chương 2 nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

Như vậy, khí than nhận được là do sản phẩm của các phản ứng xảy ra ở vùng khí hóa và khí nhận được từ vùng chưng khô.. 2.2.2.2 Quá trình tạo khí than ướt dùng hơi nước Do phản ứng khí hó

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HÓA KHÍ THAN

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa than

2.2.1 Quá trình khí hóa nhiên liệu (tầng cố định) [10]

Nguyên lý làm việc của quá trình khí hóa có thể nêu vắn tắt như sau:

Hình 2.1: Quá trình hóa khí than trong lò khí hóa

Quá trình khí hóa được tiến hành trong thiết bị đặc biệt được gọi là lò sinh khí Đó

là một lò đứng, phía trên có bộ phận nạp than vào lò, phía dưới có bể nước loại tro, xỉ Tác

nhân khí hóa là không khí và hơi nước đưa vào qua mũ gió ở phía dưới, nhiên liệu khí tạo thành sẽ theo đường ống phía trên ra ngoài

Theo chiều đi từ trên xuống dưới, nhiên liệu lần lượt được sấy, chưng khô, khử, ôxy hóa và cuối cùng tạo thành xỉ Thông thường vùng sấy và vùng chưng khô gộp lại thành vùng chuyển bị nhiên liệu, vùng khử và vùng ôxi hóa thành vùng khí hóa

Tại vùng sấy, hơi ẩm của nhiên liệu được tách ra, đồng thời nhiên liệu được đốt nóng lên Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy và đốt nóng này được truyền từ khí, khi dòng khí đi qua lớp nhiên liệu sấy này

Khi nhiên liệu được đốt nóng đến 250÷3500C, nhiên liệu sẽ đi vào vùng chưng khô Tại đây các sản phẩm dạng khí và hơi được tách ra là: Oxyt cacbon, hydro, mêtan, cacbua hydro nặng (chủ yếu là êtylen), sunphuahydro, amôniac, nhựa than

Sau khi tách hết chất bốc, nhiên liệu trở thành cốc, than cốc này được nung nóng đỏ

và đi vào vùng khí hóa Tại đây sẽ tiến hành các phản ứng hóa học phức tạp giữa than cốc nung đỏ và tác nhân khí hóa như không khí và hơi nước Trên đường đi từ dưới lên trên, không khí tác dụng với than cốc để thành khí CO2 và CO, hơi nước phản ứng với cacbon

để thành khí CO và hydro Những khí CO, H2 mới tạo thành lại cháy trong dòng khí để thành CO2 và H2O vì trong dòng khí vẩn còn O2 Càng lên phía trên lượng Oxy càng giảm, cuối cùng không còn nữa Vì vậy, hàm lượng khí CO và H2 ngày càng tăng Đến vùng khử khí CO2 và H2O tác dụng với cacbon nung đỏ để tạo thành CO và H2 Như vậy, ở vùng khử khí hàm lượng CO và H2 khá cao Các phản ứng oxy hóa đều tỏa nhiệt này sẽ cung cấp cho các phản ứng khử và đốt nóng than cốc, khí, Tốc độ phản ứng trong vùng khử phụ thuộc rất nhiều vào mức độ chuyển bị nhiên liệu nghĩa là mức độ trừ bỏ hoàn toàn hơi

ẩm và chất bốc Nếu nhiên liệu càng ẩm,càng chứa nhiều chất bốc thì thời gian nằm ở vùng khí hóa càng lâu Ngoài ra các phản ứng trên phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ, nhiệt

độ càng cao các phản ứng khử càng mạnh Ở nhiệt độ 1000oC thì hầu hết các khí CO2 bị khử thành khí CO, cho nên nhiệt độ ở vùng khí hóa phải duy trì ở khoảng 1000oC

Như vậy, khí than nhận được là do sản phẩm của các phản ứng xảy ra ở vùng khí hóa và khí nhận được từ vùng chưng khô Thành phần của khí than ra khỏi vùng khí hóa cũng có sự thay đổi Một số khí CO và H2 có tham gia vào việc tạo ra sản phẩm tổng hợp

ở dạng lỏng và CH4 Ngoài ra ở phần trên của nhiên liệu có thể tiến hành phản ứng:

2CO → CO2 + C (2.1) Những sự biến đổi này có ý nghĩa lớn nếu ở đó có chất xúc tác Chất xúc tác có thể được đưa từ bên ngoài vào hay có ngay trong tro nhiên liệu hoặc lớp gạch lót lò Ví dụ sắt

là chất xúc tác cho phản ứng:

Trong điều kiện thông thường của kỹ thuật những biến đổi này có thể bỏ qua Trước khi đưa khí than đi dùng người ta thường phải làm sạch nó vì sản phẩm ra khỏi lò khí hóa thường lẫn nhiều khí khác nhau cũng như mang khá nhiều xỉ, bụi, mồ hóng

2.2.2 Các loại khí than

Tùy theo tác nhân khí hóa mà người ta thu được các loại khí than khác nhau như khí than khô, khí than ướt, khí than hỗn hợp dưới đây ta nghiên cứu quá trình tạo ra các loại khí than đó

2.2.2.1 Quá trình tạo khí than khô

năng phản ứng của than cốc càng cao thì sự phân hủy CO2 càng mạnh và khí càng giàu

CO, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ vùng khử hạ thấp xuống dưới 1000oC

b) Thành phần của khí than khô

Kcal/N.m3

Bảng 2.1: Thành phần khí than khô đi từ than cốc và than nâu [13]

c) Một số đặc điểm của quá trình sản xuất khí than khô

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÷17000C Trong điều kiện như vậy tro xỉ đều bị chảy lỏng, các lớp lót trong lò bị ăn mòn rất mạnh vì xỉ lỏng nóng 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 chịu 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÷9000C), 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

d) Lĩnh vực sử dụng 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 khí có hàm lượng H2 thấp và CO cao hơn thì có thể ứng dụng để tổng hợp hóa học

2.2.2.2 Quá trình tạo khí than ướt dùng hơi nước

Do phản ứng khí hóa bằng hơi nước là phản ứng thu nhiệt mạnh nên hơi nước đưa vào lò cần phải có nhiệt độ cao để thực hiện điều đó, có thể sử dụng các biện pháp sau:

a1 Phương pháp gián đoạn

Nung nóng các lớp than trong lò bằng cách đưa không khí vào lò trước để thực hiện phản ứng cháy, làm cho lớp than bị nóng đỏ lên, có nhiệt độ cao, sau đó mới đưa hơi nước vào để thực hiện phản ứng khí hóa

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:

C + H2O → H2 + CO - Q

Sản phẩm khí lúc này chứa chủ yếu CO và H2, đồng thời nhiệt được tích lũy từ trước sẽ bị tiêu hao dần làm cho nhiệt độ trong lò hạ xuống, tốc độ phân hủy hơi nước giảm dần Lúc này phải đình chỉ việc đưa hơi nước vào lò và lại tiếp tục tiến hành đưa

không khí vào lò để duy trì phản ứng cháy, toả nhiệt cung cấp nhiệt cho quá trình khí hóa tiếp theo Các quá trình này phải tiến hành gián đoạn và lặp lại theo những chu kỳ nhất định với các tác nhân không khí-hơi nước-không khí,

a2 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÷11500C 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 3 đến 3,6m 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

Các cấu tử

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

đầu thổi gió lạnh được

Bảng 2.2: Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh [13]

Để khắc phục sự dao động về thành phần khí sản phẩm, xu hướng chung là rút ngắn thời gian các pha đến mức có thể và thay đổi luân phiên giữa hai pha rất nhanh

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

Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo khí than ướt theo phương pháp liên tục

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

Bảng 2.3: Sự thay đổi thành phần khí ở các pha [13]

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

b) Thành phần khí than ướt từ than antraxit

Thành phần CO2 H2S CO H2 O2 N2 Qthấp, kcal/m3

Bảng 2.4 : Thành phần khí than ướt từ than antraxit [13]

c) Một số đặc điểm của quá trình sản xuất khí than ướt

Lò khí hóa than dùng gió hơi nước có hiệu suất khí hóa thực tế η đạt 50÷60% Như vậy nếu tính tổng số mất mát do than phải qua quá trình cháy (để cấp nhiệt cho phản ứng khử) theo xỉ và thất thoát ra môi trường xung quanh (khoảng 5%) thì cứ 100kg nguyên liệu chỉ còn 50÷60 kg than tham gia phản ứng C + H2O để sản xuất khí than ướt sản phẩm

