, nhất là khi giá các nguồn nguyên liệu dầu khí

có xu hướng dao động mạnh trước những biến động kinh tế, chính trị trên thế giới và ngày càng trở nên khan hiếm hơn

Bằng cách khí hoá than có thể chuyển hoá được các loại nhiên liệu rắn chất lượng thấp, chứa nhiều ẩm, tro, nhiệt cháy thấp thành nhiên liệu thể khí có chất lượng cao hoặc tạo thành khí tổng hợp dùng trong công nghệ hoá học Do có thể sử dụng các loại than có chất lượng thấp để sản xuất khí than có giá trị công nghiệp nên khí hóa than sẽ mở ra một triển vọng tốt cho các vùng than chất lượng thấp để phát triển công nghiệp đặc biệt ở các tỉnh phía Bắc nơi có nhiều than cám, than

bụi (ë Quảng Ninh) cũng như tại các vùng than nhỏ khác ở Tây Bắc chúng ta cũng cần nghiên cứu trữ lượng để có thể đưa vào sản xuất

Tập tài liệu về khí hoá than này trình bày tóm tắt những vấn đề chủ yếu nhất của công nghệ khí hóa than, trong đó ưu tiên trình bày về nghiên cứu và sản xuất khí than dùng cho tổng hợp hoá học với mục đích sản xuất phân bón Trong tài liệu sẽ trình bày một số vấn đề lý thuyết của

quá trình khí hoá, công nghệ sản xuất khí tổng hợp ở áp suất cao, là công nghệ hiện đang được dùng nhiều trên thế giới

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Khí hóa than là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị thể của nhiên liệu rắn chứa cacbon Phụ thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm khí chứa CO, H2 và CH4 Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H2 có các tỷ lệ khác nhau giữa các cấu tử có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học

Nếu coi trong than chỉ chủ yếu chứa cacbon và không tính đến các thành phần khác như N, S và khí trơ thì quá trình khí hóa được coi như gồm các phản ứng sau:

Tất cả những phản ứng để tạo ra các sản phẩm khí nêu trên đều là các phản ứng dị thể

CO2 là sản phẩm khí bậc nhất có thể tiếp tục tương tác với cacbon có trong vùng phản ứng đồng thời với quá trình trên là quá trình chuyển hóa đồng thể các sản phẩm khí bậc nhất tạo thành trong các quá trình đầu tiên

trong các sổ tay hóa lý

Trên cơ sở các hàm nhiệt động, có thể tính toán lý thuyết được thành phần cân bằng của các khí trong quá trình khí hóa phụ thuộc vào nhiệt độ Thường các tính toán dựa trên các điều kiện lý tưởng, song thực tế lại không đạt được các điều kiện đó

Trong lò phản ứng có nhiều phản ứng xảy ra Vì vậy cần tính thành phần của các khí ở trạng thái cân bằng đối với mỗi phương pháp sản xuất và trên cơ sở đó có thể so sánh ưu, nhược điểm của mỗi phương pháp khí hóa theo thành phần của sản phẩm

2 NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CÁC KIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN

Khi sản xuất khí than, người ta phải cân nhắc hai yếu tố:

a) Thể loại và chất lượng than sử dụng làm nguyên liệu khí hóa

b) Mục tiêu sử dụng các sản phẩm khí thu được

Mỗi loại than có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều phương pháp khí hóa than khác nhau Tùy thuộc kích cỡ của than đưa vào lò khí hóa mà có thể áp dụng một trong ba kiểu công nghệ khí hóa phổ biến hiện nay là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng sôi và khí hóa than dòng cuốn

- Than cục to, đường kính 10 - 100mm: thích hợp kiểu công nghệ khí hóa than tầng cố định

- Than cục nhỏ, đường kính 0 - 10mm: thích hợp công nghệ khí hóa than tầng sôi

- Than cám, đường kính 0 - 2mm: thích hợp công nghệ khí hóa than dòng cuốn (khô và ướt)

Cả ba công nghệ khí hóa than nói trên đều có thể cho ra các sản phẩm khí, đó là: khí than khô; khí lẫn; khí than ướt; khí than giàu oxy, v.v Ngược lại, một phương pháp khí hóa nhất định cũng có thể khí hóa được nhiều loại than khác nhau, ví dụ phương pháp khí hóa tầng cố định có thể dùng các loại nhiên liệu khác nhau như than gỗ, gỗ, than nâu, than antraxit, v.v

Dưới đây là các kiểu công nghệ khí hóa than

2.1 Khí hóa than tầng cố định (đường kính cục than 10 ¸ 100 mm)

2.1.1 Quá trình khí hóa thuận

Theo phương pháp này thì than được nạp vào từ trên đỉnh lò xuống phía dưới, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò từ đáy lò còn sản phẩm khí đi ra ở cửa lò phía trên Như vậy gió và than đi ngược chiều nhau Quá trình có một số đặc điểm sau (hình 1):

a) Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia Dưới cùng là vùng xỉ (7), tiếp đó là vùng cháy (6), vùng khử (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa) (5), vùng bán cốc (4), vùng sấy than (3) và trên đó là tầng không đỉnh lò

b) Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt độ càng thấp hơn nữa do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước

Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng như sau:

và dẫn nhiệt) thì ít quan trọng hơn

c) Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt than giảm dần vì than đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt (bán cốc), phản ứng khử, phản ứng cháy Hàm lượng cacbon còn lại trong

xỉ còn lại tương đối ít Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với than

Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò, ta thấy:

Bắt đầu gió đi từ ghi lò (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo vùng cháy, vùng khử và cuối cùng là đến tầng không đỉnh lò

*Vùng xỉ: Vùng này chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò,

nhiệt độ ở đây tương đối thấp, tuy nhiên oxy cũng có phản ứng với phần than còn lại trong xỉ còn nóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút

ít Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt để đi tiếp vào vùng cháy

*Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy ra phản ứng C + O2 ® CO + CO2;

CO vừa tạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió để tạo ra CO2

(2CO + O2 ® 2CO2) Trong vùng này nhiệt toả ra mạnh, lượng nhiệt này dùng để cung cấp cho các phản ứng trong vùng khử và các vùng khác

*Vùng khử: Trong vùng này CO2 và hơi nước đi từ vùng cháy vào có thể gây ra các phản ứng sau:

C + CO2 = 2CO - Q1

C + H2O = CO + H2 - Q2

C + 2H2O = CO2 + 2H2 - Q3

Đây là 3 phản ứng quan trọng nhất ở vùng khử vì chính 3 phản ứng này tạo ra các khí có thể hoặc dùng làm khí đốt hoặc dùng làm

nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO và H2) trong sản xuất phân đạm và các hóa chất khác

* Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp

hơn vùng khử do nhiệt phải cấp cho các phản ứng khử Nhiệt của khí (nhiệt độ khoảng 500 ¸ 700oC) được cung cấp cho than ở vùng bán cốc Nếu than dùng cho khí hóa là than biến tính thấp (như than nâu, than bùn ) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân huỷ của than chứa nhiều hydrocacbon và khí CO2 Kết quả là khí sản phẩm không chỉ chứa CO, H2, CO2 mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác

và sản phẩm khí này chỉ thuận lợi khi dùng làm nhiên liệu chứ không thuận lợi cho các quá trình tổng hợp hóa học

Nếu than dùng cho quá trình khí hóa là than antraxit thì sẽ cho sản phẩm khí CO, H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học

2.1.2 Quá trình khí hóa nghịch

Quá trình khí hóa nghịch được tiến hành trong các lò khí hóa, ở đó than

đổ từ trên đỉnh lò xuống dưới, gió cũng đi từ phía trên của lò và đi cùng chiều với than xuống phía dưới Sản phẩm khí của quá trình khí hóa thoát ra ở phía đáy lò (hình 2)

Do khí hóa thực hiện trong các điều kiện như vậy nên chúng có các đặc điểm sau:

a/ Phân bố lại các khu vực trong lò ngược với quá trình khí hóa

thuận (như phần trên đã trình bày):

Theo đường gió vào, từ trên xuống dưới bao gồm các vùng sau:

Vùng sấy khô ® Vùng bán cốc ® Vùng cháy ® Vùng khử ® Vùng tro và xỉ

Than bị nhiệt phân, sau đó cháy ngay và đi tiếp vào vùng khử Sản phẩm của quá trình nhiệt phân ở vùng bán cốc không thoát ra ngoài

mà tiếp tục đi qua vùng cháy, vùng khử và vùng tro xỉ rồi mới thoát

ra ngoài cùng với khí than

b) Hình thức trao đổi nhiệt trong lò khí hóa nghịch

Trong lò khí hóa nghịch, vùng có nhiệt độ cao nhất là vùng cháy, nó

có xu hướng trao đổi nhiệt với các khu vực xung quanh Nhiệt truyền cho vùng khử chủ yếu do quá trình đối lưu, còn nhiệt truyền lên phía trên (vùng cốc hóa) chủ yếu là do bức xạ và dẫn nhiệt

c) Ảnh hưởng của quá trình bán cốc (nhiệt phân than) đối với quá trình khí hóa nghịch

Trong lò khí hóa nghịch, sản phẩm của quá trình nhiệt phân (bán cốc) thoát ra phải đi qua khu vực cháy, ở đó có dư oxy và nhiệt độ cao nên đại bộ phận khí và chất lỏng nhiệt phân bị cháy và bị phân hủy tiếp, nên sản phẩm của quá trình khí hóa nghịch chủ yếu chỉ có

