Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp

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

Lê Thanh Sơn

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN
TRONG THIẾT BỊ SẤY CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật Hóa học

Khóa 2009
Hà Nội – Năm 2012



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

Lê Thanh Sơn

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN TRONG
THIẾT BỊ SẤY CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật Hóa học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. VŨ HỒNG THÁI

Hà Nội – Năm 2012


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………..… v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................. Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................... Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................. Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU ................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA THAN Error! Bookmark not defined.
1.1. Giới thiệu ......................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2. Lịch sử phát triển của ngành khí hóa than ....... Error! Bookmark not defined.
1.2.1.Khí hoá than trên thế giới ........................ Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Hiện trạng sử dụng công nghệ hóa khí than của một số quốc gia trên
thế giới ............................................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.2.1. Khí hóa than ở Trung Quốc ............. Error! Bookmark not defined.
1.2.2.2. Khí hóa than ở Nam Phi .................. Error! Bookmark not defined.
1.2.2.3. Khí hóa than ở Ấn Độ ...................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2.4. Khí hóa than ở Mỹ............................ Error! Bookmark not defined.
1.3. Hóa khí than tại Việt Nam ............................... Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Tình hình nhiên liệu sử dụng tại Việt NamError!

Bookmark

not

defined.
1.3.2. Ứng dụng công nghệ hóa khí than tại Việt NamError! Bookmark not
defined.
1.4. Các vấn đề môi trường liên quan đến than và tầm quan trọng của hóa khí
than .................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.4.1. Các vấn đề môi trường liên quan đến thanError!

Bookmark

not

defined.
1.4.1.1. Ảnh hưởng của việc khai thác than .. Error! Bookmark not defined.
1.4.1.2. Ảnh hưởng của việc đốt than ........... Error! Bookmark not defined.
1.4.2. Tầm quan trọng của hóa khí than ........... Error! Bookmark not defined.

-i-


1.4.2.1. Về mặt lợi ích kinh tế ....................... Error! Bookmark not defined.
1.4.2.2. Về mặt môi trường ........................... Error! Bookmark not defined.
1.5. Một số quy trình khí hóa khí than được áp dụng trên thế giới hiện nay ... Error!
Bookmark not defined.
1.5.1. Khí hóa than ở áp suất khí quyển ........... Error! Bookmark not defined.
1.5.2. Quy trình Koppers Totzek ....................... Error! Bookmark not defined.
1.5.3. Quy trình của Shell ................................. Error! Bookmark not defined.
1.5.4. Quy trình Texaco .................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HÓA KHÍ THAN ... Error!

Bookmark not defined.
2.1 Giới thiệu .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình khí hóa than ....... Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Quá trình khí hóa nhiên liệu ................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Các loại khí than ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2.1 Quá trình tạo khí than khô ................ Error! Bookmark not defined.
2.2.2.2 Quá trình tạo khí than ướt dùng hơi nướcError!

Bookmark

not

defined.
2.2.2.3 Sản xuất khí than ướt dùng hơi nước và oxyError! Bookmark not
defined.
2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khí hóa thanError! Bookmark not
defined.
2.2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất ..................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ .................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu ................. Error! Bookmark not defined.
2.3 Các kiểu công nghệ khí hóa than ...................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Khí hóa than tầng cố định ....................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1.1 Các phương pháp khí hóa theo kiểu tầng cố địnhError!
not defined.

- ii -

Bookmark

2.3.1.2 Giới thiệu cấu trúc một số lò khí hóa kiểu tầng cố định ............ Error!
Bookmark not defined.
2.3.1.3 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa tầng cố địnhError! Bookmark
not defined.
2.3.2 Khí hóa than kiểu tầng sôi ....................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2.1 Nguyên lý khí hóa than kiểu tầng sôi Error! Bookmark not defined.
2.3.2.2 Giới thiệu cấu trúc một số lò khí hóa kiểu tầng sôiError! Bookmark
not defined.
2.3.2.3 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa than kiểu tầng sôi.......... Error!
Bookmark not defined.
2.3.3 Khí hóa than dòng lôi cuốn .................. Error! Bookmark not defined.
2.3.3.1 Nguyên lý khí hóa than dòng lôi cuốnError! Bookmark not defined.
2.3.3.2 Giới thiệu cấu trúc mốt số lò khí hóa kiểu dòng lôi cuốn .......... Error!
Bookmark not defined.
2.3.3.3 Ưu nhược điểm của quá trình khí hóa dòng lôi cuốn ................ Error!
Bookmark not defined.
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... v 
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................vi 
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... v 
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................vi 
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................iv 
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ v 
KẾT LUẬN ……………………………………………………………………..
Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................... Error! Bookmark not defined.