Đây chính là nhược điểm lớn nhất của phương pháp sản xuất khí than ướt theo phương pháp gián đoạn

d) Lĩnh vực sử dụng khí than ướt

Khí than ướt chủ yếu để tổng hợp hóa học Vì là nguyên liệu có nhiều H2 nên khí than ướt được dùng để tổng hợp NH3, hoặc làm nhiên liệu Để tiến hành tổng hợp NH3

phải loại bỏ CO theo phương pháp dùng nước hấp thu ở 20 Pa

Có thể loại trừ CO theo phản ứng chuyển hóa:

xúc tác

CO + H2O ↔ CO2 + H2 + Q (2.11)

Cr2O3 + Fe2O3Ngoài ra khí than ướt cũng là loại nhiên liệu khí cao cấp

Nhược điểm của phương pháp là làm việc gián đoạn là hiệu suất thấp (η = 50÷60%), nhiệt độ và thành phần khí thay đổi theo thời gian, dễ gây hỗn hợp nổ trong lò

và đường ống

Phương pháp tầng cố định sản xuất khí than ướt gián đoạn đòi hỏi chất lượng nguyên liệu cao cấp như than cốc, bán cốc hay antraxit có độ bền nhiệt cao, kích thước hạt lớn Sở dĩ đòi hỏi nguyên liệu cao cấp như vậy vì nhiệt độ trong lò thay đổi rất đột ngột, từ pha nóng sang pha lạnh và ngược lại Vì vậy nếu nguyên liệu không có độ bền nhiệt cao sẽ

bị vỡ vụn dưới tác dụng của sự thay đổi đột ngột nhiệt độ Ngoài ra phương pháp sản xuất khí than ướt gián đoạn cần tốc độ gió cao nên phải dùng than kích thước hạt lớn Chính vì vậy mà hạt than với kích thước hạt nhỏ hơn 35÷50 mm không thể dùng được

Do nhược điểm trên nên giá thành của sản phẩm khí than ướt sản xuất theo phương pháp tầng cố định gián đoạn tương đối cao

Tuy có những nhược điểm trên nhưng phương pháp này vẫn được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, vì đây là phương pháp có dây chuyền sản xuất đơn giản, thiết bị rẻ tiền, dễ thiết kế thi công và vận hành không phức tạp Ở nước ta sản phẩm khí than ướt được dùng để sản xuất phân bón tại Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc

2.2.2.3 Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước và oxy

a) Bản chất của quá trình

Đó là phương pháp sản xuất mà gió là hỗn hợp của oxy và hơi nước

Sở dĩ trong công nghiệp đi đến phương pháp sản xuất này vì hai lý do:

- Nhiệt cháy của sản phẩm khí lẫn (chứa nhiều nitơ khi dùng không khí để khí hóa) không cao, 1200÷1400 kcal/m3 và không đáp ứng được trong một số trường hợp cần nhiệt

độ cao Nếu dùng khí lẫn để đốt trong sinh hoạt thì không đạt yêu cầu kinh tế vì phải vận chuyển một lượng lớn nitơ theo đường ống Trong trường hợp này dùng khí than ướt thì thể tích khí giảm đi nhiều

- Nếu khí sản phẩm để tổng hợp hóa học mà không cần dùng nitơ thì không nên dùng khí lẫn vì việc loại bỏ nitơ ra khỏi hỗn hợp khí là một vấn đề rất khó khăn

Các phản ứng chủ yếu xảy ra trong quá trình khí hóa với gió gồm hơi nước và oxy là:

C + O2 = 2CO + 52285 kcal/k mol C

C + H2O = CO + H2 + 31690 kcal/k mol C

Lượng oxy cần là 0,1 m3 O2 /kg C hoặc 0,38 kg O2/kg C

b) Các phương pháp sản xuất và ứng dụng của khí than ướt

b1 Phương pháp tháo xỉ rắn

Để sản xuất khí than ướt theo phương pháp này, người ta có thể dùng lò của phương pháp khí hóa tầng cố định Tác nhân khí hóa là hơi nước có pha thêm oxy kỹ thuật Xỉ thải ra dưới dạng rắn

Trong một số trường hợp do yêu cầu về thành phần hỗn hợp khí dùng cho công nghiệp và cũng có thể do tiết kiệm oxy kỹ thuật, người ta có thể pha trộn thêm không khí

để điều chỉnh thành phần khí cũng như các yêu cầu sản xuất khác Bảng dưới đây trình bày thí dụ về thành phần khí sản phẩm phụ thuộc vào nồng độ oxy cấp (dùng than cốc làm nguyên liệu)

Bảng 2.5 : Thành phần khí than khi nồng độ ôxy trong gió khô thay đổi [13]

