Bài giảng công nghệ chuyển hóa than phần 8 GV văn đình sơn thọ

 Trong thiết bị này, khí tổng hợp ở tầng khí hóa sẽ đốt dòng và nhiệt phân của những lớp than tiếp theo..  Nguyên liệu phù hợp cho qua trình này là than antraxit  Thiết bị làm việc ở

PHẦN 8

CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN

Giảng viên : Văn Đình Sơn Thọ

Phone : 097.360.4372

thovds-petrochem@mail.hut.edu.vn

Địa chỉ load bài giảng :

https://sites.google.com/site/vandinhsontho

 Khí hóa than đó là phản ứng oxy hóa không hoàn toàn phần hữu cơ của than dưới tác dụng của oxy, hơi nước hoặc các tác nhân oxy hóa khác

 Quá trình khí hóa than xảy ra ở nhiệt độ cao (800oC-1800oC)

để thu được khí H2 và CO

 Trong công nghiệp hỗn hợp khí này thường được đốt trong các lò công nghiệp ( chủ yếu nhà máy nhiệt điện, xy măng, ceramic…)

 Làm nguyên liệu đểđể sản xuất NH3 và CH3OH và nhiên liệu tổng hợp H2 đó là những hóa chất cơ bản để thiết lập nên

ngành hóa học hữu cơ

Nguyên liệu để khí hóa

 Than

 Chất thải sinh hoạt

 Biomass

 Petrocoke

Các vùng trong thiết bị khí hóa

 Vùng cháy

 Vùng khử

 Vùng nhiệt phân

 Vùng sấy

Vùng cháy :

 Là nơi xảy ra phản ứng cháy của than với oxy

 Phản ứng

 Đây là pu oxy hóa tỏa nhiệt mạnh ( Q = 98500

Kcal/Kmol) và nguồn nhiệt này sẽ cung cấp nhiệt lượng cho toàn bộ quá trình khí hóa

 Đối với tầng chuyển động thì nhiệt độ của vùng khí hóa phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm của tro Sản phẩm của vùng cháy sẽ chuyển động lên vùng khử

và cấp nhiệt cho than ở vùng khử

 Quá trình truyền nhiệt chủ yếu là đối lưu ( không có dẫn nhiệt vì hệ số dẫn nhiệt của than là rất kém.)

 Vùng nhiệt phân : Sản phẩm của vùng khử đi vào vùng nhiệt phân và sẽ

nung nóng than trong vùng này Quá trình nhiệt phân sẽ xảy ra quá trình cắt các mạch nhánh của phân tử than tạo

ra các sản phẩm khí và sản phẩm

lỏng (còn gọi là chất bốc)

 Vùng sấy

Quá trình khí hóa phụ thuộc và thiết bị chính của quá trình đó là là khí hóa

Lò khí hóa hiện đang sử dụng rộng rãi trên thế giới được phân làm 3 loại :

1 Khí hóa tầng chuyển động,

2 Khí hóa tầng sôi

3 Khí hóa tầng chuyển động

4 Khí hóa trong lòng đất

 Tầng chuyển động còn được gọi là tầng chặt, đặc trưng của thiết bị này là tầng than chuyển động từ từ xuống dưới do trọng lượng

 Trong thiết bị này, khí tổng hợp ở tầng khí hóa sẽ đốt dòng và nhiệt phân của những lớp than tiếp theo Trong quá trình này lượng oxy tiêu tốn là không đáng j kể vì sản phẩm của quá trình nhiệt phân thường tồn tại trong hỗn hợp khí sản phẩm

 Nhiệt độ của dòng khí sản phẩm ra khỏi lò phản ứng là không cao

và nhiệt độ của lớp xỉ là cao nhất trong toàn bộ lò

 Nguyên liệu sử dụng cho quá trình này thường là than cục Trong trường hợp than có quá nhiều hạt nhỏ và nếu than đó không có tính bền nhiệt nó có thể cản trở dòng khí lưu thông trong lò

Khí hóa tầng chuyển động

 Nhiệt độ của lò khí hóa phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm của tro vì nếu tro kết dình với nhau sẽ ảnh hưởng đến quá trình sôi của lớp nguyên liệu

 Một vài nỗ lực đã ngiên cứu điều khiển nhiệt độ của lò ở nhiệt độ mềm của tro để nâng cao quá trình chuyển hóa của nguyên liệu