- iii -


LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên
cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp” được
hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Hồng Thái – Bộ môn Máy và Thiết bị
Công nghiệp Hóa chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan, luận văn không sao chép nội dung từ bất kỳ một luận văn thạc sỹ
hoặc luận án tiến sỹ nào khác.
Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2012
Người viết

Lê Thanh Sơn

- iv -


LỜI CẢM ƠN
XW
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Hồng Thái, Bộ môn Máy và
Thiết bị Công nghiệp Hóa chất đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp
nghiên cứu và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện
đề tài.
Xin gửi lời trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học và
các thầy, cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình
dạy dỗ, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành các nội dung học tập và
thực hiện đề tài thuận lợi.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, và các bạn
cùng lớp Cao học Kỹ thuật Hóa học 2009 - 2011 đã giúp đỡ và động viên tôi trong
thời gian học tập và quá trình làm luận văn.
Hà Nội, ngày 26 tháng 3 năm 2012

-v-


Danh mục các ký hiệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Latin
a

[kcal/m2.độ] Hệ số cấp nhiệt

b

[kg/m2.h]

Cường độ khí hóa hệ thống hóa khí

B

[kg/h]

Suất tiêu hao nhiên liệu

Chh

[kJ/kg.độ]

Nhiệt dung riêng của không khí ẩm

Cp1

[kJ/kg.độ]

Nhiệt dung riêng của không khí lạnh ở nhiệt độ 300C

Cp2

[kJ/kg.độ]

Nhiệt dung riêng của không khí nóng ở nhiệt độ 3000C

d

[mm]

Kích thước hạt than

d1

[mm]

Đường kính trong lò

d2

[mm]

Đường kính ngoài lò

dáo nước

[m]

Đường kính ngoài áo nước đã bọc cách nhiệt

dc2

[mm]

Đường kính lớp cách nhiệt

dh

[mm]

Đường kính trung bình của hạt than

dM

[Kg/kg]

Độ chứa hơi của hỗn hợp

dmmâm

[m]

Đường kính mâm quay

dmũ

[mm]

Đường kính mũ gió của ghi lò

dth

[m]

Đường kính tới hạn

Ef

[V/cm]

Lực điện trường

F

[m2]

Diện tích trao đổi nhiệt

f

[Hz]

Tần số bức xạ

g

[m/s2]

Gia tốc trọng trường

G

[kg/h]

Khối lượng sản phẩm sấy

G1

[kg/s]

Lưu lượng khí chuyển động trong ống

Gh

[kg/h]

Lượng hơi nước

gh

[kg/kgnl]

Lượng hơi nước cần dùng để hóa khí một kilôgam

viii

Danh mục các ký hiệu

than
gi

[%]

Phần trăm khối lượng của cấu tử i trong hỗn hợp

Gk

[kg/h]

Gkk

[kg/kgnl]

Gr

-

H

[mm]

Khối lượng vật liệu sấy tính theo khối lượng khô tuyệt
đối
Khối lượng không khí cần để hóa khí cho 1 kg than

Chuẩn số Grpakov (đặc trưng cho cường độ đối lưu
tự nhiên)

2

Chiều cao lò

h

[N/m ]

Trở lực của lớp than trong lò khí hoá

hcuc

[m H2O]

Tổn thất áp suất qua lớp hạt

hmũ

[mm]

Chiều cao mũ gió

Ht

[m]

Chiều cao lớp liệu

Ht

[N/m2]

Áp suất thực tế yêu cầu

ih

[KJ/kg]

Entapi của hơi

IM

[kJ/kg]

Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp

K

[W/m2độ]

Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

kd

[W/m.K]

Độ dẫn nhiệt của lớp khô

Kt

[kg/m.s.độ]

Hệ số dẫn nhiệt ẩm

Kw

[m2/s]

kw

[kg/m2.h]

Hệ số chuyển khối

L

[kg/h]

Khối lượng không khí khô

m

[kg/h]

Năng suất các dạng vật chất qua máy sấy

N

[kW]

Công suất động cơ

Nun

-

Hệ số Nuyxen của nước

P

[Pa]

Áp suất

Pa

[Pa]

Áp suất không khí tại nơi đặt quạt

PB

[N/m2]

Áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí

Phn

[Pa]

Áp suất riêng phần của hơi nước

Hệ số dẫn ẩm, phụ thuộc vào lực liên kết ẩm trong vật
liệu sấy và tính chất của vật liệu

ix


Danh mục các ký hiệu

Pi

[Pa]

Áp suất riêng phần của hơi nước

Pk

[Pa]

Áp suất riêng phần của không khí khô

PM

[N/m2]

Pr

-

Hằng số Prant

Ps

[Pa]

Áp suất riêng phần của hơi nước ở bề mặt

q

[W/m]

Nhiệt lượng mà lò khí hóa cấp cho nước

Qdv

[kJ/kgnl]

Nhiệt lượng cấp cho lò hóa khí

Qhn

[kcal/kgnl]

Nhiệt lượng do hơi nước mang vào lò khí hóa

Qkk

[kJ/kg]

Nhiệt lượng do không khí mang vào lò hóa khí

Qnl

[kcal/kgnl]

Nhiệt lượng do than mang vào

qαk

[W/m]

Nhiệt lượng mà khí truyền cho vách thiết bị

R

[m.độ/W]

Nhiệt trở toàn phần

r

[kg/N.s]

Hệ số bốc hơi

R1

[m]

