Đánh giá chất lượng và nghiên cứu khả năng khí hóa nguồn than cám quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------------

TRỊNH HOÀNG MAI

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HÓA
NGUỒN THAN CÁM QUẢNG NINH
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HỮU CƠ-HÓA DẦU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VĂN ĐÌNH SƠN THỌ

Hà Nội - 2010


Luận văn thạc sĩ

Mục lục
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................6
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................7
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................8
PHẦN 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................10
1.1. Hóa học than. .....................................................................................................10
1.1.1. Cấu tạo than. ...................................................................................................10
1.1.2. Thành phần kỹ thuật. ......................................................................................10
1.1.3. Thành phần hóa học. ......................................................................................12
1.2. Nguyên liệu. .......................................................................................................12

1.2.1. Trữ lượng than ................................................................................................12
1.2.2. Hiện trạng sử dụng .........................................................................................15
1.3. Các công nghệ sử dụng than trên thế giới..........................................................16
1.3.1. Công nghệ đốt. ................................................................................................16
1.3.2. Công nghệ khí hóa. ........................................................................................18
PHẦN 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THAN .................26
2.1. Phương pháp vật lí .............................................................................................26
2.2. Các chỉ tiêu công nghệ: ......................................................................................27
2.3. Xác định thành phần nguyên tố..........................................................................28
3.1. Cơ sở hóa học.....................................................................................................35
3.1.1. Cơ chế phản ứng C + H2O ..............................................................................35
3.1.2. Cơ chế phản ứng C + CO2 ..............................................................................36
3.2. Vận tốc phản ứng: .............................................................................................37
3.2.1. Vận tốc phản ứng C+H2O ...............................................................................37
3.2.2. Vận tốc phản ứng C + CO2 .............................................................................38
3.3. Các yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình khí hóa than. ...................................39
PHẦN 4: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM................................................................42
4.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................42
4.2. Chế độ đo các thiết bị phân tích hóa lý. .............................................................42
4.3. Các hóa chất sử dụng cho phương pháp phân tích khí Ocsa. ............................43

HV: Trịnh Hoàng Mai

1


Luận văn thạc sĩ

4.4. Pha hóa chất .......................................................................................................43
4.5. Chuẩn bị thí nghiệm:..........................................................................................44

4.6. Cách tiến hành thí nghiệm..................................................................................47
PHẦN 5: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................48
5.1. Phân tích chất lượng nguyên liệu.......................................................................48
5.1.1. Phương pháp vật lí ..........................................................................................48
5.1.3. Thành phần nguyên tố.....................................................................................52
5.2.3. Tính hằng số tốc độ phản ứng. ........................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................77
PHỤ LỤC..................................................................................................................79

HV: Trịnh Hoàng Mai

2


Luận văn thạc sĩ

Danh mục bảng
Bảng 1: Bảng phân chia thành phần than..................................................................11
Bảng 2: Trữ lượng than antraxit phân theo các vùng của bể Quảng Ninh................13
Bảng 3: Cơ cấu sản phẩm trong than nguyên khai....................................................13
Bảng 4: Lượng than tiêu thụ từ năm 2000 đến 2009 ................................................14
Bảng 5: Tổng hợp nhu cầu than cho các hộ PAI (PA cơ sở) ....................................14
Bảng 6: Dự báo lượng than nhập khẩu 2012-2025. ..................................................16
Bảng 7: Các chỉ tiêu phân tích vật lý. .......................................................................48
Bảng 8: Các thông số kỹ thuật. .................................................................................50
Bảng 9: Thành phần nguyên tố. ................................................................................51
Bảng 10: Thành phần hóa học trong tro....................................................................51
Bảng 11: Hàm lượng kim loại độc hại trong tro .......................................................52
Bảng 12: Nhiệt độ chảy mềm của tro........................................................................53
Bảng 13: Các nhiệt độ của quá trình cháy cùa các mẫu VD, CP, HG, AB1.............56

Bảng 14: Các giá trị nhiệt độ của quá trình cháy khi thực hiện................................60
Bảng 15: Số liệu phân tích hàm lượng khí khi khí hóa của mẫu VD. .....................62
Bảng 16: Số liệu phân tích hàm lượng khí khi khí hóa của mẫu HG. .....................62
Bảng 17: Số liệu phân tích hàm lượng khí khi khí hóa của mẫu CP. ......................63
Bảng 18: Giái trị cực đại của các khí thu được ở các nhiệt độ. ................................67
Bảng 19: Kết quả tính hiệu suất chuyển hóa cacbon. ...............................................68
Bảng 20: Bảng tính kết quả tính hiệu suất chuyển hóa nước....................................69
Bảng 21: Kết quả tính toán hằng số tốc độ phản ứng K mẫu VD............................73
Bảng 22: Bảng giá trị 1/T và lnK của mẫu nghiên cứu............................................74
Bảng 23: Phân loại than theo tiêu chuẩn ASTM.......................................................79
Bảng 24: Chất lượng than thương phẩm Hòn Gai – Cẩm Phả..................................81
Bảng 25: Chất lượng than thương phẩm Vàng Danh – Nam Mẫu ...........................83
Bảng 26:Nhu cầu dùng than có kích thước từ 6-50mm cho lò khí hóa ....................84
Bảng 27: Xây dựng đường chuẩn cho các nguyên tố của phương pháp ICP. ..........87
Bảng 28: Cường độ phát xạ của các nguyên tố sử dụng kỹ thuật hydrua và kỹ thuật
tạo sol khí ..................................................................................................................88