 Kích thước của than cũng là một yếu tố quan trọng của thiết bị này, nếu kích thước quá nhỏ sẽ bay ra ngoài lò và được tách ra bằng cyclon và sau đó lại được đưa lại vào lò phản ứng

 Nhiệt độ lò thấp hơn sẽ phù hợp hơn cho quá trình khí hóa những nguyên liệu như than chấy lượng thấp hoặc biomass

Khí hóa cùng chiều

 Thiết bị khí hóa cùng chiều là tác nhân oxy hóa và nguyên liệu chuyển động cùng chiều

 Thời gian tiếp xúc rất ngắn, chỉ vài giây

 Kích thước của nguyên liệu nhỏ hơn 100micro do

đó quá trình chuyển khối và vận chuyển trong dòng gas sẽ không đồng nhất Do thời gian tiếp xúc

ngắn do đó nhiệt độ quá trình phải cao để đảm bảo quá trình chuyển hóa và do đó lượng oxy cần thiết

sẽ lớn

 Quá trình này có ưu điểm là có thể sử dụng được nhiều loại than khác nhau kể cả những loại than có hàm ẩm cao và hàm lượng tro lớn

KHÍ HÓA TẦNG CHUYỂN ĐỘNG

 Xét về mặt lịch sử đây là quá trình lâu đời nhất để sản xuất khí tổng hợp và hơi nước

 Nguyên liệu phù hợp cho qua trình này là than antraxit

 Thiết bị làm việc ở áp suất thường và khí của quá trình khí hóa tầng chuyển động

phải được làm sạch để tách loại tar

Sản xuất khí đốt

 Trong thiết bị sx khí, không khí ẩm được thổi từ dưới lên qua lớp than nóng đỏ Than được nạp liệu từ trên đỉnh xuống và chuyển động từ từ xuống phía dưới

 Xỉ được tháo ra ở phí dưới lò bằng thiết bị thủy lực

 Không khí sẽ phản ứng với than và sx khí gas có nhiệt trị thấp

6500kj/m3 Nhiệt trị thấp do trong thành phần không khí thổi lò phản ứng có N2 nên ở trong pha khí sản phẩm khí N2 chiếm

khoảng 50% và đó là nhược điểm của công nghệ này

 Ưu điểm của công nghệ này là có thể cho phép sx khí một cách liên tục

 Khi sử dụng những nguyên liệu khác như gỗ hoặc biomass thì nhiệt trị của khí chỉ khoảng 3500kJ/m3

 Công nghệ này thường được áp dụng cho các ngành công nghiệp nhỏ để lấy khí cho quá trình đốt lò công nghiệp ( khí cho ngành thủy tinh, sành sứ và luyện cốc…) và đặc biệt công nghệ này được

áp dụng rất rộng rãi ở Trung Quốc

Sản xuất hơi nước

 Sản xuất khí hơi nước là quá trình không liên tục, khi đó hơi nước sẽ phản ứng với than hoặc coke để sx H2 và CO

 Đầu tiên không khí được thổi từ dưới lên để phản ứng với lớp than, khi nhiệt độ đạt 1300oC, không khí sẽ ngừng thổi và hơi nước sẽ được đưa vào từ dưới lên và sau đó từ trên

xuống để sản xuất khí hơi nước

 Quá trình thổi hơi nước theo hai chiều mục đích để cho chế

độ nhiệt được đồng đều trong toàn hệ thống vì phản ứng khử

là phản ứng thu nhiệt mạnh Khi nhiệt độ của lò hạ xuống

khoảng 900oC thì hơi nước sẽ dừng lại và thay thế là dòng không khí

 Các chu kỳ cứ như thế được tiến hành để sản xuất khí hơi nước Sau khi phân riêng và làm sạch khí hơi nước, khí H2

và CO có thể được sử dụng để sx amoniac hoặc methanol Khi công nghệ phân tách O2 và N2 chưa phát triển thì quá trình sx khí hơi nước là quá trình có thể sản xuất khí tổng

hợp có chất lượng cao

Công nghệ khí hóa than của nhà máy phân đạm Hà Bắc

 Sinh viên báo cáo

 Năm 1931 quá trình Lurgi được phát triển mạnh và được

sử dụng rộng rãi để sản xuất khí đốt ở Bohlen, Brux

 Công nghệ khí hóa áp suất cao Lurgi (25-30 bar) kết hợp với tháo xỉ rắn và các quá trình tự động hóa, tối ưu hóa

là thành công và có ứng dụng thương mại

 Các tiêu chí cơ bản của thiết bị khí hóa được mô tả ở

bảng 5.2

 Than được đưa lên trên đỉnh và được đưa vào lò phản ứng

thông qua thiết bị lock Mục đích của thiết bị này để khi nạp than vào lò không làm ảnh hưởng nhiều đến áp suất của lò