Bảng trên cho thấy khi tăng nồng độ oxy trong gió thì nồng độ CO2, H2 và CO trong khí sản phẩm tăng, nồng độ N2 giảm, nhiệt cháy tăng Do khống chế được tỷ lệ O2,

N2, H2O trong gió nên có thể điều chỉnh được nhiệt độ lò khí hóa theo ý muốn

Phương pháp này cho phép dùng các loại than có nhiệt độ chảy mềm của tro khác nhau, đồng thời cho phép dùng cả các loại than có độ biến tính thấp, cường độ khí hóa tương đối cao Sản phẩm khí than ướt sản xuất bằng phương pháp này có thể dùng để tổng hợp NH3, CH3OH, dùng để đốt các lò công nghiệp, hoặc để làm khí đốt dân dụng

b2 Phương pháp tháo xỉ lỏng

Đây cũng là phương pháp khí hóa thuộc phương pháp tầng cố định song xỉ được tháo ra dưới dạng lỏng Gió cấp vào lò gồm hơi nước và oxy (hoặc hơi nước oxy + không khí)

Gió cấp được đưa vào lò theo các lỗ ở chu vi đáy lò đáy lò có lỗ tháo xỉ ra ngoài

Lỗ tháo xỉ lỏng không có ghi Do gió có lẫn oxy nên nhiệt độ của quá trình khí hóa có thể rất cao, đạt tới 1600÷17000C

Phương pháp tháo xỉ lỏng cho phép sử dụng các loại than có nhiệt độ nóng chảy của tro thấp và có hàm lượng tro cao Phương pháp này cho phép sử dụng than có kích thước hạt nhỏ (d = 5 mm) vì cường độ khí hóa rất lớn

Bảng 2.6 : So sánh thành phần khí sản phẩm của hai phương pháp tháo xỉ lỏng và rắn,

nguyên liệu là than đá bán cốc [13]

Qua bảng số liệu trên ta thấy tháo xỉ rắn phải dùng nhiều hơi nước hơn để hạn chế

kết khối xỉ trong lò, vì thừa nhiều hơi nước nên tạo điều kiện tiến hành phản ứng CO +

H2O = CO2 + H2 + Q Vì vậy tháo xỉ rắn khí chứa nhiều CO2 , H2 hơn tháo xỉ lỏng Lượng

hơi nước dùng trong phương pháp tháo xỉ lỏng ít hơn phương pháp tháo xỉ rắn 4 lần, như

vậy tiết kiệm được hơi nước

b3 Phương pháp dùng áp suất cao (p=20Pa), tháo xỉ rắn

Điều kiện kỹ thuật của phương pháp này là p=20Pa, nhiệt độ lò phản ứng

900÷1000oC, gió là oxy kỹ thuật + hơi nước, than để khí hóa có thể là than biến tính thấp

Việc tăng áp suất lò phản ứng làm tăng cường độ khí hóa

Bảng 2.7 : Cường độ khí hoá than theo áp suất khí hoá [13]

b31 Ưu điểm của phương pháp

Sản xuất dùng áp suất cao làm tăng cường độ khí hóa của lò lên 4÷5 lần Do phản

ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp (900÷10000C) nên không bị kết xỉ trong lò điều này cho

phép dùng các loại than có nhiệt độ chảy mềm của tro thấp Tuy dùng than chất lượng thấp

nhưng có thể cho sản phẩm khí có nhiệt cháy cao từ 3200÷4000 kcal/m Ở các nhà máy

sản xuất khí theo phương pháp áp suất cao, lượng oxy dùng để khí hóa 1 kg than ít hơn

dùng để khí hóa ở áp suất thường từ 2÷3 lần

b32 Nhược điểm của phương pháp

Thiết bị phải chịu được áp suất cao dẫn đến vốn đầu tư cao

Trong phương pháp khí hóa ở áp suất cao với gió chứa oxy hơi nước và tháo xỉ rắn thì khí sản phẩm còn chứa nhiều CH4 và các loại hydrocacbon khác Nếu muốn sử dụng khí này làm nguyên liệu tổng hợp hóa học cần phải thêm công đoạn tinh chế, chủ yếu để giảm các loại hyđrocacbon

b4 Phương pháp khí hóa than dưới áp lực, tháo xỉ lỏng

Đây là phương pháp khí hóa than dưới dạng bùn, áp suất cao 20÷30 Pa, tháo xỉ lỏng (công nghệ Texaco, Mỹ)

