Nghiên cứu xây dựng mô hình cân bằng hai giai đoạn cho quá trình khí hóa than trong các thiết bị khí hóa than dòng cuốn theo

NGUYỄN TIẾN HOÀNG

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

-----------------

NGUYỄN TIẾN HỒNG

KỸ THUẬT HĨA HỌC

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH CÂN BẰNG HAI
GIAI ĐOẠN CHO Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN TRONG
CÁC THIẾT BỊ KHÍ HĨA THAN DÒNG CUỐN THEO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

KHÓA 2011B

Hà Nội – Năm 2013


MỤC LỤC
PHẦN I. TỔNG QUAN ..............................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN ................................................1
1.1

Giới thiệu ..................................................................................................1

1.2

Lịch sử phát triển ......................................................................................2

1.2.1 Tình hình khí hóa than trên thế giới......................................................2
1.2.2 Tình hình khí hóa than tại Việt Nam ....................................................4
1.3

Vấn đề ơ nhiễm mơi trường và tầm quan trọng của khí hóa than ............7

1.3.1 Vấn đề môi trường ................................................................................7
1.3.2 Tầm quan trọng của khí hóa than ..........................................................8
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA THAN .......................................10
2.1

Khí hóa tầng dịch chuyển (fixed/moving bed) .......................................10

2.2

Khí hóa tầng sôi (fluidized bed) .............................................................11

2.2.1 Tầng sôi sủi bọt (BFP) ........................................................................11
2.2.2 Tầng sơi tuần hồn (CFB) ...................................................................12
2.2.3 Tầng sơi tổ hợp (DFB) (hybrid/twin reactor or dual fluidized bed) ...14
2.3

Khí hóa dịng cuốn theo (Entrained-Flow Gasification) ........................16

PHẦN II. MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM....................22
CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH
VÀ MƠ PHỎNG CHO LỚP TẦNG SƠI...............................................................22

3.1. Mơ hình hệ thống q trình (PSM) .............................................................23
3.2. Tính tốn thủy động lực học dịng chảy (CFD) ..........................................25
3.3. Mục tiêu của nghiên cứu.............................................................................26
CHƯƠNG 4. MƠ HÌNH CÂN BẰNG HAI GIAI ĐOẠN .....................................27
4.1

Khái qt mơ hình ..................................................................................27

4.2

Gới thiệu mơ hình ...................................................................................27

4.3

Mơ hình cân bằng hai giai đoạn..............................................................29

4.3.1 Các phương trình mơ tả mơ hình ........................................................31
4.3.2 Các phương trình phụ trợ của mơ hình ...............................................32
4.4

Các bước giải mơ hình ............................................................................37

I


CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................39
5.1

Kiểm định mô hình .................................................................................39

5.2

Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ oxy/than đến các thơng số khí hóa .........47

5.3

Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước với than đến các thông số khí

hóa

…………………………………………………………………………49

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................54
6.1 Kết luận ........................................................................................................54
6.2. Kiến nghị.....................................................................................................55

II


LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu xây
dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết
bị khí hóa than dịng cuốn theo” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS.
Nguyễn Đặng Bình Thành – Bộ mơn Máy và Thiết bị Cơng 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 …. tháng ….. năm 2013
Người viết

Nguyễn Tiến Hoàng

III


LỜI CẢM ƠN

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Đặng Bình Thành, Giảng
viên Bộ mơn Máy và Thiết bị Cơng nghiệp Hóa Chất đã tận tình hướng dẫn về
chun mơn, phương pháp nghiên cứu và tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q
trình học tập và thực hiện đề tài.
Xin gửi lời trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học và
các thầy, cơ 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 2011 - 2012 đã giúp đỡ và động viên tôi trong
thời gian học tập và quá trình làm luận văn.
Hà Nội, ngày…. tháng … năm 2013

IV


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU HĨA-LÝ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Kí hiệu

