đề tài khí hóa than

ĐỀ TÀI

Khí hóa than
MỤC LỤC
1. GIỚI THIỆU CHUNG 8
2. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CÁC KIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ
HÓA THAN 10
2.1. Khí hóa than tầng cố định (đường kính cục than 10  100
mm) 11
2.1.1. Quá trình khí hóa thuận 11
C + CO
2
= 2CO  Q
1
13
C + H
2
O = CO + H
2
 Q
2
13
2.1.2. Quá trình khí hóa nghịch 14
2.1.3. Khí hóa liên hợp 15
2.1.4. Ưu nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định 16
2.2. Khí hóa than tầng sôi (Đường kính cục than từ 0 - 10mm) 18
2.2.1. Đặt vấn đề 18
2.2.2. Tốc độ gió trong khí hóa dạng tầng sôi 18
4g . 
T

. d 19
3 . C . 
khí
19
2.2.3. Đặc điểm và ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi 20
2.2.4. Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi 21
2.2.5. Sơ đồ khí hóa tầng sôi kiểu Winkler 21
2.3. Khí hóa than dạng dòng cuốn (than cám, than bụi đường kính 0
- 2mm) 23
2.4. Tóm tắt về ba phương pháp khí hóa than 25
3. SẢN XUẤT KHÍ THAN KHÔ VÀ KHÍ THAN ƯỚT 29
3.1. Sản xuất sản phẩm khí than khô 29
CO
2
+ C = 2CO  41,965 kcal/kmol 30
3.2. Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước 32
3.2.1. Bản chất của quá trình 32
C + H
2
O  H
2
+ CO - Q 33
Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh 34
3.2.2. Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa gián đoạn dùng hơi
nước 38
3.3.1. Phương pháp tháo xỉ rắn 41
3.3.2. Phương pháp tháo xỉ lỏng 42
3.3.3. Phương pháp dùng áp suất cao (p = 20 atm), tháo xỉ rắn 44
3.3.4. Phương pháp khí hóa than dưới áp lực, tháo xỉ lỏng 46
4. GIỚI THIỆU MỘT VÀI KIỂU LÒ KHÍ HÓA THAN CẢI

TIẾN 46
5. HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN
TRÊN THẾ GIỚI 49
5.1. Công nghệ khí hóa than kiểu tầng cố định: 49
5.2. Công nghệ khí hóa than kiểu tầng sôi ở nhiệt độ cao
Winkler (HTW) 50
5.3. Công nghệ khí hóa than kiểu dòng cuốn 50
5.4 Tình hình ứng dụng các kiểu lò khí hóa than ở một số hãng 51
6. KHÍ HÓA THAN Ở CÁC NƯỚC 53
6.1. Áp dụng công nghệ khí hóa than trong sản xuất amoniăc 53
Hiện nay phần lớn sản lượng amoniăc và urê trên thế giới được sản
xuất từ nguyên liệu khí thiên nhiên. Về mặt lý thuyết, mọi nguyên liệu
hydrocacbon đều có thể sử dụng được, với điều kiện chúng có thể được
oxi hóa thành khí tổng hợp (CO + H
2
). Ví dụ, do thiếu khí thiên
nhiên Ấn độ đã sử dụng nhiều naphtha để chế tạo khí tổng hợp. Tuy
nhiên, vì giá khí thiên nhiên (kể cả naphtha) tăng mạnh, nên ngày nay
người ta càng quan tâm đến việc đi tìm nguồn nguyên liệu thay thế
khác để sản xuất amoniăc 53
6.2. Khí hóa than ở Trung Quốc 54
6.3. Khí hóa than ở Nam Phi 57
6.4. Khí hóa than ở Ấn độ 58
6.5. Khí hóa than ở Mỹ 58
7. CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN CỦA SHELL VÀ TEXACO 60
7.1. Công nghệ Shell: 60
7.2. Công nghệ TEXACO 63
8. THÔNG SỐ KỸ THUẬT MỘT SỐ LOẠI THAN VIỆT NAM
THÍCH HỢP VỚI CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA 67
9. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CÔNG NGHỆ SẢN