Bản chất phương pháp: bụi than được trộn với nước theo tỷ lệ 40/60 (hoặc 60/40) trong lượng thành dạng bùn Hỗn hợp bùn được đưa vào thiết bị bay hơi ở áp suất 20÷30

Pa, nhiệt độ tương ứng là 370÷5400C Hơi nước kéo theo bụi than vào lò khí hóa Khí oxy

kỹ thuật được đưa vào lò và quá trình khí hóa xảy ra Xỉ tháo ra ở dạng lỏng, nhiệt độ lò 1600÷17000C

Khí thu được có thành phần: CO2 = 10÷25%; CO + H2 = 74÷89%; CH4 = 1% Tiêu hao oxy là 350 m3 cho 1000 m3 khí sản phẩm Hệ số tác dụng hữu ích 80÷90% Cường độ khí hóa 4800 kg/m2.giờ

Áp suất 1 Pa 20 Pa

Cường độ khí hóa 200÷250 kg/m2.giờ 1000 kg/m2.giờ

Các phương pháp khí hóa than theo công nghệ Shell, Preflo, cũng là những phương pháp khí hóa dưới áp lực và tháo xỉ lỏng nhưng có khác phương pháp đã mô tả về một số điều kiện kỹ thuật công nghệ, đặc biệt là cách nạp than nguyên liệu Trong các phương pháp này than nạp vào lò ở dạng bụi khô

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa than

2.2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất

Quá trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định Thực tế thì để quá trình hóa khí hoạt động thì áp suất tối thiểu phải là 10bar và có thể đạt đến 100bar

Ở áp suất cao cực độ, như việc tổng hợp amoniăc (130 – 150bar) hay như quá trình hóa khí ở áp suất ở áp suất 70–100bar trở lên thì không thực tế cho yêu cầu thiết bị Ở áp

suất quá cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệu làm lò hóa khí trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao

Vì vậy việc lựa chọn áp suất cho quá trình hóa khí là tùy thuộc vào yêu cầu của quá trình hay thiết bị và mục đích sử dụng cuối cùng sao cho chi phí đầu tư là thấp nhất

Hình 2.3 : Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi áp suất

thay đổi ứng với nhiệt độ 1000 o C [1]

Qua đồ thị hình 2.3 ta có thể nhận thấy được ở 1000oC khi áp suất càng tăng lên thì thành phần của khí CO và H2 trong khí tổng hợp sẽ giảm xuống trong khi đó thành phần của CO2, CH4 và H2O lại tăng lên.Như vậy ở mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần khí tổng hợp sẽ thay đổi khác nhau

Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần sử dụng mà ta chọn một giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu công nghệ hóa khí than thích hợp

2.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ của quá trình hóa khí nhìn chung được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái tro (trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ) Đối với than điểm nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất khí hóa vào than để giảm nhiệt

độ nóng chảy của tro xuống Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của quá trình và sẽ giảm toàn diện hiệu suất của quá trình hóa khí Vì vậy trong quá trình hóa khí ta luôn đảm bảo nhiệt độ trong lò không được vượt quá giá tri cho phép

Các quá trình hóa khí hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30bar và nhiệt độ trên

13000C Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành phần metan giảm xuống Trong trường hợp này thì nhiệt độ cao là cần thiết, đồng thời để quá trình hóa khí thuận lợi hơn người ta còn sử dụng thêm chất xúc tác trong quá trình phản ứng

Hình 2.4 : Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi nhiệt độ

thay đổi với áp suất 30bar [1]

Qua đồ thị hình 2.4 ta có thể thấy rằng với sự tăng lên của nhiệt độ thì khí sinh ra có lượng

CO tăng lên, trong khi đó các thành phần CO2, H2O, CH4, lại giảm xuống

2.2.3.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu

a) Độ ẩm của nhiên liệu

Các loại nhiên liệu có độ ẩm cao như củi gỗ, than bùn, muốn chuyển chúng thành nhiên liệu khí bằng quá trình khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ bộ 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 80-900C 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 Nếu tăng chiều cao của lò khí hóa thì có thể tận dụng nhiệt sấy các loại nhiên liệu có độ ẩm cao

Hình 2.5 : Ảnh hưởng của chiều cao và độ ẩm của nhiên liệu đến quá trình khí hóa [13]

