BÁO CÁO TIỂU LUẬN NGUYÊN LÝ LÒ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI LÒ SINH KHÍ (THAN ĐÁ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU


BÁO CÁO TIỂU LUẬN
NGUN LÝ LỊ CƠNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
LỊ SINH KHÍ (THAN ĐÁ)
GVHD: ThS. Nguyễn Đăng Khoa
Sinh viên thực hiện: Đồng Nguyên Nhất
Mssv: 1813354

Thành phố Hồ Chí Minh 11/09/2021


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................ii
LỜI NĨI ĐẦU.....................................................................................................1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................3
1. Nguồn gốc - lịch sử ra đời.............................................................................3
2. Cơ sở lý thuyết..............................................................................................3
CHƯƠNG II: CÁC CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA THAN.....................................6
2.1 Khí hóa than tầng cố định............................................................................7
2.2 Khí hóa tầng sơi........................................................................................14
2.2.1 Đặc điểm và nhược điểm cuả lị khí hóa tầng sơi...............................16
2.2.2 Phân loại khí hóa than tầng sơi...........................................................17
CHƯƠNG III: LỊ KHÍ HĨA TRONG CƠNG NGHIỆP.............................26
3.1 Cấu tạo lị khí hóa than..............................................................................26
3.2 Cấu tạo của nhà máy sản xuất khí hóa than...............................................37
3.3 Nguyên tắc vận hành.................................................................................46
CHƯƠNG IV: PHẠM VI SỬ DỤNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA LỊ KHÍ HĨA. .54

4.1 Phạm vi sử dụng........................................................................................54
4.2 Ưu điểm của lị..........................................................................................54
4.3 Các dây chuyền khí hóa than đang sử dụng tại Việt Nam.........................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................56

i


DANH MỤC HÌNH ẢNH
CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 2
Hình 2.1 Các cơng nghệ lị khí hóa than
Hình 2.2 Lị khí hóa tầng sơi kiểu mới và kiểu cũ
Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của lị khí hóa tầng cố định (thuận)
Hình 2.4 Ngun Lý làm việc của lị khí hóa tầng cố định
Hình 2.5 Phân loại lị hơi theo tốc độ gió
Hình 2.6 Các bộ phần của tách hạt
Hình 2.7 Các bộ phận chính của lị sinh khí tầng sơi tuần hồn
Hình 2.8 Biểu diễn dịng chuyển động chất rắn trong lị
Hình 2.9 Biểu diễn trường nhiệt độ trong lị
Hình 2.10 Các bộ phận cuả lị khí hóa dạng tuần hồn
CHƯƠNG 3
Hình 3.1 Cấu tạo lị khí hóa than tầng cố định
Hình 3.2 Lị khí than có bởi cởi than

ii


Hình 3.3 Lị khí hóa tháp cao
Hình 3.4 Ghi lị

Hình 3.5: Cấu tạo lị sinh khí
Hình 3.6. Sơ đồ cấu tạo lị khí hố than đá
Hình 3.7: Sơ đồ dây truyền sản xuất khí gas
Hình 3.8 Lị khí hóa than thực tế
Hình 3.9 Sơ đồ tản nhiệt trạm gas khí hóa
Hình 3.10 Bể chứa khí gas
Hình 3.11 Trạm khí hóa gas
CHƯƠNG 4
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống khí hóa than đá tại nhà máy Gạch Đồng Tâm

iii


LỜI NĨI ĐẦU
Khí hóa nhiên liệu rắn là giải pháp tồn diện và hiệu quả để chuyển hóa than đá
hoặc các vật liệu có chứa cacbon (các loại nhiên liệu rắn, kể cả sinh khối, rác thải sinh
hoạt và phế thải công nghiệp, phế thải nông nghiệp,…) thành các nguyên/ nhiên liệu,
hoá chất quan trọng như CO, H2, N2,… phục vụ cho q trình tổng hợp hóa học và
đặc biệt là tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế hiệu quả cho các loại nhiên liệu đắt đỏ như
dầu, khí hiện nay. Ngồi ra, việc nắm vững kiến thức và cơng nghệ hóa khí than cịn
góp phần vào việc khai thác hiệu quả mỏ than nâu khổng lồ ở đồng bằng Bắc Bộ mà
hiện nay với các công nghệ khai thác truyền thống (mỏ mở hoặc hầm lị) khơng khai
thác được.
Nếu việc khai thác mỏ than này thành cơng thì Việt Nam sẽ không phải nhập
khẩu than trong những năm sắp tới. So với các loại nhiên liệu như khí và dầu thì than
đá có giá thấp và ổn định hơn nhiều lần. Vì vậy việc tìm ra các giải pháp thay thế các
loại nhiên liệu đắt tiền và luôn biến động giá như dầu và khí là một trong những quan
tâm hàng đầu của các doanh nghiệp, nhằm không những giảm chi phí sản xuất, giảm
giá thành, chủ động trong việc định giá, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm mà còn
tận dụng được các nguồn tài nguyên sẵn có trong nước, đặc biệt là than đá. Một ưu