CO, H2, H2O, và một lượng nhỏ các loại nhựa, hydrocacbon Hàm lượng nhựa trong quá trình khí hóa nghịch là thấp, không quá 0,3 ¸ 0,5 g/m3, trong khi khí sản xuất theo quá trình khí hóa thuận có hàm lượng nhựa cao, đến 30 ¸ 40 g/m3 Sản phẩm khí từ quá trình khí hóa nghịch có chất lượng tốt hơn từ quá trình khí hóa thuận nên khí

đó có thể dùng để chạy các động cơ đốt trong hoặc chế biến hóa học

2.1.3 Khí hóa liên hợp

Quá trình khí hóa liên hợp là quá trình kết hợp phương pháp khí hóa thuận và phương pháp khí hóa nghịch trên cùng một thiết bị

Than đi từ đỉnh lũ xuống, giú cũng đi từ trờn xuống cựng chiều với than tạo điều kiện cho quỏ trỡnh khớ húa nghịch Trong quỏ trỡnh này than đi qua vựng sấy 1, vựng bỏn cốc 2, vựng chỏy 3, vựng khử

4 (Âđõy là vựng tạo sản phẩm khớ), sau đú sản phẩm khớ ra ngoài theo ống II đồng thời giú cũng đưa vào theo hướng từ dưới lờn, đi qua vựng xỉ 7, đến vựng chỏy 6 và vựng khử 5 Ở đõy sản phẩm khớ được tạo thành và cũng đi ra ở cửa II cựng với sản phẩm khớ của quỏ trỡnh khớ húa nghịch

Ưu nhược điểm của phương phỏp khớ húa liờn hợp: Quỏ trỡnh khớ húa

nghịch cú ưu điểm là trong sản phẩm cú hàm lượng nhựa rất bộ,

nhưng khuyết điểm là cú một phần than chưa tham gia hoàn toàn vào cỏc phản ứng khớ húa đó bị thải đi Quỏ trỡnh khớ húa thuận cú ưu điểm là than tham gia hoàn toàn vào cỏc phản ứng chỏy và khử

Quỏ trỡnh khớ húa liờn hợp khắc phục được nhược điểm của cả hai quỏ trỡnh khớ húa Song khú khăn lớn nhất của phương phỏp liờn hợp này là nếu vận tốc giú đưa từ dưới lờn quỏ lớn chỳng sẽ cú khả năng thừa oxy, thoỏt lờn trờn gõy chỏy cỏc sản phẩm khớ CO, H2 Nếu vận tốc giú quỏ bộ, lượng than cũn lại trong tro xỉ lại tăng lờn

Do vậy tuy phương phỏp khớ húa liờn hợp tuy cú ưu điểm nhưng được dựng rất hạn chế, chỉ được dựng để sản xuất khớ chạy động cơ

từ những loại than cú độ tro cao và than bựn

2.1.4 Ưu nhược điểm của cỏc quỏ trỡnh khớ húa tầng cố định

Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia, nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, than càng đi xuống dưới càng nóng

Phương pháp khí hóa tầng cố định, nhất là phương pháp khí hóa nghịch hoặc liên hợp, có ưu điểm là có thể sử dụng được tất cả các loại nhiên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí than Than đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc nên ẩm và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng khử và vùng cháy than vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng khí sản phẩm ở đây vẫn tốt

Chính vì vậy phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than, từ than non đến than già, kể cả loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro) và củi gỗ, (có độ ẩm đến 30%) Phương pháp không dùng được đối với các loại than cám và than bụi

Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí than có chứa nhiều hydrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất

có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt

Mất mát cacbon theo xỉ than ở phương pháp này tương đối ít, vì theo chiều chuyển động của than từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần Nhược điểm của phương pháp này là mất mát nhiệt theo xỉ

khá nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, là vùng có nhiệt độ cao, do đó hiệu suất nhiệt của quá trình không cao

2.2 Khí hóa than tầng sôi (Đường kính cục than từ 0 - 10mm)

2.2.1 Đặt vấn đề

Trong khai thác than ở các mỏ, khối lượng than cám và than bụi khá nhiều, có thể tới 50% tổng số lượng than khai thác Vì vậy việc áp dụng các công nghệ thích hợp để sử dụng các loại than có kích thước hạt nhỏ là rất cần thiết

Than cám và than bụi có kích thước hạt khá nhỏ 0 - 10mm và 0 - 2mm, nếu xếp các loại than này vào lò khí hóa thì trở lực của lớp than sẽ khá lớn Vì vậy nếu khí hóa ở dạng chặt tầng cố định thì phải dùng tốc độ gió lớn mới khắc phục được trở lực đó để đảm bảo cho lò có năng suất nhất định Nhưng nếu tăng tốc độ gió sẽ không tránh khỏi có một số hạt than "sôi" lên, một số hạt có kích thước nhỏ hơn lại bay lơ lửng trong khí hoặc bay ra ngoài lò phản ứng Như vậy chế độ khí hóa kiểu tầng

cố định không còn giữ nguyên chế độ hoạt động Do vậy đối với các loại than cám, than bụi phải áp dụng phương pháp khí hóa khác, đó là phương pháp khí hóa than theo phương pháp tầng sôi và dạng dòng cuốn