Bán kính ngoài của thiết bị hóa khí

R2

[m]

Bán kính trong của áo nước

R3

[m]

Bán kính ngoài của áo nước

Re

-

Chuẩn Râynôn

Ri

[%]

Thành phần thể tích của khí thành phần

Rα2

[m.độ/W]

Nhiệt trở cấp nhiệt ra môi trường

td

[s]

Thời gian sấy

ti

[0C]

Nhiệt độ tại bề mặt thăng hoa

Tk

[0K]

Nhiệt độ của khí lò

tK

[0C]

Nhiệt độ của không khí sấy

tkt

[0C]

Nhiệt độ khí

ts

[0C]

Nhiệt độ của sản phẩm sấy

Tw

[0K]

Nhiệt độ của vách

u1

[kg/m2.s]

Vận tốc sấy

Áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu
sấy

x


Danh mục các ký hiệu

Vo

[m3/h]

Không khí lý thuyết

Vchkk

[m3/h]

Lượng không khí chung cần cung cấp cho lò

Vk

[kg/kgnl]

Thể tích không khí cần để hóa khí 1 kg nhiên liệu

Vkk

[kg/kgnl]

Thể tích không khí cần để hóa khí 1kg nhiên liệu

w

[%]

Độ ẩm tương đối của nguyên liệu ẩm

W

[kg/h]

Khối lượng ẩm của sản phẩm sấy

Wcb

[kg/kg chất
khô]

Độ ẩm cân bằng của sản phẩm sấy

Wgió

[m/s]

Tốc độ gió

X

[Kg/kg]

Độ ẩm tuyệt đối

X

[kg hơi]
[nước/kg]

Độ ẩm của không khí

x

[m]

Chiều dày của sản phẩm

yk

[N/m³]

Trọng lượng riêng của khí

yt

[N/m³]

Trọng lượng riêng của than

∆t

[0C]

Độ chênh nhiệt độ trung bình

Ký hiệu Hi Lạp
α

[W/m2.K]

Hệ số cấp nhiệt

β

[1/K]

Hệ số nở nhiệt

δ

[mm]

Chiều dày vật liệu chế tạo lò,

δ0

[W/m2 K4] Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối

ε

-

Độ xốp của lớp vật liệu

λ

[W/m.K]

Hệ số dẩn nhiệt của khí

λ0

[µm]

Bước sóng

λs

[J/kg]

Ẩn nhiệt thăng hoa

λv

[W/m.K]

Hệ số dẫn nhiệt của vách

xi


Danh mục các ký hiệu

µ0

[N.s/m2]

Là độ nhớt của chất khí ở nhiệt độ 3000C

µi

-

ϕ

[%]

Độ ẩm tương đối

ν

[m2/s]

Độ nhớt động học của khí lò

ν1

[m2/s]

Độ nhớt động học của hỗn hợp khí

ξcuc

-

Hệ số trở lực cục bộ của lớp hạt

ρ

[kg/m3]

Khối lượng riêng

ρhh

[kg/m3]

Khối lượng riêng của không khí ẩm

ρk , ρkk

[kg/m3]

Khối lượng riêng không khí

ρo

[kg/m3]

Khối lượng riêng của không khí

σ2

[mm]

Chiều dày lớp cách nhiệt

ω

[m/s]

Tốc độ gió khí trong lò rỗng

Là kilomol của khí lý tưởng (có trị số bằng phân tử
lượng)

xii


Danh mục các bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

So sánh một số nhiên liệu và giá thành sản xuất nhiệt

10

Bảng 1.2

Thông số đặc trưng của khí hoá lỏng (LPG) và khí than

14

(KT)
Bảng 2.1

Thành phần khí than khô đi từ than cốc và than nâu

20

Bảng 2.2

Sự biến đổi thành phần khí than ướt theo thời gian thổi gió

23

lạnh
Bảng 2.3

Sự thay đổi thành phần khí ở các pha

24

Bảng 2.4

Thành phần khí than ướt từ than antraxit

24

Bảng 2.5

Thành phần khí than khi nồng độ ôxy trong gió khô thay đổi

27

Bảng 2.6

So sánh thành phần khí sản phẩm của hai phương pháp tháo

28

xỉ lỏng và rắn, nguyên liệu là than đá bán cốc
Bảng 2.7

Cường độ khí hoá than theo áp suất khí hoá

28

Bảng 3.1

Đặc tính than dùng khí hóa

53

Bảng 3.2

Thành phần khí than

53

Bảng 3.3

Các thông số cơ bản của hệ thống hóa khí

54

Bảng 3.5

Thông số kết cấu lò

55

Bảng 3.4

Kết quả tính toán buồng hóa khí công suất 350000 kcal/h

55

Bảng 3.6

Bảng kết quả tính toán các bộ phận của lò khí hóa

68

Bảng 4.1

So sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân

100

sấy

xiii


Danh mục các hình vẽ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

So sánh chi phí nhiên liệu

11

Hình 2.1

Quá trình hóa khí than trong lò khí hóa

17

Hình 2.2

Sơ đồ chế tạo khí than ướt theo phương pháp liên tục

24

Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5

Sự thay đổi thành phần khí tổng hợp khi áp suất thay đổi
ứng với nhiệt độ 1000oC
Thay đổi thành phần khí tổng hợp khi nhiệt độ thay đổi với
áp suất 30bar
Ảnh hưởng của chiều cao và độ ẩm của nhiên liệu đến quá
trình khí hóa