điểm lớn khác của khí hóa là hiệu suất sử dụng nhiên liệu được nâng cao, đồng thời
giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường so với phương pháp đốt trực tiếp nhiên liệu. Hơn
nữa, nếu sử dụng khí hóa trong các nhà máy nhiệt điện còn giúp nâng cao hiệu suất
của nhà máy lên rất nhiều do có thể áp dụng chu trình hỗn hợp và giảm ơ nhiễm mơi
trường. Cơng nghệ khí hố than đã phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước. Ở các
nước Mỹ, Đức, Anh, Liên Xơ (cũ) v.v… đã xây dựng chương trình cơng nghệ chế biến
than quy mô cấp nhà nước. Đến năm 1980, đã có hàng chục loại thiết bị và xưởng pilot
chế biến than theo cơng nghệ hố khí, hố lỏng và nhiệt phân đã lần lượt ra đời như
Công nghệ Texaco, Shell v.v Ở Việt Nam hiện 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 hố
lỏng(LPG), một loại nhiên liệu ngày càng đắt đỏ và dao động theo giá thị trường quốc
tế, đã làm cho chi phí mỗi đơn vị sản phẩm tăng lên, dẫn đến giá thành sản phẩm cao
và một hệ quả tất yếu là tính cạnh tranh của sản phẩm giảm. Vì vậy, để có thể đứng
1


vững trên thị trường trong nước và quốc tế, các doanh nghiệp đã tìm mọi cách để giảm
chi phí sản phẩm và giảm chi phí nhiên liệu là yếu tố được quan tâm hàng đầu. Sản
phẩm của cơng nghệ khí hóa than có thể giải được bài tốn đó cho các doanh nghiệp.
Tuy nhiên, hầu hết các doanh nghiệp trong nước đều sử dụng cơng nghệ khí hố than
của nước ngồi, trong đó hầu hết là sử dụng cơng nghệ khí hố than của Trung Quốc.
Ở Việt Nam chúng ta, việc nghiên cứu cơng nghệ khí hố than mới chỉ có một số đề
tài, do vậy việc tổ chức nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thiết kế a 6 mẫu lị khí hố than
đá kiểu ngược chiều phục vụ thí thí nghiệm”, là cấp thiết, đây là bước đầu tiên để có
thể nắm vững kiến thức về hóa khí, là một cơng việc có ý nghĩa rất lớn về tiết kiệm
năng lượng và bảo vệ mơi trường, có thể ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, để dần thay
thế các thiết bị nhập từ nước ngoài.