2.2.2 Tốc độ gió trong khí hóa dạng tầng sôi

- Xét vận tốc gió trong lò phản ứng:

Nếu tốc độ gió còn nhỏ thì than trong lò còn ở dạng lèn chặt Nhưng nếu tăng dần tốc độ gió lên thì than đang ở trạng thái lèn chặt dần dần biến thành trạng thái chuyển động và khi tốc độ gió đạt tới một giá trị nhất định thì than sẽ ở trạng thái "sôi" (hiện tượng sôi của các hạt rắn trong dòng khí)

Tốc độ gió (Wgió) lúc bấy giờ gọi là tốc độ sôi (Wsôi)

Vì vậy khi Wgió = Wsôi thì phương pháp khí hóa gọi là khí hóa tầng sôi

Tiếp tục tăng vận tốc gió tới giới hạn nhất định sẽ đạt được trạng thái cân bằng giữa lực đẩy của gió và trọng lực của than Tốc độ gió lúc đó được gọi là tốc độ tới hạn, được xác định theo công thức:

4g gT d

Wtới hạn = ; m/giây

3 C gkhí

gT : Trọng lượng riêng của than

gkhí : Trọng lượng riêng của khí

d : Kích thước hạt than

C : Hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hạt than

và phụ thuộc vào Re

Nếu Wgió > Wtới hạn thì than sẽ bay ra ngoài lò theo khí Vì vậy Wgió

không cho phép vượt quá Wtới hạn Như vậy than có kích thước d lớn thì Wtới hạn cũng càng lớn

- Khí hóa tầng sôi thường dùng kích thước hạt 0,5 - 3mm

2.2.3 Đặc điểm và ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi

- Than liên tục chuyển vào lò khí hóa

- Than được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò

- Cấu tạo lò đơn giản, vốn đầu tư thấp

- Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò Các hạt nhỏ ở phía trên và dễ dàng bay ra ngoài lò theo gió để làm giảm lượng bụi than bay theo gió ra ngoài người ta đưa than gió bậc 2 ở khoảng giữa

lò để tăng cường quá trình khí hóa Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy

lò lên vẫn là chủ yếu

- Khi khí hóa tầng sôi, nhiên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy than được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không

có các sản phẩm lỏng, không có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi

- Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt than luôn chuyển động và trong lò không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lò giảm xuống Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lò trong phương pháp khí hóa tầng sôi chỉ đạt từ 900 đến 1000oC

2.2.4 Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi

để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng không thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150oC,

nhiệt độ có thể làm chẩy xỉ Do nhiệt độ lò không nâng cao được nên các loại than già, than antraxit có tốc độ phản ứng của C với các tác nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho quá trình khí hóa tầng sôi Phương pháp khí hóa tầng sôi dùng than có độ biến tính thấp như than nâu, than bùn hoặc một vài loại than đá có đặc tính thích hợp

- Các loại than biến tính thấp và các loại than có tính chẩy dẻo, khi nâng cao nhiệt độ chúng bị bết lại và tạo thành các cục to nên không thể dùng cho khí hóa tầng sôi

2.2.5 Sơ đồ khí hóa tầng sôi kiểu Winkler

đây là phương pháp khí hóa than dạng tầng sôi Diện tích tiết diện cắt ngang của lò đến 25m2, chiều cao lò 22 mét, năng suất lò đạt đến

3000 m2 khí/ 1 m2 giờ

Hiện nay người ta đã xây dựng tổ hợp lò đến 100.000 m3/

giờ

Than được nghiền, sấy, nhưng không cần sàng Than đem khí hóa có thể là than nâu, than đá, than cốc sản xuất từ than nâu hoặc bán cốc với độ tro có thể tới 40% và hàm lượng than bụi cao

Than được đưa vào lò nhờ vít tải ở phần đáy lò 2 Tro của than phải

có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ của lò khí hóa và được thải ra

ở đáy lò Khí tổng hợp được lấy ra ở phía trên lò Quá trình khí hóa được tiếp diễn đến phần trên của lò Khí tổng hợp ra khỏi lò đi vào thiết bị 3 để thu hồi nhiệt và tách bụi than, sau đó tiếp tục chuyền sang thiết bị xyclon 5 để tách bụi và đi vào thiết bị ngưng tụ, làm lạnh 6, chuyển qua thiết bị 7 để loại các hạt nước

Mức độ khí hóa than đạt đến 90%, hệ số tác dụng hữu ích 82%

Thành phần khí nhận được trong lò Winkler như sau (% thể tích):

(Các số liệu trong ngoặc là giá trị trung bình)