Tên gọi

Đơn vị

1

α

Hoạt độ

2

Cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp

J/mol

3

∆GT0

Năng lượng tự do Gibbs

J/mol

4

∆G 0f

Năng lượng tự do tạo thành tại điều kiện chuẩn

J/mol

5

h

Entapi đẳng áp

J/mol

6

∆H 0f

Entapi tạo thành tại điều kiện chuẩn

J/mol

7

K

Hằng số cân bằng phản ứng

8

m

Tỉ lệ khối lượng

9

n

Số mol của các cấu tử

mol

10

P

Áp suất

Pa

11

N

Tổng số mol của các cấu tử trong pha khí

mol

12

R

Hằng số khí lí tưởng

J/mol.K

13

T

Nhiệt độ tuyệt đối K

K

14

v

Tỉ trọng mol của khí

m3/mol

15

y

Tỉ lệ mol

16

η

Độ chuyển hóa Carbon

17

ϕ

Hệ số Fugat

18

β

Tỉ lệ hơi nước trong vùng cân bằng

19

φ

Yếu tố cân bằng hóa học

20

ε

Tiêu chuẩn hội tụ

21

0

Điều kiện chuẩn

22

i

Chỉ số

23

C

Carbon

24

O

Oxy

25

H

Hydro

-

V

26

S

Lưu huỳnh

27

CO

Carbon oxit

28

CO2

Carbon đioxit

29

CH 4

Metan

30

H 2O

Nước

31

H2S

Khí hydro sulphua

32

BFB

Bubbling Fluidized Bed (Tầng sơi sủi bọt)

33

CFB

Circulating fluidized-bed(Tầng sơi tuần hồn)

34

DFB

Dual fluidized-bed(Tầng sơi tổ hợp)

VI


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 So sánh một số nhiên liệu và giá thành sản xuất nhiệt …………

5

Bảng 2.1 So sánh đặc điểm của các thiết bị khí hóa phổ biến …………….

20

Bảng 5.1 Các điều kiện thực nghiệm cho thiết bị khí hóa Cool Water …

40

Bảng 5.2

Các thơng số cơng nghệ chạy thử nghiệm thiết bị khí hóa
Texaco…………………………………………………………

Bảng 5.3 Dữ liệu than đá được sử dụng cho nghiên cứu……………………

VII

41
47


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1

Độ tăng mức độ tiêu thụ năng lượng tồn cầu (2001-2005)…

1

Hình 1.2

Cơng suất khí hóa trên tồn thế giới và kế hoạch phát triển...

4

Hình 1.3

So sánh chi phí nhiên liệu………………………………………...

6

Hình 2.1

Hình 2.2

Các giai đoạn trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dịng
hướng lên (updraft)……………………………………………….
Thiết bị khí hóa tầng sơi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao
(HTW)……………………………………………………………….

11

12

Hình 2.3

Thiết bị khí hóa tầng sơi tuần hồn……………………………..

13

Hình 2.4

Thiết bị khí hóa tầng sơi kiểu tổ hợp (CFB và BFB)………….

14

Hình 2.5

Thiết bị khí hóa tầng sơi ghép đơi……………………………….

16

Hình 2.6

Minh họa q trình khí hóa trong thiết bị DFB……………….

16

Hình 2.7

Sự cuốn hạt trong lị khí hóa dịng cuốn theo………………….

17

Hình 2.8

Hai kiểu chính của lị khí hóa dịng lơi cuốn…………………..

18

Hình 2.9

Một thiết bị khí hóa dịng cuốn theo kiểu top-fed downflow…

19

Hình 3.1

Hình 4.1

Ngun tắc xây dựng mơ hình của thiết bị tầng sơi tổ hợp
dùng cho khí hóa than ……………………………………….
Tỷ lệ hơi nước tham gia vào quá trình cân bằng các phản
ứng trong giai đoạn phản ứng dị thể……………………………

23

36

So sánh các kết quả mơ hình khí hóa với dữ liệu thực nghiệm
Hình 5.1a

về độ chuyển hóa carbon thu được từ q trình khí hóa trong

42

thiết bị Cool Water……………………………………………….

