Quy trình công nghệ sản xuất khí hóa than và các biện pháp bảo vệ môi trường

Khí tầng trên Khí tầng dướiTời điện Sơ chế Thiết bị khí hoá than hai giai đoạn Ф3.2m m Trống hơi Thiết bị thổi khí Thiết bị lọc bụi gió xoáy Thiết bị tĩnh điện C37 Thiết bị trao đổi nhiệ

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ HÓA THAN

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ HÓA THAN

(CÔNG TY TNHH MTV THÉP HÒA PHÁT)

Nhà máy cán thép hình thuộc Công ty TNHH MTV thép Hòa Phát có sử dụng công nghệ khí hóa than trong quá trình sản xuất Nhà máy nằm trên địa bàn Khu công nghiệp Như Quỳnh A, km 17 - Quốc lộ 5 - Huyện Văn Lâm - Tỉnh Hưng Yên Ngành cán thép sử dụng khá nhiều điện và nhiên liệu, đây là một trong những chỉ tiêu quyết định khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp thép Trong tình hình thực tế hiện nay, khủng hoảng năng lượng đang là mối quan tâm trên toàn cầu, đe dọa đến tăng trưởng kinh tế Vì vậy, để tăng tính cạnh tranh, hạ giá thành sản phẩm, vừa thực hiện theo Ban chỉ đạo tiết kiệm năng lượng – Bộ công thương để bảo vệ môi trường, Công ty TNHH MTV Thép Hòa Phát đã và đang áp dụng nhiều biện pháp khác nhau để tiết giảm tiêu thụ năng lượng, trong đó có việc lắp đặt lò sinh khí than thay thế lò đốt dầu

Việc chuyển đổi loại nhiên liệu từ dầu FO sang dùng khí hóa than từ lò sinh khí không những giảm chi phí nhiên liệu mà còn góp phần vào việc giảm tiêu hao điện năng trong quá trình cán thép Việc lắp đặt lò sinh khí than đã được Công ty thực hiện

từ năm 2011 và đã đi vào vận hành hiệu quả

1 Công nghệ sản xuất khí hóa than

Công ty đã lắp đặt 03 bộ trạm khí hoá than hai giai đoạn đường kính 3.2 m cho

dự án này, công suất vận hành hiện tại lò sinh khí than là 70 tấn than/ngày Quy trình công nghệ như sau:

Khí tầng trên Khí tầng dưới

Tời điện

Sơ chế

Thiết bị khí hoá than hai giai đoạn Ф3.2m m

Trống hơi Thiết bị thổi khí

Thiết bị lọc bụi gió xoáy

Thiết bị tĩnh điện C37 Thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị làm mát khí

Thiết bị tĩnh điện C72m

Thiết bị làm mát gián

tiếp

Thiết bị tăng áp suất

khí

Lò nung

Than 40~60mm

Thiết bị khử tạp chất

Nước phenol

Nước thải tới trạm xử lý

Hình 1: Công nghệ khí hóa than

Lò sinh khí gồm các bộ phận chính là: hệ thống nạp than, thân lò, ghi lò

- Hệ thống nạp than: Hệ thống có cấu tạo gồm một van nạp đôi, hoạt động

2 chiều, có 1 thùng nâng ở giữa 2 van nạp Việc nạp liệu được điều khiển bằng PLC trong tủ điều khiển Van nạp được dẫn động bằng hệ thống thủy lực

- Phần thân lò: Thân lò có phần lớp lót chịu lửa tạo thành 36 lỗ thông hơi

Có một ống làm bằng thép không rỉ chịu nhiệt được đặt ở giữa lò, tạo cho truyền nhiệt có được cả từ phía trong và phía ngoài Than vào lò sẽ nhận nhiệt truyền từ 2 phía tương đối là ống thép ở giữa lò và phần vật liệu chịu lửa ở thành lò, nhờ đó than được carbon hóa hoàn toàn Phía trong lớp chịu lửa, ở trên ống dẫn khí than có một van điều chỉnh Van này có thể điều chỉnh lưu lượng khí than của giai đoạn carbon hóa hay của giai đoạn khí hóa, tức là điều chỉnh được tỷ lệ khí than phía trên và khí than phía dưới Dưới đáy và ở vỏ lò có một lớp áo nước ở áp suất bình thường,

có thể sản sinh ra hơi nước phục vụ cho quá trình khí hóa

Ghi lò: Ghi lò được làm bằng thép hợp kim đúc, chịu nhiệt và chịu mài mòn

Nó được lắp đặt trên hệ giá đỡ Giá đỡ ghi lò được làm bằng thép đúc chống ma sát Tác nhân khí hóa đi qua khe lỗ của ghi lò để vào lò một cách đều đặn tạo ra các phản ứng khí hóa

