Chuyển hóa và sử dụng than

Chia sẻ: Toàn Phong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

74
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Người ta cho rằng trong tương lai không xa, khi nguồn dầu mỏ cạn kiệt, người tiêu dùng sẽ quay sang những nguồn cung cấp mới. Nếu cơ sở hạ tầng sản xuất được chuẩn bị ngay từ bây giờ, thì có thể ngăn chặn được sự sụp đổ trên diện rộng mà người ta dự đoán là sẽ xảy ra vào cuối kỷ nguyên dầu mỏ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chuyển hóa và sử dụng than

chuyÓn hãa vµ sö dông than hµ néi - 2008 3
I. MỞ ĐẦU Người ta cho rằng trong tương lai không xa, khi nguồn dầu mỏ cạn kiệt, người tiêu dùng sẽ quay sang những nguồn cung cấp mới. Nếu cơ sở hạ tầng sản xuất được chuẩn bị ngay từ bây giờ, thì có thể ngăn chặn được sự sụp đổ trên diện rộng mà người ta dự đoán là sẽ xảy ra vào cuối kỷ nguyên dầu mỏ. Theo tài liệu thống kê về năng lượng thế giới của BP (BP Statistical Review of World Energy), năm 1985 trữ lượng dầu còn lại có thể khai thác về mặt kinh tế là 770 tỷ thùng. Vào năm 2005, tức là sau 20 năm tiêu thụ, con số này lại được đánh giá là 1.200 tỷ thùng. Song dầu mỏ vẫn là một nguồn năng lượng có hạn, và với tốc độ tiêu thụ như hiện nay, người ta cho rằng chúng ta sẽ cạn nguồn tài nguyên này trong vòng 40 năm nữa. Hơn nữa, phần lớn nguồn dầu mỏ lại tập trung ở một số ít vùng bất ổn định trên thế giới (ví dụ: Trung Đông 62%, Arập Xê út 22%), có thể bị ngừng cung cấp bất kỳ lúc nào do các cuộc xung đột và các hoạt động không thuận lợi của các Chính phủ. Những lo ngại này đang tác động đến giá dầu trên thế giới. Trong tình hình đó, những nguồn nhiên liệu hoá thạch phi truyền thống sẽ là một giải pháp đầy tiềm năng. Nếu tất cả những nguồn năng lượng phi truyền thống của thế giới được biến đổi thành dầu nhờ công nghệ hiện đại, thì người ta sẽ có một lượng dầu ước 8.800 tỷ thùng. Với tốc độ tiêu thụ 30 tỷ thùng/năm, thì số lượng trên sẽ đủ dùng trong vòng 300 năm hoặc hơn nữa. Những lớp cát và đá chứa dầu, nhất là ở mỏ Athabasca ở Alberta (Canada) và vành đai Orinoco (Venezuela), là những nguồn năng lượng mới, lớn, có khả năng tạo ra 6.600 tỷ thùng dầu, song số hiện tại có thể khai thác về phương diện kinh tế chỉ vào khoảng 10-20% con số trên. Nếu khám phá được nguồn dự trữ dầu mới và có những công nghệ mới để khai thác triệt để hơn nữa nguồn dầu đang có thì thời điểm khủng hoảng dầu mỏ có thể được đẩy lùi thêm. Tuy nhiên việc cạn nguồn nguyên liệu dầu mỏ là một thực tế đang đến rất gần. Việc sản xuất nhiên liệu/hóa chất từ khí tổng hợp (CO + H2) đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng bởi vì nguồn dầu mỏ đang dần cạn kiệt và giá dầu thô luôn biến động. Các nhiên liệu, đặc biệt là diesel, thu được từ quá trình chuyển hóa khí tổng hợp thông qua phản ứng tổng hợp Fischer-Tropsch (F-T) (tên của hai kỹ sư người Đức, Franz Fisher và Hans Tropsch đã sáng chế ra quá trình này vào năm 1920 để sản xuất dầu thô từ than và khí đốt), đã được thừa nhận là có chất lượng rất cao. Nhiên liệu này 3
sẽ tham gia tích cực vào việc bảo vệ môi trường và tăng hiệu quả năng lượng trong lĩnh vực vận tải khi các động cơ diesel hiện đại được áp dụng đại trà trong phương tiện vận tải. Công nghệ F-T phát triển trong những năm gần đây có tính khả thi đủ để xây dựng các khu liên hợp qui mô lớn. Dưới quan điểm xem xét dài hạn về khả năng phát triển quá trình chuyển hóa than thành chất lỏng, cần phải xem xét nhiều hướng đi. Đây là những hướng đi có khả năng quyết định tính khả thi của tất cả các loại dự án trong lĩnh vực này. Nhìn chung, các hướng đi phải có các điểm chung là: 1. Hiệu quả về mặt sinh năng lượng nhiệt 2. Giá thành chấp nhận được 3. Ưu điểm về môi trường Các vấn đề này đã được giải quyết tốt bằng cách sử dụng những con đường chuyển hóa than thành chất lỏng đa thế hệ. Trong số những con đường khác nhau, về nguyên tắc, quá trình sản xuất đồng thời nhiên liệu lỏng và điện hiện đang chiếm ưu thế. Hiệu quả của quá trình tăng lên là do sự cân bằng năng lượng tốt hơn trong phương thức đồng sản xuất còn ưu điểm bảo vệ môi trường là do công nghệ loại sự ô nhiễm dễ dàng được áp dụng. Các quá trình mới nhất sẽ đảm bảo giải pháp tốt hơn để bảo vệ môi trường. II. TÌNH HÌNH CHUYỂN HÓA, SỬ DỤNG THAN TRONG LĨNH VỰC PHÁT NĂNG LƯỢNG VÀ HÓA CHẤT Theo dự tính của các chuyên gia, cùng với sự tăng dân số, việc tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu có thể tăng thêm 27% trong vòng 15 năm tới (Hình 1). Mức tiêu thụ năng lượng ngày càng gia tăng phần lớn là ở các nước đang phát triển. Tương tự, sự phân bố nhu cầu về điện theo nguồn năng lượng cũng không ngừng tăng lên và dự tính đến năm 2020 nhu cầu về điện trên thế giới tương đương với khoảng 5,5 tỷ tấn dầu, đến năm 2030 là tương đương 6,5 tỷ tấn dầu (Hình 2). Từ thế kỷ trước và cho đến những năm 2030, than và khí tự nhiên vẫn là những nguồn nguyên liệu chiếm tỷ trọng lớn nhất trong số các nguồn nguyên liệu sản xuất điện bao gồm: than, khí tự nhiên, dầu mỏ, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo. 4
Hình 1: Sự tăng nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới Hình 2: Phân bố nhu cầu điện theo nguồn năng lượng trên thế giới Theo đánh giá của BP trong báo cáo BP Statistical Review 2004, tính đến năm 2003, trữ lượng than trên toàn thế giới là 984 tỷ tấn (50% than antraxit và 50% than nâu) và có thể khai thác trong 192 năm nữa (Hình 3). Mỹ, Cộng đồng các quốc gia độc lập và Trung Quốc là các quốc gia có trữ lượng than lớn nhất thế giới (chiếm trên 50% trữ lượng than thế giới). Các quốc gia khác như Ấn Độ, Úc, Nam Phi có trữ lượng than tương ứng là 90, 90 và 50 tỷ tấn. 5
Hình 3: Trữ lượng than thế giới và tỷ lệ trữ lượng/khai thác ( năm 2003) Việc dùng than để sản xuất các nhiên liệu giao thông vận tải đã xuất hiện ở Đức đầu thập kỷ 20. Các nhiên liệu này đã được sử dụng ở qui mô lớn để đương đầu với những thời kỳ thiếu dầu mỏ, đầu tiên là ở Đức trong Chiến tranh Thế giới thứ II rồi ở Nam Phi bắt đầu từ năm 1955 trong thời kỳ cấm vận dưới chế độ phân biệt chủng tộc (Apartheid). Là một nước giàu than, nghèo dầu mỏ, Chính phủ Trung Quốc, các viện nghiên cứu và các doanh nghiệp của nước này đang nỗ lực nhằm biến các nguồn tài nguyên than giàu có của mình thành năng lượng sạch bằng cách sử dụng công nghệ than sạch. Năm 2003, Trung Quốc thành lập Cục Năng lượng thuộc Hội đồng Cải cách và Phát triển Quốc gia để tập trung vào giải pháp an ninh năng lượng đồng thời lập kế hoạch và quản lý khả năng cung cấp năng lượng và sự phát triển công nghiệp liên quan tới năng lượng. Như một giải pháp để khắc phục nguồn năng lượng dầu mỏ nghèo nàn, Trung Quốc đã đầu tư rất mạnh cho các công nghệ hóa lỏng than với mục tiêu là tăng nguồn nhiên liệu lỏng được sản xuất từ nguồn than dồi dào ở Trung Quốc. Viện trưởng Viện hóa than (ICC) thuộc Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc (CAS) cho biết, việc sản xuất sản phẩm đa dạng từ than chính là tương lai phát triển công nghệ than sạch của Trung Quốc. Hiện tại ở Trung Quốc, những nỗ lực để sản xuất nhiên liệu lỏng phục vụ cho giao thông vận tải ở quy mô lớn dựa trên việc sử dụng quá trình khí hoá 6
than đang diễn ra mạnh mẽ. Ví dụ, Công ty than lớn nhất Trung Quốc, Shenhua, có kế hoạch khởi động nhà máy biến than thành nhiên liệu lỏng đầu tiên của Trung Quốc vào năm 2007 hoặc đầu năm 2008. Đây là một dự án tham vọng nhất thế giới trong lĩnh vực này kể từ sau Thế chiến II. Shenhua dự định vận hành 8 nhà máy hoá lỏng than vào năm 2020 với sản lượng tổng cộng trên 30 triệu tấn dầu tổng hợp /năm, đủ để thay thế trên 10% lượng xăng dầu nhập khẩu của Trung Quốc như đã dự báo. Các nhà máy hóa lỏng than này sẽ áp dụng công nghệ hóa lỏng than trực tiếp (DCL – Direct Coal Liquefaction) và hóa lỏng than gián tiếp (ICL – Indirect Coal Liquifaction) (Hình 4). Nhà máy SH-1 sử dụng công nghệ hóa lỏng than DCL dựa trên cơ sở công nghệ của Mỹ được cải tiến từ các công nghệ được phát triển ở Nhật, Đức và của chính tập đoàn Shenhua. Với 850 triệu USD cho dây chuyền sản xuất đầu tiên, tập đoàn này hy vọng sản xuất 830 nghìn tấn dầu/năm vào năm 2007 (tương đương 20 nghìn thùng xăng và diesel siêu sạch, hàm lượng lưu huỳnh thấp mỗi ngày) (Bảng 1 và Hình 5). Hai dây chuyền nữa sẽ được xây dựng trong pha I và 7 dây chuyền sẽ được xây dựng trong pha II của Dự án với chi phí đầu tư tổng trên 5 tỷ USD. Năm 2004, chính phủ Trung Quốc giao cho Shenhua chịu trách nhiệm phát triển nhà máy hóa lỏng than theo công nghệ ICL ở tỉnh Sơn Tây và giao cho tập đoàn khai thác than Ninh Hạ chịu trách nhiệm phát triển một nhà máy hóa lỏng than khác ở vùng tự trị Ninh Hạ. Cả hai nhà máy sẽ sử dụng công nghệ hóa lỏng than ICL của Sasol đã được phát triển ở Nam Phi. Như vậy các dự án này bao gồm cả việc sản xuất nhiên liệu tổng hợp và sản xuất các sản phẩm hóa chất. Bảng 1: Phân bố sản phẩm và sản lượng của dây chuyền hóa lỏng than trực tiếp của nhà máy Shenhua Sản phẩm Sản lượng (tấn /năm) LPG 70. 000 Naphta 320. 900 Diesel 620. 800 Ammoniăc lỏng 11. 500 Lưu huỳnh 40. 600 Phenol 3. 500 Tổng 1.067. 300 7
Hình 4: Công nghệ chuyển hóa than thành nhiên liệu lỏng Hình 5: Toàn cảnh nhà máy hóa lỏng than Shenhua – Trung Quốc 8
Tại Trung Quốc có một số dự án chuyển hoá than thành hoá chất với quy mô như ở Bảng 2. Công nghệ chuyển hoá than thành hoá chất (kết hợp phát điện) như mô tả ở Hình 6 Hình 6: Sơ đồ dây chuyền chuyển hóa than thành hóa chất Bảng 2: Qui mô một số dự án chuyển hóa than thành hóa chất tại Trung Quốc Sản phẩm Sản lượng (tấn /năm) Qui mô dự án Baotu Qui mô dự án Yulin Metanol 1 800 000 3. 000. 000 Etylen 300 000 500. 000 Propylen 300 000 500. 000 Cùng với việc phát triển nhiên liệu tổng hợp và hoá chất từ than, Trung Quốc rất quan tâm đến vấn đề sản xuất điện từ than. Tập đoàn Hoa Năng, nhà sản xuất điện dùng nhiên liệu than lớn nhất Trung Quốc, đã liên kết với các nhà phân phối điện toàn cầu và các công ty than để thiết kế, xây dựng nhà máy điện chạy than “không có khí thải” đầu tiên trên thế giới. Trung Quốc là một trong những quốc gia tiêu thụ than lớn nhất thế giới với dự đoán lên tới 2,9 tỷ tấn vào năm 2020. Trong 15 năm tới, Chính phủ Trung Quốc sẽ ưu tiên việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, sạch và tiết kiệm cũng như tạo ra nhiều sản phẩm từ than. Trung Quốc cũng dự định phát triển một kỹ thuật giảm thiểu khí cacbon 9
đioxit ( CO2) phát sinh trong quá trình sử dụng than, tiến tới đạt mức phát thải gần bằng 0. Hiện tại, công nghệ phát triển than sạch của Trung Quốc chưa đạt được mức độ thế giới. Các chuyên gia dự đoán rằng, Trung Quốc có thể phát triển công nghệ khí hóa than bằng chính công nghệ của mình trong 5 năm tới. Sản phẩm khí hóa này rẻ hơn 50% so với những sản phẩm cùng loại trên thị trường quốc tế. Tại Mỹ, từ tháng 2/2003 Tổng thống George Bush đã công bố dự án FutureGen với nội dung là triển khai và xây dựng một mẫu nhà máy có khả năng sản xuất điện và hydro từ than đá. Nhà máy sẽ sử dụng công nghệ chu trình hỗn hợp khí hoá than (IGCC) để phát ra công suất 275 MW, với đặc tính ưu việt là hầu như không ô nhiễm và thu giữ chất thải CO2, thay thế cho kiểu đốt than truyền thống (Hình 7). Hình 7: Sơ đồ nguyên lý nhà máy sản xuất điện và hydro từ than đá thuộc dự án FutureGen Hydro sản xuất từ các nhà máy FutureGen sẽ được sử dụng ngay để cấp nhiên liệu cho các tổ máy phát điện hoặc pin nhiên liệu, hoặc để cấp nhiên liệu cho ôtô và xe tải thế hệ mới, chấm dứt sự phụ thuộc của Mỹ vào dầu mỏ. FutureGen, lần đầu tiên sẽ tích hợp một chuỗi các công nghệ tiên tiến về thu giữ hoặc ngăn ngừa tạo thành các chất ô nhiễm hoặc chất thải khác vốn là 10
mối quan ngại của Mỹ nếu phải xây dựng các nhà máy điện chạy than trong tương lai. Các chất ô nhiễm không khí sẽ biến thành sản phẩm thương mại có giá trị, và tới 90% CO2 tạo ra từ phản ứng đốt cháy than sẽ được thu giữ. Kết quả thực tiễn tại nhà máy này sẽ là cơ sở cho việc áp dụng những công nghệ tiên tiến hơn, có khả năng thu giữ 100% khí nhà kính. Năm 2006, đã có 12 địa điểm thuộc 7 bang nước Mỹ được đề xuất làm nơi sẽ triển khai thiết kế và xây dựng nhà máy theo nguyên mẫu này. Yêu cầu đề ra là phải có mặt bằng trên 200 acre (khoảng trên 0,8 km2), khả năng tiếp cận tốt với nguồn than, đường dây truyền tải, nguồn nhân lực có kỹ thuật. Theo kế hoạch đề ra, nguyên mẫu nhà máy FutureGen sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2012. Ngoài ra, trong thời gian qua, không quân Mỹ đã tiến hành nhiều chuyến bay thử nghiệm nhiên liệu tổng hợp theo phương pháp F-T (FT Fuel). Kết quả từ những chuyến bay này đã mang lại hy vọng mới cho ngành hàng không trong bối canh giá dầu ngày càng leo thang cùng với nguy cơ cạn kiệt dầu mỏ sắp cận kề. Các nhà khoa học đang nỗ lực hoàn thiện công nghệ sản xuất quy mô lớn để đến năm 2016 “FT fuel" sẽ thay thế được 50% lượng tiêu thụ nhiên liệu của không quân Mỹ và đến nãm 2025 chiếm 75% lượng nhiên liệu của toàn ngành hàng không nước này. Các thử nghiệm chạy động cơ với tỷ lệ pha trộn 50/50 giữa nhiên liệu tổng hợp với nhiên liệu truyền thống dẫn đến những chuyến bay hoàn toàn bằng nhiên liệu mới, vận hành an toàn trong trong điều kiện - 43 độ, đạt mọi chỉ số về kỹ thuật như khi dùng nhiên liệu thông thường mà không cần có sự cải tiến về động cơ đã khẳng định thành công của việc ứng dụng nhiên liệu mới cho ngành hàng không. Ngoài ra, do con người kiểm soát quá trình tổng hợp nên nhiên liệu tổng hợp ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với các loại nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ, như giảm được 50% lượng khí thải, đặc biệt giảm tối đa hàm lượng lưu huỳnh trong khí thải. Kevin Mulnerin, Phó Chủ tịch của lntegrated Concepts & Research Corp's Advanced Vehicle Technologies, công ty trúng thầu kiểm định chất lượng nhiên liệu này, cho biết: "Thử nghiệm này chứng tỏ loại nhiên liệu siêu sạch này rất có khả năng trở thành một nguồn nhiên liệu dân dụng lẫn quân sự" . Điều này càng có ý nghĩa hơn khi số lượng máy bay sẽ gấp đôi trong vòng hai mươi năm tới và những yêu cầu bảo đảm về khí thải động cơ gây hiệu ứng nhà kính ngày càng gắt gao hơn . 11
Như vậy với giá chỉ khoảng 20 USD cho một thùng nhiên liệu tổng hợp cộng với sự bảo đảm hơn về môi trường, chắc chắn đây sẽ là sự lựa chọn quan trọng cho ngành hàng không thế giới trong thời gian tới. Các chuyên gia của Hiệp hội vận tải hàng không quốc tế (IATA) hết sức quan tâm đến vấn đề này và đều có chung nhận định: "Rất khả thi và mang lại hiệu quả cao". Đến nay trong lĩnh vực đầu tư nghiên cứu chuyển hoá than, có thể thấy trong việc xây dựng các nhà máy chuyển hoá than Trung Quốc đã vượt Mỹ, nơi công nghệ khí hoá than vẫn đang trong giai đoạn khôi phục lại. Các chương trình trình diễn công nghệ theo hướng này đã được mở ra ở Mỹ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ hồi thập kỷ 70 của Thế kỷ trước, nhưng bị bỏ rơi khi giá dầu và khí đốt tụt xuống hồi thập kỷ 80. Sự kiện này khiến cho nhiều người cho rằng công nghệ này là không đủ tin cậy. Trái lại, ở Trung Quốc, xăng dầu không bao giờ rẻ và than luôn luôn giữ vai trò hàng đầu của mình. III. CÔNG NGHỆ CHUYỂN HOÁ THAN III.1. Công nghệ khí hoá than Công nghệ có tính then chốt trong các quy trình chuyển hoá than là quá trình khí hóa. Đây là các quá trình chuyển than dạng rắn sang dạng khí. Có 2 dạng công nghệ khí hoá than là khí hoá khô và khí hoá ướt. Trong khí hoá ướt, ngoài không khí người ta còn bổ sung cả nước (hoặc hơi nước) vào lò khí hoá và khí nhận được gọi là khí tổng hợp (syngas). Hiện có một số công nghệ khí hoá than được áp dụng: - Quy trình khí hóa than đá ở áp suất khí quyển (ACG) Đây là quy trình được sử dụng trong đa số các nhà máy khí hóa than kiểu cũ, cỡ nhỏ của Trung Quốc từ những năm 1950. Thiết bị khí hóa sử dụng than cục có kích thước 25-27 mm 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 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 GJ/ tấn amoniăc và 12
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. - 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 2.000oC. Khí tổng hợp đi ra qua đỉnh của thiết bị sinh khí ở nhiệt độ 1500 - 1600oC và qua nồi hơi để tận dụng 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. - Quy trình Texaco Quy tr×nh khÝ hãa cña Texaco (Texaco Gasification Process - TGP) ®· ®−îc th−¬ng m¹i hãa thành công tõ h¬n 40 n¨m nay. Quy trình này có nhiệt độ khí hoá đến trên 1300 oC và sử dụng than cám (dưới dạng bùn) đưa vào lò và xỉ ra lò ở dạng nóng chảy. Chất lượng than nguyên liệu cho công nghệ cần chọn lọc. Quy trình Texaco đạt thành công lớn ở Trung Quốc thay thế cho quy trình khí hóa than ở áp suất khí quyển (ACG) và được áp dụng trong hàng loạt nhà máy điện, phân đạm của nước này trong thời gian qua. - Quy trình Shell Đây được coi là một công nghệ khí hóa than hiện đại và có nhiều ưu điểm. Trong quy trình Shell, than bột khô được sử dụng làm nguyên liệu khí hoá được phun vào lò bằng không khí nén. Hơi nước được bổ sung trong quá trình khí hoá. Quy trình Shell có nhiệt độ khí hoá rất cao (đến 1500-1600oC), xỉ ra lò ở dạng nóng chảy và có thể làm việc tốt ở phổ khá rộng về chất lượng than, kể cả đối với một số loại than chất lượng không cao (nhiệt lượng thấp, nhiều xỉ, nhiệt độ chảy của xỉ cao). Quy trình này đang được dùng ở Hà Lan trong tổ hợp khí hóa than và phát điện 250 MW. Trung Quốc cũng đã xây dựng và vận hành một số nhà máy sản xuất phân đạm urê ở Hồ Nam, Hồ Bắc, An Huy v.v..., trong đó phần khí hóa than áp dụng công nghệ của Shell với công suất khí hóa 1000 - 2000 tấn than/ ngày và đi vào hoạt động từ năm 2005. Nhà máy phân đạm từ than của Việt Nam tại Ninh Bình (công suất 560 nghìn tấn urê/năm) đang được đầu tư xây dựng cũng sẽ thực hiện khí hoá than theo công nghệ Shell. 13
- Qui trình Sasol – Lurgi Qui tr×nh c«ng nghÖ Sasol-Lurgi sö dông thiết bị khí hóa với tầng cố định (như công nghệ ACG), ®¸y kh« của Lurgi hiện được sử dụng nhiều nhất. HiÖn t¹i, qui tr×nh nµy ®−îc ph¸t triÓn ë Sasol Nam phi vµ tiªu thô kho¶ng 30 triÖu tÊn than/n¨m. Qui tr×nh Sasol-Lurgi s¶n xuÊt 150 ngh×n thïng nhiªn liÖu vµ hãa chÊt mçi ngµy. Quá trình khí hóa được thực hiện bằng hơi nước và oxy. Than di chuyển xuống phía dưới rất chậm, còn xØ th× được tháo ra qua đáy (thường dạng ghi quay)(Hình 8). Nhiệt độ khí hóa tương đối thấp so với các quy trình khác. Trong khí thu được có những tạp chất như phenol và hydrocacbon. Hàm lượng metan trong khí có thể lên đến khoảng 10%. Chính vì thế khí không đủ sạch. Hình 8: Sơ đồ thiết bị phản ứng khí hóa Sasol - Lurgi - Các khía cạnh kinh tế của quá trình khí hóa Một trong những nhược điểm của công nghệ khí hóa than so với refoming metan bằng hơi nước là vốn đầu tư tương đối cao và tiêu thụ năng lượng gần gấp đôi. Nhưng mặt khác, quá trình khí hóa dễ nâng công suất hơn so với refoming bằng hơi nước. So với nhà máy 2000 tấn/ngày, đầu tư cho nhà máy 5000 tấn/ngày có thể giảm 30% (tính theo tấn sản phẩm). Tuy nhiên, vấn đề mấu chốt vẫn là giá nguyên liệu. Ví dụ, theo số liệu của Ấn Độ, giá nguyên liệu năm 2002 như sau: khí - 4 USD/ Mbtu, napta - 120 USD/ Mbtu và than - 10 USD/ Mbtu. Như vậy, một nhà máy amoniăc từ than cũng có khả năng cạnh tranh. Một khi giá khí thiên nhiên tiếp tục tăng, thì than đá là sự 14
lựa chọn cho những nước ít khí thiên nhiên mà có nguồn than đá phong phú như Trung Quốc và Ấn Độ. III.2. Chuyển hoá than thành nhiên liệu tổng hợp Quá trình sản xuất nhiên liệu tổng hợp bao gồm nhiều gian đoạn: 1. Sản xuất syngas từ quá trình khí hóa hoặc quá trình cracking với sự tham gia của hơi nước như đã trình bày ở phần trên. Quá trình khí hóa có thể sử dụng mọi loại nguyên liệu chứa cacbon (trong đó có than đá) và hydro. Trong khi quá trình cracking (khí hoá) với sự tham gia của hơi nước, người ta sẽ nhận được syngas gồm cacbon monoxit (CO), hyđro (H2), cacbon đioxit (CO2), nitơ (N2), hơi nước, các hyđrocacbon và một số tạp chất khác. Ngoài than dùng làm nguyên liệu khí hoá, người ta thường sử dụng các nguyên liệu khác như khí tự nhiên, LPG, naphta hoặc thậm chí cả etanol. 2. Chuyển syngas thành một dạng sáp nhờ phản ứng F-T. Syngas được đưa vào một lò phản ứng, tại đó, hydro và cacbon monoxit phản ứng với nhau dưới tác dụng của một chất xúc tác chứa sắt và tạo ra sản phẩm dạng sáp chứa các hydrocacbon (bao gồm cả xăng và diesel). 3.Chế biến sâu dạng sáp này nhờ các quá trình hyđrocracking kết hợp với isome hóa để thu được LPG, naphta và diesel. Diesel thu được bằng phương pháp này có chất lượng rất tốt: không chứa lưu huỳnh, các chất thơm (benzen, toluen…) và quá trình cháy của nó trong động cơ thải ra rất ít muội, đồng thời chỉ số cetan của loại nhiên liệu này rất cao. Điểm yếu duy nhất của nhiên liệu này là tỷ trọng thấp, vì vậy người ta thường phải trộn lẫn với các loại nhiên liệu khác. Dựa theo các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, các nhiên liệu diesel tổng hợp hiện tại đã được xem là rất thích hợp cho các động cơ diesel hiện hành. Hiện nay rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới làm việc trong lĩnh vực chuyển hóa than (khí tự nhiên, sinh khối) thành nhiên liệu lỏng đang tìm cách giảm giá thành của những loại nhiên liệu tổng hợp này. Sơ đồ chung của quá trình công nghệ hoá lỏng than và sản xuất nhiên liệu tổng hợp được trình bày tại Hình 9. 15
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý nhà máy chuyển hóa than III.3. Chuyển hoá than thành hoá chất Nhìn chung các công nghệ chuyển hoá than thành hoá chất hiện nay chưa thực sự phát triển như công nghệ hoá dầu đi từ nguyên liệu dầu mỏ. Công nghệ chuyển hoá than thành hoá chất chủ yếu tập trung vào một số lĩnh vực sau: - Sản xuất amoniac - Sản xuất metanol - Hoá chất từ nguồn CO2 dư thừa (từ khí thải) của quá trình đốt than - Công nghệ chưng cất than đá và xử lý nhựa than Sau đây là một số công nghệ chủ yếu chuyển hoá than thành hoá chất: III.3.1. Sản xuất amoniac và urê từ than Phần lớn amoniac được sản xuất từ khí thiên nhiên, nhưng về lý thuyết thì bất kỳ nguyên liệu chứa cacbon nào (trong đó có than) cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu, miễn là có thể chuyển được thành khí tổng hợp (syngas). 16
Khi sản xuất khí tổng hợp với tỷ lệ H2: N2 = 3:1 để tổng hợp amoniac, người ta oxy hóa (hoặc khí hóa) không hoàn toàn than đá theo công nghệ khí hoá ướt (dùng hơi nước và không khí hoặc không khí giàu oxy). Sau khi xử lý (loại CO, các tạp chất, điều chỉnh tỷ lệ H2: N2 = 3:1 ), syngas sẽ được đưa vào tháp tổng hợp. Dưới tác dụng của xúc tác và áp suất, H2 và N2 sẽ phản ứng với nhau để tạo amoniac (NH3). Từ amoniac và CO2 (chuyển hoá từ CO trong quá trình khí hoá) người ta sẽ tổng hợp urê hoặc các sản phẩm khác. Than đá là chất rắn nên phải xử lý sơ bộ trước khi đưa vào quá trình khí hóa. Ngoài ra phương pháp khí hóa than đòi hỏi phải có nhà máy sản xuất oxy nên suất đầu tư tăng. Nhà máy sản xuất amoniac từ than đá có thể có suất đầu tư cao gấp 3 - 4 lần so với nhà máy sử dụng khí thiên nhiên. Tuy nhiên, ở những nước có giá khí thiên nhiên cao lại có than đá giá rẻ, thì chi phí đầu tư cho máy móc ở công đoạn khí hóa có thể được bù lại bằng giá than đá thấp hơn trong quá trình vận hành. Than đá nội địa giúp tiết kiệm ngoại tệ nhập khẩu dầu khí và yếu tố này cũng được tính đến khi quyết định đầu tư. II.3.2. Sản xuất metanol từ than Metanol, một trong những nguyên liệu đầu quan trọng trong tổng hợp công nghiệp, được sản xuất bởi quá trình hydro hóa có xúc tác của khí cacbon monoxit (CO) hoặc syngas (chứa CO + H2), thu được hoặc bởi quá trình oxy hóa than (hoặc các chất chứa cacbon khác). Quá trình hyđro hóa được tiến hành ở 250°C dưới áp suất 50 át với chất xúc tác trên cơ sở CuO, ZnO, Al2O3. Do thµnh phÇn cña syngas thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh chuyÓn hãa khÝ thiªn nhiªn vµ qu¸ tr×nh khÝ hãa than rÊt kh¸c nhau nªn c«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ syngas thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh khÝ hãa than vµ c«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ syngas thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ thiªn nhiªn cã nhiÒu ®iÓm kh¸c nhau. B¶ng 3 cho ta thÊy sù so s¸nh s¬ bé gi÷a c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt metanol tõ c¸c nguyªn liÖu kh¸c nhau (các sè liÖu chØ cã ý nghÜa so s¸nh t−¬ng ®èi gi÷a c¸c qu¸ tr×nh). Trong khu«n khæ chuyªn ®Ò nµy, chóng t«i chØ tr×nh bµy c«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ syngas thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh khÝ hãa than Tõ c¸c sè liÖu trong B¶ng 3 cã thÓ nhËn thÊy chi phÝ ®Çu t− chung cho nhµ m¸y s¶n xuÊt metanol tõ than ®¸ rÊt cao nh−ng tû lÖ ®Çu t− cho riªng qu¸ tr×nh tæng hîp metanol vµ tinh chÕ metanol chØ chiÕm 13 %. Nh− vËy nÕu 17
chóng ta ®· cã s½n nhµ m¸y s¶n xuÊt syngas tõ qu¸ tr×nh khÝ hãa than th× viÖc lùa chän gi¶i ph¸p ph¸t triÓn ph©n x−ëng s¶n xuÊt metanol trong nhµ m¸y ®ã lµ mét gi¶i ph¸p hoµn toµn kh¶ thi vµ cã lîi vÒ mÆt kinh tÕ v× chóng ta cã thÓ ®a d¹ng ho¸ s¶n phÈm mµ chi phÝ ®Çu t− ban ®Çu kh«ng qu¸ cao. Có một số c«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ syngas. Sau ®©y sÏ ®−a ra mét vÝ dô vÒ c«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ syngas thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh khÝ hãa than theo công nghệ pha lỏng. Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt metanol trong pha láng (LPMEOHTM) kh¸c víi qu¸ tr×nh s¶n xuÊt metanol truyÒn thèng pha khí tõ khÝ tù nhiªn ë chç qu¸ tr×nh nµy sö dông thiÕt bÞ ph¶n øng chøa huyÒn phï xóc t¸c cã sôc khÝ (SBCR) thay v× sö dông thiÕt bÞ ph¶n øng d¹ng líp cè ®Þnh (H×nh 10). H×nh 10: ThiÕt bÞ ph¶n øng d¹ng cét chøa huyÒn phï cã sôc khÝ 18
B¶ng 3: C¸c sè liÖu kinh tÕ cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt metanol víi c¸c c«ng nghÖ kh¸c nhau CÆn ch−ng cÊt Nguyªn liÖu KhÝ tù nhiªn Naphta Than ch©n kh«ng Koppers KiÓu c«ng nghÖ I.C.I Lurgi - Texaco Totzek Thªm CO2 Kh«ng Kh«ng Cã Kh«ng Kh«ng Kh«ng Kh«ng C«ng suÊt (tÊn /ngµy) 1000 1800 1800 1800 500 1800 1800 Chi phÝ ®Çu t− (106 FF) 430 730 (1) 680 770 250 1250 1600 (2) Tiªu hao nguyªn liÖu, phô trî Nguyªn liÖu - KhÝ tù nhiªn (106 kJ) 33 – 35 32 33.5 - - - - Naphta (t) - - - 0.55 - - - CÆn ch−ng cÊt ch©n kh«ng - - - - 0.9 - - Than (t) - Oxy(t) - - - - - 2.05 - CO2 (t) - - - - 0.85 - - S¶n phÈm phô - 0.5 - - - - - L−u huúnh (kg) - Phô trî - - - - 30 30 - H¬i n−íc (tÊn) - Nhiªn liÖu (106 kJ) - 0.12 (-) 0.5 0.8 - 4.5 - §iÖn (kWh) - - - 15 - 17 - N−íc lµm l¹nh (m3) 65 55 60 35 55 270 - N−íc qu¸ tr×nh (m3) 90 190 155 245 2 340 - Xóc t¸c vµ ho¸ chÊt (FF) 2 1 3 1 1 6 12 12 12 15 8 15 Nh©n c«ng 7 7 7 7 15 20 19
(1) Tû träng ®Çu t− cho c¸c qu¸ tr×nh Reforming víi h¬i n−íc 43 % NÐn khÝ 12 % Tæng hîp metanol 36% Tinh chÕ 9% Tæng 100% (2) Chøa vµ chuÈn bÞ than ®¸ 3% KhÝ ho¸ than 35% ChuyÓn ho¸ víi h¬i n−íc 5% T¸ch c¸c khÝ axit 13% Tæng hîp metanol vµ lµm s¹ch 13% Ch−ng cÊt kh«ng khÝ 29% Xö lý chèng « nhiÔm 2% Tæng 100% ThiÕt bÞ ph¶n øng SBCR sö dông xóc t¸c bét ë d¹ng huyÒn phï trong dÇu tr¬ chø kh«ng sö dông xóc t¸c Ðp viªn n¹p thµnh líp hoÆc nhåi trong èng nh− trong thiÕt bÞ ph¶n øng d¹ng líp cè ®Þnh. Ngoµi ra, dÇu tr¬ cßn lµ chÊt t¶i nhiÖt ph¶n øng khái chÊt xóc t¸c. Nh− vËy, kiÓu thiÕt bÞ ph¶n øng SBCR lµm t¨ng ®é chuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp thµnh metanol vµ do ®ã, qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ mét lÇn trong thiÕt bÞ ph¶n øng nh×n chung lµ tho¶ m·n (c¸c c«ng nghÖ trong pha khÝ ®ßi hái thiÕt bÞ d¹ng vßng khÐp kÝn ®Ó håi l−u c¸c khÝ ch−a ph¶n øng bëi v× qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ mét lÇn kh«ng kinh tÕ). ViÖc sö dông m«i tr−êng láng trong qu¸ tr×nh tæng hîp metanol lµm cho c«ng nghÖ nµy ®−îc gäi lµ c«ng nghÖ pha láng. Qu¸ tr×nh LPMEOHTM s¶n xuÊt ®−îc s¶n phÈm metanol cã chÊt l−îng t−¬ng ®èi cao trùc tiÕp tõ khÝ tæng hîp (hµm l−îng n−íc thÊp, kho¶ng 1% träng l−îng, trong khi metanol th« thu ®−îc tõ c¸c qu¸ tr×nh ®i tõ khÝ tù nhiªn cã hµm l−îng n−íc tõ 4 ®Õn 20%). Tuy nhiªn, metanol thu ®−îc qu¸ tr×nh nµy cã thÓ vÉn cÇn ®−îc ch−ng cÊt ®Ó ®¹t ®é tinh khiÕt mong muèn. Qu¸ tr×nh ch−ng cÊt hai hoÆc ba th¸p cã thÓ ®−îc sö dông gièng nh− c¸c qu¸ tr×nh cña I.C.I. vµ Lurgi. H×nh 11 m« t¶ s¬ ®å s¶n xuÊt cña qu¸ tr×nh LPMEOHTM. 20
H×nh 11: S¬ ®å s¶n xuÊt cña qu¸ tr×nh LPMEOHTM C«ng nghÖ LPMEOHTMcã nhiÒu −u ®iÓm h¬n c¸c c«ng nghÖ pha khÝ hiÖn hµnh: chi phÝ ®Çu t− thÊp h¬n 5-23% so víi c«ng nghÖ pha khÝ cã cïng c«ng suÊt vµ chi phÝ s¶n xuÊt thÊp h¬n 2-3% do tiªu thô ®iÖn b»ng 1/4 so víi qu¸ tr×nh pha khÝ. §iÓm ®Æc biÖt quan träng cña c«ng nghÖ LPMEOHTM lµ cã thÓ tæ hîp chóng víi qu¸ tr×nh khÝ ho¸ than. C«ng nghÖ LPMEOHTM chiÕm −u thÕ víi nguyªn liÖu syngas giµu CO ®−îc s¶n xuÊt tõ qu¸ tr×nh khÝ ho¸ than, tõ ®ã, cho phÐp s¶n xuÊt metanol th« t−¬ng ®èi s¹ch chØ qua mét giai ®o¹n chuyÓn ho¸. H¬n n÷a, chÊt láng trong thiÕt bÞ ph¶n øng cã thÓ ®ãng vai trß chÊt ®Öm cho phÐp ®iÒu chØnh sù bÊt æn ®Þnh trong thµnh phÇn syngas mµ thiÕt bÞ ph¶n øng pha khÝ kh«ng thÓ ®iÒu chØnh ®−îc. V× vËy, c«ng nghÖ LPMEOHTM cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh ®−îc c«ng suÊt tuú theo b¶n chÊt cña qu¸ tr×nh khÝ ho¸ than. III.3.3. Nhựa than đá Nhựa than đá (hay còn gọi là nhựa cốc) là sản phẩm lỏng thu được trong quá trình cốc hoá than ở nhiệt độ cao (khoảng 1000oC) trong điều kiện không có không khí. Hơi bay ra khi chưng than đá được ngưng tụ và phân tách thành khí lò cốc ( chứa: H2, CH4, oxit cacbon, NH3, N2, C2H4,…) và nhựa than đá. Chưng nhựa than đá người ta nhận được: 21