30
31
32

Hình 2.6

Quá trình khí hóa nghịch

36

Hình 2.7

Biến thiên nhiệt độ và thành phần khí theo chiều cao lò

37

Hình 2.8

Quá trình khí hóa thuận do bức xạ và dẫn nhiệt

39

Hình 2.9

Lò khí hóa than tầng cố định vỉ quay

41

Hình 2.10

Quá trình khí hóa kiểu tầng sôi

43

Hình 2.11

Lò lớp sôi Winkler (áp suất thường)

44

Hình 2.12

Lò lớp sôi Winkler không có vỉ phân phối khí

45

Hình 2.13

Quá trình khí hóa kiểu dòng lôi cuốn

47

Hình 2.14

Cấu tạo của loại lò của Đức và dây chuyền công nghệ

48

Hình 2.15

Dây chuyền công nghệ

49

Hình 2.16

Cấu tạo lò Shell - Coppers làm việc ở áp suất cao

50

Hình 2.17

Dây chuyền công nghệ Texaco

50

Hình 3.1

Sơ đồ nguyên lý hệ thống khí hóa than tầng cố định kiểu
ngược chiều

52

Hình 3.2

Sơ đồ biểu diễn sự cân bằng

54

Hình 3.3

Cấu tạo ghi lò

70

Hình 3.4

Hệ thống gàu tải

71

Hình 3.5

Cơ cấu cấp than

71
- xiv -


Danh mục các hình vẽ

Hình 3.6

Bộ sấy không khí

73

Hình 3.7

Cấu tạo của bộ sấy không khí

81

Hình 3.8

Cấu tạo xyclôn đơn

86

Hình 4.1

Biểu đồ i – X của không khí ẩm

89

Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4

Sơ đồ máy sấy 1 cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ
thị i-X
Sơ đồ máy sấy nhiều cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên
đồ thị i-X
Sơ đồ máy sấy tuần hoàn và biểu diễn quá trình sấy trên đồ
thị i-X

89
90
91

Hình 4.5a

Đường cong sấy W=f(T)

93

Hình 4.5b

Đường cong vận tốc sấy

93

Hình 4.6

Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu

96

Hình 4.7

Hệ thống sấy hầm

98

Hình 4.8

Hệ thống sấy băng tải

98

Hình 4.9

Hệ thống sấy buồng

99

Hình 4.10

Hệ thống sấy thùng quay

99

Hình 4.11

Hệ thống sấy khí động

100

Hình 4.12

Hệ thống sấy tầng sôi

101

Hình 4.13

Hệ thống sấy phun

101

Hình 4.14

Sơ đồ thiết bị sấy tang trống trục đơn

102

Hình 4.15

Sơ đồ thiết bị sấy tang trống trục kép

102

Hình 4.16

Sơ đồ thiết bị sấy băng chuyền chân không

103

Hình 4.17

Sơ đồ cấu tạo hầm sấy thăng hoa

103

Hình 4.18

Thang sóng điện trường

104

Hình 5.1

Lò khí hóa than cho khí than đi gia nhiệt thiết bị sấy

107

Hình 5.2

Biểu đồ sấy lý thuyết có bổ sung nhiệt

108

Hình 5.3

Biểu đồ sấy lý thuyết có đốt nóng không khí giữa chừng

111

Hình 5.4

Biểu đồ sấy có tuần hoàn khí thải

113

- xv -


Danh mục các hình vẽ

- xvi -

Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

MỞ ĐẦU
Trong suốt mấy thập kỷ vừa qua, dầu mỏ và khí đốt trở thành nguồn năng lượng
chủ yếu cho công nghiệp chế biến dầu mỏ, công nghiệp hoá chất, công nghiệp điện năng
và ngành công nghiệp dùng dầu làm nhiên liệu. Đến năm 2000 con người đứng trước tình
trạng thiếu hụt nguồn năng lượng, các mỏ dầu, mỏ khí có nguy cơ bị cạn kiệt dần. Lúc
này, than đá-nguồn năng lượng hoá thạch bắt đầu được con người quan tâm.
Trước bối cảnh giá xăng dầu đang ở mức cao kỷ lục, ngành điện đang có kế hoạch
tăng giá, giá các nguyên liệu đầu vào cũng đang gia tăng một cách chúng mặt thì việc tìm
ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng là một trong những quan tâm hàng đầu của các
doanh nghiệp, không chỉ nhằm giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành, nâng cao tính cạnh
tranh của sản phẩm mà còn tận dụng được nguồn tài nguyên than sẵn có trong nước. Công
nghệ khí hoá than đang áp dụng rộng rãi trong các ngành luyện kim, công nghiệp nhẹ và
công nghiệp vật liệu xây dựng. Khí than là nguồn năng lượng bổ sung cho công nghiệp
khí đốt thế giới và Việt Nam, cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp hoá học (tổng hợp NH3,
metan, cacbua hydro, hydrocacbon bậc cao, metanol, rượu bậc cao,…)
Các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt,
năng lượng biển… trong những năm gần đây người ta đã nghiên cứu ứng dụng khá nhiều,
nhưng hiệu suất của các thiết bị này còn rất thấp, chưa thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng
năng lượng hiện nay. Trong khi đó nguồn nhiên liệu hoá thạch than đá với trữ lượng còn
rất lớn và phân bố rộng khắp trên toàn cầu. Vì vậy, để giải quyết vấn đề năng lượng hiện
nay và trong tương lai thì việc sử dụng than đá vẫn là một trong các giải pháp có ưu thế.
Vấn đề là nguồn nhiên liệu này nếu sử dụng theo lối truyền thống thì nó phát thải rất lớn
gây ảnh hưởng đến môi trường.
Trong những năm gần đây, người ta đã ứng dụng nhiều phương pháp đốt và chuyển
nhiên liệu than thành các dạng nhiên liệu khác rất có hiệu quả, giảm thiểu được nguồn khí
thải gây ô nhiểm môi trường, như chuyển than đá thành nhiên liệu lỏng, rửa than...và đặc

biệt là khí hoá than đá.

-1-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

Khí hoá than đá là một phương pháp để chuyển than đá thành khí đốt hoặc dùng
làm nguyên liệu tổng hợp hóa chất. Phương pháp này đã được ứng dụng nhiều trong
những năm gần đầy.
Đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa than trong thiết bị sấy công nghiệp
là bước nghiên cứu lý thuyết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nhiên liệu than đá,
giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài việc đánh giá tổng quan một số quy trình khí hóa
than đang được áp dụng trên thế giới hiện nay, đề tài cũng đề xuất tính toán (dạng pilot)
ứng dụng quá trình khí hóa than trong các hệ thống sấy công nghiệp tại Việt nam.
Cấu trúc của luận văn bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về khí hóa than
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình hóa khí than
Chương 3: Tính toán thiết bị trong công nghệ khí hóa than
Chương 4: Cơ sở lý thuyết hệ thống sấy công nghiệp
Chương 5: Ứng dụng khí hóa than vào một số các phương thức sấy

-2-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ HÓA THAN
1.1. Giới thiệu
Công nghệ khí hoá than là công nghệ sản xuất khí đốt, dùng tác nhân khí hóa phản

ứng với than ở nhiệt độ cao chuyển hóa nhiên liệu từ dạng rắn sang nhiên liệu dạng khí.
Tác nhân khí hóa ở đây có thể là không khí, hoặc oxy thuần, hoặc hỗn hợp không khí-hơi
nước, hoặc hỗn hợp oxy-hơi nước, hoặc hydro.
Công nghệ khí hóa than đã có từ lâu và hiện nay đã và đang được phát triển ở nhiều
quốc gia.
1.2. Lịch sử phát triển của ngành khí hóa than
1.2.1.Khí hoá than trên thế giới [17]
Công nghệ hoá khí than đã có một lịch sử lâu đời từng trải qua những thời kì phát
triển và suy giảm. Khí đốt từ than đã thu được lần đầu tiên vào năm 1792 ở Merdok nước
Anh, lúc đó khí đốt được xem là sản phẩm đi kèm khi sản xuất "dầu trong" từ than. Vào
những năm 50 của thế kỷ XIX, đã có các nhà máy sản xuất khí từ than trong các thành phố
lớn và vừa ở các nước châu Âu và bắc Mỹ đi vào hoạt động để cung cấp khí đốt cho dân
thành phố dùng cho các mục đích sưởi ấm, sinh hoạt và chiếu sáng. Lúc này, chính là thời
kỳ "thế kỷ vàng" của công nghệ hoá khí than.
Đến đầu năm 1960, khai thác dầu mỏ ở cận đông và tây Xibir với giá rẻ hơn khí sản
xuất từ than, đã làm cho ngành công nghiệp hoá khí than gần như bị loại bỏ, chỉ còn lại
một ít vùng hiếm hoi như các nhà máy hoá khí than ở Nam Phi do vùng này bị cấm mua
dầu mỏ và vùng này đã trở thành vùng công nghiệp hoá khí than đầu tiên của thế giới tồn
tại cùng dầu mỏ. Nhưng đến 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 khi trữ lượng
của các khoáng sản rắn cháy như các loại than, đá phiến chứa dầu, cát bitum… lại phân bố
khá đồng đều, trữ lượng khá phong phú với thời gian cạn kiệt của chúng được đánh giá là
còn tới nhiều trăm năm nữa. Chính cuộc khủng hoảng đó đã có tác dụng lớn, làm cho ý
-3-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

thức tiết kiệm năng lượng của loài người được nâng cao thêm. Sau cuộc khủng hoảng đó,
các nước có nhiều than, ít than và không có dầu mỏ đã bắt đầu phát triển công nghệ chế
biến than từ những đống than cũ còn lưu lại từ trước theo công nghệ hoá khí than.
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 không còn xa nữa. Chính những dự
đoán đó đã dấy lên những công trình nghiên cứu quá trình công nghệ mới về chế biến
than.
Những công 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 …đã bắt đầu xây dựng chương trình công nghệ chế biến than qui mô nhà nước. Đã có
hàng trăm hãng có tên tuổi trên thế giới tham gia trực tiếp vào lĩnh vực này. Tính đến năm
1980, đã có hàng chục loại thiết bị và các xưởng hướng dẫn chế biến than theo công nghệ
hoá khí, hoá lỏng và nhiệt phân đã lần lượt ra đời.
Hóa khí than được phát triển mạnh mẽ nhất vào những năm 1990 để sản xuất năng
lượng bằng phương pháp sử dụng chu kỳ nhị phân gồm khí cháy được sử dụng cho tuốc
bin khí, còn lại sản phẩm đốt được sử dụng cho tuốc bin hơi. Nhà máy điện đầu tiên có qui
mô thương mại bằng khí hoá chu kỳ trong là ở Cool water bang California Mỹ với công
suất 100 MW (60 tấn than/giờ) được xây dựng từ năm 1983. Nhà máy sử dụng máy sinh
khí Texaco cấp nhiên liệu ở dạng huyền phù than. Đến năm 1993, đã có tới 18 nhà máy
điện hoạt động theo phương pháp hoá khí chu kỳ trong sử dụng nhiên liệu rắn với công
suất của mỗi nhà máy từ 60-300MW của các nước trên thế giới được đưa vào sử dụng.
Tổng công suất của thiết bị hoá khí than của thế giới đến năm 1995 đã lên tới trên 30.000
MW.h và đến năm 2002 là gần 50.000 MW.h, dự đoán năm 2004 sẽ lên đến trên 60.000
MW.h. [18]
Công nghệ hoá khí than của thế giới đã phát triển một cách nhanh chóng, trong đó
xu hướng chung là đi theo phương pháp hoá khí than chu kỳ trong là phương pháp đảm
bảo tính an toàn cho sinh thái, do khí than đã được làm sạch sơ bộ, lượng các chất khí có
hại như: SO2, Nox, … và các hạt bụi rắn đã giảm bớt. Ngoài ra, hoá khí than do sử dụng
chu kỳ nhị phân nên hệ số có ích của nhà máy điện tăng lên, nhờ đó mà giảm được tiêu

hao nhiệt riêng. Nhà máy điện hoá khí than chu kỳ trong với nhiên liệu rắn lại có giới hạn
-4-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

chất ô nhiễm thấp hơn. Vì vậy hiện nay, hoá khí than chu kỳ trong được xem là hướng
phát triển có triển vọng nhất trong ngành năng lượng. Từ năm 1970 đến nay, các nước trên
thế giới đã sản xuất được 3 loại lò sinh khí để hoá khí than có công suất tính theo than là
100 tấn/giờ ở qui mô công nghiệp, đó là:
-Lò sinh khí hoá khí than theo lớp.
-Lò sinh khí tầng sôi kiểu Vinklera.
-Lò sinh khí than cám kiểu Kopperxa-Totxeka. [15]
Đức là nước đã có công lớn trong nghiên cứu phát triển công nghệ chế biến than,
trong đó có công nghệ hoá khí than. Nghiên cứu và phân tích các công trình công nghệ
hoá khí than cho thấy, lò sinh khí có triển vọng nhất là loại lò sinh khí đã thực hiện được
các nguyên lý công nghệ sau:
-Sử dụng lò phản ứng nhiệt tự động một tầng.
-Sử dụng nhiên liệu có độ hạt nhỏ, thường là từ 100 µm trở xuống.
-Sử dụng áp suất cao, thường là 3 MPa. Kinh nghiệm cho thấy, nếu tăng áp suất lên
cao hơn sẽ không đạt hiệu quả, đồng thời sẽ dẫn đến làm cho cấu tạo lò thêm phức tạp và
giảm độ tin cậy.
Nhiệt độ hoá khí trong khoảng 1500 ÷22000C là thích hợp nhất, với nhiệt độ đó sẽ
đảm bảo được độ bền vật liệu chế tạo và đủ để xỉ lỏng tách ra.
Lò sinh khí để hoá khí bằng than cám là loại lò có công suất dự trữ lớn, ít cồng
kềnh và đơn giản trong chế tạo. Nhưng loại lò này có nhược điểm là hệ số tác dụng có ích
của hoá khí thấp, thường là chỉ đạt được trong khoảng 70÷72%, trong khi các lò khác đạt
tới 80%. Để khắc phục nhược điểm này, đã có nhiều cơ quan nghiên cứu của nhiều nước
tiến hành theo các hướng khác nhau, trong đó có Đức đã nghiên cứu hạ nhiệt độ đưa vào
thiết bị xuống 1000÷11000C, Pháp cũng đã nghiên cứu hạn chế nhiệt độ làm mềm xỉ hoá...

nhưng đều không nâng được hệ số tác dụng có ích của hoá khí than.
Trong thời kỳ 1990-1992, Viện Katekhii về than của Nga đã nghiên cứu lò sinh khí
kiểu mới đạt được hệ số tác dụng có ích của hoá khí than lên tới 77÷80%, nhưng vẫn đảm
bảo được năng suất của thiết bị không bị giảm xuống, đó là lò sinh khí "Katek". Lò sinh
khí "Katek" đã loại bỏ được giải pháp cổ truyền là bảo vệ thành lò không bị xỉ bám. Lò
phản ứng được thực hiện ở dạng ngăn, mỗi ngăn có vỏ bọc sinh hàn và nước đi vào thiết
-5-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

bị theo phương tiếp tuyến để bảo vệ thành lò. Hạt xỉ nóng chảy khi rơi vào lớp danh giới
cạnh thành lò phản ứng sẽ được làm nguội ở nhiệt độ dưới nhiệt độ làm mềm và rắn, lại
không bám được vào thành lò. Giải pháp công nghệ của lò "Katek" đã cho phép chuyển
pha "xỉ lỏng sang xỉ rắn" làm cho phần khoáng của than không bám được vào thành lò
phản ứng. Nhờ giải pháp này mà chi phí Oxy đã giảm xuống từ 16-25% và đã tăng hệ số
tác dụng có ích của hoá khí than lên đến 77÷80%. Chi phí nước của lò là 20÷100kg/tấn
than phụ thuộc vào công suất lò sinh khí. [15]
1.2.2. Hiện trạng sử dụng công nghệ hóa khí than của một số quốc gia trên thế giới
1.2.2.1. Khí hóa than ở Trung Quốc [18]
Trung Quốc là nước có mức tiêu thụ than chiếm 1/3 tổng lượng than toàn cầu và
than tham gia vào hơn 70% nguồn năng lượng của quốc gia này. Ngay cả khi có sự phát
triển nguồn năng lượng sạch hơn khác thì Trung Quốc vẫn sẽ là nước ngày càng tăng mức
tiêu thụ than, đặc biệt vào các lĩnh vực sản xuất hóa chất và điện năng. Vấn đề mà Trung
Quốc đang quan tâm là sử dụng than có hiệu quả hơn và ít tác hại môi trường hơn.
Cho đến những năm 90 của thế kỷ trước tổng lượng NH3 lỏng sản xuất tại Trung
Quốc vào khoảng 21,289 triệu tấn. Trước đó, trong những năm 1970-1980, Trung Quốc đã
xây dựng 16 nhà máy sản xuất NH3, mỗi nhà máy có công suất 1000 tấn NH3/ngày.
Trong số các nhà máy đó có 4 nhà máy đi từ than do Công ty Lurgi thiết kế với công suất
900 tấn NH3/ngày, sản phẩm thu được là DAP, đặt tại Lucheng, Shanxi.

Hiện nay các nhà máy sản xuất NH3 đi từ than điển hình ở Trung Quốc là Hóa chất
Ngô Kinh, Liễu Hóa, Hà Trì, An Hóa, Lỗ Nam, Thạch Gia Trang...đa số các nhà máy này
vẫn sử dụng các lò khí hóa kiểu cũ (LURGI) với kích cỡ φ2745, φ3000 và φ3600 để khí
hóa than. Trong số các nhà máy này có một số nhà máy đang sử dụng lò khí hóa than theo
công nghệ Texaco, như là các nhà máy ở Lỗ Nam, Ngô Kinh, ...
Trong vài năm gần đây, Công ty Shell Global Solution và Sinopec của Trung Quốc
đã tiến hành một số dự án liên doanh sử dụng công nghệ khí hóa than theo công nghệ
Shell để sản xuất phân bón. Nhà máy Sinopec/Shell công suất than 2000 tấn/ngày đặt tại
Dongting-Hunan, cách Đông Nam Thượng Hải 900km.

-6-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

Nhà máy sẽ sử dụng nguyên liệu than thay thế cho Naphtha để sản xuất khí tổng
hợp phục vụ ngành sản xuất phân bón. Vào năm 2004 nhà máy trị giá 140 triệu USD này
sẽ đi vào vận hành.
Sinopec và Shell cũng sẽ cho vận hành hai nhà máy sản xuất phân bón từ than
tương tự đặt tại Hồ Bắc (công suất 2000 tấn than/ngày) và An Huy (1500 tấn than/ngày),
dự kiến vận hành vào năm 2005. Công ty Shell còn cung cấp bản quyền công nghệ khí hóa
than cho một số nhà máy khác nữa ở Trung Quốc, như nhà máy ở Yingcheng công suất
900 tấn than/ngày và ở Lan Châu công suất 1200 tấn/ngày để sản xuất phân bón. Một liên
doanh Sinopec và Shell nữa trị giá 136 triệu USD tại Yueyang đang được xây dựng có
công suất 2000 tấn than/ngày.
Các nhà máy sản xuất đạm từ than ở Trung Quốc sẽ giảm được chi phí đáng kể sau
khi chuyển sử dụng nguồn nguyên liệu đắt tiền naphtha sang nguyên liệu than khai thác tại
các địa phương. Công nghệ tiên tiến hiện nay cũng giúp Trung Quốc giảm phụ thuộc vào
nhập khẩu các loại than đắt tiền.
Trung Quốc hiện rất đang quan tâm tới Công nghệ CCGI-sản xuất điện-đạm của

Shell. Các nhà máy điện dự kiến đưa vào vận hành năm 2007-2008 ở Trung Quốc sử dụng
công nghệ của Shell gồm có:
-Nhà máy CCGI Yantai công suất 3000 tấn than/ngày tại Yantai.
-Nhà máy sử dụng than cốc và than cám dự kiến sản xuất điện, sẽ hoạt động vào
năm 2008.
Đài Loan cũng dự định cho vận hành nhà máy điện trên cơ sở khí hóa than theo
Công nghệ Shell đặt tại Changbin, sử dụng 2000 tấn than/ngày, cho công suất 250 MW
vào năm 2007.
Nói tóm lại, Trung Quốc là nước hiện có nhiều nhà máy sản xuất phân bón từ than
(có khoảng 60 nhà máy đạm từ than cỡ nhỏ dùng lò φ2.000 sử dụng than cục khí hóa, sản
xuất NH3, NH4 NO3 và khoảng 40 nhà máy cỡ trung bình, sử dụng loại lò φ 3000÷6000
với tổng công suất 100.000 tấn NH3/ngày).
Trung Quốc hiện đã hiện đại hóa (tự động hóa) công nghệ sản xuất NH3 từ khâu khí
hóa than đến tổng hợp NH3, điển hình là các nhà máy ở Ngô Kinh, An Hóa... điều quan
trọng để tự động hóa là nguồn cung cấp than phải ổn định về chất lượng, thiết bị sử dụng
-7-


Chương 1-Tổng quan về khí hóa than

phải có độ tin cậy cao, hệ thống điều khiển phải có độ chính xác lớn, bền và mặt khác
trong điều hành phải tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thao tác.
1.2.2.2. Khí hóa than ở Nam Phi [18]
Nam Phi có những trữ lượng than lớn, từ loại than antraxit chất lượng rất cao đến
loại than bitum chất lượng thấp (hàm lượng tro cao). Than bitum này được sử dụng như
nguồn cung cấp nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện và cung cấp cacbon cho các nhà
máy hóa chất. Sản lượng amoniac hiện nay của Nam Phi đạt 627.000 tấn/năm, chủ yếu
dựa trên công nghệ khí hóa than.
1.2.2.3. Khí hóa than ở Ấn Độ [18]
Khả năng sẵn có để khai thác sử dụng là yếu tố cơ bản chi phối việc lựa chọn

nguyên liệu cho ngành sản xuất phân bón của Ấn Độ. Xu hướng nguyên liệu tại đây đã
dịch chuyển từ nguyên liệu rắn (than) và khí lò cốc trong thập niên 1960 sang nguyên liệu
lỏng (naphtha và dầu nhiên liệu) trong thập niên 1970, rồi đến khí thiên nhiên vào thập
niên 1980. Nói chung, trong những năm qua các công ty Ấn Độ thường ưu tiên sử dụng
khí thiên nhiên hoặc naphtha, còn các cơ sở phân bón sử dụng nguyên liệu than dần dần bị
đóng cửa. Nhưng có những thời gian nguồn cung khí thiên nhiên rất eo hẹp do bị cạnh
tranh bởi nhu cầu từ các nhà máy phát điện. Lượng khí thiên nhiên cần cho một nhà máy
sản xuất urê công suất 2200 tấn/ngày tương đương lượng khí cần cho một nhà máy nhiệt
điện 250 MW. Ấn Độ đã cố gắng giải quyết vấn đề nguyên liệu bằng nhiều cách khác
nhau, từ nhập khẩu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) đến xây dựng các hệ thống đường ống
vận chuyển quy mô lớn. Người ta cho rằng việc sử dụng những trữ lượng than lớn của Ấn
Độ cho sản xuất amoniac và urê có thể sẽ góp phần giải quyết bài toán này.
1.2.2.4. Khí hóa than ở Mỹ [18]
Hiện nay than chiếm khoảng 52% nguồn nhiên liệu cho các nhà máy điện của Mỹ.
Nhưng dự báo tỷ lệ này sẽ giảm dần trong 20 năm tới, xuống còn khoảng 45%. Cũng như
ở Ấn Độ, việc sử dụng ngày càng nhiều khí thiên nhiên cho mục đích phát điện ở Mỹ đã
đẩy giá khí lên cao, khiến cho ngành công nghiệp hóa chất không muốn tiếp tục trông cậy
vào nguồn nguyên liệu này nữa. Trong thập niên 1990, nhiều nhà máy sản xuất amoniac
và urê theo công nghệ khí hóa than ở Mỹ đã chết yểu, kể cả nhà máy COGA Industries tại
Ilinois, là nhà máy sử dụng than có hàm lượng lưu huỳnh cao để sản xuất 900.000 tấn
-8-