XUẤT URÊ TỪ THAN 74
Khí hóa than là phương pháp toàn 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 công nghiệp) thành các nguyên liệu hoá chất
quan trọng như CO, H
2
, và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện
năng.
Khác với việc đốt than trực tiếp, công nghệ khí hóa chuyển hóa than -
thực tế là nguyên liệu cacbon - thành các thành phần hoá chất cơ bản.
Trong thiết bị khí hóa hiện đại, than được tiếp xúc với không khí (hoặc
oxy) và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao 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, H
2
và các khí thành phần
khác.
Hydro và các loại khí khác có trong khí than có thể được sử dụng làm
nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm hoá chất quan trọng như
amoniăc, phân urê, các sản phẩm hữu cơ, hoặc dùng làm nhiên liệu
cho các tuabin phát điện. Khí hóa than cũng là phương pháp tốt nhất để
sản xuất nhiên liệu hydro sạch cho xe ôtô của tương lai và cho pin
nhiên liệu dùng để phát điện.
Công nghệ khí hóa than còn mang lại ích lợi lớn về mặt môi trường
trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất
gây ô nhiễm trong khí than. Ví dụ, lưu huỳnh trong than có thể được
chuyển thành dạng H
2Â
S và được thu giữ hoặc chuyển hóa thành lưu

huỳnh thương phẩm. Tương tự, nitơ có trong khí than sẽ được chuyển
hóa thành amoniăc và chất này có thể được dùng để sản xuất phân bón
hoặc các hoá chất khác.
Nhìn chung, khả năng sản xuất một cách hiệu quả điện năng, hyđro
và các nguyên liệu hoá chất khác, cũng như khả năng cắt giảm khí
gây ô nhiễm, đang làm cho công 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 nguyên 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.
Bằng cách khí hoá than có thể chuyển hoá 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 công
nghệ hoá học. Do có thể sử dụng các loại than có chất lượng thấp để
sản xuất khí than có giá trị công nghiệp nên khí hóa than sẽ mở ra một
triển vọng tốt cho các vùng than chất lượng thấp để phát triển công
nghiệp. đặc biệt ở các tỉnh phía Bắc nơi có nhiều than cám, than
bụi (ë Quảng Ninh) cũng như tại các vùng than nhỏ khác ở Tây Bắc
chúng ta cũng cần nghiên cứu trữ lượng để có thể đưa vào sản xuất.
Tập tài liệu về khí hoá than này trình bày tóm tắt những vấn đề chủ yếu
nhất của công nghệ khí hóa than, trong đó ưu tiên trình bày về nghiên
cứu và sản xuất khí than dùng cho tổng hợp hoá học với mục đích sản
xuất phân bón. Trong tài liệu sẽ trình bày một số vấn đề lý thuyết của
quá trình khí hoá, công nghệ sản xuất khí tổng hợp ở áp suất cao, là
công nghệ hiện đang được dùng nhiều trên thế giới.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Khí hóa than là quá trình tổng cộng của các phản ứng đồng thể và dị
thể của nhiên liệu rắn chứa cacbon. Phụ thuộc vào mục đích của quá
trình khí hóa, có thể nhận được sản phẩm khí chứa CO, H
2

và CH
4
.
Hỗn hợp khí sản phẩm chứa CO + H
2
có các tỷ lệ khác nhau giữa các
cấu tử có thể được dùng cho các quá trình tổng hợp hóa học.
Nếu coi trong than chỉ chủ yếu chứa cacbon và không tính đến các
thành phần khác như N, S và khí trơ thì quá trình khí hóa được coi
như gồm các phản ứng sau:
C +
O
2
® CO
2
(1)
C +
CO
2
® 2CO (2)
C + H
2
O ® CO +
H
2
(3)
C +
2H
2
®

CH
4
(4)
Tất cả những phản ứng để tạo ra các sản phẩm khí nêu trên đều là các
phản ứng dị thể.
CO
2
là sản phẩm khí bậc nhất có thể tiếp tục tương tác với cacbon có
trong vùng phản ứng. đồng thời với quá trình trên là quá trình chuyển
hóa đồng thể các sản phẩm khí bậc nhất tạo thành trong các quá trình
đầu tiên.
CO + 3H
2
® CH
4
+
H
2
O (5)
CO + H
2
O ® CO
2
+
H
2
(6)
Như vậy các quá trình xảy ra trong quá trình khí hóa than được mô tả
đầy đủ bằng các phương trình phản ứng từ (1) đến (6).