Hệ thống lò sinh khí than

Thuyết minh quy trình công nghệ

Nhà máy sử dụng công nghệ lò hai

giai đoạn là thiết bị tạo khí than liên

tục Ban đầu, lò sinh khí được mồi gia

nhiệt bằng cách đốt củi, than tại đáy

lò cho đến khi đạt được nhiệt độ

ra khoảng 1 ngày và chỉ diễn ra một

lần duy nhất trong quá trình khởi

động lò Sau đó, than với kích thước

40-60 mm được đưa vào thùng chứa

bằng hệ thống máy nâng, rồi được

đưa vào tầng cacbon hóa của lò khí

hóa than 02 giai đoạn, điều khiển

bằng chương trình máy tính Tại đây

xảy ra quá trình cacbon hóa để tạo ra

than bán cốc, hơi, bụi và khí than

Tiếp theo than được đi xuống phía

dưới lò để thực hiện quá trình khí hóa

Lò sinh khí 2 giai đoạn

Sự tạo thành khí than tầng trên:

làm nóng than nạp vào đồng thời xảy ra quá trình cacbon hóa và sinh ra khí than tầng

được thoát ra trên đỉnh lò Khí than tầng trên có nhiệt lượng vào khoảng 1650~1750

Tạo thành khí than tầng dưới:

Than cacbon (than bán cốc) sau quá trình cacbon hóa đi vào tầng khí hóa Chất

dễ bay hơi có trong than bán cốc khoảng 3~5% Hoạt động khí hóa của than bán cốc thấp hơn than thô ban đầu bởi vì than bán cốc đã xảy ra quá trình cacbon hóa Công

Các phản ứng trong quá trình khí hóa xảy ra như sau:

Phản ứng của hơi nước với cacbon là phản ứng thu nhiệt:

C + H2O = CO + H2 - 118821KJ/Kmol

Khi oxy và cacbon phản ứng, chúng tỏa nhiệt

Phản ứng của CO và hơi nước:

Một lượng nhỏ hơi nước phản ứng với carbon monoxide (CO) Cứ mỗi thể tích

thể tích tương đương Trong vùng thu nhỏ, các phản ứng xảy ra nhanh khi nhiệt độ

Khoảng 75% khí than nóng đi ra thông qua ống thép trung tâm và các kênh bên trong thành lò dạng tròn, khí than này được gọi là khí than tầng dưới 25% khí than còn lại trực tiếp tăng nhiệt, sấy và chưng cất than ở tầng chưng cất khô Sau đó khí nóng được trộn với khí chưng cất và tạo ra khí tầng trên

Quá trình lọc và làm mát của khí than ở tầng trên

Sau khi được tách từ lò sinh khí, khí than tầng trên được đưa tới hệ thống lọc tĩnh điện C37, tại đây phenol từ lò sinh khí tạo ra sẽ được hòa tan bởi nước ngưng tụ

do hơi nước trong khí than bị hạ nhiệt độ Nước ngưng tụ này gọi là nước phenol được chảy về bể phenol với hàm lượng không thể vượt quá 5% Khí ở tầng trên, sau khi được lọc tĩnh điện sẽ đi vào thiết bị làm lạnh gián tiếp, nơi mà khí than được làm lạnh

trong thiết bị tĩnh điện C72 để khử dầu và bụi lần thứ hai Sau đó dòng khí trải qua công đoạn: nén bởi thiết bị tăng áp, tách độ ẩm và cuối cùng đi vào lò để sử dụng thông qua ống dẫn khí

Quy trình lọc và làm mát của khí tầng dưới

Trước tiên, bụi được tách ly tâm ra khỏi khí tầng dưới và nhiệt độ bị giảm tại thiết bị lọc bụi gió xoáy; thứ hai là khí đi vào nồi hơi để thu hồi nhiệt lượng của khí

tiếp Sau đó khí than tầng dưới trộn lẫn với khí than tầng trên và đi vào trong thiết bị tĩnh điện C72 để khử dầu và bụi lần thứ hai Sau đó dòng khí trải qua công đoạn: nén bởi thiết bị tăng áp, tách độ ẩm và cuối cùng đi vào lò để sử dụng thông qua ống dẫn khí

Khí than sau khi được xử lý có chỉ số khí hóa chính sau:

+ Tỷ lệ kết xỉ: 10 – 15%+

Bảng 1 – 1: Thành phần khí hóa than

Nguồn: Công ty TNHH Một thành viên thép Hòa Phát

Ưu điểm của công nghệ :

1) Áp dụng lò hai giai đoạn hóa khí than có những ưu điểm: hiệu quả khí hóa cao, hiệu quả nhiệt cao, chi phí sản xuất giảm, mức độ tự động hóa cao, cường độ lao động thấp, vận hành chắc chắn, khí có độ tinh khiết cao, nhiệt lượng cao và sản lượng khí ổn định

2) Xyclone lọc bụi và nồi hơi được lắp đặt trên lối ra của khí tầng dưới, như

thời nhiệt lượng của khí được tận dụng triệt để tạo dòng hơi nước 0.294kPa có thể được sử dụng để bít kín miệng đảo liệu

3) Công nghệ làm lạnh bằng gió và gián tiếp được ứng dụng để làm giảm nhiệt

độ của khí, mà có thể ngăn chặn sự hình thành một lượng lớn nước ô nhiễm do sự tiếp xúc trực tiếp của khí và nước tạo ra

2 Nhu cầu sử dụng than

Lượng than sử dụng hàng năm 25.200 tấn Để đảm bảo chất lượng khí than và đáp ứng yêu cầu của công nghệ khí hóa than 2 giai đoạn, loại than phù hợp là than không khói với các yêu cầu kỹ thuật như sau:

Bảng 1: Thành phần than

Chủng loại, kích thước Than không khói hoặc ít khói, kích thước 40-60 mm

Tỷ lệ cục lớn nhất/ Cục nhỏ nhất <=2

Tỷ lệ nạp than bổ sung <10%

Tỷ số hóa hơi

Tỷ số tạo tro

>25%

<18%

Hàm lượng sulfur tổng cộng (khô) <=2%

Nhiệt độ chảy mềm của xỉ (ST) >1.250oC

Độ ổn định nóng (RW+6) >60%

Chỉ số nở tự do (F.S.I) <2

Tham khảo “công nghệ khí hóa than 2 giai đoạn”

3 Các vấn đề môi trường chính từ hệ thống lò khí hóa than

3.1 Nước phenol từ hệ thống lò sinh khí

Phenol sinh ra từ quá trình khí hóa trông khí tầng trên sẽ được hòa tan bởi nước ngưng tụ do hơi nước trong khí than bị hạ nhiệt độ (Phenol hòa tan vô hạn trong nước

vượt quá 5% Lượng nước phenol sẽ thu được tại vị trí đáy các thiết bị lọc bụi tĩnh điện C37, C72, thiết bị làm mát gián tiếp, tháp khử tạp chất

Lượng nước phenol phát sinh từ 60-80 kg/tấn than (Nguồn: nhà sản xuất) Nhà

máy sử dụng 70 tấn than/ngày để làm nguyên liệu cho lò khí hóa, như vậy lưu lượng nước phenol phát sinh là: 4200 – 5600 kg/ngày, với nồng độ phenol không vượt quá 5%

Nước phenol được thu lại vào bể chứa nước phenol và tuần hoàn lại như sau: Nước phenol từ hệ thống đáy tháp làm mát gián tiếp được đưa về bể chứa nước

trong bể và lại được bơm vào tháp làm mát gián tiếp và xối trực tiếp lên luồng khí than để rửa sạch bụi trong khí than, đồng thời lọc bớt những thành phần khí không có lợi trong khí than như NOx, SO2,v.v và hòa tan lượng phenol có trong khí thải Sau khi làm sạch khí than nước phenol được thu vào đường ống kín để hồi lại bể phenol có dung tích Nước phenol được bơm tuần hoàn trong suốt quá trình sản xuất với lưu lượng 100 m3/h và không thải ra môi trường.

Ghi chú: Khí than lò sinh khí

Đường nước làm mát gián tiếp

Đường nước phenol

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuần hoàn nước phenol

Khí tầng trên

Khí tầng dưới

Khí ra

Bể nước làm mát gián tiếp Bể nước phenol

Thiết bị làm mát gián tiếp

3.2 Khí thải từ lò sinh khí

Thành phần các chất trong sản phẩm khí hóa của lò sinh khí bao gồm như sau:

Bảng 3: Thành phần các chất trong khí than

Nguồn: Công ty TNHH MTV thép Hòa Phát

không phải là khí gây ô nhiễm môi trường (theo QCVN 19:2009/BTNMT) Lượng khí

trình bày phần trên)