So sánh các kết quả mơ hình khí hóa với dữ liệu thực nghiệm
Hình 5.1b

về thành phần khí tổng hợp thu được từ q trình khí hóa

43

trong thiết bị Cool Water………………………………………..
Hình 5.2a

So sánh các kết quả mơ hình với dữ liệu thực nghiệm trong

VIII

44


thiết bị khí hóa Texaco về độ chuyển hóa carbon…………….
Hình 5.2b

Hình 5.3
Hình 5.4
Hình 5.5

Hình 5.6

Hình 5.7
Hình 5.8

So sánh các kết quả mơ hình với dữ liệu thực nghiệm trong

thiết bị khí hóa Texaco về thành phần khí tổng hợp…………..
So sánh các kết quả mơ hình với dữ liệu thực nghiệm từ thiết
bị khí hóa Texaco………………………………………………….
Ảnh hưởng của tỷ lệ oxy/than đến độ chuyển hóa carbon……
Ảnh hưởng của tỷ lệ oxy/than đến thành phần của sản phẩm
khí……………………………………………………………………
Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước với than đến độ chuyển hóa
carbon………………………………………………………………

45

46
48
49

50

Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước với than đến độ chuyển hóa
carbon tại các giá trị khác nhau của tỷ lệ oxy/than………….

51

Ảnh hưởng của hơi nước đến thành phần khí sản phẩm……..

52

Ảnh hưởng của tỷ lệ hơi nước với than đến tỷ lệ sản phẩm
Hình 5.9

của H 2 và CO………………………………………………………

IX

53


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

PHẦN I. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN
1.1 Giới thiệu
Năng lượng và môi trường trong thế kỷ 21 đang là vấn đề cấp bách hàng đầu do nhu
cầu khai thác và sử dụng nhiên liệu cùng với khí phát thải tăng mạnh trong nhiều lĩnh
vực, các nguồn năng lượng mới như: Gió, mặt trời, địa nhiệt… đã và đang được
nghiên cứu nhưng hiện tại hiệu suất của các nguồn năng lượng mới này chưa cao, chi
phí lớn nên vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu hiện nay, trong khi nguồn nhiên liệu hóa
thạch: Than đá với trữ lượng rất lớn vẫn đang được coi là nguồn năng lượng chính sử
dụng ở nhiều Quốc gia (xem Hình 1.1). Tuy nhiên việc sử dụng nguồn tài nguyên này
một cách hiệu quả trong q trình chuyển hóa năng lượng là vấn đề được đặt ra [6].

Hình 1.1. Độ tăng mức độ tiêu thụ năng lượng tồn cầu (2001-2005) [11]
Khí hóa là phương pháp chuyển hóa các loại vật liệu chứa cacbon như than, dầu mỏ,
nhiên liệu sinh học, sinh khối thành cacbon monoxit và hydro thông qua các phản ứng
với oxy và hơi nước ở nhiệt độ cao. Sản phẩm khí sau phản ứng được gọi là khí tổng
hợp và là một dạng nhiên liệu. Khí hóa cịn được ứng dụng trong việc chuyển hoá
năng lượng từ các dạng vật liệu chứa cacbon khác nhau [5].

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

1

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

Một trong những ưu điểm của phương pháp khí hóa là tạo ra khí tổng hợp có nhiệt trị
cao và do đó việc sử dụng khí đốt tổng hợp mang lại hiệu quả cao hơn so với việc đốt
trực tiếp các nguồn nhiên liệu ban đầu. Hơn nữa việc kiểm sốt khí thải trong q trình
sử dụng khí đốt dễ dàng và thuận tiện hơn so với việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu hóa
thạch. Khí tổng hợp có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, sử dụng để sản
xuất Methanol và Hydro hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu tổng hợp nhờ phương pháp
Fischer-Tropsch. Phương pháp khí hóa cũng có thể áp dụng với các loại nhiên liệu
khơng có ích khác như các phế thải hữu cơ hay sinh khối. Quá trình đốt ở nhiệt độ cao
giúp loại bỏ các thành phần tro ăn mòn như Clorua Kali tạo thành sản phẩm khí sạch
[5].
1.2 Lịch sử phát triển
1.2.1 Tình hình khí hóa than trên thế giới
Khí đốt từ than đã được biết đến và được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1792 ở
Merdok, vương quốc Anh. Lúc đó khí đốt được xem là sản phẩm đi kèm khi sản xuất
"dầu trong" từ than đá. 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 thành phố dùng cho các mục đích sưởi ấm, sinh hoạt và
chiếu sáng. Lúc này, chính là thời kỳ "thế kỷ vàng" của cơng nghệ hố khí than [4].
Đến đầu năm 1960, việc khai thác dầu mỏ ở cận đông và tây Xibiria với giá rẻ hơn khí
sản xuất từ than, đã làm cho ngành cơng nghiệp hố khí than gần như bị loại bỏ, chỉ