 Oxy và hơi nước được thổi từ dưới lên và ngược dòng với

đường nạp liệu của than

 Thiết bị phản ứng gồm 2 lớp vật liệu chịu nhiệt và ở giữa là lớp nước Lớp nước này có tác dụng làm giảm nhiệt độ của thiết bị khí hóa và tạo ra hơi nước nhờ quá trình trao đổi nhiệt với lớp vật liệu chịu nhiệt của lò khí hóa Hơi nước này có áp suất tương đương với áp suất của lò khí hóa do đó là tăng khả năng trao đổi nhiệt của lớp gạch chịu nhiệt phía trong

 Than thông qua đĩa phân phối được đưa vào đồng đều trong lò

và chuyển động từ từ xuống dưới là thông qua các tầng sấy,

nhiệt phân, khí hóa và tầng cháy Xỉ của quá trình cháy được đưa

ra ngoài thông qua cửa tháo xỉ (dạng ghi quay) Gió, hơi nước sẽ tiếp xúc với lớp xỉ và làm giảm nhiệt độ của lớp xỉ xuống khoảng 300-400oC

 Gió được đưa vào lò từ dưới lên và thông qua hệ thống phân phỗi sẽ đưa gió tiếp xúc với tất cả các tầng than của lò khí hóa Gió sẽ được nâng nhiệt độ nhờ trao đổi với lớp xỉ và vào vùng cháy và phản ứng với than tạo ra CO2 Ở vùng này nhiệt độ là cao nhất (hình 5.2) CO2 và hơi nước tiếp tục phản ứng với lớp than ở tầng khí hóa để hình thành CO, H2 và CH4 Phản ứng tạo khí ở vùng khí hóa là do đặc trưng của 3 phản ứng chính đó

là phản ứng khí với hơi nước, phản ứng Bourdouard và phản ứng methan hóa

 Trong lò khí hóa có 4 tầng và than cũng như các chất khí sẽ

chuyển động từ tầng này đến tấng khác Phản ứng khí hóa là phản ứng tỏa nhiệt và tiến hành sau khi toàn bộ lượng O2 đã được sử dụng hết cho vùng cháy Khí sau khi ra khỏi vùng khí hóa vào vùng nhiệt phân và nhiệt độ cao của khí sẽ làm nhiệt phân than và làm sấy khô than đưa vào Khí này có nhiệt độ khoảng 800oC và sẽ trao đổi nhiệt với lớp than và xuống

khoảng 550oC trước khi ra khỏi lò phản ứng

 Lớp không khí và nguyên liệu ngược chiều này sẽ làm nồng độ của CH4 trong pha khí tương đối cao Một phần khí cũng hình thành trong quá trình nhiệt phân như tar, nhựa, phenol và

amoniac và các hydrocacbon khác Quá trình hạ nhiệt độ đột ngột của dòng khí ra khỏi lò khí hóa sẽ loại bụi, hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao

Thiết bị khí hóa Lurgi

 Đặc điểm của quá trình này là lượng hơi nước đưa vào nhiều nhưng lượng oxy đưa vào ít hơn Thành phần của khí thu

được phụ thuộc nhiều vào hai tham số này

 Nguyên liệu khí hóa với công nghệ này đòi hỏi than có kích thước lớn, Đối với than có kích thước nhỏ phải dùng chất kết dính ( nhựa đường ) hoặc sản phẩm tar để kết dính các hạt than có kích thước nhỏ vào với nhau trước khi khí hóa