Biện pháp xử lý

Để xử lý các thành phần ô nhiễm không mong muốn có trong khí than, Nhà máy đã lắp đặt hệ thống dây chuyền xử lý đồng bộ Sơ đồ hệ thống xử lý xem chi tiết tại sơ đồ dây chuyền công nghệ lò sinh khí Cụ thể các bước xử lý như sau:

THAN Tõ B I THAN·I THAN

SµNG THAN

THAN Cì 15-50MM

xILO THAN

pA L¡NG CÈU THAN

tHIÕT BÞ KHÝ HãA THAN HAI GIAI §O¹N Ø3,2M qU¹T GIã

tRèNG H¥I

tHIÕT BÞ LµM M¸T GI¸N TIÕP

tHIÕT BÞ TRAO §æI NHIÖT

tHIÕT BÞ lµM M¸T B»NG GIã

LäC BôI TÜNH §IÖN c72

qU¹T T¡NG ¸P

tH¸P KHö L¦U HUúNH

lß NUNG PH¤I

H¥I N¦íC

TUÇN HOµN

BÓ N¦íC

PH£ NOL

HåI

bÓ L¾NG, CHøA N¦íC

Rß RØ Vµ CH¶Y TRµN N¦íC X¶ CÆN

N¦íC X¶ CÆN N¦íC X¶ CÆN

n¦íC LµM M¸T GèI QU¹T

bÓ L¾NG XØ KHU Xö Lý N¦íC NHµ M¸Y

THAN C¸M

BÓ N¦íC

MÒM

Vµ BïN THAN hçn hîp khÝ hãa than

N¦íC X¶ CÆN

Hình 2 - 1: Sơ đồ hệ thống xử lý khí tại nhà máy Thuyết minh quy trình:

Thiết bị lọc tĩnh điện C-37

Khí than tầng trên sau từ lò sinh khí được dẫn sang thiết bị lọc tĩnh điện C37 Chức năng chính của thiết bị này là lọc bụi để làm tăng độ tinh khiết của khí than

Lọc bụi tĩnh điện C37 là hệ

thống lọc bỏ các hạt bụi có kích thước

nhỏ khỏi dòng không khí chảy qua

buồng lọc, trên nguyên lý ion hoá và

tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi

qua vùng có trường điện lớn Buồng lọc

bụi tĩnh điện (hay Silo lọc bụi) được

cấu tạo hình tháp tròn, bên trong có đặt

các tấm cực song song hoặc Hạt bụi

với kích thước nhỏ, nhẹ bay lơ lửng

trong dòng khí được đưa qua buồng lọc

có đặt các tấm cực Trên các tấm cực,

ta cấp điện cao áp để tạo thành một

điện trường có cường độ lớn Hạt bụi

khi đi qua điện trường mạnh sẽ bị ion

hoá thành các phân tử ion mang điện

tích âm sau đó chuyển động về phía

tấm cực dương và bám vào tấm cực

bụi tĩnh điện

Tùy theo lưu lượng bụi của buồng lọc mà hệ thống tự động điều chỉnh điện áp

cao áp vào buồng lọc, sao cho đạt được hiệu suất lọc bụi cao nhất Với điều kiện hoạt

động tốt hệ thống có thể đạt hiệu suất lọc bụi đạt trên 95% Bụi sẽ được tách khỏi các

tấm cực bằng dòng nước do hơi nước lẫn trong dòng khí ngưng đọng chảy xuống đáy

thiết bị và được đưa về bể nước phenol

Lò được lắp đặt một bộ thiết bị tĩnh điện C-37 và mục tiêu kỹ thuật chính như

sau:

Bảng 2 – 1: Thiết bị tĩnh điện C-37

Bộ phận bắt bụi

Bộ phận i-on hóa bằng điện trường

Dòng khí vào

Dòng khí ra

7 Đường kính trong của ống điện cực mm 250

Nguồn: Công ty TNHH MTV thép Hòa Phát

Thiết bị lọc bụi gió xoay (cyclon)

Khí than tầng dưới chứa nhiều bụi than sau khi đi ra khỏi lò sinh khí được dẫn sang thiết bị lọc bụi gió xoay để tách bụi

Bộ lọc gió xoáy là thiết bị lọc bụi được sử dụng tương đối phổ biến Nguyên lý làm việc của thiết bị lọc bụi kiểu gió xoáy là lợi dụng lực ly tâm khi dòng không khí chuyển động để tách bụi ra khỏi không khí Không khí có bụi lẫn đi qua ống dẫn khí vào theo phương tiếp tuyến với ống trụ ngoài và chuyển động xoáy tròn đi xuống dưới phía dưới, khi tới đáy thiết bị dòng không khí bị đẩy ngược lên chuyển động xoáy trong ống trong và thoát ra ngoài Trong quá trình chuyển động xoáy ốc lên và xuống trong các ống các hạt bụi dưới tác dụng của lực ly tâm va vào thành, mất quán tính và rơi xuống dưới

Ngoài ra để khắc phục nhược điểm của lọc bụi gió xoáy truyền thống là do vận tốc xoáy trong thiết bị lớn nên dễ gây ra hiện tượng cuốn trở lại vào dòng không khí các hạt hụi đã lắng trên thành thiết bị Vì vậy, mặt trong thành thiết bị Cyclon tại nhà máy được phủ màng nước, mục đích của lớp màng nước này để cuốn theo các hạt bụi lắng, ngăn không cho chúng bị cuốn vào dòng khí Bộ phận tạo ra màng nước được đặt phía trên thiết bị lọc bụi gió xoáy Đáy thiết bị có bể chứa nước để tiếp nhận dòng nước và bụi thải ra trong quá trình hoạt động sau đó được đưa tới bể phenol

Thiết bị này lọc bụi gió xoáy tại nhà máy được xây dựng bằng gạch chịu nhiệt với khả năng lọc đạt 80% với thông số kỹ thuật của thiết bị như sau:

Bảng 2 – 2: Thông số kỹ thuật chính của xyclone lọc bụi

Nguồn: Công ty TNHH MTV thép Hòa Phát

Thiết bị trao đổi nhiệt (nồi nhiệt)

Khí than tầng dưới có nhiệt độ

đổi nhiệt, đồng thời nước từ nồi hơi

thường áp cũng được dẫn về thiết bị để

tao đổi nhiệt với khí than Sau quá trình

này, dòng khí được giảm nhiệt độ xuống

hơi có áp suất khoảng 0.294Mpa được

đưa về trống hơi thường áp và được sử

dụng để làm hơi đưa vào lò khí hóa

Hình 2 - 4: Thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế với các thông số kỹ thuật chính như sau:

Bảng 5: Thông số kỹ thuật chính của thiết bị trao đổi nhiệt

7 Nhiệt độ đầu ra của khí oC 200-230

Nguồn: Công ty TNHH MTV thép Hòa Phát

Thiết bị giải nhiệt bằng không khí

Chức năng chính là làm lạnh khí tầng dưới từ nồi hơi xả nhiệt (khoảng

Nguyên lý hoạt động của hệ thống giải nhiệt bằng không khí dựa trên quá trình trao đổi nhiệt của dòng khí nóng từ dưới lên với dòng khí lạnh từ trên xuống Dòng không khí lạnh được cấp vào là không khí ngoài trời

Thông số kỹ thuật chính của thiết bị như sau:

Bảng 6: Thông số kỹ thuật chính

1 Chiều dài×chiều rộng×chiều cao của thiết bị mm 4200×2100×8982

Nguồn: Công ty TNHH MTV thép Hòa Phát

Thiết bị làm mát gián tiếp

Khí tầng trên và khí than tầng

dưới sau khi qua các công đoạn trên thì

được đưa về chung thiết bị làm lạnh gián

tiếp Chức năng chính của nó là giảm

nhiệt độ lần thứ hai cho khí tầng trên bị

nhiễm bẩn bởi thiết bị tĩnh điện tách

nhựa đường cũng như là khí tầng dưới

do xyclone lọc bụi, nồi hơi xả và thiết bị

làm lạnh khí xử lý

Nó sẽ tránh được sự tiếp xúc trực tiếp

của nước và khí cũng như sự tạo thành

chất thải công nghiệp vì nó là thiết bị

làm lạnh gián tiếp, điều này rất tốt cho

vấn đề bảo vệ môi trường Ngoài ra, thiết

bị làm lạnh gián tiếp cũng có tác dụng

khử độc phenol Nước từ bể chứa nước

phenol được phun trực tiếp lên dòng khí

than để hấp thụ phenol và một phần nhỏ

được hồi lưu về bể chứa nước phenol để

tuần hoàn

Hình 2 - 5: Thiết bị làm mát gián tiếp

Thông số kỹ thuật chính của thiết bị làm mát gián tiếp như sau:

Bảng 2 – 3: Thông số kỹ thuật chính của thiết bị làm lạnh gián tiếp

Nước làm mát ra

Nước làm mát vào

Nước phenol ra

Nước phenol vào Khí vào

Khí hóa ra

Hỗn hợp khí, nước phenol Nước làm mát