HV: Trịnh Hoàng Mai

3


Luận văn thạc sĩ

Bảng 29: Cường độ phát xạ của các nguyên tố sử dụng kỹ thuật hydrua và kỹ thuật
tạo sol khí ..................................................................................................................89

HV: Trịnh Hoàng Mai

4

Luận văn thạc sĩ

Danh mục hình vẽ
Hình 1: Lò khí hóa than tầng cố định........................................................................21
Hình 2: Lò khí hóa than tầng sôi...............................................................................24
Hình 3: : Lò khí hóa than dòng cuốn công nghệ Shell..............................................24
Hình 4: : Nhiệt độ chảy mềm của tro. .......................................................................31
Hình 6: Sơ đồ chứng minh định luật nhiễu xạ tia X. ................................................34
Hình 7: : Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu phản ứng khí hóa...................................45
Hình 8: Hệ thống phân tích khí Ocsa........................................................................46
Hình 9: Biểu đồ % theo cấp hạt của các mẫu VD (a), CP(b), HG(c). ......................49
Hình 10: Phổ FTIR các mẫu nghiên cứu...................................................................54
Hình 11: : Đồ thị phân tích nhiệt của các mẫu VD (a), HG (b), CP (c), AB1(d) và đồ
thị so sánh các đường DSC của các mẫu nghiên cứu (e). .........................................57
Hình 12: Phổ XRD mẫu VD, HG, ............................................................................58
Hình 13: Phổ XRD của mẫu tro các mẫu VD, HG, CP, AB1...................................58
Hình 14: Giản đồ DTG của các mẫu VD, HG, CP ở các tốc độ gia nhiệt ...............59
Hình 15: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 1/T và logβ . .......................................61
Hình 16: Đồ thị số mol CO2 (a), CO (b), H2 (c) của mẫu HG ở 800oC...................63
Hình 17 : Đồ thị biến đổi nồng độ khí CO2, CO, H2 của mẫu nghiên cứu ở 700oC,
800oC, 900oC.............................................................................................................64
Hình 18: Đồ thị so sánh sự thay đổi nồng độ sản phẩm theo nhiệt độ......................65
Hình 19 : Đồ thị mối quan hệ lnKp – 1/T mẫu VD, HG, CP...................................74
Hình 21: Đồ thị đường chuẩn của nguyên tố Se .......................................................88

HV: Trịnh Hoàng Mai

5

Luận văn thạc sĩ

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng: Đây là công trình khoa học chưa được cá nhân hoặc tổ
chức nào công bố. Tất cả các số liệu trong luận văn đều trung thực, khách quan và
được tôi trực tiếp làm thí nghiệm tại phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ hữu cơ –
Hóa dầu.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Người cam đoan

Trịnh Hoàng Mai

HV: Trịnh Hoàng Mai

6


Luận văn thạc sĩ

Lời cảm ơn
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới TS Văn Đình Sơn Thọ,
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ đạo sâu sắc về mặt khoa học, và quan tâm, động
viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và
hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hữu cơ –
Hóa dầu, Phòng thí nghiệm Hữu Cơ – Hóa dầu, Khoa Công nghệ Hóa học, trường
Đại học Bách khoa Hà Nội, những người đã tận tình dạy dỗ và giúp đỡ tôi rất nhiều
trong suốt thời gian học tập.

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học
của mình.
Nhân đây, cho phép tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân, và bạn
bè đã chia sẻ khó khăn, động viên, giúp đỡ, tạo thêm động lực cho tôi trong suốt
thời gian học tập và làm luận văn tốt nghiệp.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Học viên
Trịnh Hoàng Mai