2

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
1. Nguồn gốc - lịch sử ra đời
Năm 1972, cuộc "khủng hoảng năng lượng thế giới bùng nổ", giá dầu mỏ đột
nhiên tăng vọt từ 5-7 USD/thùng lên 24USD/ thùng. Cuộc khủng hoảng lần này đã
mang đến cho thế giới một bài học hết sức quan trọng về tài nguyên năng lượng, đó là
sự hạn chế về trữ lượng và sự phân bố không đồng đều của nguyên liệu cacbua hydro
và khả năng cạn kiệt của chúng.
Trong thời kỳ 1970-1980, các nhà khoa học đã dự đoán là than sẽ trở lại thời kỳ
thứ hai của "thế kỷ vàng" và khả năng cạn kiệt của dầu mỏ khơng cịn xa nữa. Chính
những dự đốn đó đã dấy lên những cơng trình nghiên cứu q trình cơng nghệ mới về
chế biên than. Những cơng trình nghiên cứu đầu tiên đã thu được sản phẩm nhiên liệu
lỏng từ than bằng các phương pháp trực tiếp và gián tiếp. ở các nước Mỹ, Đức, Anh,
Nhật Bản, Liên Xô cũ v.v…
Cơng nghệ hố khí than của thế giới đã phát triển một cách nhanh chóng, trong
đó xu hướng chung là đi theo phương pháp hố khí than chu kỳ trong là phương pháp
đảm bảo tính an tồn cho sinh thái, do khí than đã được làm sạch sơ bộ, lượng các chất
khí có hại như SO2, NO và các hạt bụi rắn đã giảm bớt.
Từ năm 1970 đến nay, các nước trên thế giới đã sản xuất được 3 loại lị sinh khí
để hố khí than có cơng suất tính theo than là 100 tấn/giờ ở qui mô công nghiệp, đó là:
Lị sinh khí hố khí than theo lớp. Tổng số lò sản xuất được cho đến nay là 930 lị,
trong đó có hơn 160 lị sinh khí kiểu "Lurgi". Lị sinh khí tầng sơi kiểu Vinklera. Tổng
số lị đã được sản xuất là 40 lị. Lị sinh khí than cám kiểu Kopperxa-Totxeka. Tổng số
lò đã được đưa vào sử dụng là 50 lị.
2. Cơ sở lý thuyết
Lị sinh khí than là thiết bị sử dụng than, khơng khí và hơi nước nóng để chuyển
hóa thành khí than bằng các phản ứng cưỡng bức, ém khí. Ưu điểm của việc sử dụng
khí than để cung cấp nhiệt cho sản xuất rẻ vì khơng phải đầu tư lớn, điều khiển tiện lợi,
tính tự động hóa cao, nguồn than sẵn có trong nước, thực tế đã chứng minh chi phí
nhiên liệu rẻ hơn 20-50% so với dùng dầu FO, 30-50% so với dùng dầu DO, 40-65%

3


so với dùng Gas. Khí than được dùng vào rất nhiều lĩnh vực công nghiệp mà hiệu suất
nhiệt cao, gia nhiệt đều, giảm ơ nhiễm mơi trường.
Khí hóa than là quá trình biến đổi nhiên liệu rắn ở nhiệt độ cao thành nhiên liệu
khí bằng cách cung cấp một lượng hạn chế ơxy ngun chất hoặc ơxy trong khơng khí
và thường kết hợp với hơi nước. Sản phẩm của quá trình khí hóa bao gồm các chất khí
CO, CO2, CH4, H2 và một số các chất khí khơng ngưng khác.
Các phản ứng cơ bản cần được thực hiện trong quá trình khí hóa bao gồm: Phản
ứng hố học dị thể xảy ra trong vùng cháy:
C + O2 = CO2 + 393,80 MJ/Kmol (25oC, 1at)
Khơng khí đưa vào có chứa hơi nước phản ứng với cácbon ở nhiệt độ cao:
C + H2O = H2 + CO - 118,50 MJ/kmol (25oC, 1at)
Trong vùng suy giảm, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phản
ứng Boudouard:
CO2 + C = 2CO - 159,90 MJ/Kmol (25oC, 1at)
Trong vùng suy giảm còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:
CO + H2O = CO2 + H2 + 41,20 MJ/Kmol
Khí metan cũng được tạo ra trong q trình khí hóa:
C + 2H2 = CH4 + 87,50 MJ/Kmol (25oC, 1at)
Nguyên lý hoạt động của lị khí hóa than
Q trình khí hóa được tiến hành trong thiết bị đặc biệt được gọi là lò sinh khí.
Đó là một lị đứng, phía trên có bộ phận nạp than vào lị, phía dưới có loại tro, xỉ. Tác
nhân khí hóa là khơng khí và hơi nước vào qua mũ gió ở phía dưới, nhiên liệu khí tạo
thành sẽ theo đường ống phía trên để ra ngồi. Cụ thể, chất khí hóa (hơi nước và
khơng khí) sẽ tiếp xúc và phản ứng với than sau đó chuyển nhiên liệu từ dạng rắn
(than) sang dạng khí. Sản phẩm thu được gọi là khí than trong lị, than được đưa từ

4

trên xuống dưới, tác nhân khí hóa là hơi nước và khơng khí được đưa vào tủy theo loại
lị. Giữa chúng sinh ra các phản ứng hóa học và quá trình trao đổi nhiệt lượng. Theo
chiều chuyển động của tác nhân khí hóa, trong lị hình thành 6 tầng sinh khí: tầng tro
xỉ, tầng oxy hóa (tầng lửa), tầng hồn ngun chính và phụ, tầng chưng cất khơ, tầng
khơng (tầng trống rỗng). 
Khí than thu được sau các tầng sinh khí theo đường ống đưa đến các mỏ đốt để
đốt cấp nhiệt cho lị nung. Ta có thể điều chỉnh hiệu suất cháy và lượng nhiệt dễ dàng
với dung sai đạt khơng q ±5,00C. Khi cháy tỏa nhiệt sạch nên khí than trở thành một
loại nhiên liệu quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
hiện nay.

5


CHƯƠNG II: CÁC CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA THAN
Có khoảng năm phân loại chính của hệ thống khí hóa: nâng cấp theo tầng cố
định, hạ tầng cố định, ghép chéo tầng cố định, tầng sơi sủi bọt và thiết bị khí hóa tầng
sơi tuần hồn, có thể được nhìn thấy trong hình bên dưới. 
Điều phân biệt các loại này khác nhau là cách thức và vị trí sinh khối nằm trong
bình phản ứng, hướng của cả luồng khơng khí và ngun liệu. 

Hình 2.2 Các cơng nghệ lị khí hóa than
6


2.1 Khí hóa than tầng cố định
Người ta phân biệt lị khí hóa theo khí than, phương pháp đưa tác nhân khí hóa
vào lị, chiều hướng chuyển động của khí, phương pháp tháo xỉ, đảo trộn nhiên liệu

cấu trúc của lị.
Tùy theo tác nhân khí hóa ta có lị khí than khơ, khí than ướt, lị khí than hỗn
hợp. Căn cứ theo phương pháp đưa tác nhân khí hóa ta có lị khí hóa hút tự nhiên hay
cưỡng bức. Chúng ta cũng có lị mà khí và nhiên liệu chuyển động cùng chiều hay
ngược chiều và vng góc. Theo phương pháp tháo xỉ ta có lị sinh khí xỉ rắn hay lỏng,
tuy nhiên loại lị sinh khí lỏng khá hiếm khi dùng. Theo cấu trúc của lị có lị sinh khí
và tháp đứng cao.
Người ta cũng phân biệt lị sinh khí cơ khí và bán cơ khí. Sự phân biệt này dựa
trên cơ sở nguyên tắc vận hành các thiết bị thải xỉ, nạp than, khuấy đảo nhiên liệu.
Phân loại theo thời kì:

7


Lị sinh khí kiểu mớ

Lị sinh khí kiểu cũ

Hình 2.2 Lị khí hóa tầng sơi kiểu mới và kiểu cũ
So sánh hai kiểu lò
 Chiều cao thân lò
Thân lò của sinh khí kiểu củ thấp, để thuận lợi cho việc chọc chịog ( xử lí xỉ kết
dính trong lị ), nhưng lại giảm nhiệt trị khí than và sản lượng. Đồng thời than trong
thân lị thời gian ngắn, đốt khơng đầy đủ, làm cho xỉ có hàm lượng cacbon cao.
8


Thân lị sinh khí kiểu mới cao hơn lị kiểu củ 1m trở lên.
 Cấu tạo
Lị khí hóa than kiểu cũ là sản xuất mấy năm trước đây của TQ, loại lị này thiết

kế thích ứng với than cục chất lượng tốt, tức hàm lượng than từ 72% trở lên, tính ổn
định nhiệt từ 65% trở lên, cường độ cơ khí cao hơn 70%, Nhiệt độ chảy cao hơn
1350℃, đồng thời kích cỡ phải đạt 25 －38mm. Khi chất lượng than không đạt được
yêu cẩu như trên, đặc biết là Nhiệt độ chảy thấp, lò sẽ dễ bị kẹt. Lúc đó sẽ chọc chng
để giảm xỉ than trong lị. Nên lị cũ đều thiết kế có lỗ chọc chng, nhưng cũng là chỗ
bị rị khí, sau một thời gian sử dụng dài, tính bịt kín giảm xuống, dễ dị khí than, vừa
lãng phí, lại làm hàm lượng CO trong khơng khí tăng lên, cơng nhân ở lâu sẽ có nguy
hiểm bị ngộ độc. Lị sinh khí kiểu do khơg cần chọc chịong mà thiết kế nắp kín đã giải
quyết vất đề dị rỉ khí than.
Máy nạp than cũ là kết cấu như nắp chuông, sau một thời gian sử dụng dài, hiệu
qủa bịt kín khơng tốt, dẫn đến khí than đến phễu than, lãng phí khí than. Máy nạp than
đã thay đổi kết cấu để giải quyết vấn đề trên.
a, Q trình khí hóa thuận
Theo phương pháp này thì than được nạp vào từ trên đỉnh lị xuống phía dưới,
gió (khơng khí, hơi nước...) đi vào lị từ đáy lị cịn sản phẩm khí đi ra ở cửa lị phía
trên. Như vậy gió và than đi ngược chiều nhau. Q trình có một số đặc điểm sau (hình
6).

9


Hình 2.3 Ngun lý làm việc của lị khí hóa tầng cố định (thuận)
a) Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia.
Dưới cùng là vùng xỉ (VI), tiếp đó là vùng cháy (V), vùng khử (vùng tạo ra sản phẩm
khí hóa) (IV), vùng bán cốc (III), vùng sấy than (II) và trên đó là tầng khơng đỉnh lị.
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:

to vùng cháy > to vùng khử > to vùng bán cốc > to vùng sấy
Như vậy nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện q
trình khí hóa.
10


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 cịn lại trong xỉ cịn lại tương đối ít. Tại vùng xỉ, hàm lượng tác
nhân O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với than.
Khi xem xét q trình khí hóa theo chiều cao lị, ta thấy:
Bắt đầu gió đi từ ghi lị (đáy lị đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo vùng cháy,
vùng khử... và cuối cùng là đến tầng khơng đỉnh lị.
+ 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 cịn lại trong xỉ cịn
nóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút ít. Ở vùng này chủ yếu khơng khí được gia nhiệt
để đi tiếp vào vùng cháy.
+ Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy ra phản ứng C + O 2 → CO + CO2; CO vừa
tạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió để tạo ra CO2 (2CO + O2  2CO2).
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 CO2 và hơi nước đi từ vùng cháy vào có thể gây ra
các phản ứng sau:
C  +  CO2 =  2CO  -  Q1
C  +  H2O  =  CO  +  H2 -  Q2
C  +  2H2O  =  CO2 +  2H2 -  Q3
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 ngun liệu cho cơng nghiệp tổng
hợp hóa học (CO và H2) trong sản xuất phân đạm và các hoóa 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
11


500 - 700oC) 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  CO2... Kết quả là khí sản phẩm
khơng chỉ chứa CO, H2, CO2 mà cịn 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 q trình tổng
hợp hóa học.
Nếu than dùng cho q trình khí hóa là than antraxit thì sẽ cho sản phẩm khí CO,
H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho q trình tổng hợp hóa học.
b, Q trình khí hóa nghịch

Hình 2.4 Ngun Lý làm việc của lị khí hóa tầng cố định
Q trình khí hóa nghịch được tiến hành trong các lị khí hóa, ở đó than đổ từ
trên đỉnh lị xuống dưới, gió cũng đi từ phía trên của lị và đi cùng chiều với than
xuống phía dưới. Sản phẩm khí của q trình khí hóa thốt ra ở phía đáy lị (hình 2.8).
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):
12


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 q

trình nhiệt phân ở vùng bán cốc khơng thốt ra ngồi mà tiếp tục đi qua vùng cháy,
vùng khử và vùng tro xỉ rồi mới thốt ra ngồi cùng với khí than.
b) Hình thức trao đổi nhiệt trong lị khí hóa nghịch
Trong lị 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, cịn 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 q trình khí hóa nghịch
Trong lị khí hóa nghịch, sản phẩm của q trình nhiệt phân  (bán cốc) thốt 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 q trình khí hóa
nghịch chủ yếu chỉ có CO, H 2, H2O, và một lượng nhỏ các loại nhựa, hydrocacbon...
Hàm lượng nhựa trong q trình khí hóa nghịch là thấp, khơng q 0,3 - 0,5 g/m3,
trong khi khí sản xuất theo q trình khí hóa thuận có hàm lượng nhựa cao, đến 30 - 40
g/m3. Sản phẩm khí từ q trình khí hóa nghịch có chất lượng tốt hơn từ q trình khí
hóa thuận nên khí đó có thể dùng để chạy các động cơ đốt trong hoặc chế biến hóa
học.
c, Khí hóa liên hợp
Qúa trình khí hóa liên hợp là q trình hết hợp phương pháp khí hóa thuận và khí
hóa nghịch trên cùng một thiết bị.
Ưu nhược điểm của q trình khí hóa liên hợp: Qúa trình khí hóa nghịch có ưu
điểm là trong sản phẩm có hàm lượng nhựa bé, nhưng khuyết điểm là có một phần
than chưa tham gia hoàn toàn vào các phản ứng khí hóa đã bị thải đi. Qúa trình khí hóa
thuận có ưu điểm là than tham gia hồn tồn vào các phản ứng cháy và khử. Qúa trình
khí hóa liên hợp khác phục được cả hai q trình khí hóa. Song khó khăn lớn nhất cảu
13


phương pháp 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 CO, H 2. Nếu vận tốc quá bé, lượng than còn

lại trong xỉ tăng lên.
Do vậy phương pháp khí hóa liên hợp có ưu điểm nhưng được dùng rất hạn chế,
chỉ được dùng để sản xuất khí chạy động cơ từ những loại than độ tro cao và than bùn.
2.2 Khí hóa tầng sôi
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 cơng 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 lị 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 lị có năng suất nhất định. Nhưng nếu tăng tốc độ gió sẽ khơng tránh
khỏi có một số hạt than "sơi" lên, một số hạt có kích thước nhỏ hơn lại bay lơ lửng
trong khí hoặc bay ra ngồi lị phản ứng. Như vậy chế độ khí hóa kiểu tầng cố định
khơng cịn giữ ngun 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 sơi và dạng dịng cuốn.
Khí hóa tầng sơi là gì?
Nồi hơi tầng sơi là dịng lị hơi cơng nghiệp mà ở đó nhiên liệu được đốt cháy
trong một lớp hoặc trong một thể sơi với những hạt rắn nóng khơng cháy. Việc sử
dụng lị hơi tầng sơi sẽ giúp tránh được những vấn đề mà loại lò đốt nhiên liệu hóa
thạch hay gặp phải. Một đặc điểm nữa là lị hơi tầng sơi lại có khả năng đốt được cả
những nhiên liệu kém chất lượng, khả năng đốt cháy hoàn tồn cao hơn, hiệu quả kinh
tế cao do đó loại lị (nồi) hơi tầng sơi này hiện được rất nhiều doanh nghiệp quan tâm
và lắp đặt.
Tại sao gọi là ‘tầng sôi’?
14


Do có khái niệm như vậy bởi q trình đốt nhiên liệu được trộn lẫn với các rắn

không cháy bao gồm: cát, tro, … Chúng sẽ thổi lên ở trạng thái lơ lửng trong buồng
đốt nhờ vào áp lực của dịng khơng khí. Ở trạng thái này lớp nhiên liệu trong buồng
đốt sẽ ở trạng thái lơ lửng, nhờ vào đó sự tiếp xúc giữa khơng khí và nhiên liệu cũng
được tăng lên rất nhiều. Các vật liệu cháy và không cháy được chuyển động tự do và
sôi giống như chất lỏng. Các hạt rắn ở trạng thái này và được gọi là tầng sơi hay lớp
sơi.
Xét vận tốc gió trong khí hóa tầng sơi
Xét vận tốc gió trong lị phản ứng: nếu tốc độ gió cịn nhỏ thì than vẫn ở dạng lèn
chặt, nhưng nếu tăng dần vận tốc lên thì than đang ở trạng thái lèn chặt dần biến thành
trạng thái ‘sôi’ (hiện tượng sôi của hạt rắn trong dịng khí).
Tốc độ gió (Wgió) lúc bấy giờ gọi là tốc độ sơi (Wsơi).
Vì vậy khi Wgió = Wsơi thì phương pháp khí hóa gọi là khí hóa tầng
sơi.
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 lượng của than. Tốc độ gió lúc đó được gọi là tốc độ tới
hạn, xác định theo cơng thức:

4 g.gT .d
Wtới hạn = 3C. gkhi

(1)

Trong đó:
 gT : Trọng lượng riêng của than
 gkhí: 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
Re

15

Nếu Wgió > Wtới

hạn

 than sẽ bay ra ngồi lị theo khí. Vì vậy  Wgió

khơng cho phép vượt q Wtớihạn. Như vậy than có kích thước d lớn
thì Wtới hạn cũng càng lớn.
2.2.1 Đặc điểm và nhược điểm cuả lị khí hóa tầng sơi
a. Đặc điểm
- Than liên tục chuyển vào lị khí hóa.
- Than được đảo trộn trong lớp sơi nên q 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
- Có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà khơng cần dùng
các thiết bị xử lý đắt tiền.
- Nhiên liệu sử dụng đa dạng: than cám, biomss, rác thải nghành giấy…
- Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lị. Các hạt nhỏ ở phía trên và
dễ dàng bay ra ngồi theo gió. Để làm giảm lượng bụi than bay theo gió ra ngồi người
ta đưa than gió bậc 2 ở khoảng giữa để tăng cường q trình khí hóa. Nhưng gió bậc
một thổi lên vẫn là chủ yếu.
- Khi khí hóa tầng sơi, 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 O2 trong gió sẽ cháy thành CO2 và H2O,
một phần nhỏ khác bị nhiệt phân. Vì vậy khí s ản phẩm sinh ra kh ỏi lị khơng có s ản
phẩm lỏng, khơng có các hạt hydrocacbon nên khí sạch. Dùng cho t ổng h ợp hóa h ọc
rất có lợi.
- Vì khí hóa tầng sơi nên các hạt than ln chuyển động và trong lị khơng 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 của lò giảm xuống. Vì nhiệt độ này nên nhiệt
độ của lị trongh phương pháp khí hóa tầng sơi chỉ đạt từ 900 – 1000 ℃ .
b. Nhược điểm

16


- để nâng cao nhiệt độ lị, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế
cũng khơng thể nâng nhiệt độ phản ứng cao quá 1150 ℃ nhiệt độ có thể làm chẩy xỉ.
Do nhiệt độ lị không nâng cao được nên các loại than già, han antraxit có t ốc độ ph ản
ứng của C với các tác nhân khí khơng đủ lớn thì khơng thích hợp cho q trình khí hóa
tầng sơi. Phương pháp khí hóa tầng sơi dùng than có độ biến tính thấp như than nâu,
than bùn hoặc một vài loại than đá có đặc tính thích hợp.
- Đối với lị sơi đốt than đá có tỷ lệ cốc cao, địi hỏi phải có chùm ống ngâm
trong lớp sơi để giữ cho buồng đốt không bị quá nhiệt, tuy nhiên tuổi thọ c ủa chùm
ống này thường thấp do phải chịu mài mòn liên tục.
- 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 khơng thể dùng cho khí hóa t ầng
sơi.
2.2.2 Phân loại khí hóa than tầng sơi
Thơng thường người ta có thể phân ra 2 loại lị hơi tầng sơi như: lị hơi tầng sơi
tuần hồn và lị hơi tầng sơi dạng cuốn
a. Lị hơi tầng sơi dạng tuần hồn
cấu tạo của lị hơi tầng sơi tuần hồn gồm ba phần là: Buồng đốt, cyclon và phần
đi của lị.
- Bộ phận nạp liệu: Nhiên liệu cấp vào lị hơi tầng sơi u cầu phải có kích thước
đồng đều và độ lớn theo quy định nhằm đạt điều kiện cháy tối ưu. Đối với than giới
hạn kích thước là 0-10 mm. Đối với biomass nói chung thì từ 0-50mm. Nhiên liệu có
thể vận chuyển bằng băng tải, vít, gàu tải… tới các silo chứa để dự trữ hoặc nạp trực

tiếp vào lò hơi. Hệ thống cấp liệu có thể thêm các thiết bị cảm biến đo khối lượng lắp
trên các phễu chứa nhiên liệu hay lắp trên băng tải nhiên liệu để đo lường lượng nhiên
liệu cấp vào lò, phục vụ việc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất lị hơi.
Đối với lị tầng sơi, nhiên liệu cấp vào lị có thể được phun lên bề mặt lớp sôi
hoặc cấp từ bên dưới lớp sơi. Kiểu cấp liệu phía dưới lớp sôi chỉ áp dụng đối với than
đá đã qua nghiền sơ bộ với kích thước nhỏ.

