Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

than G k [kg/h] Khối lượng vật liệu sấy tính theo khối lượng khô tuyệt đối G kk [kg/kgnl] Khối lượng không khí cần để hóa khí cho 1 kg than tự nhiên h cuc [m H2O] Tổn thất áp suất qua l

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN

TRONG THIẾT BỊ SẤY CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật Hóa học

Hà Nội – Năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Lê Thanh Sơn

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN TRONG

THIẾT BỊ SẤY CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật Hóa học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS VŨ HỒNG THÁI

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CẢM ƠN ……… … v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC BẢNG Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA THAN Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2 Lịch sử phát triển của ngành khí hóa than Error! Bookmark not defined

1.2.1.Khí hoá than trên thế giới Error! Bookmark not defined

1.2.2 Hiện trạng sử dụng công nghệ hóa khí than của một số quốc gia trên

thế giới Error! Bookmark not defined 1.2.2.1 Khí hóa than ở Trung Quốc Error! Bookmark not defined 1.2.2.2 Khí hóa than ở Nam Phi Error! Bookmark not defined 1.2.2.3 Khí hóa than ở Ấn Độ Error! Bookmark not defined 1.2.2.4 Khí hóa than ở Mỹ Error! Bookmark not defined

1.3 Hóa khí than tại Việt Nam Error! Bookmark not defined

1.3.1 Tình hình nhiên liệu sử dụng tại Việt NamError! Bookmark not defined

1.3.2 Ứng dụng công nghệ hóa khí than tại Việt NamError! Bookmark not

defined

1.4 Các vấn đề môi trường liên quan đến than và tầm quan trọng của hóa khí

than Error! Bookmark not defined

1.4.1 Các vấn đề môi trường liên quan đến thanError! Bookmark not defined

1.4.1.1 Ảnh hưởng của việc khai thác than Error! Bookmark not defined 1.4.1.2 Ảnh hưởng của việc đốt than Error! Bookmark not defined 1.4.2 Tầm quan trọng của hóa khí than Error! Bookmark not defined

1.4.2.1 Về mặt lợi ích kinh tế Error! Bookmark not defined 1.4.2.2 Về mặt môi trường Error! Bookmark not defined

1.5 Một số quy trình khí hóa khí than được áp dụng trên thế giới hiện nay Error!

Bookmark not defined

1.5.1 Khí hóa than ở áp suất khí quyển Error! Bookmark not defined 1.5.2 Quy trình Koppers Totzek Error! Bookmark not defined 1.5.3 Quy trình của Shell Error! Bookmark not defined 1.5.4 Quy trình Texaco Error! Bookmark not defined

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

Bookmark not defined

2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa than Error! Bookmark not defined

2.2.1 Quá trình khí hóa nhiên liệu Error! Bookmark not defined 2.2.2 Các loại khí than Error! Bookmark not defined 2.2.2.1 Quá trình tạo khí than khô Error! Bookmark not defined 2.2.2.2 Quá trình tạo khí than ướt dùng hơi nướcError! Bookmark not

2.3 Các kiểu công nghệ khí hóa than Error! Bookmark not defined

2.3.1 Khí hóa than tầng cố định Error! Bookmark not defined 2.3.1.1 Các phương pháp khí hóa theo kiểu tầng cố địnhError! Bookmark

not defined

2.3.1.3 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa tầng cố địnhError! Bookmark

not defined

2.3.2 Khí hóa than kiểu tầng sôi Error! Bookmark not defined 2.3.2.1 Nguyên lý khí hóa than kiểu tầng sôi Error! Bookmark not defined 2.3.2.2 Giới thiệu cấu trúc một số lò khí hóa kiểu tầng sôiError! Bookmark

not defined

2.3.2.3 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa than kiểu tầng sôi Error!

Bookmark not defined

2.3.3 Khí hóa than dòng lôi cuốn Error! Bookmark not defined 2.3.3.1 Nguyên lý khí hóa than dòng lôi cuốnError! Bookmark not defined 2.3.3.2 Giới thiệu cấu trúc mốt số lò khí hóa kiểu dòng lôi cuốn Error!

Bookmark not defined

2.3.3.3 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa dòng lôi cuốn Error!

Bookmark not defined

LỜI CAM ĐOAN v 

LỜI CẢM ƠN vi 

LỜI CAM ĐOAN v 

LỜI CẢM ƠN vi 

LỜI CAM ĐOAN iv 

LỜI CẢM ƠN v 

KẾT LUẬN ………

Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên

cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp” được

hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Hồng Thái – Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan, luận văn không sao chép nội dung từ bất kỳ một luận văn thạc sỹ hoặc luận án tiến sỹ nào khác

Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2012

Người viết

X W

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Vũ Hồng Thái, Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp nghiên cứu và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện

đề tài

Xin gửi lời trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học và các thầy, cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành các nội dung học tập và thực hiện đề tài thuận lợi

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, và các bạn cùng lớp Cao học Kỹ thuật Hóa học 2009 - 2011 đã giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian học tập và quá trình làm luận văn

Hà Nội, ngày 26 tháng 3 năm 2012

Danh mục các ký hiệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Latin

a [kcal/m2.độ] Hệ số cấp nhiệt

C p1 [kJ/kg.độ] Nhiệt dung riêng của không khí lạnh ở nhiệt độ 300C

C p2 [kJ/kg.độ] Nhiệt dung riêng của không khí nóng ở nhiệt độ 3000C

than

G k [kg/h] Khối lượng vật liệu sấy tính theo khối lượng khô tuyệt

đối

G kk [kg/kgnl] Khối lượng không khí cần để hóa khí cho 1 kg than

tự nhiên)

h cuc [m H2O] Tổn thất áp suất qua lớp hạt

K w [m2/s] Hệ số dẫn ẩm, phụ thuộc vào lực liên kết ẩm trong vật

liệu sấy và tính chất của vật liệu

P B [N/m2] Áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí

Danh mục các ký hiệu

P M [N/m2] Áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu

sấy

Q hn [kcal/kgnl] Nhiệt lượng do hơi nước mang vào lò khí hóa

Ký hiệu Hi Lạp

kk

ch

Vk [kg/kgnl] Thể tích không khí cần để hóa khí 1 kg nhiên liệu

V kk [kg/kgnl] Thể tích không khí cần để hóa khí 1kg nhiên liệu

[nước/kg] Độ ẩm của không khí

y k [N/m³] Trọng lượng riêng của khí

y t [N/m³] Trọng lượng riêng của than

δ 0 [W/m2 K4] Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối

ρ k , ρ kk [kg/m3] Khối lượng riêng không khí

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.2 Thông số đặc trưng của khí hoá lỏng (LPG) và khí than

(KT)

14

Bảng 2.2 Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió

lạnh

23

Bảng 2.5 Thành phần khí than khi nồng độ ôxy trong gió khô thay đổi 27

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

Bảng 3.4 Kết quả tính toán buồng hóa khí công suất 350000 kcal/h 55

Bảng 4.1 So sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân

sấy

100

Danh mục các hình vẽ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

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

Hình 2.7 Biến thiên nhiệt độ và thành phần khí theo chiều cao lò 37

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa than tầng cố định kiểu

Hình 3.6 Bộ sấy không khí 73

Hình 4.2 Sơ đồ máy sấy 1 cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ

Danh mục các hình vẽ

Trước bối cảnh giá xăng dầu đang ở mức cao kỷ lục, ngành điện đang có kế hoạch tăng giá, giá các nguyên liệu đầu vào cũng đang gia tăng một cách chúng mặt thì việc tìm

ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng là một trong những quan tâm hàng đầu của các doanh nghiệp, không chỉ nhằm giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm mà còn tận dụng được nguồn tài nguyên than sẵn có trong nước Công nghệ khí hoá than đang áp dụng rộng rãi trong các ngành luyện kim, công nghiệp nhẹ và công nghiệp vật liệu xây dựng Khí than là nguồn năng lượng bổ sung cho công nghiệp khí đốt thế giới và Việt Nam, cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp hoá học (tổng hợp NH3, metan, cacbua hydro, hydrocacbon bậc cao, metanol, rượu bậc cao,…)

Các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, năng lượng biển… trong những năm gần đây người ta đã nghiên cứu ứng dụng khá nhiều, nhưng hiệu suất của các thiết bị này còn rất thấp, chưa thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng hiện nay Trong khi đó nguồn nhiên liệu hoá thạch than đá với trữ lượng còn rất lớn và phân bố rộng khắp trên toàn cầu Vì vậy, để giải quyết vấn đề năng lượng hiện nay và trong tương lai thì việc sử dụng than đá vẫn là một trong các giải pháp có ưu thế Vấn đề là nguồn nhiên liệu này nếu sử dụng theo lối truyền thống thì nó phát thải rất lớn gây ảnh hưởng đến môi trường

Trong những năm gần đây, người ta đã ứng dụng nhiều phương pháp đốt và chuyển nhiên liệu than thành các dạng nhiên liệu khác rất có hiệu quả, giảm thiểu được nguồn khí thải gây ô nhiểm môi trường, như chuyển than đá thành nhiên liệu lỏng, rửa than và đặc biệt là khí hoá than đá

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

Khí hoá than đá là một phương pháp để chuyển than đá thành khí đốt hoặc dùng làm nguyên liệu tổng hợp hóa chất Phương pháp này đã được ứng dụng nhiều trong những năm gần đầy

Đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

là bước nghiên cứu lý thuyết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nhiên liệu than đá, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Ngoài việc đánh giá tổng quan một số quy trình khí hóa than đang được áp dụng trên thế giới hiện nay, đề tài cũng đề xuất tính toán (dạng pilot) ứng dụng quá trình khí hóa than trong các hệ thống sấy công nghiệp tại Việt nam

Cấu trúc của luận văn bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về khí hóa than

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình hóa khí than

Chương 3: Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than

Chương 4: Cơ sở lý thuyết hệ thống sấy công nghiệp

Chương 5: Ứng dụng khí hóa than vào một số các phương thức sấy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA THAN

1.1 Giới thiệu

Công nghệ khí hoá than là công nghệ sản xuất khí đốt, dùng tác nhân khí hóa phản ứng với than ở nhiệt độ cao chuyển hóa nhiên liệu từ dạng rắn sang nhiên liệu dạng khí Tác nhân khí hóa ở đây có thể là không khí, hoặc oxy thuần, hoặc hỗn hợp không khí-hơi nước, hoặc hỗn hợp oxy-hơi nước, hoặc hydro

Công nghệ khí hóa than đã có từ lâu và hiện nay đã và đang được phát triển ở nhiều quốc gia

1.2 Lịch sử phát triển của ngành khí hóa than

1.2.1.Khí hoá than trên thế giới [17]

Công nghệ hoá khí than đã có một lịch sử lâu đời từng trải qua những thời kì phát triển và suy giảm Khí đốt từ than đã thu được lần đầu tiên vào năm 1792 ở Merdok nước Anh, lúc đó khí đốt được xem là sản phẩm đi kèm khi sản xuất "dầu trong" từ than Vào những năm 50 của thế kỷ XIX, đã có các nhà máy sản xuất khí từ than trong các thành phố lớn và vừa ở các nước châu Âu và bắc Mỹ đi vào hoạt động để cung cấp khí đốt cho dân thành phố dùng cho các mục đích sưởi ấm, sinh hoạt và chiếu sáng Lúc này, chính là thời

kỳ "thế kỷ vàng" của công nghệ hoá khí than

Đến đầu năm 1960, khai thác dầu mỏ ở cận đông và tây Xibir với giá rẻ hơn khí sản xuất từ than, đã làm cho ngành công nghiệp hoá khí than gần như bị loại bỏ, chỉ còn lại một ít vùng hiếm hoi như các nhà máy hoá khí than ở Nam Phi do vùng này bị cấm mua dầu mỏ và vùng này đã trở thành vùng công nghiệp hoá khí than đầu tiên của thế giới tồn tại cùng dầu mỏ Nhưng đến năm 1972, cuộc "khủng hoảng năng lượng thế giới bùng nổ", giá dầu mỏ đột nhiên tăng vọt từ 5 -7 USD/thùng lên 24USD/thùng

Cuộc khủng hoảng lần này đã mang đến cho thế giới một bài học hết sức quan trọng về tài nguyên năng lượng, đó là sự hạn chế về trữ lượng và sự phân bố không đồng đều của nguyên liệu cacbua hydro và khả năng cạn kiệt của chúng Trong khi trữ lượng của các khoáng sản rắn cháy như các loại than, đá phiến chứa dầu, cát bitum… lại phân bố khá đồng đều, trữ lượng khá phong phú với thời gian cạn kiệt của chúng được đánh giá là còn tới nhiều trăm năm nữa Chính cuộc khủng hoảng đó đã có tác dụng lớn, làm cho ý

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

thức tiết kiệm năng lượng của loài người được nâng cao thêm Sau cuộc khủng hoảng đó, các nước có nhiều than, ít than và không có dầu mỏ đã bắt đầu phát triển công nghệ chế biến than từ những đống than cũ còn lưu lại từ trước theo công nghệ hoá khí than

Trong thời kỳ 1970-1980, các nhà khoa học đã dự đoán là than sẽ trở lại thời kỳ thứ hai của "thế kỷ vàng" và khả năng cạn kiệt của dầu mỏ không còn xa nữa Chính những dự đoán đó đã dấy lên những công trình nghiên cứu quá trình công nghệ mới về chế biến than

Những công trình nghiên cứu đầu tiên đã thu được sản phẩm nhiên liệu lỏng từ than bằng các phương pháp trực tiếp và gián tiếp ở các nước Mỹ, Đức, Anh, Nhật Bản, Liên Xô

cũ …đã bắt đầu xây dựng chương trình công nghệ chế biến than qui mô nhà nước Đã có hàng trăm hãng có tên tuổi trên thế giới tham gia trực tiếp vào lĩnh vực này Tính đến năm

1980, đã có hàng chục loại thiết bị và các xưởng hướng dẫn chế biến than theo công nghệ hoá khí, hoá lỏng và nhiệt phân đã lần lượt ra đời

Hóa khí than được phát triển mạnh mẽ nhất vào những năm 1990 để sản xuất năng lượng bằng phương pháp sử dụng chu kỳ nhị phân gồm khí cháy được sử dụng cho tuốc bin khí, còn lại sản phẩm đốt được sử dụng cho tuốc bin hơi Nhà máy điện đầu tiên có qui

mô thương mại bằng khí hoá chu kỳ trong là ở Cool water bang California Mỹ với công suất 100 MW (60 tấn than/giờ) được xây dựng từ năm 1983 Nhà máy sử dụng máy sinh khí Texaco cấp nhiên liệu ở dạng huyền phù than Đến năm 1993, đã có tới 18 nhà máy điện hoạt động theo phương pháp hoá khí chu kỳ trong sử dụng nhiên liệu rắn với công suất của mỗi nhà máy từ 60-300MW của các nước trên thế giới được đưa vào sử dụng Tổng công suất của thiết bị hoá khí than của thế giới đến năm 1995 đã lên tới trên 30.000 MW.h và đến năm 2002 là gần 50.000 MW.h, dự đoán năm 2004 sẽ lên đến trên 60.000 MW.h [18]

Công nghệ hoá khí than của thế giới đã phát triển một cách nhanh chóng, trong đó

xu hướng chung là đi theo phương pháp hoá khí than chu kỳ trong là phương pháp đảm bảo tính an toàn cho sinh thái, do khí than đã được làm sạch sơ bộ, lượng các chất khí có hại như: SO2, Nox, … và các hạt bụi rắn đã giảm bớt Ngoài ra, hoá khí than do sử dụng chu kỳ nhị phân nên hệ số có ích của nhà máy điện tăng lên, nhờ đó mà giảm được tiêu hao nhiệt riêng Nhà máy điện hoá khí than chu kỳ trong với nhiên liệu rắn lại có giới hạn

chất ô nhiễm thấp hơn Vì vậy hiện nay, hoá khí than chu kỳ trong được xem là hướng phát triển có triển vọng nhất trong ngành năng lượng Từ năm 1970 đến nay, các nước trên thế giới đã sản xuất được 3 loại lò sinh khí để hoá khí than có công suất tính theo than là

100 tấn/giờ ở qui mô công nghiệp, đó là:

-Lò sinh khí hoá khí than theo lớp

-Lò sinh khí tầng sôi kiểu Vinklera

-Lò sinh khí than cám kiểu Kopperxa-Totxeka [15]

Đức là nước đã có công lớn trong nghiên cứu phát triển công nghệ chế biến than, trong đó có công nghệ hoá khí than Nghiên cứu và phân tích các công trình công nghệ hoá khí than cho thấy, lò sinh khí có triển vọng nhất là loại lò sinh khí đã thực hiện được các nguyên lý công nghệ sau:

-Sử dụng lò phản ứng nhiệt tự động một tầng

-Sử dụng nhiên liệu có độ hạt nhỏ, thường là từ 100 µm trở xuống

-Sử dụng áp suất cao, thường là 3 MPa Kinh nghiệm cho thấy, nếu tăng áp suất lên cao hơn sẽ không đạt hiệu quả, đồng thời sẽ dẫn đến làm cho cấu tạo lò thêm phức tạp và giảm độ tin cậy

Nhiệt độ hoá khí trong khoảng 1500 ÷22000C là thích hợp nhất, với nhiệt độ đó sẽ đảm bảo được độ bền vật liệu chế tạo và đủ để xỉ lỏng tách ra

Lò sinh khí để hoá khí bằng than cám là loại lò có công suất dự trữ lớn, ít cồng kềnh và đơn giản trong chế tạo Nhưng loại lò này có nhược điểm là hệ số tác dụng có ích của hoá khí thấp, thường là chỉ đạt được trong khoảng 70÷72%, trong khi các lò khác đạt tới 80% Để khắc phục nhược điểm này, đã có nhiều cơ quan nghiên cứu của nhiều nước tiến hành theo các hướng khác nhau, trong đó có Đức đã nghiên cứu hạ nhiệt độ đưa vào thiết bị xuống 1000÷11000C, Pháp cũng đã nghiên cứu hạn chế nhiệt độ làm mềm xỉ hoá nhưng đều không nâng được hệ số tác dụng có ích của hoá khí than

Trong thời kỳ 1990-1992, Viện Katekhii về than của Nga đã nghiên cứu lò sinh khí kiểu mới đạt được hệ số tác dụng có ích của hoá khí than lên tới 77÷80%, nhưng vẫn đảm bảo được năng suất của thiết bị không bị giảm xuống, đó là lò sinh khí "Katek" Lò sinh khí "Katek" đã loại bỏ được giải pháp cổ truyền là bảo vệ thành lò không bị xỉ bám Lò phản ứng được thực hiện ở dạng ngăn, mỗi ngăn có vỏ bọc sinh hàn và nước đi vào thiết

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

bị theo phương tiếp tuyến để bảo vệ thành lò Hạt xỉ nóng chảy khi rơi vào lớp danh giới cạnh thành lò phản ứng sẽ được làm nguội ở nhiệt độ dưới nhiệt độ làm mềm và rắn, lại không bám được vào thành lò Giải pháp công nghệ của lò "Katek" đã cho phép chuyển pha "xỉ lỏng sang xỉ rắn" làm cho phần khoáng của than không bám được vào thành lò phản ứng Nhờ giải pháp này mà chi phí Oxy đã giảm xuống từ 16-25% và đã tăng hệ số tác dụng có ích của hoá khí than lên đến 77÷80% Chi phí nước của lò là 20÷100kg/tấn than phụ thuộc vào công suất lò sinh khí [15]

1.2.2 Hiện trạng sử dụng công nghệ hóa khí than của một số quốc gia trên thế giới

1.2.2.1 Khí hóa than ở Trung Quốc [18]

Trung Quốc là nước có mức tiêu thụ than chiếm 1/3 tổng lượng than toàn cầu và than tham gia vào hơn 70% nguồn năng lượng của quốc gia này Ngay cả khi có sự phát triển nguồn năng lượng sạch hơn khác thì Trung Quốc vẫn sẽ là nước ngày càng tăng mức tiêu thụ than, đặc biệt vào các lĩnh vực sản xuất hóa chất và điện năng Vấn đề mà Trung Quốc đang quan tâm là sử dụng than có hiệu quả hơn và ít tác hại môi trường hơn

Cho đến những năm 90 của thế kỷ trước tổng lượng NH3 lỏng sản xuất tại Trung Quốc vào khoảng 21,289 triệu tấn Trước đó, trong những năm 1970-1980, Trung Quốc đã xây dựng 16 nhà máy sản xuất NH3, mỗi nhà máy có công suất 1000 tấn NH3/ngày

Trong số các nhà máy đó có 4 nhà máy đi từ than do Công ty Lurgi thiết kế với công suất

900 tấn NH3/ngày, sản phẩm thu được là DAP, đặt tại Lucheng, Shanxi

Hiện nay các nhà máy sản xuất NH3 đi từ than điển hình ở Trung Quốc là Hóa chất Ngô Kinh, Liễu Hóa, Hà Trì, An Hóa, Lỗ Nam, Thạch Gia Trang đa số các nhà máy này vẫn sử dụng các lò khí hóa kiểu cũ (LURGI) với kích cỡ φ2745, φ3000 và φ3600 để khí hóa than Trong số các nhà máy này có một số nhà máy đang sử dụng lò khí hóa than theo công nghệ Texaco, như là các nhà máy ở Lỗ Nam, Ngô Kinh,

Trong vài năm gần đây, Công ty Shell Global Solution và Sinopec của Trung Quốc

đã tiến hành một số dự án liên doanh sử dụng công nghệ khí hóa than theo công nghệ Shell để sản xuất phân bón Nhà máy Sinopec/Shell công suất than 2000 tấn/ngày đặt tại Dongting-Hunan, cách Đông Nam Thượng Hải 900km

Nhà máy sẽ sử dụng nguyên liệu than thay thế cho Naphtha để sản xuất khí tổng hợp phục vụ ngành sản xuất phân bón Vào năm 2004 nhà máy trị giá 140 triệu USD này

Các nhà máy sản xuất đạm từ than ở Trung Quốc sẽ giảm được chi phí đáng kể sau khi chuyển sử dụng nguồn nguyên liệu đắt tiền naphtha sang nguyên liệu than khai thác tại các địa phương Công nghệ tiên tiến hiện nay cũng giúp Trung Quốc giảm phụ thuộc vào nhập khẩu các loại than đắt tiền

Trung Quốc hiện rất đang quan tâm tới Công nghệ CCGI-sản xuất điện-đạm của Shell Các nhà máy điện dự kiến đưa vào vận hành năm 2007-2008 ở Trung Quốc sử dụng công nghệ của Shell gồm có:

-Nhà máy CCGI Yantai công suất 3000 tấn than/ngày tại Yantai

-Nhà máy sử dụng than cốc và than cám dự kiến sản xuất điện, sẽ hoạt động vào năm 2008

Đài Loan cũng dự định cho vận hành nhà máy điện trên cơ sở khí hóa than theo Công nghệ Shell đặt tại Changbin, sử dụng 2000 tấn than/ngày, cho công suất 250 MW vào năm 2007

Nói tóm lại, Trung Quốc là nước hiện có nhiều nhà máy sản xuất phân bón từ than (có khoảng 60 nhà máy đạm từ than cỡ nhỏ dùng lò φ2.000 sử dụng than cục khí hóa, sản xuất NH3, NH4 NO3 và khoảng 40 nhà máy cỡ trung bình, sử dụng loại lò φ 3000÷6000 với tổng công suất 100.000 tấn NH3/ngày)

Trung Quốc hiện đã hiện đại hóa (tự động hóa) công nghệ sản xuất NH3 từ khâu khí hóa than đến tổng hợp NH3, điển hình là các nhà máy ở Ngô Kinh, An Hóa điều quan trọng để tự động hóa là nguồn cung cấp than phải ổn định về chất lượng, thiết bị sử dụng

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

phải có độ tin cậy cao, hệ thống điều khiển phải có độ chính xác lớn, bền và mặt khác trong điều hành phải tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thao tác

1.2.2.2 Khí hóa than ở Nam Phi [18]

Nam Phi có những trữ lượng than lớn, từ loại than antraxit chất lượng rất cao đến loại than bitum chất lượng thấp (hàm lượng tro cao) Than bitum này được sử dụng như nguồn cung cấp nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện và cung cấp cacbon cho các nhà máy hóa chất Sản lượng amoniac hiện nay của Nam Phi đạt 627.000 tấn/năm, chủ yếu dựa trên công nghệ khí hóa than

1.2.2.3 Khí hóa than ở Ấn Độ [18]

Khả năng sẵn có để khai thác sử dụng là yếu tố cơ bản chi phối việc lựa chọn nguyên liệu cho ngành sản xuất phân bón của Ấn Độ Xu hướng nguyên liệu tại đây đã dịch chuyển từ nguyên liệu rắn (than) và khí lò cốc trong thập niên 1960 sang nguyên liệu lỏng (naphtha và dầu nhiên liệu) trong thập niên 1970, rồi đến khí thiên nhiên vào thập niên 1980 Nói chung, trong những năm qua các công ty Ấn Độ thường ưu tiên sử dụng khí thiên nhiên hoặc naphtha, còn các cơ sở phân bón sử dụng nguyên liệu than dần dần bị đóng cửa Nhưng có những thời gian nguồn cung khí thiên nhiên rất eo hẹp do bị cạnh tranh bởi nhu cầu từ các nhà máy phát điện Lượng khí thiên nhiên cần cho một nhà máy sản xuất urê công suất 2200 tấn/ngày tương đương lượng khí cần cho một nhà máy nhiệt điện 250 MW Ấn Độ đã cố gắng giải quyết vấn đề nguyên liệu bằng nhiều cách khác nhau, từ nhập khẩu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) đến xây dựng các hệ thống đường ống vận chuyển quy mô lớn Người ta cho rằng việc sử dụng những trữ lượng than lớn của Ấn

Độ cho sản xuất amoniac và urê có thể sẽ góp phần giải quyết bài toán này

và urê theo công nghệ khí hóa than ở Mỹ đã chết yểu, kể cả nhà máy COGA Industries tại Ilinois, là nhà máy sử dụng than có hàm lượng lưu huỳnh cao để sản xuất 900.000 tấn

urê/năm Vào thời điểm đó, chỉ còn duy nhất một nhà máy vận hành theo công nghệ khí hóa than, đó là một nhà máy tại Dakota

Nhưng đến năm 2000, khi giá khí thiên nhiên lên đến đỉnh cao, người ta đã trở lại những kế hoạch xây dựng các nhà máy amoniăc theo công nghệ khí hóa than Đồng thời các quy định mới về phát tán khí thải đã tạo ra động lực mới cho công nghệ này,vì than khí hóa được coi như nguồn năng lượng tương đối sạch Năm 2001, Công ty Farmland Industries đã bắt đầu xây dựng nhà máy khí hóa than gần cơ sở sản xuất amoniac của mình tại Enid, Oklahoma Các nhà sản xuất khác cũng cân nhắc đến việc làm theo công ty này

Chính phủ Mỹ đang khuyến khích áp dụng công nghệ khí hóa than như một phương pháp giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường của các nhà máy nhiệt điện đốt than Chính phủ nước này đã phân bổ 2 tỷ USD cho chương trình nghiên cứu gọi là "Công nghệ than sạch" Đó là sự phát triển có thể mở đường cho sự xuất hiện các nhà máy tổng hợp, vừa sản xuất điện vừa sản xuất các hóa chất đi từ khí tổng hợp như amoniăc và metanol Động lực này là một hiện tượng rất đáng quan tâm, vì cho đến nay trên thế giới người ta vẫn coi sản xuất amoniăc đi từ than là một công nghệ cũ và không hiệu quả, đó cũng là lý

do vì sao các nước không phát triển mạnh công nghệ này Nhưng các động lực mới từ Mỹ

có thể sẽ tạo ra bước đột phá quan trọng trên toàn thế giới cho sản xuất amoniac đi từ nguyên liệu than

1.3 Hóa khí than tại Việt Nam

1.3.1 Tình hình nhiên liệu sử dụng tại Việt Nam

Trước đây, khi các loại nhiên liệu nhập ngoại (xăng, dầu, …) có giá còn thấp thì phần nhiều chúng ta sử dụng các loại nhiên liệu nhập ngoại đó Hiện nay, với việc tăng giá nhiên liệu dầu trên thế giới, sức ép về chi phí nhiên liệu của các cơ sở sản xuất đang tăng mạnh và các cơ sở sản xuất đang có xu hướng thay thế các nhiên liệu nhập ngoại bằng các nguồn nhiên liệu sẳn có trong nước và nhất là các nhiên liệu rẻ tiền

Một trong những nguồn nhiên liệu sẵn có đó thì than đá đang được xem là nguồn nhiên liệu mang tính chiến lược của quốc gia Bảng dưới đây sẽ cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về chi phí than đá so với các loại nhiên liệu khác

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

Loại nhiên liệu

Hiệu suất sử dụng thiết bị

Khối lượng sử dụng nhiệt

tương đương với Gas

Bảng 1.1: So sánh một số nhiên liệu và giá thành sản xuất nhiệt

Tỷ lệ chi phí nhiên liệu so với Gas

Hình 1.1: So sánh chi phí nhiên liệu

Từ bảng và đồ thị cho chúng ta thấy:

+ Khi chuyển từ dùng Gas sang dùng dầu FO thì chi phí là 82 %

+ Khi chuyển từ dùng Gas sang dùng dầu DO thì chi phí là 105 %

+ Khi chuyển từ dùng Gas sang sử dụng than đá thì chi phí còn 31 %

+ Khi chuyển từ dùng Gas sang dùng than cám thì chi phí còn 13 %

* Tóm lại nếu sử dụng một cách hiệu quả các loại nhiên liệu hoá thạch trong nước thì giảm được rất nhiều chi phí cho các cơ sở sản xuất

1.3.2 Ứng dụng công nghệ hóa khí than tại Việt Nam

Như vậy với trữ lượng than lớn, để có thể sử dụng một cách hiệu quả nguồn năng lượng hoá thạch này sao cho vừa có lợi ích về kinh thế, vừa có lợi ích về môi trường thì ứng dụng công nghệ khí hoá than là yếu tố cần thiết và khẩn trương

Hiện nay, rầt nhiều cơ sở sản xuất trong nước đang hướng tới công nghệ này trong chiến lược giảm thiểu chi phí năng lượng Tuy nhiên hầu như ở Việt Nam chưa có một

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

đơn vị nào nghiên cứu và chế tạo thiết bị này nên đã có một số cơ sở nhập thiết bị từ Trung quốc Mặc dù thiết bị nhập ngoại tương đối đắt tiền (1.5 tỷ VND với công suất nhiệt 2.224.000 kJ/h, trọng lượng thiết bị 15 tấn) nhưng vẫn chưa phù hợp với điều kiện Việt Nam Thiết nghĩ nhà nước nên khuyến khích các nhà khoa học đi sâu vào lĩnh vực này để

có thể tư vấn cho các nhà sản xuất trong nước ứng dụng công nghệ này một cách hiệu quả nhất

Với đặc tính than ở Việt Nam như vậy thì chúng ta có thể ứng dụng công nghệ khí hoá than tầng cố định và tầng sôi ở áp suất bình thường là phù hợp nhất

Ưu điểm của hai loại này là: đơn giản, dễ chế tạo, hiệu suất cũng tương đối lớn, nằm trong khả năng của chúng ta

1.4 Các vấn đề môi trường liên quan đến than và tầm quan trọng của hóa khí than

1.4.1 Các vấn đề môi trường liên quan đến than

1.4.1.1 Ảnh hưởng của việc khai thác than

Có hai dạng mỏ than cơ bản là vỉa than lộ thiên trên bề mặt (sâu<30m) và hầm mỏ than nằm sâu trong lòng đất

Việc khai thác các vỉa than trên mặt (surface-mining) có những ưu điểm so với khai thác dưới các hầm mỏ (subsurface-underground mining) như ít tốn kém hơn, an toàn hơn cho người thợ mỏ và nói chung, nó cho phép khai thác than triệt để hơn Tuy nhiên, khai thác trên bề mặt lại gây ra vấn đề môi trường như nó "xóa sổ" hoàn toàn thảm thực vật và lớp đất mặt, làm gia tăng xói mòn đất cũng như làm mất đi nơi trú ngụ của nhiều sinh vật Hơn nữa, nước thoát ra từ những mỏ này chứa axit và các khoáng độc, gây ô nhiễm nước,

ô nhiễm đất, …

Việc khai thác than dưới các hầm mỏ sâu trong lòng đất lại khá nguy hiểm, xác suất rủi ro cao Ở Mỹ, trong suốt thế kỷ 20 đã có hơn 90.000 người thợ mỏ chết vì các tai nạn hầm mỏ, và thường các công nhân hầm mỏ đều có nguy cơ cao về bệnh ung thư và nám phổi

1.4.1.2 Ảnh hưởng của việc đốt than

Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung và than nói riêng

là nó gây ra ô nhiễm không khí do sự phát thải CO2, SO2, Nox, Tính trên một đơn vị

nhiệt lượng phát ra thì đốt than thải ra nhiều chất ô nhiễm hơn các nhiên liệu hóa thạch khác (dầu, khí, …) Chính vì vậy, việc đốt than đã gián tiếp góp phần vào quá trình biến đổi khí hậu làm suy thoái môi trường toàn cầu mà nổi bật là hiện tượng hiệu ứng nhà kính

và mưa axit

* Hiệu ứng nhà kính: Chúng ta biết rằng, bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn (năng lượng lớn) nên nó dễ dàng xuyên các lớp khí CO2 và tầng ozon để chiếu xuống trái đất Ngược lại, bức xạ nhiệt từ mặt đất phát vào vũ trụ là bước sóng dài (yếu hơn), nên nó bị hấp thụ (không xuyên qua được) bởi CO2 và hơi nước trong khí quyển Cân bằng CO2được duy trì nhờ sự hấp thụ của thực vật và hòa tan trong nước biển đại dương

Như vậy, với một mức nào đó, lượng CO2 trong khí quyển là cần thiết cho sự ổn định nhiệt trên trái đất cũng như cho quá trình quang hợp của thực vật Tuy nhiên, ngày nay, con người đã thải CO2 vào khí quyển vượt quá mức cân bằng bình thường của nó Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 hàng năm Điều này dẫn đến

sự gia tăng nhiệt độ trên trái đất Người ta ước tính nếu nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên gấp đôi thì nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất sẽ tăng lên 3,60C Sự nóng lên toàn cầu này sẽ làm tan băng ở hai cực, dâng mực nước biển, ngập lụt những vùng ven biển Nó có thể gây ra bão lụt ở một số vùng và hạn hán ở những vùng khác Những sự biến đổi bất thường này của khí hậu vẫn chưa thể lường hết được

Than, nhất là than bitum, chứa: S, N Khi đốt, chúng thải vào khí quyển các lưu huỳnh oxit, nitơ oxit, Các oxit này tạo nên và tác dụng với hơi nước trong khí quyển làm cho mưa rơi xuống

1.4.2 Tầm quan trọng của hóa khí than

Thành phần,

%

Nhiệt trị kj/kgnl

Giá tiền, đồng/kg

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

Bảng 1.2: Thông số đặc trưng của khí hoá lỏng (LPG) và khí than (KT) [13]

a) Giảm chi phí nhiên liệu

Ví dụ cụ thể: Công ty kết cấu thép VNECCO.SSM KCN Hoà Khánh trong năm 2006 sử dụng hết 150.000 kg LPG tương ứng số tiền: 1.500.000.000 (1 tỷ năm trăm triệu đồng) Nếu công ty sử dụng khí than thay thế LPG thì lượng tiền tiết kiệm được là:

1.500.000.000 * 55% = 825.000.000 (đồng)

Với chi phí tiết kiệm được dùng đầu tư ban đầu vào hệ thống khí hoá than

(khoảng 1 tỉ đồng) thì từ năm thứ 2 trở đi công ty có thể thu nhập một khoản tiền lớn hơn

1.5 Một số quy trình khí hóa khí than được áp dụng trên thế giới hiện nay

Gần 20 năm nay, nghiên cứu khí hóa than của thế giới đã đạt được những thành tựu đáng chú ý và đã đưa ra được một số quy trình khí hóa than có hiệu quả như:

1.5.1 Khí hóa than ở áp suất khí quyển (ACG) [15]

Đây là quy trình được sử dụng trong đa số các nhà máy khí hóa than cũ, cỡ nhỏ của Trung Quốc từ những năm 1950 Thiết bị khí hóa sử dụng than cục có kích thước 25÷27mm và độ bền nhiệt tốt, như antraxit hay cốc, để đảm bảo lượng hydrocacbon thấp trong khí than Thiết bị hoạt động ở áp suất khí quyển và than được khí hóa bằng không khí và hơi nước trong tầng cố định Nhiệt sinh ra từ phản ứng tỏa nhiệt giữa than và không

khí được lưu giữ trong tầng phản ứng để cung cấp nhiệt cho phản ứng giữa than và hơi nước, đó là giai đoạn mấu chốt trong quá trình khí hóa

Khí hóa than đá ở áp suất khí quyển là một quá trình ổn định và sử dụng không khí

ở áp suất khí quyển, không cần công đoạn tách khí, trang thiết bị tương đối rẻ hơn khoảng 30% so với những quá trình khác (tính theo tấn sản phẩm) Tuy nhiên, tiêu hao năng lượng cao, khoảng 57 kJ/tấn amoniac và quá trình cũng thải ra nhiều cacbon monoxit và hyđro sunfua, nên cần công đoạn xử lý khí đuôi Quy trình này không thích hợp với các dây chuyền công suất lớn

1.5.2 Quy trình Koppers Totzek [15]

Đây là quy trình được sử dụng trong những nhà máy ở Nam Phi, Ấn Độ và Trung Quốc Trong thiết bị khí hóa, than được nghiền thành hạt mịn và cấp cho lò đốt Oxy được dẫn vào trực tiếp từ phía trước của thiết bị khí hóa và cùng với lượng nhỏ hơi nước, hỗn hợp đi vào vùng phản ứng qua miệng của lò đốt với tốc độ cao Nhiệt độ ở giữa ngọn lửa

có thể đạt 2000C Khí tổng hợp đi ra qua đỉnh của thiết bị sinh khí ở nhiệt độ 150÷1600C

và qua nồi hơi được đốt nóng bằng nhiệt thải Phần lớn tro thải ra khỏi thiết bị phản ứng ở dạng lỏng và được hóa rắn thành hạt nhờ làm nguội nhanh bằng nước

1.5.3 Quy trình của Shell [18]

Quy trình khí hóa than theo công nghệ của Shell hiện nay chưa được sử dụng trong nhà máy amoniăc nào, nhưng là một công nghệ khí hóa than hiện đại và điển hình Quy trình này đang được dùng ở Hà Lan trong tổ hợp khí hóa than và phát điện 250mw

Trung Quốc cũng đang xây dựng một số nhà máy sản xuất phân đạm urê ở Hồ Nam, Hồ Bắc, An Huy , trong đó phần khí hóa than sẽ áp dụng công nghệ của Shell với công suất khí hóa 1000÷2000 tấn than/ngày và đi vào hoạt động từ năm 2005

1.5.4 Quy trình Texaco [15]

Quy trình này đạt thành công lớn ở Trung Quốc thay thế cho quy trình khí hóa than

ở áp suất khí quyển, và trong một số trường hợp thay thế cho cả quy trình đốt napta

Hãng Lurgi đưa ra một số công nghệ khí hóa, trong đó thiết bị khí hóa với tầng cố định, đáy khô của Lurgi hiện được sử dụng nhiều nhất Quá trình khí hóa được thực hiện

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

bằng hơi nước và oxy Than di chuyển xuống phía dưới rất chậm, còn tro được tháo ra qua đáy Nhiệt độ khí hóa tương đối thấp so với các quá trình khác Trong khí thu được có những tạp chất như phenol và hyđrocacbon Hàm lượng metan trong khí có thể lên đến khoảng 10% Chính vì thế khí không đủ sạch

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

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của quá trình hóa khí than

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

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của quá trình hóa khí than

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

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của quá trình hóa khí than

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