HV: Trịnh Hoàng Mai

7


Luận văn thạc sĩ

Mở đầu
Năng lượng trong thế kỷ XXI là vấn đề vô cùng quan trọng với tất cả các quốc
gia trên toàn cầu, khi nguồn tài nguyên dầu khí và khí đốt dự báo sẽ giảm sản lượng
khai thác trong vòng 50 đến 60 năm tới. Yêu cầu đặt ra là cần nguồn nhiên liệu có trữ
lượng dồi dào, giá thành rẻ. Các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, địa nhiệt, năng lượng biển… trong những năm gần đây đã
nghiên cứu ứng dụng và phát triển, nhưng hiệu suất của các thiết bị này còn rất
thấp, chưa thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng hiện nay.
Than là nguồn nguyên liệu có trữ lượng lớn, đáp ứng được nhu cầu của thế
giới trong 150 năm tới. Giá thành cạnh tranh với các nguyên liệu khác và các công
nghệ sử dụng than rất hiệu quả như phương pháp đốt, và chuyển than thành các

dạng nhiên liệu khác rất có hiệu quả như chuyển than thành nhiên liệu lỏng, ...và
đặc biệt là khí hoá than đá.
Trữ lượng than ở Việt Nam rất lớn, chỉ riêng vùng Quảng Ninh có khoảng
10,5 tỷ tấn mà chủ yếu là than antraxit. Vùng Đồng Bằng sông Hồng dự báo có
khoảng 210 tỷ tấn. Với trữ lượng lớn, than được sử dụng rộng rãi trong nước sử
dụng trực tiếp làm nhiên liệu. Phương pháp này có hiệu suất cháy thấp gây lãng phí
nhiên liệu, tạo khí thải ( CO2, SO2 ) gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, phương pháp
khí hóa than có nhiều ưu điểm như cho nhiệt cháy cao, hiệu suất sử dụng nhiên liệu
cao, giảm khí thải là hướng đi mới.
Ở thế kỷ XX, giá than trong nước ổn định và hoàn toàn có thể cạnh tranh
được với các nguồn nhiên liệu khác, nguồn cung cấp than đảm bảo, vì vậy nước ta
có nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than phun. Ở các nước phát triển, công nghệ này đã
dần thay thế vì hiệu suất sử dụng nguyên liệu chưa cao gây lãng phí nguyên liệu. Để
nâng cao hiệu suất sử dụng nguyên liệu, phương pháp khí hóa là phương pháp khả
quan.
Theo dự báo, đến năm 2012 nước ta bắt đầu phải nhập khẩu than. Những
ngành sử dụng than có kích thước từ 6-50mm làm nguyên liệu đều phải đối mặt với
thực trạng thiếu nguyên liệu để sản xuất và giá thành nguyên liệu than sẽ lên cao. Vì
vậy, than cám sẽ là nguồn nguyên liệu thay thế hợp lý với giá thành cạnh tranh.
HV: Trịnh Hoàng Mai

8


Luận văn thạc sĩ

Cũng chính vì nguyên nhân trên nên em đã chọn đề tài :” Đánh giá chất lượng và
nghiên cứu khả năng khí hóa nguồn than cám Quảng Ninh ”.
Luận văn này đã đạt được những điểm mới sau đây:
• Sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như phương pháp FTIR,

XRD, và ICP để đánh giá chất lượng nguyên liệu. Đây là những phương pháp
đáng tin cậy và nhanh chóng hỗ trợ cho việc đánh giá chất lượng nguyên liệu.
• Sử dụng kỹ thuật TG-DSC để đánh giá quá trình cháy và mối quan hệ giữa
thành phần kỹ thuật và nhiệt độ bắt cháy ban đầu của than.
• Kháo sát khí hóa than cám ở các nhiệt độ khác nhau. Đưa ra xu hướng nhiệt
thuận lợi cho quá trình khí hóa và xu hướng của khí sản phẩm.

HV: Trịnh Hoàng Mai

9


Luận văn thạc sĩ

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1. Hóa học than.
1.1.1. Cấu tạo than. [8]
• Cấu tạo than gồm 2 phần lớn. Nhân là hợp chất cao phân tử trùng hợp cao và chủ
yếu là vòng thơm ngưng tụ. Nhánh là các hợp chất cao phân tử trùng hợp thẳng
trong đó có loại no, không no, vòng… và các dị nguyên tố như O, N, S…Phần nối
giữa nhánh và nhân đó là các cầu nối –O-, -CH2-, -CH3, -NH2…
• Trong quá trình biến tính của than kích thước phần nhân tằng dần , phần nhánh
giảm dần độ ngưng tụ tăng, phần nhánh và các cầu nối giảm
• Trong phân tử than có chứa các nhóm chức mang oxy như –OH, -OCH3, -COOH,
-CO. Những liên kết oxy trong phân tử than gồm hai liên kết bền và không bền. Quá
trình biến tính các liên kết bền giảm và những nhóm chức chứa oxy cũng giảm.
• Phần nhân là phần có cấu trúc hoàn chỉnh, trật tự và khả năng phản ứng kém. Phần
nhánh không hoàn chỉnh và khả năng phản ứng cao hơn.
Tỷ lệ phần nhân và phần nhánh trong đơn vị cấu trúc biến đổi theo độ biến tính và
có ảnh hưởng quyết định tới sự biến đổi các tính chất hoá học, cơ lý của than cũng

như ảnh hưởng quá trình chế biến than, chất lượng của sản phẩm chế biến than sau
này.
1.1.2. Thành phần kỹ thuật. [8]
Trong than có hai phần : Phần hữu cơ và phần vô cơ.
Phần hữu cơ đó là phần cơ bản nhất cuả than bao gồm các nguyên tố C, H,
O, N, S. Phần hữu cơ là phần quan trọng nhất vì nó có khả năng cháy được và toả ra
một lượng nhiệt lớn.
Phần vô cơ là phần khoáng có chứa các muối cacbonat, silicat hoặc sufnua,
sufnat… và còn có các nguyên tố hiếm khác như Be, Br, Ge, Zr… Phần vô cơ
không có khả năng cháy và là phần vô ích của nhiên liệu. Khi cháy chúng biến
thành tro.
Trong thực tế làm việc người ta chia các cấu tử trong nhiên liệu rắn thành các
phần như sau
Phần hữu cơ bao gồm toàn bộ C H O N và ký hiệu là (O).

HV: Trịnh Hoàng Mai

10


Luận văn thạc sĩ

Phần cháy được gồm các nguyên tố C H O N S và ký hiệu là (C).
Phần khô là phần chất được cộng với hàm lượng tro ( ký hiệu A).
Phần làm việc bao gồm toàn bộ cấu tử có trong than ở trạng thái ban đầu ( ký hiệu
là P).
Các thành phần trên có thể minh hoạ theo bảng 1 .
Dựa vào thành phần kỹ thuật có thể sơ bộ đánh giá về giá trị cuả than, biết được
phương hướng sử dụng và phân loại than. Về mặt lý thuyết thì thành phần kỹ thuật
của than có liên quan đến cấu trúc và độ biến tính của than.

Bảng 1: Bảng phân chia thành phần than
Thành phần
Ký

C

H

O

N

S

A

W

hiệu
O

Phần hữu cơ
C+H+O+N=
100%

Γ

Phần cháy được
C + H + O + N + S = 100%

C

Phần khô của nhiên liệu
C + H + O + N + S + A = 100%

P

Phần làm việc của nhiên liệu
C + H + O + N + S + A + W = 100%

HV: Trịnh Hoàng Mai

11


Luận văn thạc sĩ

1.1.3. Thành phần hóa học. [8]
Thành phần nguyên tố của than bao gồm các nguyên tố C, H, O, N, S hữu cơ,
S vô cơ. Ngoài các nguyên tố trên còn có P và một vài các nguyên tố hiếm.
• Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất trong than, khi cháy tỏa ra một lượng nhiệt
lượng lớn ( Q = 8140Kcal/KgC). Cacbon nằm trong than dưới dạng liên kết do đó
khả năng phản ứng kém. Trong quá trình nhiệt phân chỉ một lượng nhỏ cacbon thoát
ra ở dạng hơi và khí. Chủ yếu cacbon còn lại ở sản phẩm rắn trong quá trình nhiệt
phân.
• Hydro là nguyên tố quan trọng trong than, khi cháy toả lượng nhiệt lớn (
Q=34.320Kcal/Kg). Hydro là nguyên tố rất hoạt động, khi nhiệt phân thì thoát ra ở
dạng khí và còn lại rất ít trong sản phẩm rắn.
• Oxy có vai trò quan trọng trong than, khi cháy không toả nhiệt. Nó luôn có ái lực
hoá học lớn nhất. Trong phân tử than oxy nằm ở hai phần : Oxy liên kết bền trực

tiếp với nhân và Oxy kém bền hơn nằm ở phần nhánh bên mạch thẳng.
• Nitơ là nguyên tố duy nhất nằm ở phần hữu cơ của than. Khi cháy không toả nhiệt,
khi nhiệt phân thoát ra dưới dạng NH3, piridin.
• Lưu huỳnh có trong than có nhiều dạng khác nhau. Lưu huỳnh dạng piryt nằm
trong than dạng tinh thể lập phương FeS2 hoặc tinh thể hình thoi. Lưu huỳnh sunfat
(Ssul) chủ yếu là CaSO4 và có lẫn một chút FeSO4 và muối xunfat của các kim loại
khác. Nguyên nhân là do các nguồn nước mang vào trong than hoặc do quá trình
oxy hoá FeS2. Lưu huỳnh hữu cơ (Shydrocacbon) chủ yếu nằm trong than dạng
mecaptan hoặc thiofen. Nguồn gốc là do lưu huỳnh có sẵn trong thực vật ban đầu để
lại khi tạo than.
1.2. Nguyên liệu.
1.2.1. Trữ lượng than [12], [13], [14]
Theo Tập đoàn Công nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam, trữ lượng than Việt Nam
rất lớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn, chủ
yếu là than antraxit. Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn than
ábitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân bố

HV: Trịnh Hoàng Mai

12


Luận văn thạc sĩ

hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam. Như
vậy, trữ lượng than dự báo của nước ta là trên 220 tỷ tấn. [14]
Than antraxit Việt Nam tập trung ở tỉnh Quảng Ninh. Tổng trữ lượng than đã
tìm kiếm thăm dò còn lại đến 31/12/2005 là khoảng 4 tỷ tấn. Trữ lượng than tại bể
Quảng Ninh phân theo vùng nêu trong bảng 2.
Bảng 2: Trữ lượng than antraxit phân theo các vùng của bể Quảng Ninh

(Đơn vị tính: 1000T) [14]

Tổng trữ lượng

Phân vùng

tài nguyên

Bể than Quảng Ninh

4,049,559

Vùng Cẩm Phả

1,962,863

Vùng Hòn Gai

740,417

Vùng Uông Bí

1,346,280

Theo các số liệu thống kê , than cám 3 và cám 4 chiếm khoảng 36,92% trong sản
phẩm than nguyên khai.
Bảng 3: Cơ cấu sản phẩm trong than nguyên khai [14]

HV: Trịnh Hoàng Mai

Loại than

Tỷ lệ %

Than cục

6,67

Than cám 2

3,09

Than cám 3

19,34

Than cám 4a

4,25

Than cám 4b

13,33

Than cám 5

13,76

Than cám 6

14,13

Các loại than khác

7,03

13


Luận văn thạc sĩ

Bảng 4: Lượng than tiêu thụ từ năm 2000 đến 2009
(đv: ngàn tấn) [12]
Năm

Điện

Đạm

Giấy

Xi măng

Khác

2000

2054

235

152

941

5043

2001

2288

238

131

973

5220

2002

2623

248

155

865

5379

2003

3852

357

122

1150

6819

2004

3950

366

161

1399

8577

2005

4751

416

162

2057

8059

2006

5470

377

167

2171

7871

2007

5857

482

159

3365

7630

2008

6088

456

157

3551

2009

7500

6000

Bảng 5: Tổng hợp nhu cầu than cho các hộ PAI (PA cơ sở) [13]
TT

Sản lượng,1000T/năm

Hộ tiêu thụ và chủng loại than
2010

2015

2020

2025

37606

43383

49566

60472

I

Than thương phẩm toàn ngành

II

Nhu cầu

1

Nội địa

29540

47696

65979

92902

Nhu cầu cho Nhiệt điện

15155

27380

42800

68130

Nhu cầu cho Xi măng (Cám 3)

5296

6394

6257

6500

Nhu cầu cho VLXD và CĐSH

4000

4300

4500

4750

750

900

1050

1100

Nhu cầu Các ngành khác

2600

2700

2800

2900

Xuất khẩu

7487

5465

5953

6697

37027

53161

71932

99598

Nhu cầu cho Đạm, giấy, Hoá chất
2

Tổng nhu cầu than toàn quốc

HV: Trịnh Hoàng Mai

14


Luận văn thạc sĩ

1.2.2. Hiện trạng sử dụng [12], [13], [14]
Than ở Việt Nam chủ yếu được cung cấp cho các ngành điện, đạm, giấy, ximang.
Ngành điện, ngành xi măng dùng nhiêu liệu là than cám, ngành giấy, là ngành vật
liệu xây dựng sử dụng than có kích thước từ 6-50mm. Hầu hết các ngành sử dụng
công nghệ đốt than, riêng ngành vật liệu xây dựng dùng cả công nghệ đốt than và
công nghệ khí hóa. Ngành điện đã sử dụng than rất lớn (bảng 3), năm 2007 ngành
điện chiếm 17% tồng cầu về than [12].
• Nhu cầu về nguyên liệu:
Nhu cầu sử dụng than chủ yếu của các hộ tiêu thụ chính như điện, xi măng,
phân bón, giấy, các ngành công nghiệp khác và xuất khẩu. Nhu cầu than của các
ngành khác như vật liệu xây dựng, hóa chất chiếm tỷ trọng nhỏ và bao gồm nhiều
chủng loại than khác nhau. Trong đó, nhu cầu về than có kích thước từ 6-50mm của
ngành vật liệu xây dựng là khoảng 1,1 triệu tấn (phụ lục). [13]

Theo báo cáo của Tập Đoàn Than- Khoáng Sản Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ
than trong giai đoạn tới của một số ngành được thể hiện ở bảng 4. Từ bảng 4 và 5 ta
thấy năm 2015 nhu cầu nội địa đã cao hơn sản lượng than khai thác khoảng 4.3 triệu
tấn, năm 2020 là 16.4 triệu tấn và năm 2020 con số này lên tới 32.5 triệu tấn. Do
thiếu than cung cấp cho nhu cầu nội địa nên nước ta sẽ phải nhập khẩu than. Những
ngành công nghiệp sử dụng than sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nguyên liệu sản
xuất và giá nguyên liệu tăng lên làm giảm tính cạnh tranh. Đối với những ngành sử
dụng than có kích thước từ 6-50mm thì buộc phải đổi sang sử dụng nguyên liệu giá
thành thấp hơn như than cám. Đối với các ngành sử dụng than cám nhưng hiện đang
sử dụng công nghệ đốt kém hiệu quả thì buộc phải chuyển sang sử dụng công nghệ
tiên tiến hơn nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất. Công nghệ khí hóa than cám là một
trong những lựa chọn ưu thế cho những yêu cầu trên.
Công nghệ khí hóa than cám là một trong những lựa chọn vì có những ưu điểm sau:
• Than cám chiếm tỷ trọng lớn trong tổng sản lượng than khai thác, do đó nguồn
nguyên liệu được đảm bảo.
• Giá thành của than cám rất cạnh tranh với các loại than khác.
Và dự báo khả năng nhập khẩu than được trình bảy ở bảng 5.

HV: Trịnh Hoàng Mai

15


Luận văn thạc sĩ

Bảng 6: Dự báo lượng than nhập khẩu 2012-2025. [12]
Năm

Lượng than nhập khẩu
(Đơn vị: triệu tấn)

2012

7,9

2015

11,4

2020

114

2025

228

1.3. Các công nghệ sử dụng than trên thế giới.
1.3.1. Công nghệ đốt.
1.3.1.1.Công nghệ đốt than phun [2], [3]
Công nghệ đốt than phun là một trong những công nghệ đầu tiên trong ngành
nhiệt điện thế giới. Đây là công nghệ đã rất phát triển và là nguồn sản xuất điện
năng chủ yếu trên thế giới vào nhưng năm 50 của thế kỷ. Ngày nay công nghệ này
đã dần được thay thế ở các nước phát triển do đã trở lên lạc hậu và có nhiều nhược
điểm như hiệu suất không cao và thải nhiều khí thải ( CO2, SO2). Hiện nay Việt
Nam vẫn đang sử dụng công nghệ này rộng rãi để sản xuất điện năng với tổng công
suất 34,5 tỷ Kwh..
Nhà máy nhiệt điện thực hiện việc biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành
cơ năng rồi điện năng, quá trình biến đổi đó được thực hiện nhờ tiến hành một số
quá trình liên tục trong một số thiết bị của nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên

hai nguyên tắc: chu trình thiết bị động lực hơi nước hoặc có thể là chu trình hỗn hợp
tuốc bin khí-hơi.
Than dùng cho nhà máy nhiệt điện đốt than phun ở Việt Nam là than atraxit
với đặc điểm là khó cháy, cỡ hạt không đồng đều. Than trước khi đưa vào sản xuất
được nghiền mịn. Nhiên liệu càng mịn thì càng làm tăng khả năng đốt cháy.
Ưu điểm: Công nghệ này thao tác không phức tạp nên dễ vận hành và điều
khiển, chi phí đầu tư ban đầu thấp , thích hợp với các nước đang phát triển.

HV: Trịnh Hoàng Mai

16


Luận văn thạc sĩ

Nhược điểm: Hiệu suất thấp khoảng chỉ đạt 35- 40 %, phát thải nhiều gây ô
nhiễm môi trường mạnh, khó thu giữ khí thải, nếu sử dụng các loại nguyên liệu xấu
thì tăng chi phí đầu tư và vận hành.
1.3.1.2.Công nghệ tầng sôi. [2], [3], [10]
Công nghệ tầng sôi là công nghệ khá mới mẻ được phát triển từ những năm
70 của thế kỷ trước. Đây là công nghệ kế tiếp công nghệ đốt than phun. Đến nay
công nghệ này đã được phát triển rộng khắp trên thế giới. Công nghệ này cho phép
đốt kèm chất hấp thụ lưu huỳnh ( đá vôi) trong buồng lửa do đó mức phát thải SOx
thấp.
Than nguyên liệu sau khi đã được nghiền đến kích thước thích hợp được
đưa vào buồng đốt bằng hệ thống nạp liệu. Đồng thời đá vôi nghiền nhỏ cũng được
đưa vào qua hệ thống riêng. Đá vôi cùng với than được đốt trong cùng buồng lửa
nhằm mục đích giảm thiểu SOx sinh ra trong quá trình đốt than.
Than lửa được đốt cháy trong tầng sôi, than cháy trong trạng thái lơ lửng.
Mật độ của than giảm dần theo chiều cao buồng lửa, áp lực buồng lửa được tạo ra

nhờ không khí được đưa vào trong lò ở áp suất cao đủ lớn để duy trì các hạt than có
kích thước từ 3÷5 mm cháy lơ lửng trong thể tích buồng đốt. Để tăng mức độ khấy
trộn người ta đưa không khí vào lò chủ yếu là từ đáy lò và một phần được đưa vào
lò ở khoảng giữa lò. Nhiệt độ trong buồng lửa được duy trì ở vào khoảng 850o C.
Trong buồng lửa than cùng đá vôi được đốt cháy và khử lưu huỳnh được duy trì tại
nhiệt độ này. Hiệu suất buồng lửa lò tầng sôi tuần hoàn hơn so với lò than phun do
thời gian lưu của hạt than lớn hơn. Than sau khi cháy hết tạo xỉ, xỉ than kết lại và
rơi xuống dưới và được đưa ra nhờ bộ phận tháo xỉ. Phần than chưa cháy hết cùng
vời khí cháy có nhiệt độ cao được đưa sang một xyclon, nhờ vào lực ly tâm các hạt
than có trọng lượng lớn được gom lại và tuần hoàn trở lại buồng đốt tiếp tục cháy.
Phần còn lại là khí cháy có nhiệt độ cao và bụi than đi qua xyclon đến lò hơi. Tại
đây khí cháy truyền nhiệt để sản xuất hơi chạy tuabin hơi phát điện đồng thời gia
nhiệt ( sấy) cho không khí cấp liệu ban đầu cung cấp cho buồng đốt. Khí cháy sau
khi truyền nhiệt sinh hơi được đưa qua bộ phận lọc bụi sau khi lọc sạch bụi thì được
thải ra ngoài qua ống khói. Bụi được thu gom lại và thải ra ngoài.

HV: Trịnh Hoàng Mai

17


Luận văn thạc sĩ

Ưu điểm của công nghệ tầng sôi tuần hoàn:
- Lò CFB cho phép đốt được các loại nhiên liệu khó cháy. Thành phần nhiên liệu
có thể thay đổi trong dải rất rộng, hàm lượng lưu huỳnh trong than cao mà vẫn đảm
bảo được các tiêu chuẩn về môi trường.
- Do than cháy ở nhiệt độ không cao (khoảng 850o C) nên lượng NOx tạo thành
trong buồng lửa ở mức rất thấp so với công nghệ lò than phun truyền thống.
- Khử SO2 trực tiếp ngay trong buồng đốt và hiệu quả khử đạt rất cao nhờ sử dụng

đá vôi làm phụ gia trong quá trình đốt, vì vậy cũng không cần phải lắp bộ khử SO2
đắt tiền trên đường khói thải của lò hơi.
- Nhiệt độ trong buồng đốt thấp và được kiểm tra chặt chẽ nên ngăn cản được quá
trình tạo xỉ và liên kết tro.
- Lò tầng sôi tuần hoàn than cháy kiệt hơn nên hàm lượng các bon trong tro thấp
hơn lò than phun thích hợp hơn cho người sử dụng trong công nghiệp nhất là vật
liệu xây dựng.
1.3.2. Công nghệ khí hóa. [2], [14], [19]
Khí hóa than là phương pháp tiên tiến và sạch nhất để chuyển hóa than (kể cả
sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp) thành các nguyên liệu hoá chất
quan trọng như CO, H2, và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng.
Khác với việc đốt than trực tiếp, công nghệ khí hóa chuyển hóa than thành
CO, H2. 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, H2 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 để sản xuất nhiên liệu hydro sạch làm nhiên liệu cho
pin nhiên liệu dùng để phát điện.

HV: Trịnh Hoàng Mai

18


Luận văn thạc sĩ

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, H2 và CH4. Hỗn hợp khí sản phẩm
chứa CO + H2 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 + O2

→

CO2

(1)

C + CO2

→

2CO

(2)

C + H2O

↔ CO + H2

(3)

C + 2H2

↔ CH4

(4)

Tất cả những phản ứng để tạo ra các sản phẩm khí nêu trên đều là các phản ứng
dị thể.. CO2 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 + 3H2

↔

CH4 + H2O

(5)

CO + H2O

↔

CO2 + H2

(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
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.
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 mà có thể lựa chọn công nghệ
khí hóa. 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.

HV: Trịnh Hoàng Mai

19


Luận văn thạc sĩ

• Than có kích thước từ 6-50mm to, đường kính 10 - 100mm: thích hợp kiểu
công nghệ khí hóa nhỏ, đường kính 0 - 10mm: thích hợp công nghệ khí hóa than
tầng sôi.than tầng cố định.
• Than cám, đường kính 0 - 2mm: thích hợp công nghệ khí hóa than dòng cuốn
(khô và ướt).
1.3.2.1. Công nghệ khí hóa than tầng cố định. [2], [14], [19]
Công nghệ này 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. Công nghệ có một số đặc điểm sau :
• Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia. Dưới
cùng là vùng xỉ , tiếp đó là vùng cháy , vùng khử (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa) ,
vùng bán cốc , vùng sấy than và trên đó là tầng không đỉnh lò.
• 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 quá

trình khí hóa. Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp .
• 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 O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều
với than.
Ưu điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định:
• 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.