còn lại một số vùng hiếm hoi như các nhà máy hố khí than ở Nam Phi do vùng này
bị cấm mua dầu mỏ và do đó vùng này đã trở thành vùng cơng nghiệp hóa khí than đầu
tiên của thế giới tồn tại cùng với sự phát triển của nền công nghiệp dầu mỏ. Tuy nhiên
đến năm 1972, khi 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 này đã mang
đến cho thế giới một bài học hết sức quan trọng về vấn đề sử dụng và quản lý nguồn
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 v.v… lại phân
HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

2

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

bố khá đồng đều, trữ lượng khá phong phú với thời gian khai thác của chúng được
đánh giá là còn tới nhiều trăm năm nữa. Chính cuộc khủng hoảng đó đã có tác dụng
lớn, nó đã làm thay đổi ý thức của lồi người trong việc tiết kiệm năng lượng. Sau
cuộc khủng hoảng đó, các quốc gia có nhiều than, ít than và khơng có dầu mỏ đã bắt
đầu phát triển cơng nghệ chế biến than từ những đống than cũ còn lưu lại từ trước theo
cơng nghệ khí hố [4].
Trong thời kỳ 1970-1980, các nhà khoa học đã dự đoán là than sẽ trở lại thời kỳ thứ
hai của "thế kỷ vàng" và khả năng cạn kiệt của dầu mỏ khơng cịn xa nữa. Chính
những dự đốn đó đã dấy lên những cơng trình nghiên cứu phát triển các q trình

cơng nghệ mới về sử dụng và 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 Xơ cũ v.v… đã bắt đầu xây dựng
chương trình công nghệ chế biến than quy mô cấp 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 thử nghiệm chế biến than theo cơng nghệ hóa khí,
hóa lỏng và nhiệt phân đã lần lượt ra đời [4].
Khí hóa than được phát triển mạnh mẽ nhất vào những năm 1990 để sản xuất năng
lượng bằng phương pháp sử dụng chu kỳ nhị nguyên (binary cycle) gồm khí cháy
được sử dụng cho turbine khí, cịn lại sản phẩm đốt được sử dụng cho turbine hơi.
Năm 1983, nhà máy điện đầu tiên có quy mơ thương mại sử dụng chu trình khí hố
tích hợp được đặt ở Cool water bang California Mỹ với công suất 100 MW (60 tấn
than/giờ). Nhà máy này sử dụng hệ thống thiết bị khí hóa than dịng cuốn theo Texaco
ở đó ngun liệu than được cấp vào hệ thống dưới dạng dạng huyền phù. Đến năm
1993, đã có tới 18 nhà máy điện hoạt động theo chu trình khí hóa tích hợp 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. Như thể hiện trên Hình 1.2, tổng cơng suất từ các hệ thống thiết
bị hố khí than của thế giới tính đến năm 1995 đã lên tới trên 30.000 MWh, năm 2002
là gần 50.000 MWh [25] và đến năm 2010 là 70.817 MW th (khí tổng hợp – syngas)
xuất hiện ở 144 nhà máy đang hoạt động với tổng số 412 thiết bị khí hóa [1].

HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

3

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012

Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

Hình 1.2. Cơng suất khí hóa trên tồn thế giới và kế hoạch phát triển [1]
1.2.2 Tình hình khí hóa than tại Việt Nam
1.2.2.1Tình hình sử dụng nhiên liệu tại Việt Nam
Trước đây, khi các loại nhiên liệu nhập ngoại (xăng, dầu…) có giá cịn thấp thì phần
nhiều chúng ta sử dụng các loại nhiên liệu nhập ngoại đó. Hiện nay, với việc tăng giá
nhiên liệu dầu trên thế giới, sức ép về chi phí nhiên liệu của các cơ sở sản xuất đang
tăng mạnh và các cơ sở sản xuất đang có xu hướng thay thế các nhiên liệu nhập ngoại
bằng các nguồn nhiên liệu sẵn có trong nước và nhất là các nguồn nhiên liệu rẻ tiền.
Một trong những nguồn nhiên liệu sẵn có đó thì than đá đang được xem là nguồn
nhiên liệu mang tính chiến lược của quốc gia. Việc đánh giá tính hiệu quả của việc sử
dụng nhiên liệu hóa thạch trong nước được thống kê sơ bộ và chỉ ra trong Bảng 1.1 và
Hình 1.3 [34].

HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

4

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

Bảng 1.1. So sánh một số nhiên liệu và giá thành sản xuất nhiệt[34]
Các chỉ tiêu đánh giá

Nhiệt trị

Đơn vị
kJ/kg

Nhiệt trị so với gas

Gas
LPG
48000

DO

FO

45980 43890

Than đá Than cám
29260

20900

1

0.96

0.91

0.61

0.44

1

0.99

0.95

0.8

0.8

kg/kg gas

1

1.05

1.15

2.05

2.87

đồng/kg

11000

7500

5000

1600

700

đồng

11000

7909

5756

3281

2010

1

0.719

0.523

0.298

0.183

Chi phí so với dầu FO

1.93

1.37

1

0.57

0.35

Chi phí so với than đá

3.35

2.41

1.75

1

0.61

HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

5

Hiệu suất sử dụng thiết
bị nhiệt so với gas
Khối lượng sử dụng

nhiệt tương đương với
gas
Đơn giá
Giá trị chi phí nhiệt
tương đương
Chi phí so với gas

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

Hình 1.3. So sánh chi phí nhiên liệu[34].
Thấy rằng:
 Khi chuyển từ dùng Gas sang dùng dầu FO thì chi phí cịn 71,9 %
 Khi chuyển từ dùng Gas sang dùng dầu DO thì chi phí cịn 52,3 %
 Khi chuyển từ dùng Gas sang sử dụng than đá thì chi phí cịn 18,3%
 Khi chuyển từ dùng Gas sang dùng than cám thì chi phí cịn 10,9%
 Tóm lại nếu sử dụng một cách hiệu quả các loại nhiên liệu hoá thạch trong nước
thì giảm được rất nhiều chi phí cho các cơ sở sản xuất.
1.2.2.2 Ứng dụng cơng nghệ khí hóa than tại Việt Nam
Như vậy với trữ lượng than lớn, để có thể sử dụng một cách hiệu quả nguồn năng
lượng hố thạch này sao cho vừa có lợi ích về kinh thế, vừa có lợi ích về mơi trường
thì việc ứng dụng cơng nghệ khí hố than được xem là yếu tố cần thiết và khẩn trương.
Hiện nay, rầt nhiều cơ sở sản xuất trong nước đang hướng tới cơng nghệ này trong
chiến lược giảm thiểu chi phí năng lượng. Tuy nhiên hầu như ở Việt Nam chưa có một
đơn vị nào nghiên cứu và chế tạo thiết bị này nên đã có một số cơ sở nhập thiết bị từ
Trung Quốc. Mặc dù thiết bị nhập ngoại tương đối đắt tiền (1.5 tỷ VND với công suất

HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

6

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

nhiệt 2.224.000 kJ/h, trọng lượng thiết bị 15 tấn) nhưng vẫn chưa phù hợp với điều
kiện Việt Nam. Vì vậy nhà nước ta đang khuyến khích các nhà khoa học đi sâu vào
lĩnh vực này để có thể tư vấn cho các nhà sản xuất trong nước ứng dụng cơng nghệ khí
hóa một cách hiệu quả nhất.
1.3 Vấn đề ô nhiễm môi trường và tầm quan trọng của khí hóa than
1.3.1 Vấn đề môi trường
Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung và than nói riêng là
nó gây ra ơ nhiễm khơng khí do sự phát thải các khí độc hại như CO 2 , SO 2 , NO x ...
Tính trên một đơn vị nhiệt lượng phát ra thì đốt than thải ra nhiều chất ơ nhiễm hơn so
với việc sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch khác (dầu, khí…). Chính vì vậy, việc
đốt than đã gián tiếp góp phần vào q trình biến đổi khí hậu làm suy thối mơi trường
tồn cầu mà nổi bật là hiện tượng hiệu ứng nhà kính và mưa axit [34].
Như đã biết, việc duy trì CO 2 trong khí quyển là cần thiết cho sự ổn định nhiệt trên trái
đất cũng như cho quá trình quang hợp của thực vật. Tuy nhiên, ngày nay con người đã
thải CO 2 vào khí quyển với một lượng lớn đáng kể vượt quá mức cân bằng. Chỉ riêng
đốt than đá, mỗi năm đã thải vào khí quyển khoảng 2,5 tỷ tấn CO 2 . Điều này dẫn đến
sự gia tăng nhiệt độ trên trái đất. Theo ước tính nếu nồng độ CO 2 trong khí quyển tăng

lên gấp đơi thì nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất sẽ tăng lên 3,6oC. Sự nóng lên tồn
cầu này sẽ làm tan băng ở hai cực, dâng mực nước biển, ngập lụt những vùng ven
biển. Ngồi ra nó có thể gây ra bão lụt ở một số vùng và hạn hán ở những vùng khác.
Tuy nhiên, những sự biến đổi bất thường này của khí hậu vẫn chưa thể lường hết được
[34].
Than, nhất là than bitum, chứa lưu huỳnh và nitro. Khi đốt, chúng thải vào khí quyển
các lưu huỳnh oxit, nitơ oxit... Các oxit này tạo nên và tác dụng với hơi nước trong khí
quyển làm cho mưa rơi xuống [34].
Những lợi ích về mơi trường của q trình khí hóa chủ yếu là do khả năng giảm đáng
kể những khí phát thải SO x , NO x và bụi phát thải trong q trình đốt nhiên liệu khí
chuyển hóa từ than [5]. Trong một nhà máy sử dụng công nghệ chu trình hỗn hợp khí
hóa phát điện (IGCC), khí tổng hợp sản xuất ra chủ yếu dưới dạng nhiên liệu có lẫn
HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

7

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

khí nitơ. Lượng NO x phát thải từ turbine chạy bằng khí đốt ngang bằng lượng NO x
phát thải từ nhiệt. Việc làm lỗng nồng độ nitơ do khí tổng hợp khiến cho lượng phát
thải khí NO x chỉ ở mức 15 phần triệu (ppm). Ngoài ra, nếu sử dụng chất xúc tác có
chọn lọc (SCR), việc giảm thiểu ơ nhiễm NO x có thể đạt hiệu suất ngang bằng với
lượng ơ nhiễm sinh ra khi đốt khí tự nhiên. Hiện nay, một số phương pháp kiểm sốt
khí phát thải tiên tiến khác cũng đang được triển khai có khả năng giảm thiểu phát thải

NO x xuống mức 2 phần triệu (ppm) từ các Turbine sử dụng khí Hydro [5].
Cơ quan Nghiên cứu Năng lượng hóa thạch (Mỹ) hiện cũng đang nghiên cứu các
phương pháp kiểm sốt và làm sạch khí tổng hợp tiên tiến, có hiệu quả cao trong việc
loại bỏ khí và bụi phát thải từ các lị khí hóa than [5].
Ngồi ra, cơng nghệ khí hóa than cịn giải quyết được vấn đề hiệu ứng khí nhà kính do
phát thải Carbon Đioxit gây nên. Nếu trong q trình khí hóa, người ta sử dụng oxy
thay cho khơng khí thì Cacbon Dioxit phát thải sẽ dưới dạng một dịng khí đậm đặc ở
nhiệt độ cao, dễ dàng thu giữ với chi phí thấp. Trái lại, nếu than được đốt, thì với 79%
là khí Nitơ, lượng khí Carbon Đioxit bị sẽ làm lỗng và cần chi phí cao để tách chiết
[5].
1.3.2 Tầm quan trọng của khí hóa than
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, Urê, các sản phẩm hữu
cơ,... hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện. Khí hóa than cũng là một
trong những phương pháp quan trọng để sản xuất nhiên liệu hydro sạch dùng cho các
phương tiện vận chuyển trong tương lai và dùng cho pin nhiên liệu [3].
Cơng nghệ khí hóa than cịn mang lại ích lợi lớn về mặt môi trường trong việc sử dụng
than nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ơ nhiễm trong khí than. Ví dụ,
Lưu huỳnh trong than có thể được chuyển thành dạng H 2 S và được thu giữ hoặc
chuyển hóa thành lưu huỳnh thương phẩm. Tương tự, nitơ có trong khí than sẽ được
chuyển hóa thành Amoniăc và chất này có thể được dùng để sản xuất phân bón hoặc
các hố chất khác [3].

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

8

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012

Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

Nhìn chung, khả năng sản xuất một cách hiệu quả điện năng, Hyđro và các nguyên liệu
hoá chất khác, cũng như khả năng cắt giảm khí gây ơ nhiễm, đang làm cho cơng nghệ
khí hóa than trở thành một trong những cơng nghệ hứa hẹn cho các ngành năng lượng
và hoá chất, nhất là khi giá các nguồn ngun liệu dầu khí có xu hướng dao động
mạnh trước những biến động kinh tế, chính trị trên thế giới và ngày càng trở nên khan
hiếm hơn [3].
Bằng cách khí hố than có thể chuyển hoá được các loại nhiên liệu rắn chất lượng
thấp, chứa nhiều ẩm, tro, nhiệt cháy thấp thành nhiên liệu thể khí có chất lượng cao
hoặc tạo thành khí tổng hợp dùng trong cơng nghệ hố học. Do có thể sử dụng các loại
than có chất lượng thấp để sản xuất khí than có giá trị cơng nghiệp nên khí hóa than sẽ
mở ra một triển vọng tốt cho các vùng than chất lượng thấp để phát triển công nghiệp.
Đặc biệt ở các tỉnh phía Bắc nơi có nhiều than cám, than bụi (Quảng Ninh) cũng như
tại các vùng than nhỏ khác ở Tây Bắc, chúng ta cũng cần nghiên cứu trữ lượng để có
thể đưa vào sản xuất [3].

HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

9

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí

hóa than dịng cuốn theo.

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA THAN
2.1 Khí hóa tầng dịch chuyển (fixed/moving bed)
Trong thiết bị khí hóa dịng cuốn theo và tầng sơi (ở phần sau), mơi trường khí hóa vận
chuyển các hạt nhiên liệu trong lò, nhưng với tầng dịch chuyển thì nhiên liệu được đỡ
bởi ghi lị. Trong q trình khí hóa, nhiên liệu dịch chuyển tịnh tiến xuống dưới. Thiết
bị cỡ nhỏ kiểu này có thể xây dựng dễ dàng, bởi thế có một số lượng lớn được sử dụng
trên tồn thế giới [8]. Tuy nhiên, q trình trao đổi chất và trao đổi nhiệt trong tầng
dịch chuyển là khá kém, khó đạt được sự phân phối nhiên liệu, nhiệt độ và thành phần
các khí một cách đồng đều theo mặt cắt ngang của thiết bị.
Nguyên lý hoạt động của thiết khí hóa tầng dịch chuyển dịng hướng lên có dịng mơi
trường khí hóa (khơng khí, oxi, hoặc hơi nước) đi từ dưới lên qua tầng và nhiên liệu thì
đi xuống. Khí sản phẩm thốt ra phía trên. Dịng mơi trường đi vào qua bộ phân phối
(ghi lị), tại đó gặp tầng nóng và xỉ lị [8]. Tro xỉ (phần chất rắn trơ, không tham gia
các phản ứng khí hóa) được lấy ra khỏi thiết bị qua bộ phận ghi. Các giai đoạn chuyển
hóa chính trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển được mơ tả sơ lược trên Hình 2.1.
Kiểu này thích hợp cho loại nhiên liệu có lượng tro xỉ cao, độ ẩm cao (như sinh khối),
chất bốc thấp (như than củi) [8].

