chương 2 nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA Q TRÌNH HĨA KHÍ THAN

2.1 Giới thiệu
Khí hóa than là q trình dùng oxy (hoặc khơng khí, hoặc khơng khí giàu oxy, hoặc
oxy thuần, hơi nước hoặc hydro, nói chung gọi là chất khí hóa) phản ứng với than ở nhiệt
độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí. Nhiên liệu này được gọi
chung là khí than với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4... dùng làm nhiên liệu
khí dân dụng, trong cơng nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng
hợp CH3OH...
2.2 Cơ sở lý thuyết của q trình khí hóa than
2.2.1 Q trình khí hóa nhiên liệu (tầng cố định) [10]
Ngun lý làm việc của q trình khí hóa có thể nêu vắn tắt như sau:

Hình 2.1: Q trình hóa khí than trong lị khí hóa
Q trình khí hóa được tiến hành trong thiết bị đặc biệt được gọi là lị sinh khí. Đó
là một lị đứng, phía trên có bộ phận nạp than vào lị, phía dưới có bể nước loại tro, xỉ. Tác

- 17 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

nhân khí hóa là khơng khí và hơi nước đưa vào qua mũ gió ở phía dưới, nhiên liệu khí tạo
thành sẽ theo đường ống phía trên ra ngồi.
Theo chiều đi từ trên xuống dưới, nhiên liệu lần lượt được sấy, chưng khơ, khử,
ơxy hóa và cuối cùng tạo thành xỉ. Thông thường vùng sấy và vùng chưng khô gộp lại
thành vùng chuyển bị nhiên liệu, vùng khử và vùng ơxi hóa thành vùng khí hóa.
Tại vùng sấy, hơi ẩm của nhiên liệu được tách ra, đồng thời nhiên liệu được đốt
nóng lên. Lượng nhiệt cung cấp cho q trình sấy và đốt nóng này được truyền từ khí, khi

dịng khí đi qua lớp nhiên liệu sấy này.
Khi nhiên liệu được đốt nóng đến 250÷3500C, nhiên liệu sẽ đi vào vùng chưng khơ.
Tại đây các sản phẩm dạng khí và hơi được tách ra là: Oxyt cacbon, hydro, mêtan, cacbua
hydro nặng (chủ yếu là êtylen), sunphuahydro, amôniac, nhựa than.
Sau khi tách hết chất bốc, nhiên liệu trở thành cốc, than cốc này được nung nóng đỏ
và đi vào vùng khí hóa. Tại đây sẽ tiến hành các phản ứng hóa học phức tạp giữa than cốc
nung đỏ và tác nhân khí hóa như khơng khí và hơi nước. Trên đường đi từ dưới lên trên,
khơng khí tác dụng với than cốc để thành khí CO2 và CO, hơi nước phản ứng với cacbon
để thành khí CO và hydro. Những khí CO, H2 mới tạo thành lại cháy trong dịng khí để
thành CO2 và H2O vì trong dịng khí vẩn cịn O2. Càng lên phía trên lượng Oxy càng giảm,
cuối cùng khơng cịn nữa. Vì vậy, hàm lượng khí CO và H2 ngày càng tăng. Đến vùng khử
khí CO2 và H2O tác dụng với cacbon nung đỏ để tạo thành CO và H2. Như vậy, ở vùng
khử khí hàm lượng CO và H2 khá cao. Các phản ứng oxy hóa đều tỏa nhiệt này sẽ cung
cấp cho các phản ứng khử và đốt nóng than cốc, khí, ... Tốc độ phản ứng trong vùng khử
phụ thuộc rất nhiều vào mức độ chuyển bị nhiên liệu nghĩa là mức độ trừ bỏ hoàn toàn hơi
ẩm và chất bốc. Nếu nhiên liệu càng ẩm,càng chứa nhiều chất bốc thì thời gian nằm ở
vùng khí hóa càng lâu. Ngồi ra các phản ứng trên phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ, nhiệt
độ càng cao các phản ứng khử càng mạnh. Ở nhiệt độ 1000oC thì hầu hết các khí CO2 bị
khử thành khí CO, cho nên nhiệt độ ở vùng khí hóa phải duy trì ở khoảng 1000oC.
Như vậy, khí than nhận được là do sản phẩm của các phản ứng xảy ra ở vùng khí
hóa và khí nhận được từ vùng chưng khơ. Thành phần của khí than ra khỏi vùng khí hóa
cũng có sự thay đổi. Một số khí CO và H2 có tham gia vào việc tạo ra sản phẩm tổng hợp
ở dạng lỏng và CH4. Ngoài ra ở phần trên của nhiên liệu có thể tiến hành phản ứng:
- 18 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

2CO → CO2 + C

(2.1)

Những sự biến đổi này có ý nghĩa lớn nếu ở đó có chất xúc tác. Chất xúc tác có thể
được đưa từ bên ngồi vào hay có ngay trong tro nhiên liệu hoặc lớp gạch lót lị. Ví dụ sắt
là chất xúc tác cho phản ứng:
2CO → CO2 + C

(2.2)

Trong điều kiện thông thường của kỹ thuật những biến đổi này có thể bỏ qua.
Trước khi đưa khí than đi dùng người ta thường phải làm sạch nó vì sản phẩm ra khỏi lị
khí hóa thường lẫn nhiều khí khác nhau cũng như mang khá nhiều xỉ, bụi, mồ hóng.
2.2.2 Các loại khí than
Tùy theo tác nhân khí hóa mà người ta thu được các loại khí than khác nhau như
khí than khơ, khí than ướt, khí than hỗn hợp... dưới đây ta nghiên cứu q trình tạo ra các
loại khí than đó.
2.2.2.1 Q trình tạo khí than khơ
a) Bản chất của q trình
Khí than khơ là khí than nhận được khi tác nhân khí hóa là khơng khí. Tại vùng khí
hóa sẽ xảy ra các phản ứng sau:
C + O2 = CO2 + 399499 kJ

(2.3)

2C + O2 = 2CO + 232384 kJ

(2.4)

C + CO2 = 2CO + 167023 kJ

(2.5)

2CO + O2 = 2CO2 + 566474 kJ

(2.6)

Phản ứng (2.3) và (2.4) tiến hành đến tận cùng còn phản ứng (2.5) và (2.6) tiến
hành thuận nghịch. Đa số những phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, do đó dẫn tới tăng
nhiệt độ trong vùng khí hóa, kết quả làm cho các mẫu than mềm ra và nóng chảy tạo thành
những cục xỉ lớn. Vì vậy, việc phân bố khơng khí theo tồn bộ lớp nhiên liệu bị phá vỡ
làm q trình khí hóa trở nên xấu đi. Ở phía dưới vùng khí hóa trong pham vi ơxy hóa,
nồng độ độ ơxy hóa cao hơn, nên tiến hành các phản ứng oxy hóa hồn tồn và một phần
ơxy hóa khơng hồn tồn. Khí CO tạo thành gặp ôxy tự do sẽ cháy thành CO2. Đến vùng
khử, CO2 tác dụng với than cốc nung đỏ để tạo thành khí CO. Khí càng nhiều CO thì chất
lượng của chúng càng tăng lên. Khí CO là thành phần chính của khí than khơ. Nếu khả
- 19 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

năng phản ứng của than cốc càng cao thì sự phân hủy CO2 càng mạnh và khí càng giàu
CO, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ vùng khử hạ thấp xuống dưới 1000oC.
b) Thành phần của khí than khơ
Than

Thành phần khí, %V

Nhiệt cháy,

CO

H2

CH4

CO2

N2

Kcal/N.m3

Thanh cốc

32,2

0,5

-

1,5

66,6

996

Than nâu

29,0

4,0

2,0

5,0

60,0

1159

Bảng 2.1: Thành phần khí than khô đi từ than cốc và than nâu. [13]
c) Một số đặc điểm của q trình sản xuất khí than khơ
Đặc trưng lớn nhất của q trình sản xuất khí than khô là nhiệt độ trong các khu
vực đều cao, đặc biệt là trong khu vực cháy nhiệt độ có thể lên đến 1000÷17000C. Trong
điều kiện như vậy tro xỉ đều bị chảy lỏng, các lớp lót trong lị bị ăn mịn rất mạnh vì xỉ
lỏng nóng tác dụng rất mạnh với các vật liệu chịu lửa. Do vậy, vật liệu lót lị thường phải
là các loại cao cấp, như gạch chịu lửa manhêzit. Tháo xỉ ở dạng lỏng.
Khí than khơ có nhiều nhược điểm, chủ yếu là khả năng sinh nhiệt thấp, tổng hàm
lượng CO, H2 thấp. Tổn thất nhiệt trong quá trình sản xuất cao do nhiệt độ của sản phẩm
khí ra khỏi lị khá cao (800÷9000C), hiệu suất khí thấp. Trong lị khí hóa, nhiệt độ ở khu
vực cháy rất cao nên vật liệu lót lị chóng bị hư hỏng, phải sửa chữa thường xuyên và phải
sử dụng vật liệu đắt tiền. Tuy vậy cũng có một số ưu điểm. Do nhiệt độ lò rất cao nên cho
phép tháo xỉ lỏng và do đó có thể dùng những loại nhiên liệu nhiều tro, nhất là tro có nhiệt
độ chảy mềm thấp, để khí hóa. Có thể cho vào than các vật liệu có khả năng làm giảm
nhiệt độ chảy lỏng của tro (như CaO).
Do nhiệt độ trong lị cao nên có cường độ khí hóa cao và vấn đề về tách tro, xỉ
không bị hạn chế như ở các phương pháp khác.
d) Lĩnh vực sử dụng khí than khơ
Do thành phần khí than khơ có hàm lượng CO và H2 thấp, nên giá trị sử dụng và
giá trị kinh tế thấp. Trong trường hợp khí có hàm lượng H2 thấp và CO cao hơn thì có thể
ứng dụng để tổng hợp hóa học.

- 20 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

2.2.2.2 Q trình tạo khí than ướt dùng hơi nước
a) Bản chất của q trình
Khí than ướt là sản phẩm nhận được của q trình khí hóa than nếu tác nhân khí
hóa là hơi nước. Trong vùng ơxy hóa sẽ tiến hành các phản ứng sau:
C + H2O = CO + H2 - 125788 (kJ)

(2.7)

C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 84594 (kJ)

(2.8)

CO + H2O = CO2 + H2 + 41235 (kJ)

(2.9)

C + CO2 = 2CO - 167023 (kJ)

(2.10)

Phản ứng phân hủy hơi nước kèm theo thu nhiệt, cho nên nhiệt độ càng cao thì
phản ứng phân hủy hơi nước càng mảnh liệt và chủ yếu là theo phản ứng (2.7). Sự phân
hủy này còn phụ thuộc vào hoạt tính của nhiên liệu. Khí CO2 thu được ở các phản ứng
(2.8) và (2.9) sẽ tác dụng với than cốc nung đỏ ở vùng khử nằm phía trên vùng khí hóa để

tạo thành khí CO.
Do phản ứng khí hóa bằng hơi nước là phản ứng thu nhiệt mạnh nên hơi nước đưa
vào lị cần phải có nhiệt độ cao để thực hiện điều đó, có thể sử dụng các biện pháp sau:
a1. Phương pháp gián đoạn
Nung nóng các lớp than trong lị bằng cách đưa khơng khí vào lị trước để thực hiện
phản ứng cháy, làm cho lớp than bị nóng đỏ lên, có nhiệt độ cao, sau đó mới đưa hơi nước
vào để thực hiện phản ứng khí hóa.
Khi đưa khơng khí vào, trong lị xảy ra phản ứng cháy toả nhiệt mạnh:
C + O2 = CO2 + 94.250 kcal/kmol
2C + O2 = 2CO + 52.285 kcal/kmol
Lúc này nhiệt độ lò sẽ cao, nhiệt được giữ lại ở trong các lớp than của lị.
Ngừng đưa khơng khí, đồng thời chuyển hơi nước vào lị lúc lị đang có nhiệt độ cao.
Phản ứng khí hóa than với hơi nước sẽ xảy ra:
C + H2O → H2 + CO - Q
Sản phẩm khí lúc này chứa chủ yếu CO và H2, đồng thời nhiệt được tích lũy từ
trước sẽ bị tiêu hao dần làm cho nhiệt độ trong lò hạ xuống, tốc độ phân hủy hơi nước
giảm dần. Lúc này phải đình chỉ việc đưa hơi nước vào lị và lại tiếp tục tiến hành đưa
- 21 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

khơng khí vào lị để duy trì phản ứng cháy, toả nhiệt cung cấp nhiệt cho q trình khí hóa
tiếp theo. Các quá trình này phải tiến hành gián đoạn và lặp lại theo những chu kỳ nhất
định với các tác nhân khơng khí-hơi nước-khơng khí, ...
a2. Phương pháp liên tục
Khơng cần nung nóng các lớp than trong lị trước mà tiến hành đưa ngay hỗn hợp
hơi nước và chất gia nhiệt dạng khí có nhiệt độ cao 1100÷11500C vào lị và nhờ nhiệt
lượng của nó mà có được nhiệt lượng cần thiết cho phản ứng khí hóa thu nhiệt. Quá trình
sản xuất theo phương pháp này tiến hành liên tục.

Trong số hai phương pháp trên, phương pháp sản xuất gián đoạn theo chu kỳ khơng
khí-hơi nước-khơng khí được dùng phổ biến hơn cả. Các phương pháp sản xuất liên tục
cho sản phẩm khí tốt nhưng áp dụng hạn chế vì phức tạp, đắt tiền và giá thành cao.
Cần chú ý là nếu tăng cao nhiệt độ của lớp than bằng cách tăng cường q trình
cháy khi thổi gió vào lị thì đồng thời với phản ứng oxy hóa tăng nhanh lại kèm theo phản
ứng khử CO2 thành CO cũng tăng nhanh, kết quả là làm nhiệt độ của lớp than nguội đi và
đồng thời cũng gây tổn thất cacbon. Hiệu suất tổng cộng của q trình khí hóa đạt đến một
giá trị cực đại chỉ trong những điều kiện nhiệt độ thích hợp nào đó chứ khơng phải nhiệt
độ càng cao càng tốt.
Đặc trưng cho điều kiện nhiệt độ của lị là cường độ thổi khơng khí và hơi nước
trên tồn bộ tiết diện ngang của lị. Trong các lị sản xuất khí than ướt gián đoạn, đường
kính trong của lịng lị từ 3 đến 3,6m vận tốc khơng khí thổi vào hợp lý nhất khi khí hóa
than antraxit thường là 0,7÷0,8 m/s, khi dùng than cốc cao cấp thường là 1,5 m/s. Vận tốc
hơi nước thường là 0,2÷0,25 m/s, có khi tới 0,3 m/s.
Các phản ứng phân huỷ hơi nước là phản ứng thu nhiệt nên nhiệt độ của các lớp
than trong lò ngày càng giảm đi và do đó mức độ phân huỷ hơi nước giảm xuống rất
nhanh, phẩm chất khí ngày càng xấu đi. Sự thay đổi này có thể thấy rõ trong bảng dưới
đây.
Thành phần trong khí than ướt (%V) sau khi bắt
đầu thổi gió lạnh được

Các cấu tử
2 phút

4 phút
- 22 -

6 phút

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

CO2

3,0

5,3

8,5

CO

45,6

39,5

34,2

H2

45,0

51,2

53

CH4

0,1

0,1

0,1

O2

0,4

0,3

0,1

N2

5,9

3,6

4,1

Bảng 2.2: Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió lạnh. [13]
Để khắc phục sự dao động về thành phần khí sản phẩm, xu hướng chung là rút ngắn
thời gian các pha đến mức có thể và thay đổi luân phiên giữa hai pha rất nhanh.
Mặt khác để sử dụng tồn bộ nhiệt tích trữ trong các lớp than của lị, người ta
thường thổi gió lạnh vào theo kiểu: gió lạnh vào từ dưới lên rồi lại cho từ trên xuống. Tất
cả các pha như vậy tạo thành một chu trình, mỗi chu trình bao gồm các pha như sau:
Pha 1: Thổi khơng khí từ dưới lên với mục đích để tạo nhiệt trong các lớp than.
Khí thốt ra có thành phần gần như khơng khí, sẽ được thải ra hoặc sử dụng vào mục đích
khác.
Pha 2: Thổi hơi nước từ dưới lên để đuổi các sản phẩm trong pha 1 còn lưu lại

trong lò, ngăn ngừa ảnh hưởng làm bẩn hơi nước của pha sau. Thời gian cho pha này rất
ngắn.
Pha 3: Thổi hơi nước từ dưới lên để tạo sản phẩm khí than ướt. Sản phẩm được dẫn
vào bể chứa khí để sử dụng.
Pha 4: Thổi hơi nước từ trên xuống nhằm tạo thêm sản phẩm khí than ướt, tận dụng
nhiệt cịn tích lại trong các lớp trên của lò. Sản phẩm cũng được dẫn vào bể chứa để sử
dụng.
Pha 5: Thổi hơi nước từ dưới lên nhằm tạo thêm sản phẩm khí than ướt của pha
trước, thu vào bể chứa và còn để tạo điều kiện an toàn cho pha sau. Sản phẩm cũng được
dẫn vào bể chứa để sử dụng.
Pha 6: Thổi khơng khí từ dưới lên để đẩy hết khí than ướt cịn lưu lại phía trên của
lị. Sản phẩm vét này cũng được đưa vào bể chứa để sử dụng.
- 23 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo khí than ướt theo phương pháp liên tục
Qua từng pha như vậy, thành phần khí sản phẩm cũng thay đổi liên tục ( xem bảng dưới).
Thành phần khí, %V

Pha 3

Pha 4

Pha 5

CO2

6,97

5,17

8,84

H2S

0,43

0,43

0,43

O2

0,20

0,20

0,20

CO

38,38

39,31

34,53

H2

49,31

50,39

50,31

CH4

0,64

0,54

0,70

N2

4,07

3,36

4,99

Bảng 2.3: Sự thay đổi thành phần khí ở các pha [13]
Việc thay đổi liên tục các pha này có thể được thực hiện bằng tay hoặc tự động.
Khi điều khiển bằng tay chỉ cần 4 pha, bỏ pha 2 và pha 4. Tổng số thời gian cần thiết cho
một chu trình khi điều khiển bằng tay có thể cần đến 9÷12 phút, nếu điều khiển bằng
phương pháp nửa tự động có thể cần 5÷7 phút, cịn khi điều khiển tự động chỉ cần 3÷4
phút.
b) Thành phần khí than ướt từ than antraxit