 Những loại than quá dòn cũng không thể sử dụng cho công nghệ này, những loại khác (mildly caking coal) thì cần phải

có sự đảo khấy trộn để hạn chế hiện tượng tăng trở lực của

lò khí hóa

chảy mềm của tro cao

 Công nghệ này đã được áp dụng ở Nam phi, Đức, Mỹ, Séc Ở Đức và Séc

sử dụng công nghệ này để sản xuất khí gas sử dụng cho tuốc bin để sản xuất điện năng Ở Mỹ áp dụng công nghệ này để sx SNG ( Substitte

Natural Gas)

 Tại Trung Quốc công nghệ này được áp dụng để sx khí đốtamoniac và

hydro



5.2 British Gas/ Lurgi Slagging

Gasifirer (BGL)

 Công nghệ BGL được phát triển trên cơ sở công nghệ Lurgi và được công ty British Gas nghiên cứu với hệ thống tháo xỉ được thiết kế cho Slagging

condition

 Quá trình này được bắt đầu năm 1960 nhưng sau

đó thì dừng lại vì nước Anh phát hiện ra mỏ khí

thiên nhiên có trữ lượng rất lớn ở Biển Bắc

 Công nghệ này lại được áp dụng lại vào năm 1974 khi xảy ra cuộc khủng hoảng về dầu lửa

 Năm 1990 công nghệ này được áp dụng ở công ty Schwarze ở Đức với nguyên liệu là sự phối trộn

của lignin và chất thải rắn đô thị

Công nghệ này có những đặc điểm chính sau

 Tăng công suất của lượng nguyên liệu đưa vào

 Có thiết kế đặc biệt với loại nguyên liệu có nhiệt độ chảy mềm của tro thấp

liệu có kích thước nhỏ

 Giảm lượng hơi tiêu thụ

 Bộ phận phía trên của BGL tương tự như thiết bị khí hóa Lurgi tháo xỉ khô và chỉ có một vài cải tiến

 Không có bộ phận ghi lò để tháo xỉ Thiết bị đưa gió (đầu phun) được thiết kế ở trên vùng xỉ lỏng, thiết bị này cũng có thể để đưa nhiên liệu khác vào

lò như tar hoặc than bụi ( vì nếu than bụi đưa lên phía trên sẽ bị tắc lò)

 Phần dưới của thiết bị là bộ phận tháo xỉ lỏng Xỉ được tháo qua bộ phận quenching bằng nước và

xỉ sẽ thành rạng rắn và được tháo ra nhờ thiết bị tháo xỉ

 Lượng hơi nước tiêu tốn ít hơn và lượng oxy tiêu tốn nhỏ hơn so với công nghệ Lurgi Lượng khí

tổng hợp thu được lớn hơn nhiều so với cùng

lượng nguyên liệu đưa vào và sản phẩm của quá trình nhiệt phân ít hơn tuy nhiên lượng CO2 lại ít hơn

So sánh 2 công nghệ Lurgi và BGL được đưa ra ở bảng 5.5

KHÍ HÓA TẦNG SÔI

 Công nghệ tầng sôi được Winkler nghiên cứu năm

 Chế độ sôi có hai chức năng chính đó

là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo

ra lớp sôi trong thiết bị

 Quá trình này phức tạp lúc điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc

 Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hơi

nước sẽ được sử dụng làm tác nhân thổi Khi sử dụng cho mục đích sx

điện năng thì không khí có thể sử

dụng làm tác nhân oxy hóa ( khi sử

dụng biomass)

Một vài đặc điểm chính

 Nhiệt độ :

Bất kỳ dạng tầng sôi nào đều phụ thuộc vào vào kích thước hạt và tốc độ của gió

Một lượng lớn xỉ (95%) còn lại trong tầng sôi trong khi đó

lượng cacbon đã được khí hóa thành khí tổng hợp Lượng xỉ này sẽ mềm ra và tụ kết với nhau thành những hạt có kích thước lớn hơn Lúc này trở lực sẽ lớn hơn tốc độ gió và hạt xỉ

sẽ lắng xuống và thoát ra khỏi tầng sôi và sẽ tạo ra sáo trộn

và phá vỡ lớp sôi

Chính vì nguyên nhân này nên chế độ nhiệt của thiết bị khí hóa luôn nhỏ hơn nhiệt độ chảy mềm của tro Đối với than nhiệt độ khoảng 950-1100oC và với biomass khoảng 800-

