Khí hóa than

Công nghệ khí hóa là gì?

khí hóa than

Công nghệ khí hóa than là phương pháp chuyển hóa than,  hoặc các vật liệu có chứa cacbon. Gồm sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp thành nguyên nhiên liệu hoá chất như CO, H2, CxHy…và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng.

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.

Ứng dụng:

  • Hydro và các loại khí khác có trong khí than có thể được sử dụng làm nguyên liệu 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 còn sản xuất nhiên liệu hydro sạch cho xe ôtô và pin nhiên liệu dùng để phát điện.

Lợi ích:

  • 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 H2S. Và được thu giữ hoặc chuyển hóa thành lưu huỳnh thương phẩm.
  • Tương tự, nitơ có trong khí sẽ được chuyển hóa thành amoniăc. Chất này có thể được dùng để sản xuất phân bón hoặc các hoá chất khác.

QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA:

Các phản ứng dị thể:

C + O2 –>    CO2                                            (1)

C + CO2 –>     2CO                                         (2)

C + H2–>       CO + H2                              (3)

C + 2H2    –> CH4                                            (4)

CO2 là sản phẩm khí bậc nhất. Nó sẽ 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 + 3H2 –>          CH4 + H2O                (5)

CO + H2O       –>        CO2 + H2                  (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. Trong lò phản ứng có nhiều phản ứng xảy ra đồng thời.

NGUYÊN LÝ CÔNG NGHỆ

Hai yếu tố quan trọng trong quá trình khí hóa: 1. Loại và chất lượng than sử dụng làm nguyên liệu khí hóa. 2. Mục tiêu sử dụng các sản phẩm khí thu được. Có ba kiểu công nghệ khí hóa phổ biến hiện nay. Khí hóa tầng cố định; khí hóa tầng sôi và khí hóa dòng cuốn.

  • Đường kính 10 – 100mm: thích hợp kiểu công nghệ khí hóa tầng cố định.
  • Đường kính 0 – 10mm: thích hợp công nghệ khí hóa tầng sôi.
  • Đường kính 0 – 2mm: thích hợp công nghệ khí hóa dòng cuốn  (khô và ướt).

Sản phẩm khí tạo thành gồm: khí than khô; khí lẫn; khí than ướt; khí than giàu oxy, v.v…

Các kiểu công nghệ:

2.1. Khí hóa tầng cố định  (đường kính 10 ¸ 100 mm)

2.1.1. Quá trình khí hóa thuận

Than được nạp vào từ trên đỉnh lò xuống phía dưới. Gió  (không khí, hơi nước…) đi vào lò từ đáy lò. Sản phẩm khí đi ra ở cửa lò phía trên. Quá trình có một số đặc điểm sau  :

  1. Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia. Dưới cùng là vùng xỉ  (7), tiếp đó là vùng cháy  (6), vùng khử  (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa)  (5), vùng bán cốc  (4), vùng sấy than  (3) và trên đó là tầng không đỉnh lò.
  2. Nhiệt độ lò được phân thành:  to vùng cháy > to vùng khử > to vùng bán cốc > to vùng sấy. Truyền nhiệt chủ yếu trong lò là truyền nhiệt đối lưu. Truyền nhiệt bức xạ và dẫn nhiệt xảy ra ít.
  3. Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt than giảm dần. Hàm lượng cacbon còn lại trong xỉ còn lại tương đối ít. Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2 và H2O cao. Do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với than.
Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò:

Bắt đầu gió đi từ ghi lò  (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò). Tiếp theo vùng cháy, vùng khử. Cuối cùng là đến tầng không đỉnh lò.

*Vùng xỉ: Vùng này chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò. Nhiệt độ ở đây tương đối thấp. Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt để đi tiếp vào vùng cháy.

*Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy ra phản ứng C + O2 ->CO + CO2 . CO vừa tạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió tạo ra.  CO2 (2CO + O2 -> 2CO2). Trong vùng này nhiệt toả ra mạnh. Lượng nhiệt này cung cấp cho các phản ứng trong vùng khác.

*Vùng khử: Trong vùng này  CO2 và hơi nước đi từ vùng cháy:

C  +  CO2  =  2CO  –  Q1

C  +  H2O  =  CO  +  H2 –  Q2

C  +  2H2O  =  CO2  +  2H2 –  Q3

Đây là 3 phản ứng quan trọng nhất ở vùng khử.  Nó tạo ra các khí có thể hoặc dùng làm khí đốt. Hoặc dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học  (CO và H2). Như sản xuất phân đạm và các hóa chất khác…

* Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp hơn vùng khử. Do nhiệt phải cấp cho các phản ứng khử. Nhiệt của khí  (nhiệt độ khoảng 500 ¸ 700oC) được cung cấp cho than ở vùng bán cốc.

Nếu than dùng cho khí hóa là than biến tính thấp (như than nâu, than bùn…). Khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân huỷ của than chứa nhiều hydrocacbon và khí  CO2… Kết quả là khí sản phẩm không chỉ chứa CO, H2, CO2 .

2.1.2. Quá trình khí hóa nghịch

Than đổ từ trên đỉnh lò xuống dưới. Gió đi cùng chiều với than xuống phía dưới. Sản phẩm khí của quá trình khí hóa thoát ra ở đáy lò. Đặc điểm chính của quá trình này là:

  1. Phân bố lại các khu vực trong lò ngược với quá trình khí hóa thuận. Theo đường gió vào, từ trên xuống dưới bao gồm các vùng sau. Vùng sấy khô, > Vùng bán cốc  ->Vùng cháy -> Vùng khử ->Vùng tro và xỉ. Than bị nhiệt phân, sau đó cháy và đi tiếp vào vùng khử. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân ở vùng bán cốc không thoát ra ngoài. Tiếp tục đi qua vùng cháy, vùng khử.  Rồi qua vùng tro xỉ rồi sau đó ra ngoài cùng với khí than.
  2. Hình thức trao đổi nhiệt trong lò khí hóa nghịch. Nhiệt truyền cho vùng khử chủ yếu do quá trình đối lưu. Còn nhiệt truyền lên phía trên  (vùng cốc hóa) chủ yếu là do bức xạ và dẫn nhiệt.
  3. Ảnh hưởng của quá trình bán cốc  (nhiệt phân than) đối với quá trình khí hóa nghịch

Trong lò khí hóa nghịch, sản phẩm của quá trình nhiệt phân (bán cốc) thoát ra phải đi qua khu vực cháy. Có dư oxy và nhiệt độ cao nên đại bộ phận khí . Và chất lỏng nhiệt phân bị cháy và bị phân hủy tiếp. Nên sản phẩm của quá trình khí hóa nghịch chủ yếu chỉ có CO, H2, H2O.

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 sấy 1, vùng bán cốc 2, vùng cháy 3, vùng khử 4  (®ây là vùng tạo sản phẩm khí), sau đó sản phẩm khí ra ngoài theo ống II. đồng thời gió cũng đưa vào theo hướng từ dưới lên, đi qua vùng xỉ 7, đến vùng cháy 6 và vùng khử 5. Ở đây sản phẩm khí được tạo thành và cũng đi ra ở cửa II cùng với sản phẩm khí của quá trình khí hóa nghịch.

Ưu nhược điểm:

Ưu điểm là trong sản phẩm có hàm lượng nhựa rất thấp. Nhược điểm là có một phần than chưa tham gia hoàn toàn vào các phản ứng khí hóa đã bị thải đi. Quá trình khí hóa thuận có ưu điểm là than tham gia hoàn toàn vào các phản ứng cháy và khử.

Quá trình khí hóa liên hợp khắc phục được nhược điểm của cả hai quá trình khí hóa. Song khó khăn lớn nhất của phương pháp liên hợp này là nếu vận tốc gió đưa từ dưới lên quá lớn chúng sẽ có khả năng thừa oxy, thoát lên trên gây cháy các sản phẩm khí CO, H2. Nếu vận tốc gió quá bé, lượng than còn lại trong tro xỉ lại tăng lên.

Do vậy tuy phương pháp khí hóa liên hợp tuy có ưu điểm nhưng được dùng rất hạn chế, chỉ được dùng để sản xuất khí chạy động cơ từ những loại than có độ tro cao và than bùn.

2.1.4. Ưu nhược điểm:

Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia, nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, than càng đi xuống dưới càng nóng.

Ưu điểm là có thể sử dụng được tất cả các loại nhiên liệu ban đầu khác nhau  (về độ ẩm và độ tro). Không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí than. Than đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc nên ẩm và chất bốc đã thoát hết. Do vậy khi đến vùng khử và vùng cháy than vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng khí sản phẩm ở đây vẫn tốt.

Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí than có chứa nhiều hydrocacbon. Vì vậy, khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt.

Mất mát cacbon theo xỉ than ở phương pháp này tương đối ít. Theo chiều chuyển động của than từ trên xuống dưới. Nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần.

Nhược điểm: mất mát nhiệt theo xỉ khá nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy. Là vùng có nhiệt độ cao, do đó hiệu suất nhiệt của quá trình không cao.

2.2. Khí hóa than tầng sôi  (đường kính từ 0 – 10mm)

2.2.2. Tốc độ gió trong khí hóa dạng tầng sôi

– Xét vận tốc gió trong lò phản ứng:

Nếu tốc độ gió còn nhỏ thì than trong lò còn ở dạng nèn chặt. Nhưng nếu tăng dần tốc độ gió lên thì than đang ở trạng thái lèn chặt dần dần biến thành trạng thái chuyển động và khi tốc độ gió đạt tới một giá trị nhất định thì than sẽ ở trạng thái “sôi”  (hiện tượng sôi của các hạt rắn trong dòng khí).

Tốc độ gió  (Wgió) lúc bấy giờ gọi là tốc độ sôi  (Wsôi). Vì vậy khi Wgió = Wsôi thì phương pháp khí hóa gọi là khí hóa tầng sôi.

Tiếp tục tăng vận tốc gió tới giới hạn nhất định sẽ đạt được trạng thái cân bằng giữa lực đẩy của gió và trọng lực của than. Tốc độ gió lúc đó được gọi là tốc độ tới hạn, được xác định theo công thức:

Wtới hạn = (4g . gT. d))/ (3 . C . gkhí)    ; m/giây

Trong đó: gT :  Trọng lượng riêng của than;  gkhí: Trọng lượng riêng của khí;  d : Kích thước hạt than; C : hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hạt than và phụ thuộc vào Re

Nếu Wgió> Wtới hạn  thì than sẽ bay ra ngoài lò theo khí. Vì vậy Wgiókhông cho phép vượt quá Wtới hạn. Như vậy than có kích thước d lớn thì Wtới hạn  cũng càng lớn.

– Khí hóa tầng sôi thường dùng kích thước hạt 0,5 – 3mm.

2.2.3. Đặc điểm và ưu điểm

– Than liên tục chuyển vào lò khí hóa.

– Than được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò.

– Cấu tạo lò đơn giản, vốn đầu tư thấp.

– Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò. Các hạt nhỏ ở phía trên và dễ dàng bay ra ngoài lò theo gió. để làm giảm lượng bụi than bay theo gió ra ngoài người ta đưa than gió bậc 2 ở khoảng giữa lò. Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy lò lên vẫn là chủ yếu .

– Nhiên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy than được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao. Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này. Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân. Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không có các sản phẩm lỏng, không có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi.

– Các hạt than luôn chuyển động và trong lò không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng  (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân… trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lò giảm xuống. Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lò trong phương pháp khí hóa tầng sôi chỉ đạt từ 900 đến  1000oC.

2.2.4. Nhược điểm

Để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió. Không thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150oC, nhiệt độ có thể làm chẩy xỉ. Do nhiệt độ lò không nâng cao được nên các loại than già.

Than antraxit có tốc độ phản ứng của C với các tác nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho 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.

2.3. Khí hóa dạng dòng cuốn  (than cám, than bụi đường kính 0 – 2mm)

Dưới đây nêu một phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn kiểu Koppers – Totzek: Than hoặc nguyên liệu chứa cacbon thể rắn hoặc lỏng. Người ta khí hóa bằng oxy và hơi nước ở áp suất khí quyển.

Than nguyên liệu, có thể có độ tro < 40%, được nghiền mịn đến kích thước < 0,1mm, độ ẩm không quá 6 – 8% đối với than nâu, 1 – 2% với than đá. Sấy và nghiền được thực hiện cùng một công đoạn.

khí hóa là thiết bị tròn nằm ngang, phía trong được lót bằng vật liệu chịu nhiệt. Vòi phun để chuyển nhiên liệu, oxy, hơi nước  (còn gọi là đầu khí hóa) được bố trí đối diện nhau.

Than bụi được chuyển vào bunke nạp liệu 1, 3 nhờ dòng khí nitơ. Từ đó được vít soắn chuyến vào vòi phun cùng với oxy và hơi nước. Tỷ lệ giữa oxy, than bụi và hơi nước sao cho nhiệt lò cao hơn nhiệt độ chảy lỏng của tro, từ 1500 – 1600oC.

Khí hóa trong điều kiện như thế đạt được mức chuyển hóa cacbon cao. Khí sản phẩm tạo thành có hàm lượng cacbon oxyt  (CO) rất cao. Than khi vào lò trước hết tác dụng với oxy để tạo nhiệt độ cao cho các phản ứng khử khác. Hơi nước khi khí hóa cho  1m3 oxy là ~ 0,05kg đối với than nâu, và 0,5kg đối với than đá.

Hiện nay phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn  (bụi) kiểu Koppers – Totzek được dùng để sản xuất khí tổng hợp amiac. Phương pháp khí hóa ở nhiệt độ cao đạt hiệu suất nhận khí tổng hợp cao, do khi đó tất cả các chất hữu cơ của than chuyển hóa thành  CO2, CO, H2, H2O. Do đó khi làm lạnh khí không cần có công đoạn tách các chất nhựa, dầu, benzen, phenol… Nhờ đó quá trình làm sạch khí nói chung đơn giản.

2.4. Tóm tắt

Căn cứ vào trạng thái của nhiên liệu (than) trong lò phản ứng khí hóa chia phương pháp khí hóa than thành 3 dạng lò khí hóa:

  1. tầng cố định.
  2. tầng sôi  (lớp sôi…)
  3. dạng dòng cuốn  (bụi).

Ngoài ra còn có các hệ thống phân loại khác dựa trên cơ sở của các phương pháp cấp nhiệt khác nhau trong lò khí hóa.

  • Phương pháp tự cấp nhiệt nghĩa là nhiệt cần thiết để cấp cho các phản ứng khử tạo khí sản phẩm bằng cách đốt một phần than với oxy của tác nhân khí.
  • Phương pháp cấp nhiệt từ ngoài, nghĩa là nhiệt cần cho quá trình khí hóa được chuyển từ ngoài đến nhờ chất tải nhiệt dạng rắn hay dạng khí.
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
thanvietbbq.com
Than Việt

CTY CP CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VIỆT

KCN Lại Dụ, An Thượng, Hoài Đức, Hà Nội

Website: thanvietbbq.com

Email:     thanvietbbq@gmail.com

Hotline/Zalo: 0988.75.1954

Than Việt đồng hành cùng sự thành công của Quý khách! Cùng chung tay xây dựng chuỗi cung ứng than sạch Việt Nam.


CÁC BÀI VIẾT LIÊN QUAN KHÁC:

Hướng dẫn đầu tư nhà máy than sạch

Than sạch và công nghệ sản xuất