HV: Trịnh Hoàng Mai

20


Luận văn thạc sĩ

• Phương pháp 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 nhiều.
Nhược điểm của phương pháp:
● Mất mát nhiệt theo xỉ nhiều vì vùng tro xỉ tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy.
● Nguyên liệu là than có kích thước từ 6-50mm nên giá thành nguyên liệu cao.
Than đi vào từ đỉnh lò khí hóa, dòng oxi đi vào từ đáy lò với nhiệt độ
khoảng 300oC. Trong lò, than và dòng oxi phản ứng, đưa nhiệt độ lò khí hóa
đến khoảng 1250oC. Khí đi ra ngoài từ đỉnh lò, tro đi ra từ đáy lò với nhiệt độ
khoảng 500oC. (hình 1)

Hình 1: Lò khí hóa than tầng cố định.

1.3.2.2. Khí hóa than tầng sôi . [2], [14], [19]
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, 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.

HV: Trịnh Hoàng Mai

21


Luận văn thạc sĩ

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).
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.
Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi
trong thiết bị. Quá trình này rất khó điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc. Trong
quá trình, hỗn hợp oxy/hơi nước sẽ được sử dụng làm tác nhân thổi.
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.

• 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.
Nhược điểm của quy 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 chảy dẻo, khi nâng cao
nhiệt độ chúng bị bết lại và tạo thành các có kích thước từ 6-50mm to nên không
thể dùng cho khí hóa tầng sôi.
Than vào ở trên đỉnh của lò, dòng oxi hoặc dòng không khí đi vào từ phía
dưới lò khí hóa với nhiệt độ là 250oC. Phản ứng xảy ra giữa than và dòng khí, lúc
này nhiệt độ của lò là trên 800oC. Khí và khí than sẽ đi ra ở đỉnh lò khí hóa ở trên
800oC. Tro sẽ đi ra từ đáy lò ở nhiệt độ 500oC. (hình 2)
1.3.2.3. Khí hóa than dạng dòng cuốn [2], [14], [19]
Quá trình khí hóa dòng cuốn có thể khí hóa bất cứ loại nguyên liệu nào mà
thành phần khí thu được không có thành phần nhựa và tar. Xỉ tháo ra trong quá trình

HV: Trịnh Hoàng Mai

22


Luận văn thạc sĩ

này là loại lỏng. Quá trình này tiêu thụ một lượng lớn oxy đặc biệt khi tiến hành khí
hóa hỗn hợp than ướt hoặc than có độ ẩm cao.
Ở Việt Nam, khí hóa than dòng cuốn theo công nghệ Shell đã được áp dụng ở
nhà máy đạm Ninh Bình với năng suất sử dụng than nguyên liệu là 1360 tấn/ngày.
Quy trình công nghệ khí hóa than dòng cuốn mô tả như sau: Than được
nghiền sơ bộ tới kích thước yêu cầu rồi được cấp tới hệ thống nghiền mịn. Tại đây
than được nghiền thành bột và được sấy khô sau đó được cấp vào thùng chứa. Bột

than được trộn cùng với oxy và được đưa vào đầu đốt của lò khí hóa nhờ áp suất.
Oxy sử dụng để khí hóa được lấy từ phân xưởng phân ly không khí. Hỗn hợp than
oxy và hơi nước sẽ phản ứng với nhau dưới điều kiện áp suất từ 2,0 đến 4,0 Mpa
nhiệt độ từ 1400oC đến 1700oC tạo ra hỗn hợp sản phẩm khí. Phần tro trong than
được hóa lỏng, chảy dọc theo thành thiết bị( thành làm lạnh bằng nước) xuống đáy
lò khí hóa, tại đây nó trở thành xỉ và không thể kết dính với nhau và được thải ra
ngoài. Dưới nhiệt độ cao, các chất sau như phenol, các hợp chất đa vòng… gây ngộ
độc cho xúc tác không tạo thành.
Lò khí hóa: Lò khí hóa Shell có dạng hình trụ đứng, xung quanh bố trí thanh
làm lạnh bằng nước bao gồm các ống làm lạnh, bên trong được bọc cách nhiệt. Khi
than được khí hóa, tro than hóa lỏng tạo thành một lớp lỏng trên bề mặt thành chịu
nhiệt và chảy xuống dọc theo thành trong. Giữa thành làm mát bằng nước và vỏ trụ
có khoảng cách không, do vậy tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt ống vào và
ống hơi ra, và thuận lợi cho việc kiểm tra và bảo dưỡng thành làm lạnh. Khoảng
không này được nén đầy khí tổng hợp ở nhiệt độ 250oC đến 300oC. Có 4 đầu đốt đặt
đối xứng trên thành lò.

HV: Trịnh Hoàng Mai

23


Luận văn thạc sĩ

Hình 2: Lò khí hóa than tầng sôi

Hình 3: : Lò khí hóa than dòng cuốn công nghệ Shell.

HV: Trịnh Hoàng Mai

24