950oC

Khi nhiệt độ khí hóa thấp thì lượng tar sẽ nhiều hơn trong

hỗn hợp khí Nguyên nhân là do quá trình cấp nhiệt từ từ nên quá trình nhiệt phân diễn ra nhiều hơn nên nhiều tar hình

thành trong quá trình này và nhiệt độ thấp thì phản ứng

cracking của tar sẽ không xảy ra

 Chất lượng nguyên liệu :

Mục tiêu của công nghệ này là để sử dụng các loại nguyên liệu có chất lượng thấp như biomass, than chất lượng thấp…

Đối với than chất lượng thấp thì tốc độ phản ứng nhanh hơn do đó nhiệt độ của lò khí hóa có thể

khống chế thấp hơn

khí hóa tầng sôi kích thước không dưới 10mm Do than khác nhau về kích thước và hình dáng nên

duy trì chế độ sôi là khó khăn Chế độ sôi phải

được kiểm soát chặt chẽ vì nếu nhiều hạt than kích thước nhỏ hơn sẽ bị cuốn theo chế độ gió ra ngoài Các hạt than này sẽ được tách ở xyclon và đưa trở lại thiết bị khí hóa

 Chuyển hóa carbon :

Quá trình khuấy trộn đồng đều của gió và than tạo ra sự khấy trôn l y tưởng và chuyển khối thuận lợi của chế độ

tầng sôi Thực tế chế độ tầng sôi là thiết bị phản ứng tĩnh với chế độ khuấy l y tưởng

công nghệ này cũng có một vài nhược điểm đó là rất khó không chế thời gian phản ứng của các hạt than phân bố đều trong tầng sôi

Do đó có những phần than chưa phản ứng đã bị đưa ra

khỏi lò Lượng cacbon chuyển hóa tối đa là 97%

Lượng oxy sử dụng cho khí hóa tânhf sôi lớn hơn nhiều so với khí hóa tầng chặt

Tuy nhiên đá vôi không thể chuyển hóa hết thành CaSO4 nên tro sẽ còn lẫn cả đá vôi chưa phản ứng

Xỉ được loại ra từ đáy của thiết bị khí hóa hoặc là được tách ra ở xyclon Quá trình khí hóa tầng sôi

có thể khác nhau về phương pháp tháo xỉ ( tháo xỉ khô hoặc tháo xỉ kết dính)

 Yêu cầu về thiết bị :

Do nhiệt độ của tầng khí hóa không cao (dưới 1100oC) nên thiết bị làm vỏ lò cũng không có yêu cầu đặc biệt như khí hóa lớp chuyển động Gạch chịu lủa thường

được sử dụng để làm vật liệu lót trong của lò để chịu

được nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn

Bên ngoài là lớp thép

Đối với khí hóa tầng sôi tuần hoàn phải chú y hơn về độ dãn nở nhiệt vì gradien nhiệt độ là không đều nhau trong

lò khí hóa ???

Quá trình Winkler

 Quá trình này là quá trình khí hóa tầng sôi

ở áp suất thường

và nhà máy đầu tiên được xây dựng năm

1925

 Đến nay đã có khoảng 70 dây truyền này được lắp đặt trên thế giới với năng suất khoảng 20 triệu Nm3/ngày

 Quá trình này có thể sử dụng bất k y loại

nguyên liệu nào như than nâu, than

sub-bituminous, bitummius

 Than trước khi đưa vào lò khí hóa được nghiền

sao cho kích thước dưới 10mm

 Nếu than có độ ẩm nhỏ hơn 10% thì không cần

quá trình sấy trước khí sử dụng T

 han được đưa vào thiết bị khí hóa bằng băng

truyền và tầng sôi được duy trì nhờ gió được thổi

từ dưới lên Tốc độ gió vào khoảng 5m/s và khi tốc

độ tăng thì nhiệt độ tầng khí hóa tăng và sản phẩm tar trong khí sản phẩm cũng giảm đi

 Nhiệt độ hoạt động của lò từ 950-1050oC

 Hệ thống gồm hai thiết bị phụ trợ đó là thiết bị tận dụng nhiệt và cyclon tách xỉ

 Trong xỉ lượng cacbon chưa phản ứng còn rất lớn vào khoảng 20% lượng than đưa vào lò Xỉ có lẫn nhiều cacbon này sử dụng như là nhiên liệu cho các quá trình khác