Báo cáo đề tài thuyết trình đề tài công nghệ sản xuất khí hóa than

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM  BÁO CÁO ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH ĐỀ TÀI CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ HÓA THAN Giảng viên hướng dẫn Võ Thị Th[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM



BÁO CÁO ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH

ĐỀ TÀI:

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ HÓA THAN

Giảng viên hướng dẫn: Võ Thị Thu Như

Nhóm thực hiện: Nhóm 8

TP.HCM, 10 tháng 10 năm 2022

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Ngày … tháng … năm …

GVHD

MỤC LỤ

I Mở đầu 3

II Lịch sử hình thành và phát triển khí hóa than 4

1 Tình hình khí hóa than ở trên thế giới: 4

2 Khí hóa than ở Việt Nam: 5

III Tổng quan về công nghệ sản xuất khí hóa than 5

1 Cở sở lý thuyết: 5

2 Nguyên lý chung: 6

IV Xử lý nguyên liệu 6

1 Xử lý kích thước 6

2 Xử lý độ ẩm 6

V Quy trình khí hoá than 7

1 Khí hóa than tầng cố định 9

2 Khí hóa than tầng sôi 12

3 Lò khí hoá dòng cuốn 14

a Nguyên lý khí hóa than dạng lôi cuốn 14

b Giới thiệu cấu trúc một số lò khí hóa kiểu dòng lôi cuốn: 15

4 Khí hóa than dạng vận chuyển 21

VI Nhận xét và đánh giá 22

1 Đánh giá quy trình sản xuất 22

2 Tính an toàn cho lò khí hóa 24

Sau khi tổng hợp, khí thành phẩm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như làm nguyên liệu cho các turbin trong nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện năng; làm nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp các chất hoá học khác như Amoniac, Methanol, DME, MTBE, … hoặc trực tiếp sử dụng làm nguyên liệu cho các turbin phát điện, là nguổn nhiên liệu Hydro sạch cho xetương lai…Hơn thế nữa, hoá than khí được coi là một trong số những ngành công nghiệp sôi nổi nhất thế giới Hiện nay có khoảng 128 nhà máy sản xuất đang hoạt động với 336 lò phản ứng và sản xuất khoảng 42700 MW khí tổng hợp Ngoài ra tiềm năng hoạt động của những nhà máy đang được xây dựng rất lớn ước tính tới 27000 MW Nhìn chung, khả năng sản xuấtmột cách hiệu quả điện năng, hydro và các nguyên liệu hoá chất khác, cũng như khả năng cắtgiảm khí gây ô nhiễm, đang làm cho công nghệ khí hoá 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 của 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 Ngoài việc sản xuất các nguyên liệu đầu vào thì hiện nay một trong những sản phẩm của quá trình hoá than khí đó là sản xuấtđiện năng thông qua quy trình IGCC (Intergratd Gasification Combined Cycle) Điện năng được sản xuất theo quy trình IGCC được coi là loại năng lượng sạch hơn và có hiệu quả hơn

so với cách đốt than truyền thống vì thế sản xuất năng lượng theo phương thức này có thể sẽ

là một bước ngoặc quan trọng của việc sử dụng lượng than còn lại trong tương lai

II.Lịch sử hình thành và phát triển khí hóa than

1 Tình hình khí hóa than ở trên thế giới:

- Mặc dù than đã được sử dụng rộng rãi để làm nguyên liệu từ rất lâu về trước nhưng mãi tới những năm cuối của thế kỉ XVIII thì việc sản xuất khí hóa than mới bắt đầu phát triển

Vào năm 1792, kỹ sư người Scotland William Murdock đã phát hiện ra cách chuyển hóa than thành khí đốt từ than cốc Và vào năm 1816 công ty sản xuất khí hóa than đã được thành lập Đến năm 1850 thì quy trình sản xuất khí hóa than có nước được phát minh ở Châu Âu Than và cốc được chuyển hóa hoàn toàn thành khí bằng phản ứng với không khí và hơi nước nhưng ở thời điểm này Khí được sản xuất ra có khả năng cung cấp nhiệt lượng khi đốt rất thấp chỉ vào khoảng 3500-6000 kJ/m3 Năm 1970 sau cuộc khủng hoảngdầu mở thì khí hóa than được coi như là giải pháp thay thế khí thiên nhiên từ đó phát triển lên ngành công nghiệp khí hóa than trên khắp thế giới Hiện nay ở Trung Quốc các nhà máy sản xuất tổng hợp NH3 đi từ than rất nhiều như là Nhà máy hóa chất Liễu Hà,