Thành phần

CO2

H2S

CO

H2

O2

N2

Qthấp, kcal/m3

%V

6,5

0,3

37

50

0,2

6

2490

Bảng 2.4 : Thành phần khí than ướt từ than antraxit [13]
- 24 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

c) Một số đặc điểm của quá trình sản xuất khí than ướt
Lị khí hóa than dùng gió hơi nước có hiệu suất khí hóa thực tế η đạt 50÷60%.
Như vậy nếu tính tổng số mất mát do than phải qua quá trình cháy (để cấp nhiệt cho phản
ứng khử) theo xỉ và thất thốt ra mơi trường xung quanh (khoảng 5%) thì cứ 100kg
ngun liệu chỉ cịn 50÷60 kg than tham gia phản ứng C + H2O để sản xuất khí than ướt
sản phẩm.
Đây chính là nhược điểm lớn nhất của phương pháp sản xuất khí than ướt theo
phương pháp gián đoạn.
d) Lĩnh vực sử dụng khí than ướt
Khí than ướt chủ yếu để tổng hợp hóa học. Vì là ngun liệu có nhiều H2 nên khí
than ướt được dùng để tổng hợp NH3, hoặc làm nhiên liệu. Để tiến hành tổng hợp NH3
phải loại bỏ CO theo phương pháp dùng nước hấp thu ở 20 Pa.
Có thể loại trừ CO theo phản ứng chuyển hóa:
xúc tác
CO + H2O

↔

CO2 + H2 + Q

(2.11)

Cr2O3 + Fe2O3
Ngồi ra khí than ướt cũng là loại nhiên liệu khí cao cấp.
Nhược điểm của phương pháp là làm việc gián đoạn là hiệu suất thấp (η =
50÷60%), nhiệt độ và thành phần khí thay đổi theo thời gian, dễ gây hỗn hợp nổ trong lị
và đường ống.
Phương pháp tầng cố định sản xuất khí than ướt gián đoạn đòi hỏi chất lượng
nguyên liệu cao cấp như than cốc, bán cốc hay antraxit có độ bền nhiệt cao, kích thước hạt
lớn. Sở dĩ địi hỏi nguyên liệu cao cấp như vậy vì nhiệt độ trong lị thay đổi rất đột ngột, từ
pha nóng sang pha lạnh và ngược lại. Vì vậy nếu ngun liệu khơng có độ bền nhiệt cao sẽ
bị vỡ vụn dưới tác dụng của sự thay đổi đột ngột nhiệt độ. Ngoài ra phương pháp sản xuất
khí than ướt gián đoạn cần tốc độ gió cao nên phải dùng than kích thước hạt lớn. Chính vì
vậy mà hạt than với kích thước hạt nhỏ hơn 35÷50 mm khơng thể dùng được.
Do nhược điểm trên nên giá thành của sản phẩm khí than ướt sản xuất theo phương
pháp tầng cố định gián đoạn tương đối cao.
- 25 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Tuy có những nhược điểm trên nhưng phương pháp này vẫn được sử dụng rất phổ
biến trong cơng nghiệp, vì đây là phương pháp có dây chuyền sản xuất đơn giản, thiết bị rẻ
tiền, dễ thiết kế thi công và vận hành không phức tạp. Ở nước ta sản phẩm khí than ướt
được dùng để sản xuất phân bón tại Cơng ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc.
2.2.2.3 Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước và oxy
a) Bản chất của q trình
Đó là phương pháp sản xuất mà gió là hỗn hợp của oxy và hơi nước.
Sở dĩ trong công nghiệp đi đến phương pháp sản xuất này vì hai lý do:
- Nhiệt cháy của sản phẩm khí lẫn (chứa nhiều nitơ khi dùng khơng khí để khí hóa)
khơng cao, 1200÷1400 kcal/m3 và khơng đáp ứng được trong một số trường hợp cần nhiệt
độ cao. Nếu dùng khí lẫn để đốt trong sinh hoạt thì khơng đạt u cầu kinh tế vì phải vận

chuyển một lượng lớn nitơ theo đường ống. Trong trường hợp này dùng khí than ướt thì
thể tích khí giảm đi nhiều.
- Nếu khí sản phẩm để tổng hợp hóa học mà khơng cần dùng nitơ thì khơng nên
dùng khí lẫn vì việc loại bỏ nitơ ra khỏi hỗn hợp khí là một vấn đề rất khó khăn.
Các phản ứng chủ yếu xảy ra trong q trình khí hóa với gió gồm hơi nước và oxy là:
C + O2 = 2CO + 52285 kcal/k mol C
C + H2O = CO + H2 + 31690 kcal/k mol C
Lượng oxy cần là 0,1 m3 O2 /kg C hoặc 0,38 kg O2/kg C
b) Các phương pháp sản xuất và ứng dụng của khí than ướt
b1. Phương pháp tháo xỉ rắn
Để sản xuất khí than ướt theo phương pháp này, người ta có thể dùng lị của
phương pháp khí hóa tầng cố định. Tác nhân khí hóa là hơi nước có pha thêm oxy kỹ
thuật. Xỉ thải ra dưới dạng rắn.
Trong một số trường hợp do yêu cầu về thành phần hỗn hợp khí dùng cho cơng
nghiệp và cũng có thể do tiết kiệm oxy kỹ thuật, người ta có thể pha trộn thêm khơng khí
để điều chỉnh thành phần khí cũng như các yêu cầu sản xuất khác. Bảng dưới đây trình
bày thí dụ về thành phần khí sản phẩm phụ thuộc vào nồng độ oxy cấp (dùng than cốc làm
nguyên liệu).
- 26 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Nồng độ oxy trong gió khơ, %

Thành phần
khí, % thể tích

20

30

50

70

CO2

6

13,2

15,5

17,4

CO

26

18,8

34,0

35,2

H2

13

23,9

31,7

37,5

CH2

0,5

0,5

0,5

0,5

N2

54,5

33,6

18,4

9,4

Qthấp

1160

1540

1900

2080

Bảng 2.5 : Thành phần khí than khi nồng độ ôxy trong gió khô thay đổi [13]
Bảng trên cho thấy khi tăng nồng độ oxy trong gió thì nồng độ CO2, H2 và CO
trong khí sản phẩm tăng, nồng độ N2 giảm, nhiệt cháy tăng. Do khống chế được tỷ lệ O2,
N2, H2O trong gió nên có thể điều chỉnh được nhiệt độ lị khí hóa theo ý muốn.
Phương pháp này cho phép dùng các loại than có nhiệt độ chảy mềm của tro khác
nhau, đồng thời cho phép dùng cả các loại than có độ biến tính thấp, cường độ khí hóa
tương đối cao. Sản phẩm khí than ướt sản xuất bằng phương pháp này có thể dùng để tổng
hợp NH3, CH3OH, dùng để đốt các lị cơng nghiệp, hoặc để làm khí đốt dân dụng.
b2. Phương pháp tháo xỉ lỏng
Đây cũng là phương pháp khí hóa thuộc phương pháp tầng cố định song xỉ được
tháo ra dưới dạng lỏng. Gió cấp vào lị gồm hơi nước và oxy (hoặc hơi nước oxy + khơng
khí).
Gió cấp được đưa vào lò theo các lỗ ở chu vi đáy lò. đáy lị có lỗ tháo xỉ ra ngồi.
Lỗ tháo xỉ lỏng khơng có ghi. Do gió có lẫn oxy nên nhiệt độ của q trình khí hóa có thể
rất cao, đạt tới 1600÷17000C.
Phương pháp tháo xỉ lỏng cho phép sử dụng các loại than có nhiệt độ nóng chảy
của tro thấp và có hàm lượng tro cao. Phương pháp này cho phép sử dụng than có kích
thước hạt nhỏ (d = 5 mm) vì cường độ khí hóa rất lớn.
Thành phần khí, %V

Tháo xỉ lỏng

Tháo xỉ rắn

CO2

1

20,2

CO

66,2

32,8

- 27 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

H2

31,0

44,1

CH4

0,60

1,1

N2

1,20

1,8

Nhiệt cháy. Kcal/m3

2350

22,4

Lượng O2, m3/kg than

0,219

0,219

Lượng H2O, kg/kg than

0,197

0,863

Bảng 2.6 : So sánh thành phần khí sản phẩm của hai phương pháp tháo xỉ lỏng và rắn,
nguyên liệu là than đá bán cốc [13]
Qua bảng số liệu trên ta thấy tháo xỉ rắn phải dùng nhiều hơi nước hơn để hạn chế
kết khối xỉ trong lị, vì thừa nhiều hơi nước nên tạo điều kiện tiến hành phản ứng CO +
H2O = CO2 + H2 + Q . Vì vậy tháo xỉ rắn khí chứa nhiều CO2 , H2 hơn tháo xỉ lỏng. Lượng
hơi nước dùng trong phương pháp tháo xỉ lỏng ít hơn phương pháp tháo xỉ rắn 4 lần, như
vậy tiết kiệm được hơi nước.

b3. Phương pháp dùng áp suất cao (p=20Pa), tháo xỉ rắn
Điều kiện kỹ thuật của phương pháp này là p=20Pa, nhiệt độ lò phản ứng
900÷1000oC, gió là oxy kỹ thuật + hơi nước, than để khí hóa có thể là than biến tính thấp.
Việc tăng áp suất lò phản ứng làm tăng cường độ khí hóa.
Áp suất
Cường độ khí hóa

1Pa

20Pa

200-250 kg/m2.giờ

1000 kg/m2.giờ

Bảng 2.7 : Cường độ khí hố than theo áp suất khí hố [13]
b31. Ưu điểm của phương pháp
Sản xuất dùng áp suất cao làm tăng cường độ khí hóa của lị lên 4÷5 lần. Do phản
ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp (900÷10000C) nên khơng bị kết xỉ trong lị điều này cho
phép dùng các loại than có nhiệt độ chảy mềm của tro thấp. Tuy dùng than chất lượng thấp
nhưng có thể cho sản phẩm khí có nhiệt cháy cao từ 3200÷4000 kcal/m. Ở các nhà máy
sản xuất khí theo phương pháp áp suất cao, lượng oxy dùng để khí hóa 1 kg than ít hơn
dùng để khí hóa ở áp suất thường từ 2÷3 lần.
- 28 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

b32. Nhược điểm của phương pháp
Thiết bị phải chịu được áp suất cao dẫn đến vốn đầu tư cao.

Trong phương pháp khí hóa ở áp suất cao với gió chứa oxy hơi nước và tháo xỉ rắn
thì khí sản phẩm còn chứa nhiều CH4 và các loại hydrocacbon khác. Nếu muốn sử dụng
khí này làm ngun liệu tổng hợp hóa học cần phải thêm công đoạn tinh chế, chủ yếu để
giảm các loại hyđrocacbon.
b4. Phương pháp khí hóa than dưới áp lực, tháo xỉ lỏng
Đây là phương pháp khí hóa than dưới dạng bùn, áp suất cao 20÷30 Pa, tháo xỉ
lỏng (công nghệ Texaco, Mỹ).
Bản chất phương pháp: bụi than được trộn với nước theo tỷ lệ 40/60 (hoặc 60/40)
trong lượng thành dạng bùn. Hỗn hợp bùn được đưa vào thiết bị bay hơi ở áp suất 20÷30
Pa, nhiệt độ tương ứng là 370÷5400C. Hơi nước kéo theo bụi than vào lị khí hóa. Khí oxy
kỹ thuật được đưa vào lị và q trình khí hóa xảy ra. Xỉ tháo ra ở dạng lỏng, nhiệt độ lị
1600÷17000C.
Khí thu được có thành phần: CO2 = 10÷25%; CO + H2 = 74÷89%; CH4 = 1%
Tiêu hao oxy là 350 m3 cho 1000 m3 khí sản phẩm. Hệ số tác dụng hữu ích 80÷90%.
Cường độ khí hóa 4800 kg/m2.giờ.
Áp suất 1 Pa 20 Pa
Cường độ khí hóa 200÷250 kg/m2.giờ 1000 kg/m2.giờ
Các phương pháp khí hóa than theo cơng nghệ Shell, Preflo, ... cũng là những
phương pháp khí hóa dưới áp lực và tháo xỉ lỏng nhưng có khác phương pháp đã mơ tả về
một số điều kiện kỹ thuật công nghệ, đặc biệt là cách nạp than nguyên liệu. Trong các
phương pháp này than nạp vào lị ở dạng bụi khơ.
2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khí hóa than
2.2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất
Q trình khí hóa xảy ra ở áp suất nhất định. Thực tế thì để quá trình hóa khí hoạt
động thì áp suất tối thiểu phải là 10bar và có thể đạt đến 100bar.
Ở áp suất cao cực độ, như việc tổng hợp amoniăc (130 – 150bar) hay như q trình
hóa khí ở áp suất ở áp suất 70–100bar trở lên thì khơng thực tế cho u cầu thiết bị. Ở áp
- 29 -

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

suất q cao thì kích thước thiết bị sẽ lớn cũng như việc lựa chọn vật liệu làm lị hóa khí
trở nên khó khăn dẫn đến chi phí kinh tế sẽ rất cao.
Vì vậy việc lựa chọn áp suất cho q trình hóa khí là tùy thuộc vào u cầu của q
trình hay thiết bị và mục đích sử dụng cuối cùng sao cho chi phí đầu tư là thấp nhất.

Hình 2.3 : Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi áp suất
thay đổi ứng với nhiệt độ 1000oC [1]
Qua đồ thị hình 2.3 ta có thể nhận thấy được ở 1000oC khi áp suất càng tăng lên thì
thành phần của khí CO và H2 trong khí tổng hợp sẽ giảm xuống trong khi đó thành phần
của CO2, CH4 và H2O lại tăng lên.Như vậy ở mỗi giá trị áp suất nhất định thì thành phần
khí tổng hợp sẽ thay đổi khác nhau.
Như vậy tùy thuộc vào sản phẩm khí ra theo yêu cầu cần sử dụng mà ta chọn một
giá trị áp suất nhất định tương ứng với mỗi kiểu cơng nghệ hóa khí than thích hợp.
2.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ của q trình hóa khí nhìn chung được lựa chọn trên cơ sở của trạng thái
tro (trạng thái dưới điểm mềm của tro và trên điểm nóng chảy của xỉ). Đối với than điểm
nóng chảy của tro rất cao, đó là sự thuận lợi để thêm chất khí hóa vào than để giảm nhiệt
độ nóng chảy của tro xuống. Hóa khí ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng lượng oxy tiêu thụ của
quá trình và sẽ giảm tồn diện hiệu suất của q trình hóa khí. Vì vậy trong q trình hóa
khí ta ln đảm bảo nhiệt độ trong lị khơng được vượt q giá tri cho phép.
- 30 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Các q trình hóa khí hiện đại đều hoạt động ở áp suất 30bar và nhiệt độ trên
13000C. Ở điều kiện như vậy có tác dụng làm tăng giá trị sản xuất khí tổng hợp với thành
phần metan giảm xuống. Trong trường hợp này thì nhiệt độ cao là cần thiết, đồng thời để

q trình hóa khí thuận lợi hơn người ta còn sử dụng thêm chất xúc tác trong quá trình
phản ứng.

Hình 2.4 : Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi nhiệt độ
thay đổi với áp suất 30bar [1]
Qua đồ thị hình 2.4 ta có thể thấy rằng với sự tăng lên của nhiệt độ thì khí sinh ra có lượng
CO tăng lên, trong khi đó các thành phần CO2, H2O, CH4, lại giảm xuống.
2.2.3.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu
a) Độ ẩm của nhiên liệu
Các loại nhiên liệu có độ ẩm cao như củi gỗ, than bùn, ... muốn chuyển chúng
thành nhiên liệu khí bằng q trình khí hóa thường phải thực hiện sấy sơ bộ. Nói chung
nếu độ ẩm của nhiên liệu khoảng 50-60% thì nhiệt độ khí ra khỏi lớp nhiên liệu thường
thấp, nếu nhiệt độ ấy chỉ đạt 80-900C thì sẽ tương ứng với nhiệt độ điểm sương và ngưng
tụ hơi nước và nhựa than xuất hiện, q trình khí hóa bị cản trở. Nếu tăng chiều cao của lị
khí hóa thì có thể tận dụng nhiệt sấy các loại nhiên liệu có độ ẩm cao.

- 31 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Hình 2.5 : Ảnh hưởng của chiều cao và độ ẩm của
nhiên liệu đến q trình khí hóa. [13]
Tuy nhiên, điều đó bị hạn chế vì phải cấp nhiệt nhiều cho vùng sấy quá dài và dễ
xuất hiện sự ngưng tụ hơi nước và nhựa than. Nếu chiều cao đạt u cầu và độ ẩm của
nhiên liệu khơng lớn thì nhiên liệu được đốt nóng tới nhiệt độ gần bằng nhiệt độ của khí
lúc ra khỏi vùng khí hóa và nhiệt độ của khí lúc ra khỏi lớp nhiên liệu sẽ cao hơn nhiệt độ
điểm sương nghĩa là hơi nước trong khí ở trạng thái hơi q nhiệt (hình 2.5a). Cũng trong
điều kiện đó, nếu tăng chiều cao lớp nhiên liệu (hình 2.5b) thì nhiệt độ khí ra khỏi lớp
nhiên liệu bị hạ thấp không đáng kể và vùng nhiệt độ cao bị kéo dài ra.

Ngược lại nếu chiều cao lớp nhiên liệu bị giảm đáng kể (hình 2.5c) thì nhiệt độ khí
ra khỏi lớp nhiên liệu sẽ tăng cao vì lượng nhiệt yêu cầu cung cấp cho vùng sấy giảm
xuống. Như vậy, mật lượng hơi ẩm đáng kể đi cùng nhiên liệu vào vùng khí hóa sẽ làm
giảm nhiệt độ của vùng này. Kết quả làm giảm chất luợng khí than vì trong thành phần của
nó thành phần CO2 và hơi nước tăng lên. Nếu như độ ẩm của nhiên liệu quá lớn có thể dẫn
tới trường hợp nhiệt lượng của khí khơng đảm bảo cung cấp cho sự chuyển bị nhiên liệu.
Trong điều kiện đó, nếu tăng chiều cao lớp nhiên liệu thì nhiệt độ khí ra khỏi lớp nhiên
liệu sẽ thấp hơn nhiệt độ điểm sương, làm cho nước ngưng tụ lại và độ nhớt của nhựa than
tăng lên (hình 2.5d).
Tóm lại, nếu độ ẩm của nhiên liêu tăng cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào q
trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí mà cịn làm giảm chất lượng khí
than. Về mặt cơng nghệ khí hóa người ta lại phải tổ chức lớp nhiên kiệu có chiều cao thích
- 32 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

hợp hoặc thay đổi chế độ khí hóa. Đó cũng là nguyên nhân làm tăng giá thành cho một
đơn vị nhiên liệu chuẩn.
b) Ảnh hưởng của nhựa than
Nhựa than có thể đạt tới 7÷8% nếu ta khí hóa củi, than non, than bùn. Với các
nhiên liệu rắn khác nhựa than có hàm lượng thấp hơn. Nhựa than có thể tồn tại ở dạng
lỏng hoặc hơi và ảnh hưởng tới chất lượng khí than với mức độ khác nhau. Nhiệt sinh của
nhựa than khá cao (tới 31400 kJ/kg), vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí than
tăng lên nhiều. Điều đó cũng giải thích tại sao khí than sinh ra từ than non có chất lượng
cao hơn khí than sinh ra từ than già như antraxit.
Tuy nhiên, vì điều kiện nào đó (độ ẩm nhiên liệu hoặc chiều cao lớp nhiên liệu tổ
chức khơng hợp lý) thì nhựa than tách ra ở dạng lỏng. Trong trường hợp này chất lượng
của khí than giảm xuống và q trình khí hóa gặp khó khăn do nhựa than tách ra ở trong lị
làm dính kết các lớp nhiên liệu, cản trở sự lưu thơng khí và sự dịch chuyển nhiên liệu. Nếu

nhựa than tách ra trên đường dẫn khí hoặc ở vị trí các van trên đường dẫn sẽ gây tắc tai
các vị trí trên đường dẫn. Để khắc phục điều đó khi bố trí vận chuyển khí than đi tới nơi sử
dụng hoặc két chứa, người ta phải dùng thiết bị đặc biệt để tách nó ra khỏi khí than (gọi là
thiết bị làm sạch khí).
c) Ảnh hưởng của tro xỉ
Tro được tách ra trong q trình khí hóa được chuyển xuống phần dưới của lò. Tại
vùng này tro xỉ có thể nóng lên vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao. Nếu nhiêt độ chảy của
xỉ thấp, nó sẽ kết thành tảng xỉ lớn cản trở quá trình khí hóa và lị bị bịt kín một phần hay
hầu hết. Khi hiện tượng kết tảng xỉ xẩy ra, gió sẽ tập trung vào những vùng chưa bị dính
kết xỉ, nghĩa là sự phân bố gió hay tác nhân khí hóa sẽ tập trung vào vùng này, kết quả làm
cho tác nhân khí hóa vượt q mức bình thường, vì vậy hàm lượng CO2 và N2 của khí than
sẽ tăng lên. Mặt khác nếu quá trình tiếp diễn lâu tại các vị trí đó, nhiệt độ tai đây sẽ tăng
nhanh bởi nhiệt tỏa ra do các phản ứng tỏa nhiệt làm cho xỉ tiếp tục bị dính kết lại dẫn tới
sự tắc lị làm ngừng q trình khí hóa và làm chất lượng khí than giảm xuống nghiêm
trọng.
Để tránh sự kết dính xỉ, người ta phải kịp thời phát hiện và dùng các biện pháp sau
để xử lý:
- 33 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

- Dùng choòng phá các tảng xỉ.
- Dùng các áo nước bao quanh thân lị để chống sự kêt dính xỉ vào thành lò.
- Dùng ghi quay để phá các tảng xỉ tạo thành.
Nếu phải khí hóa loại nhiên liệu dễ cháy, người ta có thể dùng phương pháp thải xỉ
dạng lỏng để tránh các hiện tượng trên.
d) Ảnh hưởng của sản phẩm chưng khô
Hàm lượng sản phẩm chưng khô càng cao, chất lượng của khí than càng tăng.
Trong số những sản phẩm chưng khơ có loại có giá trị cao được tách ra khi làm sạch khí,

ví dụ axit axêtic (CH3COOH) và rượu phenol ... là những sản phẩm quan trọng trong cơng
nghệ hóa học.
Tùy từng loại nhiên liệu mà lượng sản phẩm chưng khô đạt được khá cao khi khí
hóa nhiên liệu có hàm lượng chất bốc cao như củi, than bùn, than nâu, ...
e) Ảnh hưởng của kích thước hạt than
Kích thước hạt than và hạt cốc có vai trị đáng kể trong q trình khí hóa. Ta biết
rằng nếu kích thước các hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc của các hạt với tác nhân khí hóa
tăng lên do đó độ hoạt tính tăng lên, tốc độ phản ứng trong q trình khí hóa tăng. Tuy
nhiên nếu kích thước hạt q nhỏ thì sức cản thủy lực tăng, dễ gây tắc lò làm cản trở q
trình khí hóa. Vì vậy, việc tạo ra kích thước hợp lý để cho q trình khí hóa tiến hành
thuận lợi cũng có ý nghĩa quyết định.
Với mỗi loại nhiên liệu, kích thước đó được lựa chọn theo kinh nghiệm, ví dụ than
nâu, than đá có thể tạo kích thước trong khoảng 20÷50mm, với antraxít kích thước khoảng
13÷25mm.
Nhiên liệu dễ kết khối, hoặc dễ tạo bột vụn thì sức cản thủy lực càng tăng, do đó
thường phối liệu hai loại nhiên liệu này. Nếu khí hóa than dễ kết khối, nên dùng lị khí hóa
có nghi quay vì trong q trình quay các tảng xỉ và cốc bị phá vỡ liên kết. Nếu khí hóa
than bụi hay than cám nên dùng lị khí hóa kiểu tầng sơi.
2.3 Các kiểu cơng 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 ngun liệu khí hóa.
- 34 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

