Công nghệ sản xuất khí hóa than

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHĨM BÁO CÁO

HỌC KÌ 1, NĂM HỌC 2021-2022
Nhóm 02 (lớp thứ 3, tiết 10-12)
Tên đề tài : Cơng nghệ sản xuất khí than
TỶ LỆ %

STT

HỌ VÀ TÊN

MSSV

1

Mã Nguyên Dương

19128010

100%

2

Đào Vũ Nhật Hạ

19128029

100%

3

Nguyễn Thị Tú Linh

19128044

100%

4

Nguyễn Thanh Phú

19128060

100%

5

Trịnh Bảo Tín

19128084

100%

6

Vũ Minh Triết

19128088

100%

7

Phạm Thành Trung

19128095

100%

HỒN THÀNH

Ghi chú:
- Tỷ lệ - 100%
- Trưởng nhóm: Mã Nguyên Dương

________________________________________________________
*Nhận xét của giảng viên
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 7 tháng 10 năm 2021
Giảng viên chấm điểm


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Bảng thông số các kiểu công nghệ..................................................... 13
Bảng 2.2. Thành phần khí than khơ từ than cốc và than nâu..............................18

Bảng 3.1 số liệu thành phần nước thải khí hóa than điển hình...........................29

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Trữ lượng than đá thế giới năm 2017....................................................2
Hình 1.2. Ứng dụng của than đá............................................................................3
Hình 1.3. Một số sản phẩm có nguồn gốc từ khí hóa than................................... 5
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ.................................................................... 9
Hình 2.2.Các cấu hình thiết bị khí hóa cơ bản.................................................... 13
Hình 2.3. Lị khí hóa tầng cố định......................................................................14
Hình 2.4. Thiết bị khí hóa tầng sơi...................................................................... 15
Hình 2.5. Thiết bị khí hóa dịng cuốn..................................................................16
Hình 2.6. Thiết bị khí hóa vận chuyển................................................................ 17
Hình 2.7. Phản ứng xảy ra ở các tầng................................................................. 18
Hình 2.8. Quy trình sản xuất than ướt.................................................................20
Hình 2.9. Biểu đồ phần trăm phân tử khí thu được.............................................21
Hình 2.10. Sơ đồ quy trình sản xuất methanol....................................................22
Hình 2.11. Quy trình CO Shift............................................................................ 23
Hình 2.12. Sơ đồ thiết bị quy trình Claus............................................................24
Hình 2.13. Đầu đốt OXYCLAUS....................................................................... 25
Hình 2.14. Sơ đồ xử lý khí thải hồn lưu Lưu huỳnh......................................... 26
Hình 2.15. Quy trình khí đi Sunfreen..............................................................26


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 : THAN ĐÁ – CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ THAN....................... 2
1.1. Tổng quan về than đá....................................................................................... 2
1.1.1 . Nguồn than đá trên thế giới...................................................................... 2
1.1.2 . Nguồn than đá ở Việt Nam.......................................................................2
1.1.3 . Ứng dụng của than đá...............................................................................3

1.2. Ảnh hướng – Giải pháp cho việc sử dụng than đá.......................................... 4
1.2.1 . Ảnh hưởng của việc đốt than trực tiếp tới môi trường............................ 4
1.2.2 . Giải pháp tạo nguyên liệu sạch và bền vững........................................... 4
1.3. Giới thiệu chung về cơng nghệ khí hóa than................................................... 6
1.3.1 . Khí than - Cơng nghệ khí hóa than......................................................... 6
1.3.2 .Sơ lược về lịch sử phát triển khí hóa than.................................................6
CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ HĨA THAN............9
2.1. Quy trình sản xuất........................................................................................... 9
2.2. Xử lý nguyên liệu...........................................................................................10
2.3. Quá trình khí hóa............................................................................................11
2.3.1 . Phản ứng giữa Oxy và Cacbon...............................................................11
2.3.2 . Phản ứng giữa Cacbon và CO2...............................................................12
2.3.3 . Phản ứng giữa cacbon và hơi nước........................................................ 12
2.3.4 . Phản ứng methane hóa............................................................................12
2.3.5 . Phản ứng khác thiết bị khí hóa............................................................... 12
2.4. Cơng nghệ khí hóa than................................................................................. 13
2.4.1 . Khí hóa tầng cố định...............................................................................14
2.4.2 . Khí hóa tầng sơi......................................................................................15
2.4.3 . Khí hóa dịng cuốn..................................................................................16
2.4.4 . Khí hóa vận chuyển................................................................................ 16
2.5. Sản xuất khí than ướt và khí than khơ........................................................... 17
2.5.1 . Sản xuất khí than khơ............................................................................. 17
2.5.2 . Sản xuất khi than ướt..............................................................................19
2.6. Một số quy trình phụ trợ................................................................................ 22


2.6.1 . CO Shift – Phản ứng chuyển dịch CO – nước.......................................22
2.6.2 . Hoàn lưu lưu huỳnh................................................................................23
CHƯƠNG 3 : KINH TẾ VÀ MƠI TRƯỜNG........................................................... 28
3.1. Vấn đề mơi trường......................................................................................... 28

3.2. Vấn đề kinh tê:............................................................................................... 30
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 31


MỞ ĐẦU
Khí hóa than khí là loại khí áp dụng cơng nghệ chuyển đổi các sản phẩm có
thành phần từ giàu Cacbon như than, lốp xe, nước thải, mạt cưa, gỗ và nhựa thải tổng
hợp thành khí tổng hợp để sử dụng cho các mục đích sau này. Thành phần chủ yếu của
sản phẩm khí bao gồm CO, CO2, H2, CH4 và các tạp chất khác như H2S và NH3. Khác
với việc đốt than trực tiếp thì cơng nghệ hóa than khí sử dụng O2 hoặc khơng khí trong
điều kiện đảm bảo về áp suất và nhiệt độ để phản ứng hóa khí có thể xảy ra. Sau khi
được tổng hợp, khí thành phẩm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như làm nguyên
liệu cho các turbin trong nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện năng; làm nguyên liệu
cho các q trình tổng hợp các chất hóa học khác như Amoniac, Methanol, DME,
MTBE… hoặc trực tiếp sử dụng làm nguyên liệu cho các turbin phát điện, là nguồn
nhiên liệu Hydro sạch cho xe tương lai… Hơn thế nữa hóa than khí được coi là ngành
được coi là một trong những ngành công nghiệp sôi nổi nhất thế giới. Hiện nay có
khoảng 128 nhà máy sản xuất đang hoạt động với 336 lò phản ứng và sản xuất khoảng
42700 MW khí tổng hợp. Ngồi ra tiềm năng hoạt động của những nhà máy đang được
xây dựng rất lớn ước tính tới 27000MW. Nhìn chung, khả năng sản xuất một cách hiệu
quả điện năng, hydro và các nguyên liệu hoá chất khác, cũng như khả năng cắt giảm
khí gây ơ nhiễm, đang làm cho cơng nghệ khí hóa than trở thành một trong những
công nghệ hứa hẹn nhất cho các ngành năng lượng và hoá chất của tương lai, nhất là
khi giá các nguồn ngun liệu dầu khí có xu hướng dao động mạnh trước những biến
động kinh tế, chính trị trên thế giới và ngày càng trở nên khan hiếm hơn. Ngồi việc
sản xuất các ngun liệu đầu vào thì hiện nay một trong những sản phẩm của q trình
hóa than khí đó là sản xuất điện năng thơng qua quy trình IGCC (Intergrated
Gasification Combnied Cycle). Điện năng được sản xuất theo quy trình IGCC được
coi là loại năng lượng sạch hơn và có hiệu quả hơn so với cách đốt than truyền thống
vì thế sản xuất năng lượng theo phương thức này có thể sẽ là một ước ngoặc quan

trọng của việc sử dụng lượng than còn lại trong tương lai.
Chính vì những lợi ích của khí hóa than cộng thêm với việc truyền đạt kiến thức
cho mọi người nên nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài: “Cơng nghệ khí hóa
than và ứng dụng thực tiễn” làm đề tài chính của tiểu luận mơn Cơng nghệ sản xuất
các hợp chất vô cơ.
1


CHƯƠNG 1: THAN ĐÁ – CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ THAN
1.1. Tổng quan về than đá
Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ q trình trầm tích thực vật trong những đầm
lầy cổ cách đây hàng trăm triệu năm. Khi các lớp trầm tích bị chơn vùi, do sự gia tăng
nhiệt độ, áp suất, cộng với điều kiện thiếu oxy nên thực vật (thực vật chứa một lượng
lớn cellulose, hợp chất chứa C, O, H) chỉ bị phân hủy một phần nào. Dần dần, hydro
và oxy tách ra dưới dạng khí, để lại khối chất giàu cacbon là than.
Sự hình thành than là một quá trình lâu dài và phải trải qua hàng chuỗi các bước.
Ở từng giai đoạn và tùy thuộc từng điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian v.v...) mà
chúng ta có được các dạng than khác nhau theo hàm lượng cacbon tích lũy trong nó.
1.1.1. Nguồn than đá trên thế giới
Trữ lượng than đã xác minh toàn thế giới đến năm 2017 là 1.035.012 triệu tấn, có
thể khai thác trong 134 năm với mức sản lượng năm 2017 (7.724 triệu tấn). Than tập
trung chủ yếu ở Bắc bán cầu, trong đó đến 4/5 thuộc về Trung Quốc, Hoa Kỳ, Liên
Bang Nga, Ukraine, Cộng hòa Liên Bang Đức, Ấn Độ, Australia, Ba Lan. Trong đó trữ
lượng than antraxit và bitum là 718.310 triệu tấn (chiếm 69,4%), than asbitum và than
non (lignite) là 316.702 triệu tấn (chiếm 30,6%).
1.1.2. Nguồn than đá ở Việt Nam

Hình 1.1. Trữ lượng than đá thế giới năm 2017

Than đá là một nguồn năng lượng chiếm tỷ trọng cao trong cơ cấu sử dụng năng

lượng truyền thống và cơ bản. Trữ lượng than đá tại các mỏ than đang được khai thác
2


và đã dị tìm được ở Việt Nam rất lớn, gồm đầy đủ tất cả các loại than đá: Than
Antraxit, Than Mỡ, Than Á Bitum, Than Nâu và Than Bùn. Các tỉnh như Quảng Ninh,
Thái Nguyên, Bắc Cạn, Sông Đà, Sông Cả, Đồng Bằng Sông Hồng, Na Dương là
những nơi tập trung phần lớn trữ lượng than đá tại Việt Nam với những mỏ than lớn
đang được khai thác và đưa vào sử dụng. Hai mỏ than có trữ lượng lớn nổi bật là:
Mỏ than Quảng Ninh: Bắt đầu được đưa vào khai thác từ những năm 1839,
Quảng Ninh là mỏ than quan trọng bậc nhất, với trữ lượng lên tới 10,5 tỷ tấn và đã
thăm dò được 3.5 tỷ tấn chiếm khoảng 67% sản lượng than đang được khai thác hiện
nay, cùng vị trí sát biển thuận tiện cho việc vận chuyển than đến thị trường quốc tế.
Mỏ than đồng bằng sông Hồng: Với trữ lượng lên tới 200 tỷ tấn than nằm sâu
dưới 2500m nằm bên dưới Đồng bằng Bắc Bộ có lượng nước ngầm lớn, dễ xảy ra tình
trạng sụt lún nên gây khó khăn cho việc khai thác than theo phương thức truyền thống.
1.1.3. Ứng dụng của than đá
Than đá là một nguồn nguyên liệu, nhiên liệu hóa thạch được sử dụng phổ biến
trong các ngành cơng nghiệp với vai trị là một trong những ngun liệu cơ bản để
luyện thép, nguyên liệu trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng, nguyên liệu trong
ngành vải sợi tổng hợp.

