CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HÓA KHÍ THAN

Chia sẻ: Toàn Phong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

170
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ hoá khí than là công nghệ sản xuất khí đốt, khi oxy hoá khối hữu cơ trong than không hoàn toàn. 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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HÓA KHÍ THAN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HÓA KHÍ THAN 1.1. Lịch sử phát triển của ngành khí hóa than Công nghệ hoá khí than là công nghệ sản xuất khí đốt, khi oxy hoá kh ối h ữu c ơ trong than không hoàn toàn. Công nghệ hoá khí than đã có một lịch s ử lâu đ ời t ừng tr ải qua những thời kì phát triển và suy giảm. Khí đốt từ than đã thu đ ược l ần đ ầu tiên vào năm 1792 ở Merdok nước Anh, lúc đó khí đốt được xem là sản phẩm đi kèm khi s ản xu ất "d ầu trong" từ than. Vào những năm 50 của thế kỷ XIX, đã có các nhà máy s ản xu ất khí t ừ than trong các thành phố lớn và vừa ở các nước châu Âu và bắc Mỹ đi vào ho ạt đ ộng đ ể cung cấp khí đốt cho dân thành phố dùng cho các mục đích sưởi ấm, sinh hoạt và chi ếu 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 v ới giá r ẻ h ơn khí s ản xuất từ than, đã làm cho ngành công nghiệp hoá khí than gần như bị loại bỏ, ch ỉ còn l ại một ít vùng hiếm hoi như các nhà máy hoá khí than ở Nam Phi do vùng này b ị c ấm mua dầu mỏ và vùng này đã trở thành vùng công nghiệp hoá khí than đ ầu tiên c ủa th ế gi ới t ồn tại cùng dầu mỏ. Nhưng đến năm 1972, cuộc "khủng hoảng năng lượng th ế gi ới 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 th ế giới một bài h ọc h ết s ức quan tr ọng 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 ki ệt c ủa chúng đ ược đánh giá là còn tới nhiều trăm năm nữa. Chính cuộc khủng hoảng đó đã có tác dụng lớn, làm cho ý th ức 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 m ỏ đã b ắt đ ầu phát tri ển công ngh ệ ch ế bi ến 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 s ẽ trở l ại th ời kỳ th ứ hai của "thế kỷ vàng" và khả năng cạn kiệt của dầu mỏ không còn xa nữa. Hóa khí than được phát triển mạnh mẽ nhất vào nh ững năm 1990. Công ngh ệ 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 ph ương pháp đ ảm b ảo tính an toàn cho sinh
thái,do khí than đã được làm sạch sơ bộ, lượng các chất khí có hại nh ư: SO2, NOx… và giảm bớt các hạt bụi rắn. 1.2. Hóa khí than tại Việt Nam 1.2.1. 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 liêụ khác. Bảng 1.1: So sánh một số nhiên liệu và giá thành sản xuất nhiệt [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.
1.2.2. 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 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 2224000 kj/h, trọng lượng thiết bị 15tấn) nhưng vẫn chưa phù hợp với điều kiện Việt Nam. 1.3. Các vấn đề môi trường liên quan đến than 1.3.1. 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. 1.3.1. 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: Chỉ riêng đốt than đá, mỗi năm đã thải vào khí quyển 2,5 . 1013 tấn CO2. 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 3,6 0C. 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. * Mưa axit: 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. 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: 1.4.1. Khí hóa than ở áp suất khí quyển (ACG) 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 hyđrocacbon 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 - 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.
1.4.2. Quy trình Koppers Totzek 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 200 0C. Khí tổng hợp đi ra qua đỉnh của thiết bị sinh khí ở nhiệt độ 150 ÷ 160 0C 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. 1.4.3. Quy trình của Shell 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 250 MW. 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. 1.4.4. Quy trình Texaco 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 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 II: QUÁ TRÌNH HÓA KHÍ THAN 2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa than Khí hóa than là quá trình dùng oxy (hoặc không khí, hoặc không khí giàu oxy, hoặc oxy thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với than ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí. Nhiên liệu này được gọi chung là khí than với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4... dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong công nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH... 2.1.1. Quá trình khí hóa nhiên liệu (tầng cố định) Nguyên lý làm việc của quá trình khí hóa có thể nêu vắn tắt như sau: 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 sẻ 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..
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. 2.1.2. 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. 2.1.2.1. Khí than khô Khí than khô là khí than nhận được khi tác nhân khí hóa là không khí. Tại vùng khí hóa sẽ xảy ra các phản ứng sau: C + O2 = CO2 + 399499 kj (1) 2C + O2 = 2CO + 232384 kj (2) C + CO2 = 2CO + 167023 kj (3) 2CO + O2 = 2CO2 + 566474 kj (4) Khí CO là thành phần chính của khí than khô. Nếu khả 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. 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 ÷ 1700 0C. 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 ÷ 900 0C), 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. 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. 2.1.2.2. Khí than ướt dùng hơi nước Khí than ướt là sản phẩm nhận được của quá trình khí hóa than nếu tác nhân khí hóa là hơi nước. Trong vùng ôxy hóa sẽ tiến hành các phản ứng sau: C + H2O = CO + H2 - 125788 (kj) (5) C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 84594 (kj) (6) CO + H2O = CO2 + H2 + 41235 (kj) (7) C + CO2 = 2CO - 167023 (kj) (8) Phản ứng phân hủy hơi nước kèm theo thu nhiệt, cho nên nhiệt độ càng cao thì phản ứng phân hủy hơi nước càng mảnh liệt và chủ yếu là theo phản ứng (5). Sự phân hủy này còn phụ thuộc vào hoạt tính của nhiên liệu. Khí CO2 thu được ở các phản ứng (6) và (7) sẽ tác dụng với than cốc nung đỏ ở vùng khử nằm phía trên vùng khí hóa để tạo thành khí CO. 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. 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 atm. Ngoài 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. 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 2.1.2.3. Khí than ướt dùng hơi nước và oxy 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 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa than 2.1.3.1. 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. 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. 2.1.3.2. 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 1300 0 C. Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành phần mêtan 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. 2.2. 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). 2.2.1. Lò khí hóa kiểu tầng cố định Dưới đây giới thiệu loại lò khí hóa than tầng cố định, vỉ quay với tốc độ rất chậm khoảng 120 phút/vòng nhằm tháo xỉ khỏi lò. Thân lò gồm hai phần : - Phần dưới là vỏ bọc sản xuất hơi nước từ nguồn nhiệt làm lạnh lò - Phần trên lót gạch chịu lửa, than và chất khí hóa đi ngược chiều. Hình : Lò khí hóa than tầng cố định vỉ quay
1. Tấm phân phối nhiên liệu; 2. Mâm tháo xỉ; 3. Mũ phân phối gió; 4. Hệ truyền động quay mâm xỉ; 5. Dao gạt và hệ điều khiển dao; 6. Cửa tháo xỉ; 7. Vỏ bọc nước ở thân lò; 8. Thùng phát sinh hơi nước; 9. Nồi bunke than; 10. Ống thổi gió (không khí + hơi nước hoặc bổ sung oxy) 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. Phương pháp khí hóa tầng cố định, nhất là phương pháp khí hóa thuận liên hợp, có ưu điểm là có thể sử dụng được tất cả các loại nhiên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà 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. Chính vì vậy phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than, từ than non đến than già, kể cả loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro) và củi gỗ, (có độ ẩm đến 30%). Phương pháp không dùng được đối với các loại than cám và than bụi.
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, vì theo chiều chuyển động của than từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần. Nhược điểm của phương pháp này là 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 khôngcao. 2.2.2. Lò khí hóa than kiểu tầng sôi ( đường kính cục than từ 0 - 10 mm ) Trong khai thác than ở các mỏ, khối lượng than cám và than bụi khá nhiều, có thể tới 50% tổng số lượng than khai thác. Vì vậy việc áp dụng các công nghệ thích hợp để sử dụng các loại than có kích thước hạt nhỏ là rất cần thiết. Hình : Lò lớp sôi Winkler (áp suất thường) 1. Bunke than; 2. Bunke bụi; 3. Thân lò; 4. Tấm gạt xỉ; 5. Ghi lò; 6. Vít vô tận tháo xỉ than; 7. Hệ truyền động; 8. Ống than; 9. Bunke xỉ; 10. Hơi chính; 11. Hơi thứ Lò lớp sôi dùng than cám, kích thước hạt cỡ 10 mm. Chất khí hóa là hơi nước pha oxy; 70% lượng chất khí hóa đưa vào từ đáy lò với vận tốc 8 ÷ 10m/sec qua vỉ phân phối tạo lớp sôi và 30% bổ sung trên đỉnh lớp sôi. Chiều cao lớp sôi chừng 1000 ÷ 1200 mm.
Hình 2.12 giới thiệu cấu tạo một loại lò có đường kính 5,5 m, dùng than nâu, năng suất có thể tới 6.000 ÷ 10.000 Nm3/h. Hình : Lò lớp sôi Winkler không có vỉ phân phối khí Chú thích: 1. Hơi thứ; 2. Hơi chính; 3. Vít tháp xỉ; 4. Vít cấp than; 5. Bunke than Xem hình 2.11 ta thấy than từ bunke - có nitơ để chống cháy, qua vít vô tận đưa vào lớp sôi. Chất khí hóa đi từ đáy lò qua ghi tạo lớp sôi. Cung cấp hơi thứ vào đỉnh lớp sôi trợ giúp cho phản ứng khí hóa. Thân lò cao tới 12 ÷ 15m, nhằm tạo điều kiện cháy hết than mịn với kích thước nhỏ hơn kích thước bình quân, đồng thời tách một phần bụi. Xỉ tháo ra khỏi lớp sôi qua vít vô tận đưa vào bunke. Khí than ra khỏi đỉnh lò. a. 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 để tăng cường quá trình khí hóa. Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy lò lên vẫn là chủ yếu . - Khi khí hóa tầng sôi, 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. - Vì khí hóa tầng sôi nên 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 1000 0C. b. Nhược điểm - Để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng không thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150 0C, nhiệt độ có thể làm chảy xỉ. Do nhiệt độ lò không nâng cao được nên các loại than già, than antraxit có tốc độ phản 2.2.3. Lò khí hóa than dòng lôi cuốn Khởi đầu công nghệ này là lò của Đức: KT.Koppers – Totzek. 1. Ống dẫn khí than, nồi hơi; 2. Bunke than; 3. Bộ phận làm lạnh xỉ; 4. Thùng chứa xỉ; 5. Tháo xỉ
Sau này nhiều công ty cải tiến nhằm nâng cao cường độ và năng lực sản xuất của lò. Ví dụ lò Shell - Coppers làm việc ở áp suất cao, lò TEXACO nâng năng suất lên 910 tấn/ngày. Hình : Cấu tạo lò Shell - Coppers làm việc ở áp suất cao 1. Thân lò đốt; 2. Cụm vòi phun; 3. Vòi phun oxy; 4. Nước làm lạnh; 5. Nước làm lạnh ra; 6. Gạch chịu lửa; 7. Buồng làm lạnh; 8. Bộ phận chứa xỉ; 9. Thùng trộn than tạo bùn than Hình : Dây chuyền công nghệ TEXACO 1. Gầu than; 2. Bunke; 3. Thùng bụi than; 4. Bình trộn; 5. Bơm cao áp; 6. Buồng đốt; 7. Buồng làm lạnh; 8. Xỉ; 9. Nồi hơi; 10. Tháp rửa; 11. Gom bùn Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa dòng lôi cuốn - Than cám, than bụi có giá thành rẻ so với than cục. - Có thể sử dụng nhiều loại than, kể cả than có tính kết dính cao.
- Sản phẩm khí không chứa sản phẩm phụ như (nhựa, dầu, phenol, axit béo...) nên không cần thiết phải làm tinh chế. - Có thể thay thế than bằng các nhiên liệu hyđrocacbon lỏng hay khí. Ta thấy phương pháp khí hóa theo dạng dòng cuốn có nhiều ưu điểm, khí có thể dùng cho mục đích dân dụng hoặc cho tổng hợp hóa học. Phương pháp này được dùng nhiều ở Mỹ. Cấu tạo thiết bị hiện đã được cải tiến và có thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất khí tổng hợp cho công nghiệp sản xuất amoniac và ure dùng cho nông nghiệp.