Tuy nhiên, điều đó bị hạn chế vì phải cấp nhiệt nhiều cho vùng sấy quá dài và dễ xuất hiện sự ngưng tụ hơi nước và nhựa than Nếu chiều cao đạt yêu cầu và độ ẩm của nhiên liệu không lớn thì nhiên liệu được đốt nóng tới nhiệt độ gần bằng nhiệt độ của khí lúc ra khỏi vùng khí hóa và nhiệt độ của khí lúc ra khỏi lớp nhiên liệu sẽ cao hơn nhiệt độ điểm sương nghĩa là hơi nước trong khí ở trạng thái hơi quá nhiệt (hình 2.5a) Cũng trong điều kiện đó, nếu tăng chiều cao lớp nhiên liệu (hình 2.5b) thì nhiệt độ khí ra khỏi lớp nhiên liệu bị hạ thấp không đáng kể và vùng nhiệt độ cao bị kéo dài ra

Ngược lại nếu chiều cao lớp nhiên liệu bị giảm đáng kể (hình 2.5c) thì nhiệt độ khí

ra khỏi lớp nhiên liệu sẽ tăng cao vì lượng nhiệt yêu cầu cung cấp cho vùng sấy giảm xuống Như vậy, mật lượng hơi ẩm đáng kể đi cùng nhiên liệu vào vùng khí hóa sẽ làm giảm nhiệt độ của vùng này Kết quả làm giảm chất luợng khí than vì trong thành phần của

nó thành phần CO2 và hơi nước tăng lên Nếu như độ ẩm của nhiên liệu quá lớn có thể dẫn tới trường hợp nhiệt lượng của khí không đảm bảo cung cấp cho sự chuyển bị nhiên liệu Trong điều kiện đó, nếu tăng chiều cao lớp nhiên liệu thì nhiệt độ khí ra khỏi lớp nhiên liệu sẽ thấp hơn nhiệt độ điểm sương, làm cho nước ngưng tụ lại và độ nhớt của nhựa than tăng lên (hình 2.5d)

Tóm lại, nếu độ ẩm của nhiên liêu tăng cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà còn làm giảm chất lượng khí than Về mặt công nghệ khí hóa người ta lại phải tổ chức lớp nhiên kiệu có chiều cao thích

hợp hoặc thay đổi chế độ khí hóa Đó cũng là nguyên nhân làm tăng giá thành cho một đơn vị nhiên liệu chuẩn

b) Ảnh hưởng của nhựa than

Nhựa than có thể đạt tới 7÷8% nếu ta khí hóa củi, than non, than bùn Với các nhiên liệu rắn khác nhựa than có hàm lượng thấp hơn Nhựa than có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí than với mức độ khác nhau Nhiệt sinh của nhựa than khá cao (tới 31400 kJ/kg), vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí than tăng lên nhiều Điều đó cũng giải thích tại sao khí than sinh ra từ than non có chất lượng cao hơn khí than sinh ra từ than già như antraxit

Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó (độ ẩm nhiên liệu hoặc chiều cao lớp nhiên liệu tổ chức không hợp lý) thì nhựa than tách ra ở dạng lỏng Trong trường hợp này chất lượng của khí than giảm xuống và quá trình khí hóa gặp khó khăn do nhựa than tách ra ở trong lò làm dính kết các lớp nhiên liệu, cản trở sự lưu thông khí và sự dịch chuyển nhiên liệu Nếu nhựa than tách ra trên đường dẫn khí hoặc ở vị trí các van trên đường dẫn sẽ gây tắc tai các vị trí trên đường dẫn Để khắc phục điều đó khi bố trí vận chuyển khí than đi tới nơi sử dụng hoặc két chứa, người ta phải dùng thiết bị đặc biệt để tách nó ra khỏi khí than (gọi là thiết bị làm sạch khí)

c) Ảnh hưởng của tro xỉ

Tro được tách ra trong quá trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của lò Tại vùng này tro xỉ có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao Nếu nhiêt độ chảy của

xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quá trình khí hóa và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết Khi hiện tượng kết tảng xỉ xẩy ra, gió sẽ tập trung vào những vùng chưa bị dính kết xỉ, nghĩa là sự phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào vùng này, kết quả làm cho tác nhân khí hóa vượt quá mức bình thường, vì vậy hàm lượng CO2 và N2 của khí than

sẽ tăng lên Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tai đây sẽ tăng nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho xỉ tiếp tục bị dính kết lại dẫn tới

sự tắc lò làm ngừng quá trình khí hóa và làm chất lượng khí than giảm xuống nghiêm trọng

Để tránh sự kết dính xỉ, người ta phải kịp thời phát hiện và dùng các biện pháp sau

để xử lý: