ĐỀ TÀI Khí hóa than MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU CHUNG 8 2. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CÁC KIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN 10 2.1. Khí hóa than tầng cố định (đường kính cục than 10  100 mm) 11 2.1.1. Quá trình khí hóa thuận 11 C + CO 2 = 2CO  Q 1 13 C + H 2 O = CO + H 2  Q 2 13 2.1.2. Quá trình khí hóa nghịch 14 2.1.3. Khí hóa liên hợp 15 2.1.4. Ưu nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định 16 2.2. Khí hóa than tầng sôi (Đường kính cục than từ 0 - 10mm) 18 2.2.1. Đặt vấn đề 18 2.2.2. Tốc độ gió trong khí hóa dạng tầng sôi 18 4g .  T . d 19 3 . C .  khí 19 2.2.3. Đặc điểm và ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi 20 2.2.4. Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi 21 2.2.5. Sơ đồ khí hóa tầng sôi kiểu Winkler 21 2.3. Khí hóa than dạng dòng cuốn (than cám, than bụi đường kính 0 - 2mm) 23 2.4. Tóm tắt về ba phương pháp khí hóa than 25 3. SẢN XUẤT KHÍ THAN KHÔ VÀ KHÍ THAN ƯỚT 29 3.1. Sản xuất sản phẩm khí than khô 29 CO 2 + C = 2CO  41,965 kcal/kmol 30 3.2. Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước 32 3.2.1. Bản chất của quá trình 32 C + H 2 O  H 2 + CO - Q 33 Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh 34 3.2.2. Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa gián đoạn dùng hơi nước 38 3.3.1. Phương pháp tháo xỉ rắn 41 3.3.2. Phương pháp tháo xỉ lỏng 42 3.3.3. Phương pháp dùng áp suất cao (p = 20 atm), tháo xỉ rắn 44 3.3.4. Phương pháp khí hóa than dưới áp lực, tháo xỉ lỏng 46 4. GIỚI THIỆU MỘT VÀI KIỂU LÒ KHÍ HÓA THAN CẢI TIẾN 46 5. HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN TRÊN THẾ GIỚI 49 5.1. Công nghệ khí hóa than kiểu tầng cố định: 49 5.2. Công nghệ khí hóa than kiểu tầng sôi ở nhiệt độ cao Winkler (HTW) 50 5.3. Công nghệ khí hóa than kiểu dòng cuốn 50 5.4 Tình hình ứng dụng các kiểu lò khí hóa than ở một số hãng 51 6. KHÍ HÓA THAN Ở CÁC NƯỚC 53 6.1. Áp dụng công nghệ khí hóa than trong sản xuất amoniăc 53 Hiện nay phần lớn sản lượng amoniăc và urê trên thế giới được sản xuất từ nguyên liệu khí thiên nhiên. Về mặt lý thuyết, mọi nguyên liệu hydrocacbon đều có thể sử dụng được, với điều kiện chúng có thể được oxi hóa thành khí tổng hợp (CO + H 2 ). Ví dụ, do thiếu khí thiên nhiên Ấn độ đã sử dụng nhiều naphtha để chế tạo khí tổng hợp. Tuy nhiên, vì giá khí thiên nhiên (kể cả naphtha) tăng mạnh, nên ngày nay người ta càng quan tâm đến việc đi tìm nguồn nguyên liệu thay thế khác để sản xuất amoniăc 53 6.2. Khí hóa than ở Trung Quốc 54 6.3. Khí hóa than ở Nam Phi 57 6.4. Khí hóa than ở Ấn độ 58 6.5. Khí hóa than ở Mỹ 58 7. CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN CỦA SHELL VÀ TEXACO 60 7.1. Công nghệ Shell: 60 7.2. Công nghệ TEXACO 63 8. THÔNG SỐ KỸ THUẬT MỘT SỐ LOẠI THAN VIỆT NAM THÍCH HỢP VỚI CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 67 9. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT URÊ TỪ THAN 74 Khí hóa than là phương pháp toàn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới, hoặc các vật liệu có chứa cacbon (kể cả sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp) thành các nguyên liệu hoá chất quan trọng như CO, H 2 , và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng. Khác với việc đốt than trực tiếp, công nghệ khí hóa chuyển hóa than - thực tế là nguyên liệu cacbon - thành các thành phần hoá chất cơ bản. Trong thiết bị khí hóa hiện đại, than được tiếp xúc với không khí (hoặc oxy) và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao được kiểm soát chặt chẽ. Trong những điều kiện đó, các phân tử cacbon trong than sẽ tham gia các phản ứng hoá học tạo ra hỗn hợp CO, H 2 và các khí thành phần khác. Hydro và các loại khí khác có trong khí than có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm hoá chất quan trọng như amoniăc, phân urê, các sản phẩm hữu cơ, hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện. Khí hóa than cũng là phương pháp tốt nhất để sản xuất nhiên liệu hydro sạch cho xe ôtô của tương lai và cho pin nhiên liệu dùng để phát điện. Công nghệ khí hóa than còn mang lại ích lợi lớn về mặt môi trường trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ô nhiễm trong khí than. Ví dụ, lưu huỳnh trong than có thể được chuyển thành dạng H 2 S và được thu giữ hoặc chuyển hóa thành lưu huỳnh thương phẩm. Tương tự, nitơ có trong khí than sẽ được chuyển hóa thành amoniăc và chất này có thể được dùng để sản xuất phân bón hoặc các hoá chất khác. Nhìn chung, khả năng sản xuất một cách hiệu quả điện năng, hyđro và các nguyên liệu hoá chất khác, cũng như khả năng cắt giảm khí gây ô nhiễm, đang làm cho công nghệ khí hóa than trở thành một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho các ngành năng lượng và hoá chất của tương lai, nhất là khi giá các nguồn nguyên liệu dầu khí có xu hướng dao động mạnh trước những biến động kinh tế, chính trị trên thế giới và ngày càng trở nên khan hiếm hơn. Bằng cách khí hoá than có thể chuyển hoá được các loại nhiên liệu rắn chất lượng thấp, chứa nhiều ẩm, tro, nhiệt cháy thấp thành nhiên liệu thể khí có chất lượng cao hoặc tạo thành khí tổng hợp dùng trong công nghệ hoá học. Do có thể sử dụng các loại than có chất lượng thấp để sản xuất khí than có giá trị công nghiệp nên khí hóa than sẽ mở ra một triển vọng tốt cho các vùng than chất lượng thấp để phát triển công nghiệp. đặc biệt ở các tỉnh phía Bắc nơi có nhiều than cám, than bụi (ë Quảng Ninh) cũng như tại các vùng than nhỏ khác ở Tây Bắc chúng ta cũng cần nghiên cứu trữ lượng để có thể đưa vào sản xuất. Tập tài liệu về khí hoá than này trình bày tóm tắt những vấn đề chủ yếu nhất của công nghệ khí hóa than, trong đó ưu tiên trình bày về nghiên cứu và sản xuất khí than dùng cho tổng hợp hoá học với mục đích sản xuất phân bón. Trong tài liệu sẽ trình bày một số vấn đề lý thuyết của quá trình khí hoá, công nghệ sản xuất khí tổng hợp ở áp suất cao, là công nghệ hiện đang được dùng nhiều trên thế giới. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Khí hóa than là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị thể của nhiên liệu rắn chứa cacbon. Phụ thuộc vào mục đích của quá trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm khí chứa CO, H 2 và CH 4 . Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H 2 có các tỷ lệ khác nhau giữa các cấu tử có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học. Nếu coi trong than chỉ chủ yếu chứa cacbon và không tính đến các thành phần khác như N, S và khí trơ thì quá trình khí hóa được coi như gồm các phản ứng sau: C + O 2 ® CO 2 (1) C + CO 2 ® 2CO (2) C + H 2 O ® CO + H 2 (3) C + 2H 2 ® CH 4 (4) Tất cả những phản ứng để tạo ra các sản phẩm khí nêu trên đều là các phản ứng dị thể. CO 2 là sản phẩm khí bậc nhất có thể tiếp tục tương tác với cacbon có trong vùng phản ứng. đồng thời với quá trình trên là quá trình chuyển hóa đồng thể các sản phẩm khí bậc nhất tạo thành trong các quá trình đầu tiên. CO + 3H 2 ® CH 4 + H 2 O (5) CO + H 2 O ® CO 2 + H 2 (6) Như vậy các quá trình xảy ra trong quá trình khí hóa than được mô tả đầy đủ bằng các phương trình phản ứng từ (1) đến (6). Các phản ứng đồng thể (5-6) và dị thể (1-4) xảy ra kèm theo sự thay đổi mạnh năng lượng của hệ thống. Các số liệu về hằng số cân bằng và entanpi của hệ thống các phản ứng quan trọng thường được dẫn ra trong các sổ tay hóa lý. Trên cơ sở các hàm nhiệt động, có thể tính toán lý thuyết được thành phần cân bằng của các khí trong quá trình khí hóa phụ thuộc vào nhiệt độ. Thường các tính toán dựa trên các điều kiện lý tưởng, song thực tế lại không đạt được các điều kiện đó. Trong lò phản ứng có nhiều phản ứng xảy ra. Vì vậy cần tính thành phần của các khí ở trạng thái cân bằng đối với mỗi phương pháp sản xuất và trên cơ sở đó có thể so sánh ưu, nhược điểm của mỗi phương pháp khí hóa theo thành phần của sản phẩm. 2. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CÁC KIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN Khi sản xuất khí than, người ta phải cân nhắc hai yếu tố: a) Thể loại và chất lượng than sử dụng làm nguyên liệu khí hóa. b) Mục tiêu sử dụng các sản phẩm khí thu được. Mỗi loại than có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều phương pháp khí hóa than khác nhau. Tùy thuộc kích cỡ của than đưa vào lò khí hóa mà có thể áp dụng một trong ba kiểu công nghệ khí hóa phổ biến hiện nay là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng sôi và khí hóa than dòng cuốn. - Than cục to, đường kính 10 - 100mm: thích hợp kiểu công nghệ khí hóa than tầng cố định. - Than cục nhỏ, đường kính 0 - 10mm: thích hợp công nghệ khí hóa than tầng sôi. - Than cám, đường kính 0 - 2mm: thích hợp công nghệ khí hóa than dòng cuốn (khô và ướt). [...]... nghệ khí hóa than nói trên đều có thể cho ra các sản phẩm khí, đó là: khí than khô; khí lẫn; khí than ướt; khí than giàu oxy, v.v Ngược lại, một phương pháp khí hóa nhất định cũng có thể khí hóa được nhiều loại than khác nhau, ví dụ phương pháp khí hóa tầng cố định có thể dùng các loại nhiên liệu khác nhau như than gỗ, gỗ, than nâu, than antraxit, v.v Dưới đây là các kiểu công nghệ khí hóa than 2.1 Khí. .. khí tổng hợp có thể đến 10 - 20%, mất mát theo tro xỉ khoảng 5% Than dùng cho khí hóa tầng sôi thuận lợi nhất là than nâu hoặc than đá loại có khả năng phản ứng cao Than bùn nói chung không nên dùng khí hóa mà chỉ để chế biến phân bón hoặc sản xuất than hoạt tính Hình 7c, mô tả quá trình khí hóa than dạng dòng cuốn (bụi) Theo phương pháp này thì trong quá trình khí hóa, than, tác nhân khí hóa và khí. .. quá trình khí hóa tầng sôi Phương pháp khí hóa tầng sôi dùng than có độ biến tính thấp như than nâu, than bùn hoặc một vài loại than đá có đặc tính thích hợp - Các loại than biến tính thấp và các loại than có tính chẩy dẻo, khi nâng cao nhiệt độ chúng bị bết lại và tạo thành các cục to nên không thể dùng cho khí hóa tầng sôi 2.2.5 Sơ đồ khí hóa tầng sôi kiểu Winkler đây là phương pháp khí hóa than dạng... từ quá trình khí hóa thuận nên khí đó có thể dùng để chạy các động cơ đốt trong hoặc chế biến hóa học 2.1.3 Khí hóa liên hợp Quá trình khí hóa liên hợp là quá trình kết hợp phương pháp khí hóa thuận và phương pháp khí hóa nghịch trên cùng một thiết bị Than đi từ đỉnh lò xuống, gió cũng đi từ trên xuống cùng chiều với than tạo điều kiện cho quá trình khí hóa nghịch Trong quá trình này than đi qua vùng... pháp khí hóa than dạng dòng cuốn, áp suất cao, nhiệt độ cao, gió dùng oxy và hơi nước, tháo xỉ lỏng được dùng nhiều trên thế giới để nhận khí tổng hợp 2.4 Tóm tắt về ba phương pháp khí hóa than Có thể hệ thống hóa các phương pháp khí hóa trên cơ sở các nguyên lý khác nhau Ví dụ căn cứ vào trạng thái của nhiên liệu (than) trong lò phản ứng khí hóa thì người ta có thể phân chia phương pháp khí hóa than. .. nghiệp 3 SẢN XUẤT KHÍ THAN KHÔ VÀ KHÍ THAN ƯỚT 3.1 Sản xuất sản phẩm khí than khô Khí than khô được sản xuất bằng cách dùng không khí làm tác nhân khí hóa than theo quá trình thuận Phản ứng đặc trưng chủ yếu là: Trong khu vực cháy: C + O2 = CO2 + 94.250 kcal/kmol Nitơ của không khí không tham gia phản ứng Trong khu vực khử: CO2 + C = 2CO - 41,965 kcal/kmol Do than dùng trong khí hóa ngoài C còn có... vậy trong thành phần khí than ngoài CO, N2 còn có H2, CH4, H2S và các sản phẩm của quá trình bán cốc hóa ở khu cực bán cốc - Thành phần của khí than khô: Dưới đây là thành phần khí than khô đi từ than cốc và than nâu Than Thành phần khí, %V Nhiệt cháy, kcal/N.m3 CO H2 CH4 CO2 N2 Than 32,2 0,5 - 1,5 66,8 996 29,0 4,0 2,0 5,0 60,0 1159 cốc Than nâu - Một số đặc điểm của quá trình khí hóa: Đặc trưng lớn... có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học 2.1.2 Quá trình khí hóa nghịch Quá trình khí hóa nghịch được tiến hành trong các lò khí hóa, ở đó than đổ từ trên đỉnh lò xuống dưới, gió cũng đi từ phía trên của lò và đi cùng chiều với than xuống phía dưới Sản phẩm khí của quá trình khí hóa thoát ra ở phía đáy lò (hình 2) Do khí hóa thực hiện trong các điều kiện như vậy nên chúng có các... Phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn có nhiều ưu điểm hơn so với khí hóa tầng cố định: 1/ Than cám, than bụi có giá thành rẻ so với than cục 2/ Có thể sử dụng nhiều loại than, kể cả than có tính kết dính cao 3/ Sản phẩm khí không chứa sản phẩm phụ như (nhựa, dầu, phenol, axit béo ) nên không cần thiết phải làm tinh chế 4/ Có thể thay thế than bằng các nhiên liệu hyđrocacbon lỏng hay khí Nếu khí hóa ở áp... đến 3000 m2 khí/ 1 m2 giờ Hiện nay người ta đã xây dựng tổ hợp lò đến 100.000 m3/ giờ Than được nghiền, sấy, nhưng không cần sàng Than đem khí hóa có thể là than nâu, than đá, than cốc sản xuất từ than nâu hoặc bán cốc với độ tro có thể tới 40% và hàm lượng than bụi cao Than được đưa vào lò nhờ vít tải ở phần đáy lò 2 Tro của than phải có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ của lò khí hóa và được . 6.2. Khí hóa than ở Trung Quốc 54 6.3. Khí hóa than ở Nam Phi 57 6.4. Khí hóa than ở Ấn độ 58 6.5. Khí hóa than ở Mỹ 58 7. CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN CỦA. nghệ khí hóa than dòng cuốn (khô và ướt). Cả ba công nghệ khí hóa than nói trên đều có thể cho ra các sản phẩm khí, đó là: khí than khô; khí lẫn; khí than