Các phản ứng đồng thể (5-6) và dị thể (1-4) xảy ra kèm theo sự thay
đổi mạnh năng lượng của hệ thống. Các số liệu về hằng số cân bằng và
entanpi của hệ thống các phản ứng quan trọng thường được dẫn ra
trong các sổ tay hóa lý.
Trên cơ sở các hàm nhiệt động, có thể tính toán lý thuyết được thành
phần cân bằng của các khí trong quá trình khí hóa phụ thuộc vào
nhiệt độ. Thường các tính toán dựa trên các điều kiện lý tưởng, song
thực tế lại không đạt được các điều kiện đó.
Trong lò phản ứng có nhiều phản ứng xảy ra. Vì vậy cần tính thành
phần của các khí ở trạng thái cân bằng đối với mỗi phương pháp sản
xuất và trên cơ sở đó có thể so sánh ưu, nhược điểm của mỗi phương
pháp khí hóa theo thành phần của sản phẩm.
2. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CÁC KIỂU CÔNG NGHỆ KHÍ
HÓA THAN
Khi sản xuất khí than, người ta phải cân nhắc hai yếu tố:
a) Thể loại và chất lượng than sử dụng làm nguyên liệu khí hóa.
b) Mục tiêu sử dụng các sản phẩm khí thu được.
Mỗi loại than có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều phương pháp
khí hóa than khác nhau. Tùy thuộc kích cỡ của than đưa vào lò khí
hóa mà có thể áp dụng một trong ba kiểu công nghệ khí hóa phổ biến
hiện nay là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng sôi và khí
hóa than dòng cuốn.
- Than cục to, đường kính 10 - 100mm: thích hợp kiểu công nghệ khí
hóa than tầng cố định.
- Than cục nhỏ, đường kính 0 - 10mm: thích hợp công nghệ khí hóa
than tầng sôi.
- Than cám, đường kính 0 - 2mm: thích hợp công nghệ khí hóa than
dòng cuốn (khô và ướt).
Cả ba công nghệ khí hóa than nói trên đều có thể cho ra các sản phẩm
khí, đó là: khí than khô; khí lẫn; khí than ướt; khí than giàu oxy, v.v

Ngược lại, một phương pháp khí hóa nhất định cũng có thể khí hóa
được nhiều loại than khác nhau, ví dụ phương pháp khí hóa tầng cố
định có thể dùng các loại nhiên liệu khác nhau như than gỗ, gỗ, than
nâu, than antraxit, v.v
Dưới đây là các kiểu công nghệ khí hóa than.
2.1. Khí hóa than tầng cố định (đường kính cục than 10 ¸ 100 mm)
2.1.1. Quá trình khí hóa thuận
Theo phương pháp này thì than được nạp vào từ trên đỉnh lò xuống
phía dưới, gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò từ đáy lò còn sản
phẩm khí đi ra ở cửa lò phía trên. Như vậy gió và than đi ngược chiều
nhau. Quá trình có một số đặc điểm sau (hình 1):
a) Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp
vùng kia. Dưới cùng là vùng xỉ (7), tiếp đó là vùng cháy (6), vùng
khử (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa) (5), vùng bán cốc (4), vùng sấy
than (3) và trên đó là tầng không đỉnh lò.
b) Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên
thì vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp
hơn do có các phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn
nữa và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt độ càng thấp hơn nữa do phải tiêu
tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước.
Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng như sau:
t
o
vùng cháy > t
o
vùng khử > t
o
vùng bán cốc > t
o
vùng sấy

Như vậy nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để
thực hiện quá trình khí hóa.
Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu
bằng con đường đối lưu, còn bằng các con đường khác (như bức xạ
và dẫn nhiệt) thì ít quan trọng hơn.
c) Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt than
giảm dần vì than đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt (bán
cốc), phản ứng khử, phản ứng cháy. Hàm lượng cacbon còn lại trong
xỉ còn lại tương đối ít. Tại vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O
2
và H
2
O
lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với than.
Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò, ta thấy:
Bắt đầu gió đi từ ghi lò (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo
vùng cháy, vùng khử và cuối cùng là đến tầng không đỉnh lò.
*Vùng xỉ: Vùng này chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò,
nhiệt độ ở đây tương đối thấp, tuy nhiên oxy cũng có phản ứng với
phần than còn lại trong xỉ còn nóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút
ít. Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt để đi tiếp vào vùng
cháy.
*Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy ra phản ứng C + O
2
® CO + CO
2
;
CO vừa tạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió để tạo ra CO
2

(2CO + O
2
® 2CO
2
). Trong vùng này nhiệt toả ra mạnh, lượng nhiệt
này dùng để cung cấp cho các phản ứng trong vùng khử và các vùng
khác.
*Vùng khử: Trong vùng này CO
2
và hơi nước đi từ vùng cháy vào có
thể gây ra các phản ứng sau:
C + CO
2
= 2CO - Q
1

C + H
2
O = CO + H
2
- Q
2

C + 2H
2
O = CO
2
+ 2H
2
- Q

3

Đây là 3 phản ứng quan trọng nhất ở vùng khử vì chính 3 phản ứng
này tạo ra các khí có thể hoặc dùng làm khí đốt hoặc dùng làm
nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO và H
2
) trong sản
xuất phân đạm và các hóa chất khác
* Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp
hơn vùng khử do nhiệt phải cấp cho các phản ứng khử. Nhiệt của
khí (nhiệt độ khoảng 500 ¸ 700
o
C) được cung cấp cho than ở vùng
bán cốc. Nếu than dùng cho khí hóa là than biến tính thấp (như than
nâu, than bùn ) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân huỷ của
than chứa nhiều hydrocacbon và khí CO
2
Kết quả là khí sản phẩm
không chỉ chứa CO, H
2
, CO
2
mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác
và sản phẩm khí này chỉ thuận lợi khi dùng làm nhiên liệu chứ không
thuận lợi cho các quá trình tổng hợp hóa học.
Nếu than dùng cho quá trình khí hóa là than antraxit thì sẽ cho sản
phẩm khí CO, H
2
có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng
hợp hóa học.

2.1.2. Quá trình khí hóa nghịch
Quá trình khí hóa nghịch được tiến hành trong các lò khí hóa, ở đó than
đổ từ trên đỉnh lò xuống dưới, gió cũng đi từ phía trên của lò và đi cùng
chiều với than xuống phía dưới. Sản phẩm khí của quá trình khí hóa
thoát ra ở phía đáy lò (hình 2).
Do khí hóa thực hiện trong các điều kiện như vậy nên chúng có các
đặc điểm sau:
a/ Phân bố lại các khu vực trong lò ngược với quá trình khí hóa
thuận (như phần trên đã trình bày):
Theo đường gió vào, từ trên xuống dưới bao gồm các vùng sau:
Vùng sấy khô ® Vùng bán cốc ® Vùng cháy ® Vùng khử ®
Vùng tro và xỉ.
Than bị nhiệt phân, sau đó cháy ngay và đi tiếp vào vùng khử. Sản
phẩm của quá trình nhiệt phân ở vùng bán cốc không thoát ra ngoài
mà tiếp tục đi qua vùng cháy, vùng khử và vùng tro xỉ rồi mới thoát
ra ngoài cùng với khí than.
b) Hình thức trao đổi nhiệt trong lò khí hóa nghịch
Trong lò khí hóa nghịch, vùng có nhiệt độ cao nhất là vùng cháy, nó
có xu hướng trao đổi nhiệt với các khu vực xung quanh. Nhiệt truyền
cho vùng khử chủ yếu do quá trình đối lưu, còn nhiệt truyền lên phía
trên (vùng cốc hóa) chủ yếu là do bức xạ và dẫn nhiệt.
c) Ảnh hưởng của quá trình bán cốc (nhiệt phân than) đối với quá
trình khí hóa nghịch
Trong lò khí hóa nghịch, sản phẩm của quá trình nhiệt phân (bán
cốc) thoát ra phải đi qua khu vực cháy, ở đó có dư oxy và nhiệt độ
cao nên đại bộ phận khí và chất lỏng nhiệt phân bị cháy và bị phân
hủy tiếp, nên sản phẩm của quá trình khí hóa nghịch chủ yếu chỉ có
CO, H
2
, H

2
O, và một lượng nhỏ các loại nhựa, hydrocacbon Hàm
lượng nhựa trong quá trình khí hóa nghịch là thấp, không quá 0,3 ¸
0,5 g/m
3
, trong khi khí sản xuất theo quá trình khí hóa thuận có hàm
lượng nhựa cao, đến 30 ¸ 40 g/m
3
. Sản phẩm khí từ quá trình khí
hóa nghịch có chất lượng tốt hơn từ quá trình khí hóa thuận nên khí
đó có thể dùng để chạy các động cơ đốt trong hoặc chế biến hóa học.
2.1.3. Khí hóa liên hợp
Quá trình khí hóa liên hợp là quá trình kết hợp phương pháp khí hóa
thuận và phương pháp khí hóa nghịch trên cùng một thiết bị.
Than đi từ đỉnh lò xuống, gió cũng đi từ trên xuống cùng chiều với
than tạo điều kiện cho quá trình khí hóa nghịch. Trong quá trình này
than đi qua vùng sấy 1, vùng bán cốc 2, vùng cháy 3, vùng khử
4 (®ây là vùng tạo sản phẩm khí), sau đó sản phẩm khí ra ngoài
theo ống II. đồng thời gió cũng đưa vào theo hướng từ dưới lên, đi
qua vùng xỉ 7, đến vùng cháy 6 và vùng khử 5. Ở đây sản phẩm khí
được tạo thành và cũng đi ra ở cửa II cùng với sản phẩm khí của quá
trình khí hóa nghịch.
Ưu nhược điểm của phương pháp khí hóa liên hợp: Quá trình khí hóa
nghịch có ưu điểm là trong sản phẩm có hàm lượng nhựa rất bé,
nhưng khuyết điểm là có một phần than chưa tham gia hoàn toàn vào
các phản ứng khí hóa đã bị thải đi. Quá trình khí hóa thuận có ưu
điểm là than tham gia hoàn toàn vào các phản ứng cháy và khử.
Quá trình khí hóa liên hợp khắc phục được nhược điểm của cả hai
quá trình khí hóa. Song khó khăn lớn nhất của phương pháp liên hợp
này là nếu vận tốc gió đưa từ dưới lên quá lớn chúng sẽ có khả năng

thừa oxy, thoát lên trên gây cháy các sản phẩm khí CO, H
2
. Nếu vận
tốc gió quá bé, lượng than còn lại trong tro xỉ lại tăng lên.
Do vậy tuy phương pháp khí hóa liên hợp tuy có ưu điểm nhưng
được dùng rất hạn chế, chỉ được dùng để sản xuất khí chạy động cơ
từ những loại than có độ tro cao và than bùn.
2.1.4. Ưu nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định
Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng nọ kế tiếp vùng kia,
nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, than càng đi xuống
dưới càng nóng.
Phương pháp khí hóa tầng cố định, nhất là phương pháp khí hóa
nghịch hoặc liên hợp, có ưu điểm là có thể sử dụng được tất cả các
loại nhiên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không
ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí than. Than đi từ vùng sấy qua
vùng bán cốc nên ẩm và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng
khử và vùng cháy than vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản
ứng khử và phản ứng cháy, vì thế chất lượng khí sản phẩm ở đây vẫn
tốt.
Chính vì vậy phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại
than, từ than non đến than già, kể cả loại đá dầu có hàm lượng tro
cao (đến khoảng 50% tro) và củi gỗ, (có độ ẩm đến 30%). Phương
pháp không dùng được đối với các loại than cám và than bụi.
Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí than có
chứa nhiều hydrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất
có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt.
Mất mát cacbon theo xỉ than ở phương pháp này tương đối ít, vì theo
chiều chuyển động của than từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác
nhân khí như O
2

, H
2
O tăng lên còn nồng độ cacbon trong pha rắn
giảm dần. Nhược điểm của phương pháp này là mất mát nhiệt theo xỉ
khá nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, là vùng có
nhiệt độ cao, do đó hiệu suất nhiệt của quá trình không cao.
2.2. Khí hóa than tầng sôi (Đường kính cục than từ 0 - 10mm)
2.2.1. Đặt vấn đề
Trong khai thác than ở các mỏ, khối lượng than cám và than bụi khá
nhiều, có thể tới 50% tổng số lượng than khai thác. Vì vậy việc áp
dụng các công nghệ thích hợp để sử dụng các loại than có kích thước
hạt nhỏ là rất cần thiết.
Than cám và than bụi có kích thước hạt khá nhỏ 0 - 10mm và 0 - 2mm,
nếu xếp các loại than này vào lò khí hóa thì trở lực của lớp than sẽ khá
lớn. Vì vậy nếu khí hóa ở dạng chặt tầng cố định thì phải dùng tốc độ
gió lớn mới khắc phục được trở lực đó để đảm bảo cho lò có năng suất
nhất định. Nhưng nếu tăng tốc độ gió sẽ không tránh khỏi có một số hạt
than "sôi" lên, một số hạt có kích thước nhỏ hơn lại bay lơ lửng trong
khí hoặc bay ra ngoài lò phản ứng. Như vậy chế độ khí hóa kiểu tầng
cố định không còn giữ nguyên chế độ hoạt động. Do vậy đối với các
loại than cám, than bụi phải áp dụng phương pháp khí hóa khác, đó là
phương pháp khí hóa than theo phương pháp tầng sôi và dạng dòng
cuốn.
2.2.2. Tốc độ gió trong khí hóa dạng tầng sôi
- Xét vận tốc gió trong lò phản ứng:
Nếu tốc độ gió còn nhỏ thì than trong lò còn ở dạng lèn chặt. Nhưng
nếu tăng dần tốc độ gió lên thì than đang ở trạng thái lèn chặt dần
dần biến thành trạng thái chuyển động và khi tốc độ gió đạt tới một
giá trị nhất định thì than sẽ ở trạng thái "sôi" (hiện tượng sôi của các
hạt rắn trong dòng khí).

Tốc độ gió (Wgió) lúc bấy giờ gọi là tốc độ sôi (Wsôi).
Vì vậy khi Wgió = Wsôi thì phương pháp khí hóa gọi là khí hóa tầng
sôi.
Tiếp tục tăng vận tốc gió tới giới hạn nhất định sẽ đạt được trạng thái
cân bằng giữa lực đẩy của gió và trọng lực của than. Tốc độ gió lúc đó
được gọi là tốc độ tới hạn, được xác định theo công thức:
4g . g
T
. d
W
tới hạn
= ; m/giây
3 . C . g
khí

g
T
: Trọng lượng riêng của than
g
khí
: Trọng lượng riêng của khí
d : Kích thước hạt than
C : Hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hạt than
và phụ thuộc vào R
e

Nếu W
gió
> W
tới hạn

thì than sẽ bay ra ngoài lò theo khí. Vì vậy W
gió
không cho phép vượt quá W
tới hạn
. Như vậy than có kích thước d lớn
thì W
tới hạn
cũng càng lớn.
- Khí hóa tầng sôi thường dùng kích thước hạt 0,5 - 3mm.
2.2.3. Đặc điểm và ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôi
- Than liên tục chuyển vào lò khí hóa.
- Than được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao,
điều đó làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò.
- Cấu tạo lò đơn giản, vốn đầu tư thấp.
- Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò. Các hạt nhỏ ở
phía trên và dễ dàng bay ra ngoài lò theo gió. để làm giảm lượng bụi
than bay theo gió ra ngoài người ta đưa than gió bậc 2 ở khoảng giữa
lò để tăng cường quá trình khí hóa. Nhưng gió bậc 1 thổi từ dưới đáy
lò lên vẫn là chủ yếu .
- Khi khí hóa tầng sôi, nhiên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới
đáy lò, như vậy than được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao.
Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này. Lượng chất bốc
sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO
2
và H
2
O, một phần
nhỏ khác bị nhiệt phân. Vì vậy khí sản phẩm ra khỏi đỉnh lò không
có các sản phẩm lỏng, không có các loại hyđrocacbon nên khí ra sạch,
dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi.

- Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt than luôn chuyển động và trong lò
không có ranh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy,
vùng khử, vùng nhiệt phân trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ
trung bình của lò giảm xuống. Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lò
trong phương pháp khí hóa tầng sôi chỉ đạt từ 900 đến 1000
o
C.
2.2.4. Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi
để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió,
tuy thế cũng không thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150
o
C,
nhiệt độ có thể làm chẩy xỉ. Do nhiệt độ lò không nâng cao được nên
các loại than già, than antraxit có tốc độ phản ứng của C với các tác
nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho quá trình khí hóa tầng
sôi. Phương pháp khí hóa tầng sôi dùng than có độ biến tính thấp như
than nâu, than bùn hoặc một vài loại than đá có đặc tính thích hợp.
- Các loại than biến tính thấp và các loại than có tính chẩy dẻo, khi
nâng cao nhiệt độ chúng bị bết lại và tạo thành các cục to nên không
thể dùng cho khí hóa tầng sôi.
2.2.5. Sơ đồ khí hóa tầng sôi kiểu Winkler
đây là phương pháp khí hóa than dạng tầng sôi. Diện tích tiết diện cắt
ngang của lò đến 25m
2
, chiều cao lò 22 mét, năng suất lò đạt đến
3000 m
2
khí/ 1 m
2
. giờ.

Hiện nay người ta đã xây dựng tổ hợp lò đến 100.000 m
3
/
giờ.
Than được nghiền, sấy, nhưng không cần sàng. Than đem khí hóa có
thể là than nâu, than đá, than cốc sản xuất từ than nâu hoặc bán cốc
với độ tro có thể tới 40% và hàm lượng than bụi cao.
Than được đưa vào lò nhờ vít tải ở phần đáy lò 2. Tro của than phải
có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ của lò khí hóa và được thải ra
ở đáy lò. Khí tổng hợp được lấy ra ở phía trên lò. Quá trình khí hóa
được tiếp diễn đến phần trên của lò. Khí tổng hợp ra khỏi lò đi vào
thiết bị 3 để thu hồi nhiệt và tách bụi than, sau đó tiếp tục chuyền
sang thiết bị xyclon 5 để tách bụi và đi vào thiết bị ngưng tụ, làm
lạnh 6, chuyển qua thiết bị 7 để loại các hạt nước.
Mức độ khí hóa than đạt đến 90%, hệ số tác dụng hữu ích 82%.
Thành phần khí nhận được trong lò Winkler như sau (% thể tích):
CO . . . 30 - 50 (48,2)
H
2
. . . 35 - 46 (35,2)
CO
2
. . . 13 - 25 (13,8)
CH
4
. . . 1 - 2 (1,8)
N
2
. . . 0,5 - 1,5 (0,9)
(Các số liệu trong ngoặc là giá trị trung bình)

Nhiệt cháy của khí Q
thấp
= 12.300 Kjun/m
3

Ưu điểm của phương pháp Winkler là điều kiện sản xuất không khắt
khe, có thể dùng than có nhiều tro, có thể điều chỉnh linh hoạt khối
lượng khí sản phẩm. Nhược điểm của phương pháp này là nhiệt độ
của quá trình khí hóa không cao ở áp suất khí quyển, khi nâng cao
thêm áp lực thì bụi bay ra theo khí tổng hợp, do vậy phải thực hiện
thêm quá trình làm sạch khí.
2.3. Khí hóa than dạng dòng cuốn (than cám, than bụi đường kính 0
- 2mm)
Dưới đây nêu một phương pháp khí hóa than dạng dòng cuốn kiểu
Koppers - Totzek:
Phương pháp này được trình bày trên hình 6. Theo phương pháp này
thì nguyên liệu có thể là than hoặc nguyên liệu chứa cacbon thể rắn
hoặc lỏng. Người ta khí hóa than bằng oxy và hơi nước ở áp suất khí
quyển. Quy trình này đã có thời gian được coi như là phương pháp
điển hình để khí hóa than dạng dòng cuốn (bụi). đến những năm
1970 trên thế giới đã có 37 lò khí hóa kiểu này được xây dựng.
Than nguyên liệu, có thể có độ tro < 40%, được nghiền mịn đến kích
thước < 0,1mm, độ ẩm không quá 6 - 8% đối với than nâu, 1 - 2%
với than đá. Sấy và nghiền được thực hiện cùng một công đoạn.
Lò khí hóa là thiết bị tròn nằm ngang (hình 6), phía trong được lót
bằng vật liệu chịu nhiệt. Vòi phun để chuyển nhiên liệu, oxy, hơi
nước (còn gọi là đầu khí hóa) được bố trí đối diện nhau.
Than bụi được chuyển vào bunke nạp liệu 1, 3 nhờ dòng khí nitơ, từ
đó được vít soắn chuyến vào vòi phun cùng với oxy và hơi nước. Tỷ
lệ giữa oxy, than bụi và hơi nước sao cho nhiệt lò cao hơn nhiệt độ

chảy lỏng của tro, từ 1500 - 1600
o
C. Khí hóa trong điều kiện như thế
đạt được mức chuyển hóa cacbon cao. Khí sản phẩm tạo thành có
hàm lượng cacbon oxyt (CO) rất cao. Than khi vào lò trước hết tác
dụng với oxy để tạo nhiệt độ cao cho các phản ứng khử khác. Hơi
nước khi khí hóa cho 1m
3
oxy là ~ 0,05kg đối với than nâu, và 0,5kg
đối với than đá.
Hiện nay phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn (bụi) kiểu Koppers -
Totzek được dùng để sản xuất khí tổng hợp amiac. Phương pháp khí
hóa ở nhiệt độ cao đạt hiệu suất nhận khí tổng hợp cao, do khi đó tất
cả các chất hữu cơ của than chuyển hóa thành CO
2
, CO, H
2
, H
2
O.
Do đó khi làm lạnh khí không cần có công đoạn tách các chất nhựa,
dầu, benzen, phenol Nhờ đó quá trình làm sạch khí nói chung đơn
giản.
Lò khí hóa có trang bị vỏ áo để làm lạnh tường lò.
Quá trình khí hóa này tiêu thụ oxy là 0,39 - 0,45 m
3
/1m
3
hỗn hợp CO
+ H

2
. Hiệu suất của quá trình khí hóa tính theo tỉ số của nhiệt cháy
hỗn hợp khí sản phẩm CO + H
2
cho nhiệt cháy của than là 72%.
Thành phần khí theo quá trình sản xuất khí dạng dòng cuốn (bụi)
kiểu Koppers - Totzek:
CO . . . 57,2 (57,2)
H
2
. . . 30,7
CO
2
. . . 10,5
CH
4
. . . 0,1
N
2
. . . 1,2
H
2
S + COS . . . 0,3
Nhiệt cháy của khí Q = 11,2 Kjun/m
3

Phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn kiểu Koppers - Totzek có
nhiều ưu điểm nhưng cũng còn phải cải tiến thêm để nâng cao cường
độ quá trình khí hóa, do đó người ta đã cải tiến bằng cách khí hóa ở
áp suất cao 20 - 30atm, tháo xỉ lỏng. Nhờ thế mà cường độ của quá

trình khí hóa đạt đến 18900 m
3
khí tổng hợp/ giờ.
Các phương pháp khí hóa dạng dòng cuốn của hãng TEXACO và
SHELL theo hướng trên đã được mô tả ở phần sau.
Hiện tại các phương pháp khí hóa than dạng dòng cuốn, áp suất cao,
nhiệt độ cao, gió dùng oxy và hơi nước, tháo xỉ lỏng được dùng
nhiều trên thế giới để nhận khí tổng hợp.
2.4. Tóm tắt về ba phương pháp khí hóa than