Nhiệt cháy của khí Qthấp = 12.300 Kjun/m3

Ưu điểm của phương pháp Winkler là điều kiện sản xuất không khắt khe, có thể dùng than có nhiều tro, có thể điều chỉnh linh hoạt khối lượng khí sản phẩm Nhược điểm của phương pháp này là nhiệt độ của quá trình khí hóa không cao ở áp suất khí quyển, khi nâng cao thêm áp lực thì bụi bay ra theo khí tổng hợp, do vậy phải thực hiện thêm quá trình làm sạch khí

2.3 Khí hóa than dạng dòng cuốn (than cám, than bụi đường kính 0

1970 trên thế giới đã có 37 lò khí hóa kiểu này được xây dựng

Than nguyên liệu, có thể có độ tro < 40%, được nghiền mịn đến kích thước < 0,1mm, độ ẩm không quá 6 - 8% đối với than nâu, 1 - 2% với than đá Sấy và nghiền được thực hiện cùng một công đoạn

Lò khí hóa là thiết bị tròn nằm ngang (hình 6), phía trong được lót bằng vật liệu chịu nhiệt Vòi phun để chuyển nhiên liệu, oxy, hơi nước (còn gọi là đầu khí hóa) được bố trí đối diện nhau

Than bụi được chuyển vào bunke nạp liệu 1, 3 nhờ dòng khí nitơ, từ

đó được vít soắn chuyến vào vòi phun cùng với oxy và hơi nước Tỷ

lệ giữa oxy, than bụi và hơi nước sao cho nhiệt lò cao hơn nhiệt độ chảy lỏng của tro, từ 1500 - 1600oC Khí hóa trong điều kiện như thế đạt được mức chuyển hóa cacbon cao Khí sản phẩm tạo thành có hàm lượng cacbon oxyt (CO) rất cao Than khi vào lò trước hết tác dụng với oxy để tạo nhiệt độ cao cho các phản ứng khử khác Hơi nước khi khí hóa cho 1m3 oxy là ~ 0,05kg đối với than nâu, và 0,5kg đối với than đá

Hiện nay phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn (bụi) kiểu Koppers - Totzek được dùng để sản xuất khí tổng hợp amiac Phương pháp khí hóa ở nhiệt độ cao đạt hiệu suất nhận khí tổng hợp cao, do khi đó tất

cả các chất hữu cơ của than chuyển hóa thành CO2, CO, H2, H2O

Do đó khi làm lạnh khí không cần có công đoạn tách các chất nhựa, dầu, benzen, phenol Nhờ đó quá trình làm sạch khí nói chung đơn giản

Lò khí hóa có trang bị vỏ áo để làm lạnh tường lò

Quá trình khí hóa này tiêu thụ oxy là 0,39 - 0,45 m3/1m3 hỗn hợp CO + H2 Hiệu suất của quá trình khí hóa tính theo tỉ số của nhiệt cháy hỗn hợp khí sản phẩm CO + H2 cho nhiệt cháy của than là 72% Thành phần khí theo quá trình sản xuất khí dạng dòng cuốn (bụi) kiểu Koppers - Totzek:

Nhiệt cháy của khí Q = 11,2 Kjun/m3

Phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn kiểu Koppers - Totzek có nhiều ưu điểm nhưng cũng còn phải cải tiến thêm để nâng cao cường

độ quá trình khí hóa, do đó người ta đã cải tiến bằng cách khí hóa ở

áp suất cao 20 - 30atm, tháo xỉ lỏng Nhờ thế mà cường độ của quá trình khí hóa đạt đến 18900 m3 khí tổng hợp/ giờ

Các phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn của hãng TEXACO và SHELL theo hướng trên đã được mô tả ở phần sau

Hiện tại các phương pháp khí hóa than dạng dòng cuốn, áp suất cao, nhiệt độ cao, gió dùng oxy và hơi nước, tháo xỉ lỏng được dùng nhiều trên thế giới để nhận khí tổng hợp

2.4 Tóm tắt về ba phương pháp khí hóa than

Có thể hệ thống hóa các phương pháp khí hóa trên cơ sở các nguyên

lý khác nhau Ví dụ căn cứ vào trạng thái của nhiên liệu (than) trong

lò phản ứng khí hóa thì người ta có thể phân chia phương pháp khí hóa than thành 3 dạng:

a- Khí hóa tầng cố định

b- Khí hóa tầng sôi (lớp sôi )

c- Khí hóa dạng dòng cuốn (bụi)

Ngoài ra còn có các hệ thống phân loại khác dựa trên cơ sở của các phương pháp cấp nhiệt khác nhau trong lò khí hóa Trong trường hợp

đó người ta chia thành phương pháp tự cấp nhiệt nghĩa là nhiệt cần thiết để cấp cho các phản ứng khử tạo khí sản phẩm bằng cách đốt một phần than với oxy của tác nhân khí Và phương pháp cấp nhiệt

từ ngoài, nghĩa là nhiệt cần cho quá trình khí hóa được chuyển từ ngoài đến nhờ chất tải nhiệt dạng rắn hay dạng khí Ngoài ra ở một

số nước khác (như Mỹ) người ta không căn cứ theo các khái niệm trên mà chia theo phương pháp đa bậc mà các tài liệu của chúng ta

ít nói đến

Nguyên lý của các phương pháp khí hóa than đã được nói đến ở phần trên, ở đây chỉ tóm tắt một số ưu nhược điểm của ba phương pháp đó

Trên hình 7a, ta thấy đồ thị phía trái mô tả đường cong nhiệt độ của

lò khí hóa Nhiệt độ cao nhất của lò là ở vùng oxy hóa (phần chấm dây) Phần chấm đen biểu thị than đưa vào, lúc mới đưa than vào

than chưa có phản ứng gì nên khối lượng than ít thay đổi nhưng càng

về phía dưới lò thì khối lượng than càng giảm dần, phần chấm đen càng thu hẹp lại Sự mất mát than chủ yếu theo tro, thường là khoảng 5% Tác nhân khí đưa vào lúc đầu rất nhiều nhưng sau khi vào lò giảm dần và chuyển thành khí tổng hợp

Theo hình vẽ a, mô tả cụ thể các diễn biến xảy ra trong lò khí hóa cho thấy khi than mới cấp vào ở phía đỉnh lò đã chịu tác động của nhiệt độ cao, do vậy than bị mất ẩm và các tạp chất bị nhiệt phân thành các loại hyđrocacbon, dầu, nhựa, phenol còn than thì chuyển thành bán cốc Các khí và lỏng đó làm ô nhiễm sản phẩm khí (nếu khí dùng cho tổng hợp hóa học) nhưng lại tốt làm khí nhiên liệu Như vậy nếu sản xuất khí dùng cho tổng hợp hóa học cần phải chọn loại than già, như antraxit Quảng Ninh có thành phần chất bốc ít nên

không gây tạp nhiễm cho khí tổng hợp Nếu dùng than có độ biến tính thấp như than mỡ, than non, than bùn thì khí sản phẩm bị tạp nhiễm, gây nhiều khó khăn cho quá trình làm sạch khí tổng hợp

Hình 7b, mô tả các diễn biến xảy ra trong lò khí hóa tầng sôi Ta thấy nhiệt độ trong lò đồng đều từ đỉnh lò xuống đến đáy lò Nếu than được liên tục cấp vào lò khí hóa, nhờ có lớp sôi nên đảm bảo có sự truyền nhiệt tốt, đồng đều trong toàn bộ lò nên rất dễ dàng điều khiển nhiệt độ, cấu trúc lò đơn giản, vốn đầu tư thấp Nhược điểm của

phương pháp khí hóa tầng sôi là có một số hạt than dưới tác dụng chuyển động xoáy của tác nhân khí đưa vào chưa kịp phản ứng và bị cuốn theo gió ra ngoài lò, làm mất mát cacbon theo tro ở phía trên

đỉnh lò Theo phương pháp này lượng mất cacbon theo khí tổng hợp

có thể đến 10 - 20%, mất mát theo tro xỉ khoảng 5% Than dùng cho khí hóa tầng sôi thuận lợi nhất là than nâu hoặc than đá loại có khả năng phản ứng cao Than bùn nói chung không nên dùng khí hóa mà chỉ để chế biến phân bón hoặc sản xuất than hoạt tính

Hình 7c, mô tả quá trình khí hóa than dạng dòng cuốn (bụi) Theo phương pháp này thì trong quá trình khí hóa, than, tác nhân khí hóa

và khí sản phẩm đi cùng một hướng

Nhiên liệu cấp vào lò đồng hành với oxy và hơi nước do vậy ban đầu than phản ứng ngay với oxy tạo nhiệt độ cao Nhờ có nhiệt độ cao mà các phản ứng thu nhiệt của quá trình khí hóa xảy ra (chủ yếu là phản ứng chuyển hóa cabon và hơi nước thành CO và hyđro) Cần phải giữ nhiệt độ ở mức cực đại, sao cho nhiên liệu cháy mạnh trong vài giây, tạo điều kiện cho các phản ứng tạo khí sản phẩm tiếp theo, đồng thời nhiệt độ đó cần phải lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của tro xỉ để có thể tháo xỉ dạng lỏng

Phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn có nhiều ưu điểm hơn so với khí hóa tầng cố định:

1/ Than cám, than bụi có giá thành rẻ so với than cục

2/ Có thể sử dụng nhiều loại than, kể cả than có tính kết dính cao 3/ Sản phẩm khí không chứa sản phẩm phụ như (nhựa, dầu, phenol, axit béo ) nên không cần thiết phải làm tinh chế

4/ Có thể thay thế than bằng các nhiên liệu hyđrocacbon lỏng hay khí

Nếu khí hóa ở áp lực cao thì càng tăng được năng suất lò vì năng suất của lò khí hóa tăng lên tỷ lệ với tăng áp suất Do nhiệt độ lò phản ứng cao nên phải làm lạnh tường phía trong của lò để khỏi bị quá nhiệt Thường làm lạnh bằng vỏ áo nước hay ống nước xếp cạnh

tường lò

Trên hình 7c, ta thấy trên đồ thị phía trái, khi than, oxy và hơi nước mới được cấp vào chúng phản ứng với nhau mạnh và làm nhiệt độ lò phản ứng tăng cao, thường từ 1500 - 1600oC Sau đó lên phía trên đỉnh của lò, nhiệt độ dần dần giảm xuống do xẩy ra các phản ứng khử tạo sản phẩm khí Tỷ lệ than mất mát theo bụi trong dòng khí là 5% Ngoài ra xỉ lỏng tháo ra ngoài được tạo thành hạt, có thể dùng cho công nghiệp xi măng

Qua hình 7, ta thấy phương pháp khí hóa theo dạng dòng cuốn có nhiều ưu điểm, khí có thể dùng cho mục đích dân dụng hoặc cho tổng hợp hóa học Phương pháp này được dùng nhiều ở Mỹ Cấu tạo thiết

bị hiện đã được cải tiến và có thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất khí tổng hợp cho công nghiệp sản xuất amoniac và ure dùng cho nông nghiệp

3 SẢN XUẤT KHÍ THAN KHÔ VÀ KHÍ THAN ƯỚT

3.1 Sản xuất sản phẩm khí than khô

Khí than khô được sản xuất bằng cách dùng không khí làm tác nhân khí hóa than theo quá trình thuận Phản ứng đặc trưng chủ yếu là: Trong khu vực cháy:

CH4, H2S và các sản phẩm của quá trình bán cốc hóa ở khu cực bán cốc

- Thành phần của khí than khô:

Dưới đây là thành phần khí than khô đi từ than cốc và than nâu

Thành phần khí, %V Than

Nhiệt cháy, kcal/N.m3

0,5 4,0

- 2,0

1,5 5,0

66,8 60,0

996

1159

- Một số đặc điểm của quá trình khí hóa:

Đặc trưng lớn nhất của quá trình sản xuất khí than khô là nhiệt độ trong các khu vực đều cao, đặc biệt là trong khu vực cháy nhiệt độ có thể lên đến 1000 ¸ 1700oC Trong điều kiện như vậy tro xỉ đều bị chảy lỏng, các lớp lót trong lò bị ăn mòn rất mạnh vì xỉ lỏng và nóng

có tác dụng rất mạnh với các vật liệu chịu lửa Do vậy, vật liệu lót lò thường phải là các loại cao cấp, như gạch nhịu lửa manhêzit Tháo xỉ

ở dạng lỏng

Khí than khô có nhiều nhược điểm, chủ yếu là khả năng sinh nhiệt thấp, tổng hàm lượng CO, H2 thấp Tổn thất nhiệt trong quá trình sản xuất cao do nhiệt độ của sản phẩm khí ra khỏi lò khá cao (800 ¸

900oC), hiệu suất khí thấp Trong lò khí hóa, nhiệt độ ở khu vực cháy rất cao nên vật liệu lót lò chóng bị hư hỏng, phải sửa chữa thường xuyên và phải sử dụng vật liệu đắt tiền Tuy vậy cũng có một số ưu điểm Do nhiệt độ lò rất cao nên cho phép tháo xỉ lỏng và do đó có thể dùng những loại nhiên liệu nhiều tro, nhất là tro có nhiệt độ chảy mềm thấp, để khí hóa Có thể cho vào than các vật liệu có khả năng làm giảm nhiệt độ chảy lỏng của tro (như CaO)

Do nhiệt độ trong lò cao nên có cường độ khí hóa cao và vấn đề về tách tro, xỉ không bị hạn chế như ở các phương pháp khác

- Lĩnh vực sử dụng của khí than khô:

Do thành phần khí than khô có hàm lượng CO và H2 thấp, nên giá trị

sử dụng và giá trị kinh tế thấp Trong trường hợp với khí có hàm lượng H2 thấp và CO cao hơn thì có thể ứng dụng để tổng hợp hóa học

3.2 Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước

Khi đưa không khí vào, trong lò xảy ra phản ứng cháy toả nhiệt mạnh:

C + O2 = CO2 + 94.250 kcal/kmol

2C + O2 = 2CO + 52.285 kcal/kmol

Lúc này nhiệt độ lò sẽ cao, nhiệt được giữ lại ở trong các lớp than của

lò Ngừng đưa không khí, đồng thời chuyển hơi nước vào lò lúc lò đang

có nhiệt độ cao Phản ứng khí hóa than với hơi nước sẽ xảy ra:

b) Phương pháp liên tục: Không cần nung nóng các lớp than trong lò trước mà tiến hành đưa ngay hỗn hợp hơi nước và chất gia nhiệt dạng khí có nhiệt độ cao 1100 ¸ 1150oC vào lò và nhờ nhiệt lượng của nó

mà có được nhiệt lượng cần thiết cho phản ứng khí hóa thu nhiệt Quá trình sản xuất theo phương pháp này tiến hành liên tục

Trong số hai phương pháp trên, phương pháp sản xuất gián đoạn theo chu kỳ không khí - hơi nước - không khí được dùng phổ biến hơn cả Các phương pháp sản xuất liên tục cho sản phẩm khí tốt nhưng áp dụng hạn chế vì phức tạp, đắt tiền và giá thành cao

Cần chú ý là nếu tăng cao nhiệt độ của lớp than bằng cách tăng

cường quá trình cháy khi thổi gió vào lò thì đồng thời với phản ứng oxy hóa tăng nhanh lại kèm theo phản ứng khử CO2 thành CO cũng tăng nhanh, kết quả là làm nhiệt độ của lớp than nguội đi và đồng thời cũng gây tổn thất cacbon Hiệu suất tổng cộng của quá trình khí hóa đạt đến một giá trị cực đại chỉ trong những điều kiện nhiệt độ thích hợp nào đó chứ không phải nhiệt độ càng cao càng tốt

Đặc trưng cho điều kiện nhiệt độ của lò là cường độ thổi không khí

và hơi nước trên toàn bộ tiết diện ngang của lò Trong các lò sản xuất khí than ướt gián đoạn, đường kính trong của lòng lò từ từ 3 đến 3,6

m, vận tốc không khí thổi vào hợp lý nhất khi khí hóa than antraxit thường là 0,7 ¸ 0,8 m/s, khi dùng than cốc cao cấp thường là 1,5 m/s Vận tốc hơi nước thường là 0,2 ¸ 0,25 m/s, có khi tới 0,3 m/s

Các phản ứng phân huỷ hơi nước là phản ứng thu nhiệt nên nhiệt độ của các lớp than trong lò ngày càng giảm đi và do đó mức độ phân huỷ hơi nước giảm xuống rất nhanh, phẩm chất khí ngày càng xấu đi

Sự thay đổi này có thể thấy rõ trong bảng dưới đây

Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh

Thành phần trong khí than ướt (%V) sau khi bắt

đầu thổi gió lạnh được:

Mặt khác để sử dụng toàn bộ nhiệt tích trữ trong các lớp than của lò, người ta thường thổi gió lạnh vào theo kiểu: gió lạnh vào từ dưới lên

rồi lại cho từ trên xuống Tất cả các pha như vậy tạo thành một chu trình, mỗi chu trình bao gồm các pha như sau:

Pha 1: thổi không khí từ dưới lên với mục đích để tạo nhiệt trong các

lớp than Khí thoát ra có thành phần gần như không khí, sẽ được thải

ra hoặc sử dụng vào mục đích khác

Pha 2: thổi hơi nước từ dưới lên để đuổi các sản phẩm trong pha 1

còn lưu lại trong lò, ngăn ngừa ảnh hưởng làm bẩn hơi nước của pha sau Thời gian cho pha này rất ngắn

Pha 3: thổi hơi nước từ dưới lên để tạo sản phẩm khí than ướt Sản

phẩm được dẫn vào bể chứa khí để sử dụng

Pha 4: thổi hơi nước từ trên xuống nhằm tạo thêm sản phẩm khí than

ướt, tận dụng nhiệt còn tích lại trong các lớp trên của lò Sản phẩm cũng được dẫn vào bể chứa để sử dụng

Pha 5: thổi hơi nước từ dưới lên nhằm tạo thêm sản phẩm khí than ướt

của pha trước, thu vào bể chứa và còn để tạo điều kiện an toàn cho pha sau Sản phẩm cũng được dẫn vào bể chứa để sử dụng

Pha 6: thổi không khí từ dưới lên để đẩy hết khí than ướt còn lưu lại

phía trên của lò Sản phẩm vét này cũng được đưa vào bể chứa để sử dụng

Qua từng pha như vậy, thành phần khí sản phẩm cũng thay đổi liên tục (xem bảng dưới)

Sự thay đổi thành phần khí ở các pha

Việc thay đổi liên tục các pha này có thể được thực hiện bằng tay hoặc

tự động Khi điều khiển bằng tay chỉ cần 4 pha, bỏ pha 2 và pha 4 Tổng

số thời gian cần thiết cho một chu trình khi điều khiển bằng tay có thể cần đến 9 ¸ 12 phút, nếu điều khiển bằng phương pháp nửa tự động có thể cần 5 ¸ 7 phút, còn khi điều khiển tự động chỉ cần 3 ¸ 4 phút