Hà Trì, An Hóa và Thạch Gia Trang … Các nhà máy này vẫn sử dụng các loại khí hóa kiểu cũ (LURGI) để khí hóa than Ngoài ra có một số nhà máy sử dụng loại khí hóa than theo công nghệ TEXACO như là Nhà máy hóa chất Lỗ Nam, Ngô Kinh … Ở Mỹ đang khuyến khích áp dụng công nghệ khí hóa than như một cách để giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường cho các nhà máy nhiệt điện đốt than Ngoài ra chính phủ Mỹ còn đầu

tư 2 tỷ USD cho chương trình nghiên cứu “Công nghệ than sạch” Đánh dấu sự phát triển

và mở đường cho các nhà máy tổng hợp, vừa sản xuất điện vừa sản xuất được các hóa chất đi từ khí tổng hợp như là NH3 và CH3OH

2 Khí hóa than ở Việt Nam:

Bằng công nghệ sản xuất khí hóa than người ta có thể chuyển hóa các loại nhiên liệu rắn chất lượng thấp, chứa nhiều ẩm, tro, nhiệt cháy thấp thành nhiên liệu khí có chất lượng cao hoặc tạo thành khí tổng hợp dùng trong công nghệ hóa học Do nguyên liệu có thể sử dụng các loại than có chất lượng thấp để sản xuất khí than có giá trị công nghiệp nên công nghệ sản xuất khí hóa than sẽ mở ra triển vọng tốt cho các vùng than có chất lượng thấp phát triển công nghiệp Đặc biệt là ở các tỉnh phía Bắc nơi có nhiều than cám, than bụi (Quảng Ninh) cũng như các vùng than nhỏ khác ở Tây Bắc chúng ta cũng có thể nghiên cứu trữ lượng để đưa vào sản xuất

III Tổng quan về công nghệ sản xuất khí hóa than

1 Cở sở lý thuyết:

Khí hóa than là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy, hoặc oxy thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với than ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí Nhiên liệu này được gọi chung là khíthan với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4 dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong công nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH

2 Nguyên lý chung:

Khi chọn quy trinh công nghệ người ta cần cân nhắc 2 yếu tố là về loại than vào chất lượng than, không phải loại than nào cũng phù hợp cho quy trinh khí hóa ,vì vậy các công nghệ khí hóa có các nhu cầu về nguyên liệu khác nhau được quyết định bởi hàm lượng tro; độ ẩm của than, nhiết độ nóng chảy của tro; kích thước của hạt

- 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)

IV Xử lý nguyên liệu

1 Xử lý kích thước

Than trước khi được đưa đi hóa khi thi than phải được sấy khô và nghiền nhỏ than với các đường kính thích hợp Về phần quy trình sấy thì thông thường than được sấy dựa trênnhiệt và khí tự nhiên làm nhiên liệu đối với khí hóa than, điều này tương đương với việc làm sạch than Sau khi sấy thì than được đưa vào máy nghiền để nghiền Đối với thiết bị khi hóa tầng chuyển động, điều này có thể bị hạn chế ở việc nghiền than sau đó sàng lọc

ra các cục cần thiết để hóa khi Đối với than cốc cần có kích thước mịn hơn, điều này cần thiết với các thiết bị khi hóa dòng chảy thì cần phải đưa vào máy nghiền con lăn để sử dụng nghiền

khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ bộ Quy trình sấy khô thông thường dựa trên nhiệt

và thường sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu Đối với thiết bị khi hóa than, điều này tương đương với việc sử dụng khí sạch để làm khô than

Nói chung nếu độ ẩm của nhiên liệu khoảng 50-60% thì nhiệt độ khí ra khỏi lớp nhiên liệu thường thấp, nếu nhiệt độ ấy chỉ đạt 80-90 0C thì sẽ tương ứng với nhiệt độ điểm sương và ngưng tụ hơi nước và nhựa than xuất hiện, quá trình khí hóa bị cản trở

V Quy trình sản xuất khí hoá than

Khí hóa than là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy,hoặc oxythuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với than ở nhiệt độ caochuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí; nhiên liệu này được gọi chung là khíthan với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4 dùng làm nhiên liệu khí dân dụng,trong công nghiệp

Sơ đồ quy trình khí hoá thanSau quá trình khí hoá trong lò phản ứng với tác nhân oxy và nước thu được syngas (CO/H2), CO2/H2S và xỉ

-Raw Syngas trải qua quá trình steam reforming để tăng tỉ lệ CO/H2 Sau đó được làm sạch và tách CO/H2 cho các quá trình tổng hợp methanol, methane hay amoniac,… -S và CO2 được thu hồi

-Xỉ than được thải ra và loại bỏ

Theo chiều chuyển động của tác nhân khí hóa, trong lò hình thành 6 tầng sinh khí: tầngtro xỉ, tầng oxy hóa (tầng lửa), tầng hoàn nguyên chính và phụ, tầng chưng cất khô, tầngkhông (tầng trống rỗng)

Các tầng khí trong lò khí hoá than cố định thuận dòngVI- vùng xỉ Xỉ than nóng gặp chất khí hóa, nâng nhiệt độ chất khí hóa từ khoảng 60 oC lên khoảng 420 oC, bản thân xỉ nguội xuống nhiệt độ trước khi thải ra ngoài

V- vùng oxy hóa Vùng này xảy ra phản ứng cháy giữa than và oxy trong chất khí hóa tạothành CO2 Do phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ tăng nhanh chóng tới mức gần nhiệt độ hóa mềm của xỉ

C + O2 → CO2

IV- vùng khử chính Ở đây xảy ra phản ứng giữa hơi nước và than CO2 tạo thành do phản ứng bị khử bởi C Hầu hết các phản ứng này đều thu nhiệt Đặc điểm dễ thấy là hàm lượng H2O, CO2 trong khí giảm, nhiệt độ tầng than giảm Syngas được tạo ra tại vùng IV

1 Khí hóa than tầng cố định

Than được nạp từ đỉnh lò xuống phía dưới, gió (kk, hơi nước,…) đi vào lò bắt đầu từ đáy còn sản phẩm khí đi ra tại cửa lò phía trên Như thế gió và nguyên liệu sẽ đi ngược chiều và quá trình sẽ có 1 số đặc điểm như sau:

-Trong quá trinh này lò sẽ được chia làm nhiều vùng: vị trí các vùng theo thứ tự từ đáy đi lên:

+ Vùng 1: 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 2: Vùng oxy hóa

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

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

+ Vùng 5: Vùng chưng than (vung sấy) Ở đây xảy ra quá trình chưng khô than thường gọi là vùng chuẩn bị Đỉnh vùng chuẩn bị là vùng sấy (đôi khi coi vùng II,III là vùng chuẩn bị).

+ Vùng 6: Không gian tự do Ở đây xảy ra quá trình chưng khô than thường gọi làvùng chuẩn bị Đỉnh vùng chuẩn bị là vùng sấy (đôi khi coi vùng II, III là vùng chuẩn bị)

-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:

to vùng oxy hóa > to vùng khử > to vùng bán cốc > to vùng sấy-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 vàH2O lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với than

Trên đây là một số đặc điểm của quá trinh khí hóa thuận, ngoài ra còn quá trinh khí hóa nghịch và khí hóa liên hợp

-Quá trinh khí hóa thuận: 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 vớithan xuống phía dưới Sản phẩm khí của quá trình khí hóa thoát ra ở phía đáy lò Do sự khí hóa thực hiện khác nên sự phân bố trong các vung của lò cũng sẽ thay đổi

-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 Quá trình khí hóa nghịch có

ưu điểm là trong sản phẩm có hàm lượng nhựa rất bé, nhưng khuyết điểm là có một phần than chưa tham gia hoàn toàn vào các phản ứng khí hóa đã bị thải đi Quá trình khí hóa thuận có ưu điểm là than tham gia hoàn toàn vào các phản ứng cháy và khử

* Ưu điểm của quá trinh khí hóa 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 này cho phép sản xuất khí than có chứa nhiều hidrocacbon vậy nên khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi sử dụng làm khí đốt

2 Khí hóa than tầng sôi

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

* Đặc điểm và ưu điểm:

- 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, chi phí thấp

- Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò Các hạt nhỏ ở phía trên và dễ dàngbay 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 xảy 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 phẩmlỏng, 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 rõrệt 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

* Nhược điểm: