BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÓA KHÍ THAN VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LÒ HÓA KHÍ PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM Mã số: Đ2013-02-66 Chủ nhiệm đề tài: TS Trần Thanh Sơn Đà Nẵng, 12/2013 a DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng TS Trần Thanh Sơn Khoa CN nhiệt điện lạnh Công ty CP Năng lượng Hoàng Đạo KS Nguyễn Thanh Phong KS Dương Ngọc Chinh KS Lê Phương Bình KS Lâm Giang a MỤC LỤC MỞ ĐẦU .5 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .6 Chương - TỔNG QUAN VỀ THAN ĐÁ - TẦM QUAN TRỌNG CỦA SỰ KHÍ HOÁ THAN 1.1 Tổng quan than đá 1.2 Tầm quan trọng hóa khí than .8 Chương - QUÁ TRÌNH KHÍ HOÁ THAN 10 2.1 Tổng quan trình khí hóa: .10 2.2 Nhiệt động lực học trình khí hóa .10 2.3 Công nghệ khí hóa than 13 3.1 Các dây chuyền khí hóa than sử dụng Việt Nam 17 3.2 Nhận xét đánh giá 17 Chương – CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH LÒ KHÍ HÓA 18 4.1 Chọn qui trình công nghệ .18 4.2 Tính an toàn cho lò khí hóa 18 Chương KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .20 5.1 Điều kiện thí nghiệm 20 5.2 Kết thí nghiệm: 20 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 23 a DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Trữ lượng than antraxit Quảng Ninh Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật lò hóa khí thương mại Trung Quốc a THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Đề tài vào nghiên cứu, lựa chọn công nghệ hóa khí thiết kế, chế tạo vận hành thử nghiệm thành công lò hóa khí Do thời gian nghiên cứu hạn chế nên ban đầu xác định thành phần CO theo nhiệt độ buồng đốt Các kết thử nghiệm ban đầu cho thấy thành phần khí CO tạo phụ thuộc vào nhiệt độ hóa khí Trong phạm vi thí nghiệm thấy hàm lượng CO khí thành phần tỉ lệ với nhiệt độ buồng đốt đạt ~14% nhiệt độ buồng đốt 800oC Nồng độ khí CO chưa phải cao so với lò hóa khí thương mại kết ban đầu lò hóa khí, kết ban đầu quan trọng từ trước đến đề tài nghiên cứu vấn đề khí hóa Đại học Đà Nẵng chưa đưa Nồng độ CO tăng việc nghiên cứu tối ưu hóa hoàn thành việc đưa thêm nước vào lò thực The project has gone into the study, gasification technology selection and design, fabrication and testing operation successful gasification furnace Because of the limitation of time, the initial results of CO concentration on temperature chamber have been identified The initial results showed that CO component depends on temperature gasification Within the scope of the experiment can be seen as levels of CO in the gas component is proportional to the temperature of the combustion chamber and reached ~ 14 % as chamber temperature is 800oC CO concentration is not high compared with the commercial gasification furnace as these are initial results of the gasification furnace, but this is an important result to date for the research on gasification topic in the Univesity of Dannag CO concentrations will increase as the optimization study was completed as well as the addition of water vapor in the oven is done a MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Khí hóa nhiên liệu rắn giải pháp toàn diện hiệu để chuyển hóa than đá vật liệu có chứa cacbon (các loại nhiên liệu rắn, kể sinh khối, rác thải sinh hoạt phế thải công nghiệp, phế thải nông nghiệp,…) thành nguyên/ nhiên liệu, hoá chất quan trọng CO, H2, N2,… phục vụ cho trình tổng hợp hóa học đặc biệt tạo nguồn nhiên liệu thay hiệu cho loại nhiên liệu đắt đỏ dầu, khí Ngoài ra, việc nắm vững kiến thức công nghệ hóa khí than góp phần vào việc khai thác hiệu mỏ than nâu khổng lồ đồng Bắc Bộ mà với công nghệ khai thác truyền thống (mỏ mở hầm lò) không khai thác Nếu việc khai thác mỏ than thành công Việt Nam nhập than năm tới So với loại nhiên liệu khí dầu than đá có giá thấp ổn định nhiều lần Vì việc tìm giải pháp thay loại nhiên liệu đắt tiền biến động dầu khí quan tâm hàng đầu doanh nghiệp, nhằm giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành, chủ động việc định giá, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm mà tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có nước, đặc biệt than đá Một ưu điểm lớn khác khí hóa hiệu suất sử dụng nhiên liệu nâng cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với phương pháp đốt trực tiếp nhiên liệu Hơn nữa, sử dụng khí hóa nhà máy nhiệt điện giúp nâng cao hiệu suất nhà máy lên nhiều áp dụng chu trình hỗn hợp giảm ô nhiễm môi trường Công nghệ khí hoá than phát triển từ năm 70 kỷ trước Ở nước Mỹ, Đức, Anh, Liên Xô (cũ) v.v… xây dựng chương trình công nghệ chế biến than quy mô cấp nhà nước Đến năm 1980, có hàng chục loại thiết bị xưởng pilot chế biến than theo công nghệ hoá khí, hoá lỏng nhiệt phân đời Công nghệ Texaco, Shell v.v Ở Việt Nam nay, nhiều đơn vị sản xuất lớn như: gạch ốp lát, gốm sứ, chế tạo kết cấu thép, … hầu hết sử dụng nhiên liệu từ khí hoá lỏng(LPG), loại nhiên liệu ngày đắt đỏ dao động theo giá thị trường quốc tế, làm cho chi phí đơn vị sản phẩm tăng lên, dẫn đến giá thành sản phẩm cao hệ tất yếu tính cạnh tranh sản phẩm giảm Vì vậy, để đứng vững thị trường nước quốc tế, doanh nghiệp tìm cách để giảm chi phí sản phẩm giảm chi phí nhiên liệu yếu tố quan tâm hàng đầu Sản phẩm công nghệ khí hóa than giải toán cho doanh nghiệp Tuy nhiên, hầu hết doanh nghiệp nước sử dụng công nghệ khí hoá than nước ngoài, hầu hết sử dụng công nghệ khí hoá than Trung Quốc Ở Việt Nam chúng ta, việc nghiên cứu công nghệ khí hoá than có số đề tài, việc tổ chức nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thiết kế a mẫu lò khí hoá than đá kiểu ngược chiều phục vụ thí thí nghiệm”, cấp thiết, bước để nắm vững kiến thức hóa khí, công việc có ý nghĩa lớn tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường, ứng dụng rộng rãi Việt Nam, để dần thay thiết bị nhập từ nước Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu việc nghiên cứu thiết kế mẫu lò khí hoá than đá qui mô thí nghiệm Nhiệm vụ nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài : Trên sở phân tích, tổng hợp, đánh giá việc sử dụng công nghệ khí hoá than nay, nhiệm vụ đưa cụ thể: - Đánh giá tổng quan tình hình sử dụng nhiên liệu than Việt Nam nói chung miền Trung – Tây Nguyên nói riêng - Nghiên cứu tính toán trình khí hoá than - Khảo sát lò khí hoá than Việt Nam - Nghiên cứu thiết kế mẫu lò khí hoá than đá kiểu ngược chiều qui mô thí nghiệm - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số vận hành đến sản phẩm khí tạo thành - Rút kết luận hướng phát triển đề tài Phương pháp nghiên cứu Để thực nghiên cứu đề tài khoa học này, cần phải kết hợp hai phương pháp sau : * Phương pháp nghiên cứu lý thuyết : Bao gồm nghiên cứu sở lý luận, sở lý thuyết, đặc điểm than, công nghệ khí hoá than * Phương pháp nghiên cứu khảo sát thực tiễn : Sau nghiên cứu, tính toán trình công nghệ khí hoá than, cần phải khảo sát thực tiễn việc sử dụng công nghệ khí hoá than, sau đưa nhận xét đánh giá Thiết kế, chế tạo nghiên cứu thực nghiệm lò thí nghiệm a Chương - TỔNG QUAN VỀ THAN ĐÁ - TẦM QUAN TRỌNG CỦA SỰ KHÍ HOÁ THAN 1.1 Tổng quan than đá Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ trình trầm tích thực vật đầm lầy cổ cách hàng trăm triệu năm Khi lớp trầm tích bị chôn vùi, gia tăng nhiệt độ, áp suất, cộng với điều kiện thiếu ôxy nên thực vật (thực vật chứa lượng lớn cellulose, hợp chất chứa C, O, H) bị phân hủy phần Dần dần, hydrro ôxy tách dạng khí, để lại khối chất giàu cacbon than Sự hình thành than trình lâu dài phải trải qua hàng chuỗi bước Ở giai đoạn tùy thuộc điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian v.v ) mà có dạng than khác theo hàm lượng cacbon tích lũy 1.1.1 Phân bố than giới Than dạng nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng phong phú nhất, tìm thấy chủ yếu Bắc bán cầu Các mỏ than lớn nằm Mỹ, Nga, Trung Quốc Ấn Độ Các mỏ tương đối lớn Canada, Đức, Balan, Nam Phi, Úc, Mông Cổ, Brazil Trữ lượng than Mỹ chiếm khoảng 23,6% giới 1.1.2 Than đá Việt Nam Trữ lượng than đá đánh giá 3,5 tỷ có vùng Quảng Ninh 3,3 tỷ (tính đến độ sâu - 300m); lại gần 200 tr.T nằm rải rác tỉnh: Thái Nguyên, Hải Dương, Bắc Giang 1.1.2.1 Than antraxit Quảng Ninh: Than Quảng Ninh phân theo vùng cấp trữ lượng : Bảng 1.1 Trữ lượng than antraxit Quảng Ninh Đơn vị: Triệu Tổng số Tr đó: Phần theo cấp trữ lượng ABC1 A+B C1 ABC1 C2 (%) Vùng Cẩm Phả - Dương 1.205 Huy 318 693 1.011 194 31,45 Vùng Hòn Gai 710 36 332 368 342 9,78 1.410 112 788 900 510 12,44 3.325 466 Vùng Uông Bí - Bảo Đài Cộng 1.813 2.279 1.046 20,45 Đối với việc khai thác than bể Quảng Ninh trước đây, có thời kỳ sản lượng lộ thiên chiếm đến 80%, tỷ lệ thay đổi, 60%, tương lai xuống thấp Vì mỏ lộ thiên lớn giảm sản lượng, đến cuối giai đoạn 2015 - 2020 có mỏ không sản lượng; mỏ lộ thiên lớn không có, có số mỏ sản lượng 0,5 - tr.T/n Tỷ lệ sản lượng than a hầm lò tăng, nói lên điều kiện khai thác khó khăn tăng, chi phí đầu tư xây dựng khai thác tăng, dẫn tới giá thành sản xuất tăng cao Cho nên, trữ lượng địa chất bể than Quảng Ninh tỷ tấn, trữ lượng kinh tế 1,2 tỷ trữ lượng công nghiệp đưa vào quy hoạch xây dựng giai đoạn từ đến 2010 - 2020 mức 500 - 600 triệu Mức độ khai thác xuống sâu - 150m Còn từ -150m đến -300m, cần phải tiến hành thăm dò địa chất, kết thăm dò thuận lợi, thiết bị công nghệ khai thác tiên tiến, việc đầu tư cho mức -150m xem xét vào sau năm 2020 1.1.2.2 Than antraxit vùng khác Có nhiều trữ lượng than đá antraxit khác nằm rải rác tỉnh: Hải Dương, Bắc Giang, Thái Nguyên, Sơn La, Quảng Nam, với trữ lượng từ vài trăm nghìn đến vài chục triệu Ở nơi này, quy mô khai thác thường từ vài nghìn đến 100 200 ngh.T/n Tổng sản lượng không 200 ngh.T/n 1.1.2.3 Than khác Ngoài ra, Việt Nam có bể than nâu đồng song Hồng mà trữ lượng ước đạt khoảng 200 tỉ Tuy nhiên, than nâu nằm độ sâu lớn có lượng nước ngầm lớn nằm chủ yếu đồng Bắc nên việc khai thác theo phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn Vì vậy, khí hóa phương pháp tối ưu để khai thác mỏ than 1.2 Tầm quan trọng hóa khí than 1.2.1 Tác hại việc đốt than trực tiếp tới môi trường 1.2.1.1 Ảnh hưởng việc khai thác than Có hai dạng mỏ than `vỉa than lộ thiên bề mặt (sâu < 30m) hầm mỏ than nằm sâu lòng đất Việc khai thác vỉa than mặt (surface-mining) có ưu điểm so với khai thác hầm mỏ (subsurface, underground mining) tốn hơn, an toàn cho người thợ mỏ nói chung, cho phép khai thác than triệt để Tuy nhiên, khai thác bề mặt lại gây vấn đề môi trường "xóa sổ" hoàn toàn thảm thực vật lớp đất mặt, làm gia tăng xói mòn đất làm nơi trú ngụ nhiều sinh vật Hơn nữa, nước thoát từ mỏ chứa axit khoáng độc, gây ô nhiễm nước, ô nhiễm đất Việc khai thác than hầm mỏ sâu lòng đất lại nguy hiểm, xác suất rủi ro cao Ở Mỹ, suốt kỷ 20 có 90.000 người thợ mỏ chết tai nạn hầm mỏ, thường công nhân hầm mỏ có nguy cao bệnh ung thư nám phổi 1.2.1.2 Ảnh hưởng việc đốt than Hạn chế lớn việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung than nói riêng gây ô nhiễm không khí phát thải CO2, SO2, NOx Tính đơn vị nhiệt lượng phát đốt than thải nhiều chất ô nhiễm nhiên liệu hóa thạch khác (dầu, khí) Chính vậy, việc đốt than gián tiếp góp phần vào a trình biến đổi khí hậu làm suy thoái môi trường toàn cầu mà bật tượng hiệu ứng nhà kính mưa axit 1.2.2 Tầm quan trọng khí hoá than : Khí hóa than phương pháp toàn diện để chuyển hóa than, nguồn nguyên liệu rẻ tiền sẵn có với trữ lượng khổng lồ nhiều nơi giới, vật liệu có chứa cacbon (kể sinh khối, rác thải sinh hoạt phế thải công nghiệp) thành nguyên liệu hoá chất quan trọng CO, H2, dạng lượng nhiệt năng, điện a Chương - QUÁ TRÌNH KHÍ HOÁ THAN 2.1 Tổng quan trình khí hóa: Khí hóa than trình dùng oxy (hoặc không khí, không khí giàu oxy, oxy thuần, nước hydro, nói chung gọi chất khí hóa) phản ứng với than nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí; nhiên liệu gọi chung khí than với thành phần cháy chủ yếu CO, H2, CH4 dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, công nghiệp 2.2 Nhiệt động lực học trình khí hóa 2.2.1 Vấn đề cân phản ứng Về mặt lý thuyết - dựa công thức nhiệt động để tính số cân phản ứng trình khí hóa Hầu hết công thức thực nghiệm dựa sở thí nghiệm graphit Tuy sử dụng để tính toán nồng độ khí sản phẩm trạng thái cân Thường coi hệ gồm N2, CO, CO2, H2, CH4 H2O Có thể dựa vào phương trình sau để xác định thành phần cân Phương trình xác định số cân phản ứng: CO2 + C p CO K P1 = p CO2 2CO (2.1) Phương trình xác định số cân phản ứng: CO + H2O CO2 + H2 K P2 = p CO p H2 p CO p H 2O (2.2) Phương trình xác định số cân phản ứng: C + 2H2 CH4 K P3 = p CH p H2 (2.3) Ba phần ứng coi phản ứng hai chiều chủ yếu trình khí hóa Phương trình cân tổng áp suất hệ: P = p N2 + p CO2 + p CO + p H2 + p CH4 + p H2O (2.4) Nếu p oH2O , p oCO2 áp suất riêng phần cấu tử tương ứng chất khí hóa, đưa vào thiết bị phản ứng biết H2Oo phân hủy tạo H2, CH4 cộng với phần chưa phân hủy; O o2 tạo thành CO2, CO phần thành H2O, ta có A= p oH2O 2p oO2 + p oH2O = 2p CH4 + p H2O + p H2 2p CO2 + p H2O + p CO (2.5) Toàn Nitơ chất khí hóa chuyển nguyên vẹn sang sản phẩm: 10 a B= Nếu gọi β = p oN2 2p oO2 + p oH2O p oH2O 2p oO2 = α = 2p N 2p CO2 + p H2O + p CO p oN2 2p oO2 (2.6) chất khí hóa không khí với nước Áp suất thổi gió áp suất hệ P, nghĩa là: P = p oH2O + p oCO2 + p oN (2.7) Hệ phương trình cho phép rút thành phần cân hệ quan hệ với thành phần chất khí hóa, ngược lại Giá trị số cân ba phản ứng tra theo bảng Trong trường hợp chuyển đổi đơn vị đo lường giá trị số cân bằng, gần coi khí lý tưởng để áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng Phương trình cuối là: β p CO + (3β + 2α + 2) p H2 + 2β + 2α + p CO p H2 K p1.K p + (4β + 4α + 4) K p3 p 2H = 2βP (2.8) chọn giá trị p H2 thay vào phương trình 8, tính p CO , thay vào (2.1) tìm p CO2 , từ (3.3) tìm p CH4 v.v Chính xác hơn, tính qua fougat hệ số fougat; tính hệ số fougat qua áp suất tỷ đối nhiệt độ tỷ đối thường gặp tính toán nhiệt động Trong khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới cân phản ứng - tập trung quan tâm vào phản ứng hai chiều, chiếm vai trò quan trọng trình khí hóa: phản ứng CO2 + C 2CO Nguyên nhân do: phản ứng (2.2) xảy mức độ không đáng kể điều kiện xúc tác, nhiệt độ cao vùng khí hóa; phản ứng (2.3) xảy với tốc độc thấp áp suất thường; thêm tốc độ phản ứng (2.2) chậm; mong muốn có hàm lượng CO cao nhóm hợp chất cacbon khí sản phẩm, CO tương ứng với H2, sau phản ứng chuyển hóa Những tính toán dựa nguyên lý cân cho kết biểu diễn hình 2.1 Đây kết cho biết mối quan hệ định lượng Như đứng mặt cân hệ, coi phản ứng khử CO2 tạo CO C phản ứng khống chế nên tận lượng nâng cao nhiệt độ khí hóa đến giới hạn nhiệt độ nóng chảy xỉ Ở giới hạn nhiệt độ, việc giảm áp có lợi, mặt khác ngăn chặn phản ứng tổng hợp metan - tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận theo độ tăng áp suất khí hóa 11 a Hình 2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất tới nồng độ CO trạng thái cân Nếu trình khí hóa dùng chất khí hóa không khí Đây trường hợp khí hóa chế tạo khí than khô, trình thực phản ứng nhằm tích trữ nhiệt lò khí hóa, để cung cấp cho bước phản ứng thu nhiệt chế tạo khí than ẩm, khí than ướt theo chế độ làm việc gián đoạn - chu kỳ Người ta coi trình xảy hai phản ứng sau: C + O2 + 3,76 N2 = CO2 + 3,76 N2 CO2 + C = 2CO Khi dựa vào phương trình sau: Phương trình cân bằng: Kp = p CO p CO2 (2.9) Phương trình tính tỷ lệ phân tử nitơ oxy: p N2 p CO2 + 0,5p CO = p' N p' O = 3,76 (2.10) p' - áp suất riêng phần không khí Phương trình tính tổng áp: P = p CO2 + p CO + p N2 (2.11) Từ (2.9), (2.10), (2.11) cho phép tính thành phần CO trạng thái cân phản ứng: 4,76p CO + 2,88 p CO - P = Kp 2.2.2 Vấn đề động học phản ứng 12 a Thực trình khí hóa, quan trọng phản ứng chính, khống chế chất lượng trình khí hóa - phản ứng hệ đồng khí - rắn Như vậy, theo quy luật chung, trình phản ứng hóa học, trình truyền nhiệt, truyền chất ảnh hưởng đến tốc độ trình khí hóa Ở xét số phản ứng 2.2.2.1 Phản ứng cháy than với oxy Ngay từ kết nghiên cứu phản ứng oxy than gỗ, Rhead & Wheeler (1910) đưa giả thiết chế, mà chấp nhận Đó là: Trước hết than hấp phụ oxy tạo thành hợp chất trung gian (HCTG): xC + y O2 = CxOy Sau tùy điều kiện phản ứng, HCTG phân hủy thành sản phẩm: CxOy = mCO2 + nCO Tỷ lệ m/n thay đổi theo nhiệt độ phân hủy; nhiệt độ cao tỷ lệ nhỏ Phản ứng nằm miền khống chế trình truyền chất - tốc độ trình phản ứng phụ thuộc vào hệ số khuếch tán đối lưu (phản ứng dòng chảy) nồng độ oxy pha khí (ở nồng độ oxy bề mặt zero phản ứng chiều) Trong thực tế phản ứng khí hóa miền nhiệt độ 1000 ~ 1100oC, tiến hành nhanh Trong lò lớp sôi bỏ qua ảnh hưởng tốc độ phản ứng Trong lò tầng cố định, phản ứng diễn tầng than mỏng cỡ 100mm đến 200mm; tầng oxy hóa liền kề với lớp xỉ mũ gió 2.3 Công nghệ khí hóa than 2.3.1 Lò khí hóa tầng cố định chế tạo khí than ẩm Hình 2.4 giới thiệu nguyên lý làm việc lò áp suất thường 13 a Hình 2.4 Nguyên lý làm việc lò khí hoá tầng cố định chế tạo khí than ẩm Hình 2.5 cho thấy ví dụ biến thiên nhiệt độ, thành phần khí theo chiều cao lò Qua quan sát trình phản ứng sau: Nếu than nguyên liệu vào từ lò, qua mâm tháo xỉ đáy tháo dần khỏi lò, tầng than di động từ xuống Chất khí hóa ngược chiều, theo chiều dòng chất khí hóa, ta quan sát thấy có vùng phản ứng sau: VI- vùng xỉ Xỉ than nóng gặp chất khí hóa, nâng nhiệt độ chất khí hóa từ khoảng 60oC lên khoảng 420oC, thân xỉ nguội xuống nhiệt độ trước thải V- vùng oxy hóa Vùng xảy phản ứng cháy than oxy chất khí hóa tạo thành CO, CO2 theo phản ứng (2.1), (2.2), (2.5), phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ tăng nhanh chóng tới mức gần nhiệt độ hóa mềm xỉ IV- vùng khử Ở xảy phản ứng nước than theo phản ứng (2.3), (2.4) Phần CO2 tạo thành phản ứng (2.1), (2.5) bị khử C theo phản ứng (2.7) Hầu hết phản ứng thu nhiệt Đặc điểm dễ thấy hàm lượng H2O, CO2 khí giảm, nhiệt độ tầng than giảm III- vùng khử phụ Ở tiếp tục phản ứng khử CO2 (2.7) xảy loạt phản ứng thứ cấp quanh miền 700oC ÷ 800oC II- vùng chưng than Ở xảy trình chưng khô than thường gọi vùng chuẩn bị Đỉnh vùng chuẩn bị vùng sấy (đôi coi vùng II, III vùng chuẩn bị) 14 a I- Trên vùng không gian tự dễ gom khí, tách phần than bị nổ vỡ Ở không xảy phản ứng đáng kể Với loại lò này, tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng trình khí hóa hiệu suất khí hóa, mặt khác cần tính đến định mức tiêu hao nước cho 1m3 sản phẩm Ảnh hưởng đến tiêu phức tạp Bao gồm chủng loại than; chọn cường độ khí hóa (chỉ lượng than đốt đơn vị tiết diện lò đơn vị thời gian); chọn chế độ nhiệt, bao gồm nhiệt độ lò tổng hạng mục ảnh hưởng đến cân nhiệt; tỷ lệ không khí/ nước tỷ lệ oxy bổ sung Tất tính toán xác dựa thành phần khí than đảm bảo yêu cầu sản xuất Hình 2.5 Sự biến thiên nhiệt độ, thành phần khí theo chiều cao lò Ở đề cập đến thông số quan trọng hiệu ứng nhiệt trình giải pháp 2.3.2 Lò khí hóa tầng cố định, chế tạo khí than ướt Về cấu trúc lò, dây chuyền tương tự khí hóa than ẩm Ở để sản xuất khsi than, thành phần chủ yếu H2 CO; chất khí hóa H2O Cũng trên, vấn đề hiệu ứng trình khí hóa âm Hình 2.7 giới thiệu loại lò, vỉ quay với tốc độ chậm khoảng 120 phút/vòng nhằm tháo xỉ khỏi lò Thân lò gồm hai phần Phần vỏ bọc, sản xuất nước từ nguồn nhiệt làm lạnh lò Phần lót gạch chịu lửa than chất khí hóa ngược chiều 15 a Hình 2.6 Các sơ đồ lò khí hoá tầng cố định, tạo khí than ướt Hình 2.7 Lò khí hóa than tầng cố định vỉ quay 3.3.3 Lò lớp sôi chế tạo khí than ướt Lò lớp sôi thuộc loại thiết bị trộn lý tưởng Tới trạng thái làm việc ổn định tính chất hệ (bao gồm tính chất hóa học - Ví dụ thành phần hệ, tính chất vật lý) đồng toàn khoảng không gian lớp sôi Ở không phân vùng phản ứng Thiết bị mang đầy đủ ưu điểm nhược điểm loại lò phản ứng khí rắn Loại lò sớm lò F Winkler 3.3.4 Lò tầng di động Trong lò tầng di động, nguyên liệu dạng bột than bùn chất khí hóa phun vào đỉnh lò tạo lửa cháy mạnh, nhiệt độ tâm lưỡi lửa lên tới 2000oC Trong dòng chảy hạt thể huyền phù Kích thước hạt than cỡ 0,1mm Toàn trình khí hóa kết thúc miền cự ly 0,5m cách miệng phun, thời gian phản ứng cỡ 0,1 giây Tổng thời gian dừng than lò khoảng giây Ở thực tạo dòng chảy liên tục Xỉ hóa lỏng phun nước làm lạnh tạo viên, 70% tách khỏi đáy lò, 30% theo khí, lò làm việc áp suất thường Chất khí hóa gồm: Lượng oxy: 0,85 ÷ 0,9 kg/kg than, tỷ lệ nước/than: 0,3 ~ 0,34 kg/kg than, hiệu suất sử dụng than 98% Ngoài loạt công nghệ khí hóa áp suất cao, song tỷ lệ hệ áp suất cao áp dụng lĩnh vực chế tạo khí tổng hợp thấp 16 a Chương – KHẢO SÁT CÁC LÒ KHÍ HÓA THAN SỬ DỤNG PHỔ BIẾN TẠI VIỆT NAM HIỆN NAY 3.1 Các dây chuyền khí hóa than sử dụng Việt Nam Ở Việt Nam, hấu hết lò khí hoá than có xuất xứ từ Trung Quốc, số có xuất xứ từ châu Âu Đề nghiên cứu dây chuyền công nghệ, ta xem xét đánh giá dây chuyền khí hoá than sử dụng Việt Nam Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống khí hoá than đá nhà máy Gạch Đồng Tâm 3.2 Nhận xét đánh giá Hiện nay, Việt Nam, hấu hết lò khí hoá than sử dụng công ty, nhà máy Trung Quốc sản xuất nhập qua tập đoàn, công ty Công ty cổ phần Tân Phát, Công ty Minh An Các đơn vị sử dụng lò khí hoá than : nhà máy thép An Khánh, Nhíp (Hà Nội), Việt Đức (Vĩnh Phúc), Xuân Hưng, Thành Lợi (Đà Nẵng),Trường Thành, Prime, Đồng Tâm (Quảng Nam ) Vì vậy, ta nhận thấy lò khí hoá than chủ yếu sử dụng nhà máy thép, nhà máy gốm, sứ, gạch men… Đối với Việt Nam chúng ta, việc nghiên cứu lò khí hoá than nhiều nhà khoa học nghiên cứu, nhiên đến chưa có đơn vị chế tạo hệ thống khí hóa hoàn chỉnh 17 a Chương – CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH LÒ KHÍ HÓA 4.1 Chọn qui trình công nghệ Ở đây, ta chọn lò khí hoá than tầng cố định Trong lò khí hoá loại này, than vít tải tải từ lên đến phễu cấp than đưa lên lớp phễu, không khí nước ngược lại từ lên, chúng phát sinh phản ứng hoá học trao đổi lượng nhiệt 10 12 15 11 13 14 Hình 4.1 Cấu tạo lò khí hoá than đá – Bao cụm ống thủy, – Đường nước cấp, – Áo nước,4 – đường nước, – Đường khói ra, – Van xả đáy, – Quạt gió, – Lổ cấp gió, – Cửa mồi lửa, 10 – Lớp bong bảo ôn, 11 – Vít tải than, 12 –Động vít tải, 13 – phểu thải xỉ, 14 – Máng nước, 15 – Bơm nước cấp 4.2 Tính an toàn cho lò khí hóa Trong lò hoá khí than, việc đảm bảo an toàn vận hành quan trọng, an toàn xuất phát từ an toàn thiết bị (khách quan) an toàn vận hành (chủ quan) Vì vậy, lò khí hoá cần phải bố trí thiết bị an toàn 18 a 4.2.2 Lò hóa khí thí nghiệm: Sử dụng công thức tính toán lò hóa khí cố lớp cố định, kiểu ngược chiều ta tính toán thiết kế chế tạo lò hóa khí qui mô thí nghiệm hình sau: Hình 4.2 Lò hóa khí thí nghiệm 19 a Chương KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 Điều kiện thí nghiệm Trong thí nghiệm này, than cám 4a Công ty than miền Trung sử dụng để khí hóa Than đưa vào phễu chứa liệu vít tải đưa vào lò cách liên tục Gió quạt gió thổi qua hệ thống cấp gió vào buồng phân phối phía hệ thống hóa khí Lưu lượng gió điều khiển thong qua biến tần Nhiệt độ gió cấp đo đồng hồ đo nhiệt độ Nhiệt độ buồng lửa vị trí cách mặt lớp than 100mm đo cặp nhiệt Nhiệt độ thành phần khí đo cửa lò hóa khí thiết bị phân tích thành phần khí IMR 2800P (USA) 5.2 Kết thí nghiệm: Hình 6.1 hình chụp than cám sử dụng thí nghiệm Hình 6.2 hình ảnh lửa theo nhiệt độ buồng hóa khí khác Khi nhiệt độ buồng lửa tăng lên nhận thấy màu lửa thay đổi chiều dài lửa tăng lên Hình 6.3 thể nồng độ CO khí tạo thành theo nhiệt độ buồng lửa Trong thí nghiệm lượng không khí cấp vào lò hóa khí không thay đổi Từ độ thị nhận xét sau: nồng độ khí CO tăng lên theo nhiệt độ Tuy nhiên, nồng độ thấp lò hóa khí thương mại (đến 27%), điều hạn chế thời gian nên số lần thí nghiệm chưa nhiều, chưa thay đổi thông số vận hành khác lượng không khí cấp, nhiệt độ khí cấp, nước, … lò hóa khí thực tế Tác giả hi vọng tỉ lệ nâng lên thí nghiệm Hình 5.1 Than sử dụng thí nghiệm 20 a b t = 400oC c t = 500oC d t = 700oC a t = 600oC e t = 800oC Hình 5.2 Hình ảnh lửa nhiệt độ buồng đốt khác 21 a 20% %CO 15% 10% 5% 0% 200 400 600 800 1000 Hình 5.3 Nồng độ CO khí theo nhiệt độ buồng đốt 22 a KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận: Đề tài vào nghiên cứu, lựa chọn công nghệ hóa khí thiết kế, chế tạo vận hành thử nghiệm thành công lò hóa khí Do thời gian nghiên cứu hạn chế nên ban đầu xác định thành phần CO theo nhiệt độ buồng đốt Các kết thử nghiệm ban đầu cho thấy thành phần khí CO tạo phụ thuộc vào nhiệt độ hóa khí thể Mặc dù tỉ lệ CO khí hóa chưa cao mong muốn, kết ban đầu quan trọng từ trước đến đề tài nghiên cứu vấn đề khí hóa Đại học Đà Nẵng chưa đưa Với phạm vi thí nghiệm đề tài thấy hàm lượng CO khí thành phần tỉ lệ với nhiệt độ buồng đốt đạt ~14% nhiệt độ buồng đốt 800oC(trong phạm vi thí nghiệm) Nồng độ khí CO chưa phải cao so với lò hóa khí thương mại kết ban đầu lò hóa khí Nồng độ CO tăng việc nghiên cứu tối ưu hóa hoàn thành việc đưa them nước vào lò thực Hướng phát triển: - Tiếp tục nghiên cứu sâu yếu tố vận hành khác nhiệt độ buồng đốt, lượng gió cấp, nước, tỉ lệ gió/hơi nước, thành phần kích thước nhiên liệu,…đến thành phần khí hóa - Xác định nhiệt trị nâng cao nhiệt trị khí tạo thành (nâng cao tỉ lệ CO, H2) - Nghiên cứu khí hóa loại nhiên liệu khác biomass,… 23 [...]... các công thức tính toán lò hóa khí cố lớp cố định, kiểu ngược chiều ta tính toán thiết kế và chế tạo được lò hóa khí qui mô thí nghiệm như hình sau: Hình 4.2 Lò hóa khí thí nghiệm 19 a Chương 5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 Điều kiện thí nghiệm Trong thí nghiệm này, than cám 4a của Công ty than miền Trung được sử dụng để khí hóa Than được đưa vào phễu chứa liệu và được vít tải đưa vào lò một cách liên tục Gió... độ tăng của áp suất khí hóa 11 a Hình 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới nồng độ CO ở trạng thái cân bằng Nếu quá trình khí hóa dùng chất khí hóa là không khí Đây là trường hợp khí hóa chế tạo khí than khô, hoặc quá trình thực hiện phản ứng này nhằm tích trữ nhiệt trong lò khí hóa, để rồi cung cấp cho các bước phản ứng thu nhiệt trong chế tạo khí than ẩm, khí than ướt theo chế độ làm việc gián... tầng oxy hóa này liền kề với lớp xỉ trên mũ gió 2.3 Công nghệ khí hóa than 2.3.1 Lò khí hóa tầng cố định chế tạo khí than ẩm Hình 2.4 giới thiệu nguyên lý làm việc của lò này dưới áp suất thường 13 a Hình 2.4 Nguyên lý làm việc của lò khí hoá tầng cố định chế tạo khí than ẩm Hình 2.5 cho thấy một ví dụ về sự biến thiên nhiệt độ, thành phần khí theo chiều cao của lò Qua đó có thể quan sát quá trình phản... thấy rằng lò khí hoá than hiện nay chủ yếu được sử dụng ở các nhà máy thép, nhà máy gốm, sứ, gạch men… Đối với Việt Nam chúng ta, việc nghiên cứu lò khí hoá than đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, tuy nhiên đến nay vẫn chưa có một đơn vị nào chế tạo được một hệ thống khí hóa hoàn chỉnh 17 a Chương 4 – CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH LÒ KHÍ HÓA 4.1 Chọn qui trình công nghệ Ở đây, ta chọn lò khí hoá than tầng... ra trong quá trình khí hóa, quan trọng nhất là những phản ứng chính, khống chế chất lượng quá trình khí hóa - phản ứng hệ đồng nhất khí - rắn Như vậy, theo quy luật chung, quá trình phản ứng hóa học, quá trình truyền nhiệt, truyền chất đều ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình khí hóa Ở đây xét một số phản ứng chính 2.2.2.1 Phản ứng cháy của than với oxy Ngay từ những kết quả đầu tiên nghiên cứu phản...a Chương 2 - QUÁ TRÌNH KHÍ HOÁ THAN 2.1 Tổng quan về quá trình khí hóa: 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... không khí/ hơi nước hoặc tỷ lệ oxy bổ sung Tất cả đều được tính toán chính xác dựa trên thành phần khí than đảm bảo yêu cầu của sản xuất Hình 2.5 Sự biến thiên nhiệt độ, thành phần khí theo chiều cao của lò Ở đây đề cập đến một thông số quan trọng đó là hiệu ứng nhiệt của quá trình và giải pháp 2.3.2 Lò khí hóa tầng cố định, chế tạo khí than ướt Về cấu trúc lò, dây chuyền tương tự như khí hóa than. .. thí nghiệm 20 a b t = 400oC c t = 500oC d t = 700oC a t = 600oC e t = 800oC Hình 5.2 Hình ảnh ngọn lửa tại nhiệt độ buồng đốt khác nhau 21 a 20% %CO 15% 10% 5% 0% 200 400 600 800 1000 Hình 5.3 Nồng độ CO trong khí theo nhiệt độ buồng đốt 22 a KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1 Kết luận: Đề tài đã đi vào nghiên cứu, lựa chọn công nghệ hóa khí và đã thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm thành công lò hóa khí. .. đầy đủ ưu điểm và nhược điểm của loại lò này trong phản ứng khí rắn Loại lò sớm nhất là lò của F Winkler 3.3.4 Lò tầng di động Trong lò tầng di động, nguyên liệu dưới dạng bột than hoặc bùn cùng chất khí hóa được phun vào đỉnh lò tạo ngọn lửa cháy khá mạnh, nhiệt độ tâm lưỡi lửa có thể lên tới 2000oC Trong dòng chảy hạt ở thể huyền phù Kích thước hạt than cỡ 0,1mm Toàn bộ quá trình khí hóa kết thúc trong... 2.6 Các sơ đồ lò khí hoá tầng cố định, tạo khí than ướt Hình 2.7 Lò khí hóa than tầng cố định vỉ quay 3.3.3 Lò lớp sôi chế tạo khí than ướt Lò lớp sôi thuộc loại thiết bị trộn lý tưởng Tới trạng thái làm việc ổn định tính chất của hệ (bao gồm tính chất hóa học - Ví dụ thành phần hệ, tính chất vật lý) đồng nhất trong toàn khoảng không gian lớp sôi Ở đây không còn phân vùng phản ứng nữa Thiết bị này mang