Hình 1.2. Ứng dụng của than đá

Nhiên liệu cấp nhiệt và năng lượng trong các ngành công nghiệp. Đặc biệt trong
ngành nhiệt điện, tổng sản lượng than đá tiêu thụ để sản xuất điện năng hàng năm trên
thế giới chiếm khoảng 32% và ở nước ta lên đến 68%.
Ứng dụng trong ngành cơng nghiệp nhiên liệu và khí đốt: khí gas sau khi đốt và
nén được sử dụng cho mục đích sinh hoạt; than hóa lỏng chuyển đổi thành nhiên liệu
3

tổng hợp có tính chất tương tự xăng và dầu diesel.Bên cạnh các ngành cơng nghiệp thì
trong lĩnh vực y tế, mỹ phẩm… than đá cũng có những ứng dụng quan trọng khơng
kém. Qua đó có thể thấy than đá là một nguồn nguyên liệu, nhiên liệu rất quan trọng
trong sản xuất và cả đời sống hằng ngày.
1.2. Ảnh hướng – Giải pháp cho việc sử dụng than đá
1.2.1. Ảnh hưởng của việc đốt than trực tiếp tới môi trường
Mặc dù than đá là một nguồn nguyên liệu sẵn có quan trọng đang được ngành
công nghiệp sử dụng rất nhiều nhưng khơng thể khơng kể đến những ảnh hưởng của
nó tác động đến mơi trường.
Q trình sản xuất than địi hỏi một lượng nước lớn, nước tiếp xúc với than trong
quá trình khai thác bị nhiễm bẩn, gây nhiễm độc nguồn nước ngầm hoặc nguồn nước
khu vực gần đó.
Q trình đốt cháy than trong quá trình sản xuất tạo ra khí gây hiệu ứng nhà kính
và các chất gây độc hại khác như cacbon, lưu huỳnh… Than là nguồn nhiên liệu sản
xuất gây ô nhiễm hơn bất kỳ nguyên liệu nào khác.
Hoạt động khai thác than cũng làm thay đổi hệ sinh thái và môi trường sống, chất
tạo ra trong quá trình khai thác than cũng là tác nhân gây ra mưa axit.
Nhưng với trữ lượng lớn và những ứng dụng rộng rãi của nó mang lại thì khơng
thể phủ nhận than đá là một nguồn nguyên liệu và nhiên liệu quan trọng. Vì thế hiện
nay đang có xu hướng nghiên cứu và phát triển các công nghệ than “ sạch” với mục
đích hạn chế các tác động tiêu cực mà nó gây đối với mơi trường và con người.
1.2.2. Giải pháp tạo nguyên liệu sạch và bền vững
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều nước tiến ngành nghiên cứu và đưa vào sử
dụng các nguồn nguyên liệu sạch, ít phát thải hoặc tận dùng các nguồn năng lượng tái
tạo như gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt,... tuy nhiên chi phí đầu tư khá lớn, yêu cầu
kỹ thuật cao để có thể phát triển trên quy mơ rộng. Đó là một trong những lý do mà
nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá vẫn cịn được sử dụng rộng rãi ngày nay. Để
hạn chế những ảnh hưởng tiêu cực của việc sản xuất than đá cũng như phát thải trong

q trình đốt than trực tiếp thì cơng nghệ than sạch như : khí hóa than, hóa lỏng than
đá, kết hợp các biện pháp kỹ thuật trong quá trình đốt than trực tiếp.
Công nghệ than “sạch” nổi bật nhất chính là khí hóa. Khí hóa than là một phương pháp
4


tồn diện và sạch nhất để chuyển hóa than – một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và có trữ
lượng lớn ở nước ta hiện nay thành các nguyên liệu hóa chất quan trọng như CO, H2,
CH4 và các dạng năng lượng như nhiệt năng và điện năng.
Khác với quá trình đốt than trực tiếp, cơng nghệ khí hóa than tành các thành phần
hóa chất cơ bản khác. Trong thiết bị khí hóa hiện đại, than được tiếp xúc với khơng khí
và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao được kiểm sốt chặt chẽ. Trong điều kiện đó, các
phân tử cacbon trong than sẽ tham gia phản ứng hóa học tạo ra hỗn hợp CO, H2, CH4
và các khí thành phần khác.

Hình 1.3. Một số sản phẩm có nguồn gốc từ khí hóa than

Các loại khí có trong khí than được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều
sản phẩm hóa chất quan trọng như amoniac, methanol, các sản phẩm hữu cơ,… hoặc
dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện. Khí hóa than cũng là phương pháp tốt
nhất để sản xuất nhiên liệu hidro sạch cho xe ô tô của tương lai và pin nhiên liệu dùng
để phát điện.
Cơng nghệ khí hóa than cịn mang lại lợi ích lớn về mặt môi trường trong việc sử
dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ơ nhiễm có trong khí than.
5


Điển hình như : lưu huỳnh có trong than được chuyển thành dạng H2S và được thu giữ
hoặc chuyển hóa thành thương phẩm; nito có trong khí thanh sẽ được chuyển thành
amoniac có thể thu giữ được và dùng để sản xuất phân bón hoặc các hóa chất khác

thay vì thải ra mơi trường.
Cơng nghệ khí hóa than khai thác tối ưu nguồn nguyên liệu than đá đồng thời hạn
chế các ảnh hưởng xấu đến mơi trường vì vậy nó đang dần được nghiên cứu và phát
triển ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam.
1.3. Giới thiệu chung về cơng nghệ khí hóa than
1.3.1. Khí than – Cơng nghệ khí hóa than
Khí than là một nhiên liệu khí dễ cháy được tạo ra từ than và được cung cấp cho
người dùng thông qua hệ thống phân phối đường ống. Nó được sản xuất khi than được
đốt nóng mạnh trong điều kiện khơng có khơng khí. Khí than chứa nhiều loại nhiệt
lượng bao gồm H2, CO, CH4 và CxHy dễ bay hơi và một lượng nhỏ tạp chất như N2,
CO2, H2S. Khí than là phương pháp tồn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một
nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới,
hoặc các vật liệu có chứa cacbon (kể cả sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải cơng
nghiệp) thành các ngun liệu hố chất quan trọng như CO, H2, và các dạng năng
lượng như nhiệt năng, điện năng.
Khác với việc đốt than trực tiếp, cơng nghệ khí hóa chuyển hóa than - thực tế là
nguyên liệu cacbon hành các thành phần hoá chất cơ bản. Trong thiết bị khí hóa hiện
đại, than được tiếp xúc với khơng khí (hoặc oxy) và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao
được kiểm soát chặt chẽ. Trong những điều kiện đó, các phân tử cacbon trong than sẽ
tham gia các phản ứng hoá học tạo ra hỗn hợp CO, H2 và các khí thành phần khác.
1.3.2.Sơ lược về lịch sử phát triển khí hóa than
Tình hình khí hóa than trên thế giới,
Mặc dù than đã được sử dụng làm nguyên liệu rất lâu về trước nhưng mãi tới
những năm cuối cùng của thế kỷ 18 thì việc sản xuất khí hóa than mới bắt dầu rục rịch
phát triển. Vào năm 1792, kỹ sư người Scotland William Murdock đã phát hiện ra cách
chuyển hóa than thành khí đốt từ thanh cốc. Vào năm 1816 công ty sản xuất khí hóa
than được thành lập với cách thức tương tự. Vào năm 1850 quy trình sản xuất khí hóa
than có nước được phát minh ở châu Âu. Than và than cốc được chuyển hóa hồn tồn
6

thành khí bằng cách cho phản ứng với khơng khí và hơi nước nhưng tại thời điểm này,
khí được sản xuất có giá trị phát nhiệt khi đốt rất thấp, chỉ khoảng 3500-6000KJ/m3.
Sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1970 thì khí hóa than được coi là giải pháp thay
thế khí thiên thiên từ đó phát triển ngành cơng nghiệp khí hóa than trên tồn thế giới.
Ở Trung Quốc, hiện nay các nhà máy sản xuất NH3 đi từ than điển hình ở Trung
Quốc là Hóa chất Ngơ Kinh, Liễu Hóa, Hà Trì, An Hóa, Lỗ Nam, Thạch Gia Trang,
v.v... đa số các nhà máy này vẫn sử dụng các lị khí hóa kiểu cũ (LURGI) với kích cỡ
2.745,3.000 và 3.600 để khí hóa than. Trong số các nhà máy này có một số nhà
máy đang sử dụng lị khí hóa than theo cơng nghệ TEXACO, như là các nhà máy ở Lỗ
Nam, Ngô Kinh, v.v... Trong vài năm gần đây, Công ty Shell Global Solution và
Sinopec của Trung Quốc đã tiến hành một số dự án liên doanh, 50 - 50, sử dụng cơng
nghệ khí hóa than theo cơng nghệ SHELL để sản xuất phân bón. Nhà máy SINOPEC/
SHELL công suất than 2000 tấn/ ngày đặt tại Dongting - Hunan, cách Đông Nam
Thượng Hải 900km. Nhà máy sẽ sử dụng nguyên liệu than thay thế cho Naphtha để
sản xuất khí tổng hợp phục vụ ngành sản xuất phân bón. Vào năm 2004 nhà máy trị
giá 140 triệu USD này sẽ đi vào vận hành.
Ở Mỹ chính phủ nước này đang khuyến khích áp dụng cơng nghệ khí hóa than
như một phương pháp giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường của các nhà máy nhiệt
điện đốt than. Chính phủ nước này đã phân bổ 2 tỷ USD cho chương trình nghiên cứu
gọi là "Cơng nghệ than sạch". đó là sự phát triển có thể mở đường cho sự xuất hiện các
nhà máy tổng hợp, vừa sản xuất điện vừa sản xuất các hóa chất đi từ khí tổng hợp như
Amoniac và Methanol.
Khí hóa than ở Việt Nam,
Bằng cách khí hố than có thể chuyển hố được các loại nhiên liệu rắn chất
lượng thấp, chứa nhiều ẩm, tro, nhiệt cháy thấp thành nhiên liệu thể khí có chất lượng
cao hoặc tạo thành khí tổng hợp dùng trong cơng nghệ hố học. Do có thể sử dụng các
loại than có chất lượng thấp để sản xuất khí than có giá trị cơng nghiệp nên khí hóa
than sẽ mở ra một triển vọng tốt cho các vùng than chất lượng thấp để phát triển cơng
nghiệp. đặc biệt ở các tỉnh phía Bắc nơi có nhiều than cám, than bụi (Quảng Ninh)

cũng như tại các vùng than nhỏ khác ở Tây Bắc chúng ta cũng nghiên cứu trữ lượng để
có thể đưa vào sản xuất.
7


Một số ứng dụng khí hóa than trong đời sống,
Sử dụng làm chất đốt cho các nhà máy, xí nghiệp; thường là nguồn nguyên liệu
để sản xuất Amoniac và Methanol.
Với nguồn ngun liệu đa dang, thì sản xuất khí hóa than được coi là một
phương tái chế rác thải sinh hoạt.

8


CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ HĨA THAN
2.1. Quy trình sản xuất

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ

(1) - Khí oxi và nước được cấp vào lị phản ứng từ bên dưới có vai trị là tác nhân
khí hóa. Than đá sau khi qua q trình xử lí được đưa vào lị phản ứng từ bồn phía trên,
9


và được dẫn từ từ xuống bên dưới tạo thành 2 luồng chuyển động ngược chiều.
(2) - Sự trao đổi nhiệt bên trong lị phản ứng gây ra q trình biến đổi than thành
khí. Nhiệt bên trong lị được kiểm soát bằng hơi nước trong phạm vi cho phép đủ để
thiêu kết thành tro khô. Tro khô được thải liên tục qua một ống dẫn ở đáy lò phản ứng.
(3) - Sản phẩm khí có lẫn bụi than tạo ra qua bộ trao đổi nhiệt và ngưng tụ để loại
bỏ nước và hydrocacbon.

(4) - Sau đó được dẫn đến bộ phận làm sạch khí loại bỏ H2S, CO2. Khí sau khi
được làm sạch được đưa đến lò phản ứng metan hóa đến tổng hợp khí metan.
(5) - Các khí được loại bỏ khỏi quy trình tổng hợp được thu giữ hoặc tái sử dụng
làm nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp khác.
2.2. Xử lý nguyên liệu
a) Xử lý kích thước
Về phần than trước khí được đưa đi hóa khí thì than phải được sấy khơ và nghiền
nhỏ than với các đường kính thích hợp. về phần quy trình sấy thì thơng thường than
được sấy dựa trên nhiệt và khí tự nhiên làm nhiên liệu. đối với khí hóa than, điều này
tương đương với việc làm sạch than. Sau khi sấy thì than được đưa vào máy nghiền để
nghiền. Đối với thiết bị khí hóa tầng chuyển động, điều này có thể bị hạn chế ở việc
nghiền than sau đó sàng lọc ra các cục cần thiết để hóa khí. Đối với than cốc hoặc than
cần có kích thước mịn hơn, điều này cần thiết với các thiết bị khí hóa dịng chảy thì
cần phải đưa vào máy nghiền con lăn để sử dụng nghiền.
b) Xử lý độ ẩm
Quy trình sấy khô thông thường dựa trên nhiệt và thường sử dụng khí tự nhiên
làm nhiên liệu. Đối với thiết bị khí hóa than, điều này tương đương với việc sử dụng
khí sạch để làm khơ than, và do đó một sản phẩm chính được sử dụng để làm khơ thức
ăn chăn ni. Thực sự thì điều này khơng hấp dẫn vì nó làm giảm hiệu suất năng lượng
tổng thể. Vì vậy, để làm khô than, tốt hơn là sử dụng nhiệt thải có nhiệt độ thấp thích
hợp.
Trong một sơ đồ, giải pháp hợp lý nhất sẽ là làm khơ nó tiếp xúc trực tiếp với khí
thải ấm từ bộ tạo hơi thu hồi nhiệt (HRSG) của tuabin khí. Trong trường hợp này, nhiệt
độ thấp được sử dụng để làm khô. Tuy nhiên, sự xả khí từ tất cả các tuabin khí hiện
nay chứa khoảng 15 mol oxy, điều này gây ra nguy cơ cháy tự phát trong máy sấy.
10


Việc tái chế khí thải trở lại đầu vào của máy nén để thay thế một phần của dịng khí dư
lớn, như đã thảo luận trong, sẽ làm giảm hàm lượng oxy xuống 3-5 % mol và sẽ loại

bỏ được vấn đề này. Than khơ sau đó vẫn u cầu một hệ thống điều áp than riêng biệt.
Sử dụng bùn nước than giúp loại bỏ vấn đề làm khô than. Bằng cách phun than
dưới dạng bùn nước than vào khí nóng rời khỏi bộ khí hóa, việc sử dụng có thể được
tạo ra bằng nhiệt thải trong khí nhiên liệu để làm bay hơi nước khỏi than, trong khi vẫn
cho phép sử dụng máy bơm bùn than thanh lịch hơn để điều áp. Ví dụ, nguyên tắc này
được sử dụng trong quy trình E-Gas . Tuy nhiên, vấn đề vẫn cịn là việc làm khơ bằng
các khí nóng như vậy ln dẫn đến nguy cơ hình thành một số hắc ín và một trong
những ưu điểm của thiết bị khí hóa xỉ dịng chảy cuốn theo là khơng có vịi nào được
hình thành trong thiết bị khí hóa thích hợp. Mặc dù tốt hơn so với sử dụng khí tổng
hợp sạch hoặc khí tự nhiên để làm khơ, nhưng việc sử dụng nhiệt độ hợp lý ở nhiệt độ
cao như vậy để làm khô cũng không hấp dẫn lắm.
2.3. Quá trình khí hóa
Khí hóa than là q trình dùng chất khí hóa (hoặc khơng khí, hoặc khơng khí giàu
oxy, hoặc oxy thuần, hơi nước hoặc hydro) 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 cơng nghiệp. Hầu hết các q trình khí hóa diễn ra ở nhiệt độ cao trong
khoảng 800-1800oC.
Các phản ứng chính diễn ra trong hệ thống khí hóa được trình bày dưới đây:
2.3.1. Phản ứng giữa Oxy và Cacbon
Tất cả các phản ứng này đều tỏa nhiệt cao, cung cấp nhiệt cho các phản ứng tạo
khí thu nhiệt tiếp theo. Bởi vì thiết bị khí hóa hoạt động trong điều kiện giàu nhiên liệu,
O2 hoàn toàn bị tiêu thụ trước khi các phản ứng cụ thể này tiêu thụ hết cacbon.
2C(s) + O2(g) → 2CO(g)

∆H0rxn = -221,31 kJ/gmole

(2.1)

2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g)

∆H0rxn = -566,65 kJ/gmol

(2.3)

∆H0rxn = -71,44 kJ/gmole

(2.5)

C(s) + O2(g) → CO2(g)

2H2(s) + O2(g) → 2H2O(g)

2CH4(s) + O2(g) → 2CO(g) + 4H2(g)

∆H0rxn = -393,98 kJ/gmole

(2.2)

∆H0rxn = -484,23 kJ/gmole

(2.4)

11


2.3.2. Phản ứng giữa Cacbon và CO2
C(s) + CO2(g) → 2CO(g)

∆H0rxn = +172,67 kJ/gmole

(2.6)

Phản ứng này được gọi là phản ứng Boudouard ngược và là một phản ứng thu

nhiệt. Ngoài ra, phản ứng phản ứng Boudouard ngược bị ức chế bởi sự hiện diện của
các sản phẩm, cụ thể là CO.

2.3.3. Phản ứng giữa cacbon và hơi nước
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

∆H0rxn = +131,46 kJ/gmole

CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g)

∆H0rxn = -41,21 kJ/gmole

(2.9)

C(s) + 2H2(g) → CH4(g)

∆H0rxn = -79,94 kJ/gmole

(2.10)

2CO + 2H2 ↔ CH4 + CO2

∆H0rxn = -247,4 kJ/gmole

(2.12)

C(s) + 2H2O ↔ CO2 + 2H2

∆H0rxn = +90,25 kJ/gmole

2.3.4. Phản ứng metan hóa

(2.7)
(2.8)

Các con đường phản ứng để hình thành CH4 từ cacbon trong chất khí:

CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O

CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O

Phản ứng cải tạo hơi nước metan:

CH4(g) + H2O(g) ↔ CO(g) + 3H2(g)

2.3.5. Phản ứng khác thiết bị khí hóa

∆H0rxn = -206,2 kJ/gmole

(2.11)

∆H0rxn = -165,0 kJ/gmole

(2.13)

∆H0rxn = 206,2 kJ/gmole

(2.14)

Ở nhiệt độ cao, phản ứng giữa nito, lưu huỳnh và khí phản ứng (O2, H2O, H2, và

một số thành phần trong sản phẩm, ví dụ như CO, CO2) có thể xảy ra, một số trong
được thể hiện dưới đây:
S + O2 → SO2

SO2 + 3H2 ↔ H2S + 2H2O
SO2 + 2CO ↔ S + 2CO2

2H2S + SO2 → 3S + 2H2O
C(s) + 2S ↔ CS2
CO + S ↔ COS

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

2N2 + 2H2O + 4CO ↔ 4HCN + 3O2
N2 + xO2 ↔ 2NOx

12


2.4. Cơng nghệ khí hóa than
Khi sản xuất khí hóa than, người ta phải cân nhắc hai yếu tố đó là thể loại, chất
lượng than sử dụng làm nguyên liệu khí hóa và mục tiêu sử dụng các sản phẩm khí thu
được. Khơng phải tất cả các loại than đều thích hợp cho q trình khí hóa như nhau và
các cơng nghệ khí hóa khác nhau có các u cầu về nguyên liệu khác nhau được quyết

định bởi: hàm lượng tro; độ ẩm của than, nhiệt độ nóng chảy của tro; kích thước của
hạt.
Hiện nay, có rất nhiều kiểu lị phản ứng đã và đang được sử dụng rất đa dạng.
Tùy thuộc vào kích cỡ của than và cách lị phản ứng tiếp xúc với than, khí phản ứng
mà có thể áp dụng một trong bốn kiểu cơng nghệ khí hóa cơ bản là: khí hóa than tầng
cố định, khí hóa than tầng sơi, khí hóa than dịng cuốn và khí hóa vận chuyển.

Hình 2.2.Các cấu hình thiết bị khí hóa cơ bản

Bảng 2.1. Bảng thơng số các kiểu cơng nghệ

13


2.4.1. Khí hóa tầng cố định
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.

Hình 2.3. Lị khí hóa tầng cố định
(a) Ngun lý làm việc lị khí hóa tầng cố định và (b) thiết bị lị khí hóa tầng cố định

Trong q trình sản xuất khí, than được nạp từ trên và di chuyển từ từ xuống
dưới, chất khí hóa đi ngược chiều. Theo chiều đi của dịng chất khí hóa, ta có thể quan
sát thấy có những vùng phản ứng như sau:
VI- vùng xỉ. Xỉ than nóng gặp chất khí hóa, nâng nhiệt độ chất khí hóa từ khoảng
60oC lên khoảng 420oC, bản thân xỉ nguội xuống nhiệt độ trước khi thải ra ngồi.
V- vùng oxy hóa. Vùng này xảy ra phản ứng cháy giữa than và oxy trong chất khí
hóa tạo thành CO, CO2 theo các phản ứng, do phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ tăng
nhanh chóng tới mức gần nhiệt độ hóa mềm của xỉ.

IV- vùng khử chính. Ở đây xảy ra phản ứng giữa hơi nước và than theo phản ứng
(2.7), (2,8). Phần CO2 tạo thành bị khử bởi C theo phản ứng (2.6). Hầu hết các phản
ứng này đều thu nhiệt.
Đặc điểm dễ thấy là hàm lượng H2O, CO2 trong khí giảm, nhiệt độ tầng than
giảm.
III- vùng khử phụ. Ở đây tiếp tục phản ứng khử CO2 (3.6) và xảy ra một loạt
phản ứng thứ cấp quanh miền 700oC ÷ 800oC.
14


II- vùng chưng than. Ở đây xảy ra quá trình chưng khô than thường gọi là vùng
chuẩn bị. Đỉnh vùng chuẩn bị là vùng sấy (đôi khi coi vùng II, III là vùng chuẩn bị).
I- Trên cùng là vùng không gian tự do dễ gom khí, tách một phần than bị nổ vỡ.
Ở đây không xảy ra phản ứng nào đáng kể.
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 cịn nồng độ cacbon trong pha rắn giảm dần. Tuy nhiên 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 q trình khơng cao.
2.4.2. Khí hóa tầng sơi
Thiết bị khí hóa tầng sơi thuộc loại thiết bị trộn lý tưởng, điển hình là thiết bị
Winkler. Tất cả các quá trình diễn ra đồng thời, khơng cịn phân vùng phản ứng. Vơi,
đá vơi hoặc đá dolomit có thể được thêm vào để loại bỏ lưu huỳnh trong tầng. Việc thu
giữ lưu huỳnh giới hạn nhiệt độ tối đa trong các thiết bị khí hóa này xuống khoảng
1.832 F hoặc thấp hơn, điều này cũng giúp tro khơng bị xỉ.

Hình 2.4. Thiết bị khí hóa tầng sơi

Các lị tầng sơi phức tạp hơn so với các lị phản ứng cố định trong đó các bong
bóng khí dư tạo ra và thúc đẩy q trình trộn, sự trộn lẫn khí và chất rắn tốt hơn dẫn

đến vận chuyển giữa các pha tốt hơn và chuyển hóa than tốt hơn. Ngồi ra, chuyển
động cơ học của các chất rắn đối với nhau về cơ bản sẽ làm sạch tro bụi khỏi các hạt.
15


2.4.3. Khí hóa dịng cuốn
Trong các thiết bị khí hóa này, các hạt nhỏ phân tán rộng được gia nhiệt đến nhiệt
độ cao để tạo xỉ và khí hóa nhanh chóng. Một số đặc điểm như: thu được nguyên liệu
đồng nhất, làm khơ bùn và tách sản xuất khí ra khỏi q trình thu hồi nhiệt. Các thiết
bị này có hiệu suất gas lạnh tương đối thấp và nhu cầu O2 cao .

Hình 2.5. Thiết bị khí hóa dịng cuốn
(a) Thiết bị khí hóa dịng cuốn và (b) thủy động học của khí hóa dịng cuốn

Bộ khí hóa dịng cuốn theo khá đơn giản đối với việc chuyển đổi hạt than và khí
phản ứng. Chúng hoạt động theo phương thức đồng dịng với chất rắn và khí chuyển
động theo dịng lên hoặc dịng xuống như trong Hình 2.5. Dịng chảy khơng đồng đều
có thể xảy ra dẫn đến trộn khối kém, cacbon khơng phản ứng và các điểm nóng
2.4.4. Khí hóa vận chuyển
Bộ khí hóa vận chuyển dựa trên trường dịng thủy động lực học tồn tại trong
cơng nghệ cracking xúc tác của Kellogg, Brown and Root (KBR). Nó có khả năng tiếp
xúc khí - chất rắn tuyệt vời và khả năng truyền khối lượng rất thấp giữa chất khí và
chất rắn. Nó có bầu khơng khí hỗn loạn cao cho phép sản lượng than cao và tốc độ tỏa
nhiệt cao ở nhiệt độ thấp, tránh được các vấn đề về xử lý xỉ và xói mịn lớp lót.

16


Hình 2.6. Thiết bị khí hóa vận chuyển

Lị phản ứng vận chuyển là các tầng sơi tuần hồn có thủy động lực học phức tạp
hơn so với các lò phản ứng tầng sôi cố định hoặc các tầng sôi sủi bọt. Trong loại lị
phản ứng này, cả khí dư và chất rắn dư đều được đưa vào bình phản ứng ở đó vận tốc
khí lớn mang chất rắn đi lên. Các chất rắn dư thừa có xu hướng hình thành các cụm
hoạt động giống như các hạt lớn và rơi trở lại tầng dậy thấp hơn, nơi chúng vỡ ra và
bắt đầu tăng trở lại. Các lò phản ứng này có sự trộn lẫn khí và chất rắn tốt hơn dẫn đến
vận chuyển giữa các pha tốt hơn và chuyển hóa than tốt hơn. Ngồi ra, chuyển động cơ
học của các chất rắn đối với nhau về cơ bản sẽ làm sạch tro bụi khỏi các hạt.
2.5. Sản xuất khí than ướt và khí than khơ
Tùy theo tác nhân khí hóa mà người ta thu được các loại khí than khác nhau như
khí than khơ, khí than ướt, khí than hỗn hợp,…
2.5.1. Sản xuất khí than khơ
Khí than khơ là hỗn hợp khí thu được sau khi thổi khơng khí đi qua lị gas với lớp
than nun nóng đỏ. Ở phần dưới của lị thì cacbon bị cháy biến đổi thành cacbon đioxit..
Khí than khơ là khí than nhận được khi tác nhân khí hóa là khơng khí. Theo q trình
thuận
Tại vùng khí hóa sẽ xảy ra các phản ứng sau: (khu vực cháy)
C + O2 = CO2

(1) – Tầng xì

2C + O2 = 2CO

(2) – Tầng oxi hóa

Nito của khơng khí khơng tham gia phản ứng
17


C + CO2 = 2CO

(3) – Tầng khử

2CO + O2 = 2CO2

(4) – Tầng nhiệt phân

Hình 2.7. Phản ứng xảy ra ở các tầng

Do than dùng trong khí hóa ngồi C cịn có chứa H, O, N, S, v.v... đồng thời khả
năng khử CO2 thành CO không bao giờ thực hiện được hồn tồn, vì vậy trong thành
phần khí than ngồi CO, N2 cịn có H2, CH4, H2S... và các sản phẩm của q trình bán
cốc hóa ở khu cực bán cốc.
Thành phần của khí than khơ: Dưới đây là thành phần khí than khơ đi từ than cốc
và than nâu.
Bảng 2.2. Thành phần khí than khơ từ than cốc và than nâu
Thành phần khí, %V
Than

Nhiệt
cháy

CO

H2

CH4

CO2

N2

Than cốc

32,2

0,5

_______

1,5

66,8

996

Than nâu

29,0

4,0

2,0

5,0

60,0

1159

Kcal/N.m3

Khí CO là thành phần chính của khí than khơ. 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 q 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.
18


Trong điều kiện như vậy tro xỉ đều bị chảy lỏng, các lớp lót trong lị bị ăn mịn
rất mạnh vì xỉ lỏng nóng tác dụng rất mạnh với các vật liệu chịu lửa. Do vậy, vật liệu
lót lị thường phải là các loại cao cấp, như gạch chịu lửa manhêzit. Tháo xỉ ở dạng lỏng.
Khí than khơ 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 lị khá cao (800 ÷ 9000C), hiệu suất khí thấp. Trong lị khí hóa,
nhiệt độ ở khu vực cháy rất cao nên vật liệu lót lị 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.
Lĩnh vực sử dụng khí than khơ
Do thành phần khí than khơ 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.
2.5.2. Sản xuất khi than ướt
Khí than ướt là tên gọi của hỗn hợp khí của cacbon monoxide (CO) và hydrogen
(H2). Được sản xuất bằng cách cho hơi nước đi qua than nóng đỏ dẫn đến sự hình

thành hỗn hợp khí.
a) Phương pháp sản xuất khi than khơ – bằng phương pháp gián đoạn
Thổi nóng ( đưa khơng khí vào)
(1) C+ O2 +N2  CO2 + N2 +96.7kcal/mol
Thổi lạnh ( đưa hơi nước vào)
Lớn hơn 1000C : (2) C+H2O  CO +H2 -31,3 kcal/mol
Bé hơn 1000 C: (3) C+ 2H2O CO2 +2H2 +21.5 kcal/mol

19


Hình 2.8. Quy trình sản xuất than ướt

Nung nóng các lớp than trong lị bằng cách đưa khơng khí vào lò trước để thực
hiện phản ứng cháy, làm cho lớp than bị nóng đỏ lên, có nhiệt độ cao, sau đó mới đưa
hơi nước vào để thực hiện phản ứng khí hóa. Khi đưa khơng khí vào, trong lị xảy ra
phản ứng cháy toả nhiệt mạnh. Lúc này nhiệt độ lò sẽ cao, nhiệt được giữ lại ở trong
các lớp than của lị. Ngừng đưa khơng khí, đồng thời chuyển hơi nước vào lị lúc lị
đang có nhiệt độ cao. Phản ứng khí hóa than với hơi nước sẽ xảy ra. Sản phẩm khí lúc
này chứa chủ yếu CO và H2, đồng thời nhiệt được tích lũy từ trước sẽ bị tiêu hao dần
làm cho nhiệt độ trong lò hạ xuống, khi nhiệt độ giảm xuống 1000oC sẽ xảy ra phản
ứng (3), nên để tối ưu hố thì cần giữ nhiệt độ trong khoảng 1000-1100oC. Lúc này
phải ngừng việc đưa hơi nước vào lị và tiến hành đưa khơng khí vào lị để duy trì phản
ứng cháy, toả nhiệt cung cấp nhiệt cho q trình khí hóa tiếp theo. Các quá trình này
phải tiến hành gián đoạn và lặp lại theo những chu kỳ nhất định với các tác nhân
không khí - hơi nước - khơng khí, ...
Khuyết điểm của phương pháp gián đoạn
Lị khí hóa than dùng gió hơi nước có hiệu suất khí hóa thực tế đạt 50 - 60%.
Như vậy nếu tính tổng số mất mát do than phải qua quá trình cháy (để cấp nhiệt cho
phản ứng khử) theo xỉ và thất thốt ra mơi trường xung quanh (khoảng 5%) thì cứ

100kg ngun liệu chỉ cịn 50 - 60kg than tham gia phản ứng C + H2O để sản xuất khí

20