17


Một số lị hơi đốt các nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ cần cấp thêm đá
vôi để xử lý nhằm giảm phát thải khí SOx. Các chất hấp phụ này sẽ được nghiền
xuống cỡ hạt khoảng 0-6mm rồi phun vào buồng đốt.
- Buồng đốt tầng sôi:
Buồng đốt là cấu tạo chính của lị hơi
Một tập hợp các hạt rắn sẽ trở thành tầng sơi khi có một lượng áp suất cao được
đưa vào từ mặt dưới của lớp hạt rắn làm cho hạt rắn ứng xử như chất lỏng: các vật thể
có khối lượng riêng lớn hơn lớp hạt rắn sẽ chìm xuống cịn các vật thể có khối lượng
riêng nhỏ hơn sẽ nổi (theo định luật Archimedes)
Độ sôi của lớp hạt rắn sẽ phụ thuộc rất lớn vào kích thước hạt và vận tốc sơi. Vận
tốc sôi của lớp hạt rắn tăng chậm hơn so với tốc độ của dịng khí đi trong đó. Sự chênh
lệch này được gọi là vận tốc trượt. Vận tốc trượt càng lớn thì khả năng hịa trộn nhiên
liệu càng tốt và hiệu quả cháy sẽ càng cao.
Nhiệt độ lớp sôi đối với lị BFB đốt than được duy trì khoảng 800-900℃ .
Đối với than nhiệt lượng cao, phương pháp để giữ nhiệt độ lớp nền trong khoảng
yêu cầu là thêm chùm ống bức xạ ngâm trong lớp sôi. Chùm ống này có thể là ống
sinh hơi hoặc là ống quá nhiệt. Tuy nhiên vì tiếp xúc trực tiếp với các hạt rắn chuyển
động nên tuổi thọ của chùm ống này thường thấp, phải kiểm tra thay thế thường xuyên
Buồng đốt lị tầng sơi u cầu phải có vật liệu chịu lửa bao quanh (gạch hoặc bê
tông).

Chiều cao lớp vật liệu nền thường từ 120 – 400mm, kích thước phổ biến của hạt
rắn là từ 0.8 – 1.2 mm và khối lượng riêng là từ 1500 – 2400kg/m 3. Cát, xỉ, đá dolomit,
đá vơi đều có thể làm vật liệu nền

18


Hình 2.5 Phân loại lị hơi theo tốc độ gió
- Hệ thống cấp gió:
Gió cấp 1 tạo lớp sơi (primary air) được gia nhiệt khi đi qua bộ sấy không khí và
đi vào buồng phân phối gió dưới đáy lị. Mặt trên buồng phân phối gió có rất nhiều béc
phun nhằm phân đều lượng gió cấp ra khắp bề mặt buồng đốt giúp buồng đốt sôi đều.
Các béc phun cũng ngăn các hạt rắn trong lớp sôi lọt vào buồng cấp gió. Thiết kế hệ
thống phân phối gió để buồng đốt sơi đều là cực kì quan trọng đối với lị tầng sơi.
Gió cấp 2 sẽ được cấp vào bên trên phần buồng đốt trống để cấp thêm oxy nhằm
đốt cháy các chất bốc bị đẩy lên cao. Tùy theo loại nhiên liệu mà gió cấp 2 có thể
chiếm tỷ trọng cao hay thấp hoặc có thể bị loại bỏ.
- Phần cyclon (bộ phận tách hạt):
Cyclon có nhiệm vụ tạo nên khả năng tuần hồn của lị hơi. Phần cyclon của lị
tầng sơi tuần hồn khác với các lị hơi khác ở điểm khói thải sau khi ra khỏi buồng đốt
vẫn còn các hạt chưa cháy sẽ được lọc qua đây và đưa trở lại buồng đốt.

19


Hình 2.6 Các bộ phần của tách hạt
- Phần đi lị:
Cuối cùng là phần đi lị, khí nóng sau khi qua cyclon sẽ được đưa tới đi lị,
tại đây có hệ thống trao đổi nhiệt, hệ thống lọc bụi, đảm bảo khí thải đạt an tồn trước
khi đưa ra ngồi môi trường.

20


Hình 2.7 Các bộ phận chính của lị sinh khí tầng sơi tuần hồn
1-khơng khí đầy, 2- cấp nhiên liệu,3- vịi phun khí thứ cấp, 4- lị nung, 5- xyclon, 6- niêm phong
hạt, 7- thiết bị trao đổi nhiệt.

- Hệ thống thải xỉ:
Lị hơi tạo ra hai chất thải chính là: chất thải rắn và khói. Chất thải rắn bao gồm
xỉ từ nhiên liệu và sản phẩm từ các chất hấp thụ.
Xỉ có kích thước thước lớn nên thường được lấy ra ngay dưới buồng đốt trong
khi tro bay (kích thước rất nhỏ) thường bay theo khói và được lấy ra tại các thiết bị lọc
bụi.
Hệ thống xử lý khói có thể bao gồm thiết bị lọc bụi như cyclon, ventury, lọc bụi
tĩnh điện…
21