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 lị khí hóa mà có thể áp dụng một trong ba
kiểu cơng nghệ khí hóa phổ biến hiện nay là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng

sơi và khí hóa than dịng cuốn.
- Than cục to, đường kính 10-100 mm: Thích hợp kiểu cơng nghệ khí hóa than tầng
cố định.
- Than cục nhỏ, đường kính 0-10mm: Thích hợp cơng nghệ khí hóa than tầng sơi.
- Than cám, đường kính 0-2mm: Thích hợp cơng nghệ khí hóa than dịng cuốn (khơ
và ướt).
Cả ba cơng nghệ khí hóa than nói trên đều có thể cho ra các sản phẩm khí, đó là:
Khí than khơ; khí lẫn; khí than ướt; khí than giàu oxy, … 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, …
* Dưới đây là các kiểu cơng nghệ khí hóa than:
2.3.1 Khí hóa than tầng cố định
2.3.1.1 Các phương pháp khí hóa theo kiểu tầng cố định
a) Q trình khí hóa nghịch

- 35 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Hình 2.6 Q trình khí hóa nghịch. [10]
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:
a. 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 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 q 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.
- 36 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

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 O2 và H2O lại
cao do gió vào từ đáy lị 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 lò (đáy lò 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.

Hình 2.7: Biến thiên nhiệt độ và thành phần khí theo chiều cao lị [13]
- 37 -

Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

* Vùng cháy (oxy hóa): Trong vùng cháy xảy ra phản ứng cháy cacbon
4C + 3O2 ↔ 2CO + 2CO2 + 529 kJ/mol
* 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 - 162 kJ/mol
C + H2O = CO + H2 + 119 kJ/mol
C + 2H2O = CO2 + 2H2 + 42 kJ/mol
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 cơng nghiệp tổng hợp
hóa học (CO và H2) 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÷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.
* Vùng sấy khô : Tầng này ở trên tầng phân hủy cacbon, là tầng bề mặt của nhiên liệu
than. Khí hóa than đang nóng đi lên gặp phải than mới đổ vào thì trao đổi nhiệt với nhau
làm cho hàm lượng nước trong than bị bốc hơi do nhiệt. Than được sấy khơ.
b) Q trình khí hóa thuận
Q trình khí hóa thuận 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.
Do khí hóa thực hiện trong các điều kiện như vậy nên chúng có các đặc điểm sau:
b1. Phân bố lại các khu vực trong lị ngược với q trình khí hóa thận (như phần

trên đã trình bày):

- 38 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Hình 2.8: Q trình khí hóa thuận do bức xạ và dẫn nhiệt. [13]
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 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.
b2. Hình thức trao đổi nhiệt trong lị khí hóa thuận
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 q trình đối
lưu, cịn nhiệt truyền lên phía trên (vùng cốc hóa) chủ yếu là khí than
b3. Ảnh hưởng của quá trình bán cốc (nhiệt phân than) đối với q trình khí hóa
thuận
Trong lị khí hóa thuận, sản phẩm của quá 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
- 39 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

bị cháy và bị phân hủy tiếp, nên sản phẩm của q trình khí hóa thuận chủ yếu chỉ có CO,
H2, H2O, và một lượng nhỏ các loại nhựa, hydrocacbon... Hàm lượng nhựa trong q trình
khí hóa thuận là thấp, khơng q 0,3÷0,5 g/m3, trong khi khí sản xuất theo q trình khí
hóa nghịch có hàm lượng nhựa cao, đến 30÷40 g/m3. Sản phẩm khí từ q trình khí hóa

thuận có chất lượng tốt hơn từ q trình khí hóa nghịch nên khí đó có thể dùng để chạy
các động cơ đốt trong hoặc chế biến hóa học.
c) Khí hóa liên hợp
Q trình khí hóa liên hợp là q trình kết hợp phương pháp khí hóa thuận và
phương pháp khí hóa nghịch trên cùng một thiết bị.
Than đi từ đỉnh lị xuống, gió cũng đi từ trên xuống cùng chiều với than tạo điều
kiện cho q trình khí hóa thuận. Trong quá trình này than đi qua vùng sấy 1, vùng bán
cốc 2, vùng cháy 3, vùng khử 4 (đây là vùng tạo sản phẩm khí), sau đó sản phẩm khí ra
ngồi theo. 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 q trình khí hóa thuận.
* Ưu nhược điểm của phương pháp khí hóa liên hợp:
Q trình khí hóa thuận có ưu điểm là trong sản phẩm có hàm lượng nhựa rất bé,
nhưng khuyết điểm là có một phần than chưa tham gia hồn tồn vào các phản ứng khí
hóa đã bị thải đi. Q trình khí hóa nghịch có ưu điểm là than tham gia hồn tồn vào các
phản ứng cháy và khử.
Q trình khí hóa liên hợp khắc phục được nhược điểm của cả hai q 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,
H2. Nếu vận tốc gió q 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.
2.3.1.2 Giới thiệu cấu trúc một số lị khí hóa kiểu tầng cố định
Dưới đây giới thiệu loại lị khí hóa than tầng cố định, vỉ quay với tốc độ rất chậm
khoảng 120 phút/vòng nhằm tháo xỉ khỏi lò.
- 40 -


Chương 2-Cơ sở lý thuyết của q trình hóa khí than

Thân lò gồm hai phần :
- Phần dưới là vỏ bọc sản xuất hơi nước từ nguồn nhiệt làm lạnh lị
- Phần trên lót gạch chịu lửa, than và chất khí hóa đi ngược chiều.

Hình 2.9 : Lị khí hóa than tầng cố định vỉ quay [13]
1. Tấm phân phối nhiên liệu; 2. Mâm tháo xỉ; 3. Mũ phân phối gió; 4. Hệ truyền động
quay mâm xỉ; 5. Dao gạt và hệ điều khiển dao; 6. Cửa tháo xỉ; 7. Vỏ bọc nước ở thân lò; 8.
Thùng phát sinh hơi nước; 9. Nồi bunke than; 10. Ống thổi gió (khơng khí + hơi nước
hoặc bổ sung oxy)
2.3.1.3 Ưu nhược điểm của q 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 thuận 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.

- 41 -