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

10

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí

hóa than dịng cuốn theo.

Hình 2.1. Các giai đoạn trong thiết bị khí hóa tầng dịch chuyển dịng hướng lên
(updraft) [8]
2.2 Khí hóa tầng sơi (fluidized bed)
2.2.1 Tầng sôi sủi bọt (BFP)
Loại thiết bị này được phát triển bởi Fritz Winkler vào năm 1921 và sau đó được đưa
vào sử dụng ở quy mô công nghiệp trong nhiều năm cho q trình khí hóa than và các
loại vật liệu sinh khối [8]. Tùy vào các điều kiện cơng nghệ cụ thể, thiết bị khí hóa
tầng sơi sủi bọt có thể trong một dải nhiệt độ lớn. Chúng cũng có thể hoạt động ở áp
suất khí quyển hoặc ở áp suất cao [8].
Trong một tầng sôi phổ biến, vật liệu sinh khối hoặc than thường có kích thước hạt
nhỏ hơn 10 mm được cấp vào lò. Trong lò có lớp vật liệu trơ (thường là cát thạch anh)
đã gia nhiệt và chuyển động ở trạng thái tầng sôi dưới tác dụng của dịng hơi, khơng
khí, hoặc oxi, hoặc hỗn hợp của chúng (tùy vào việc lựa chọn môi trường khí hóa) [8].
Tro xỉ được tháo xả dễ dàng ở phía đáy tầng [8]. Nhiệt độ trong thiết bị thường được

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

11

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

giữ dưới 980oC với khí hóa than và dưới 900oC với khí hóa sinh khối để tránh sự nóng

chảy tro.
Dịng mơi trường khí hóa có thể được cấp vào qua 2 giai đoạn:
-

Cấp vừa đủ để duy trì tầng sơi ở nhiệt độ mong muốn.

-

Cấp thêm để chuyển hóa than (char) chưa phản ứng thành khí hữu ích.

Lị HTW mơ tả trên Hình 2.2 là một ví dụ cho khí hóa than tầng sôi sủi bọt hoạt động
ở nhiệt độ và áp suất cao. Để cải thiện hiệu suất chuyển hóa cacbon, các hạt than nhỏ
chưa tham gia phản ứng được phân tách bởi cyclone và tuần hoàn trở lại vùng phản
ứng trong thiết bị. Hệ thống HTW cho ra khí sản phẩm có chất lượng tốt hơn so với lị
tầng sơi nhiệt độ thấp truyền thống.

Hình 2.2. Thiết bị khí hóa tầng sôi sủi bọt kiểu Winkler nhiệt độ cao (HTW) [8]
2.2.2 Tầng sơi tuần hồn (CFB)
Thiết bị khí hóa CFB có ưu điểm đặc biệt đối với khí hóa sinh khối bởi nó cho phép
kéo dài thời gian lưu của các dịng vật liệu tham gia các phản ứng khí hóa. Loại thiết bị

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

12

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012

Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

này đặc biệt thích hợp với các nhiên liệu có lượng chất bốc cao. Một thiết CFB điển
hình gồm một thiết bị khí hóa tầng sơi (riser), một cyclone, và một thiết bị tuần hồn
rắn như mơ tả sơ lược trên Hình 2.3 [8].

Hình 2.3. Thiết bị khí hóa tầng sơi tuần hồn [8]
So với các thiết bị khí hóa BFB khơng tuần hồn thơng thường, thiết bị khí hóa CFB
có mức độ tuần hoàn rắn cao hơn nhiều do sự khác nhau về chế độ thủy động của dịng
hai pha rắn-khí.
Trong các thiết bị CFB, lượng rắn được phân tán trong toàn bộ chiều cao của riser, do
đó kéo dài thời gian lưu của khí và các hạt rắn mịn (fine particles). Vận tốc sôi trong
riser của các thiết bị CFB cũng cao hơn (3,5 – 5,5 m/s) so với tầng sôi sủi bọt (0,5-1,0
m/s) [8]. Tốc độ tuần hoàn rắn và vận tốc sơi trong riser đủ lớn để có thể duy trì riser
trong điều kiện thủy động đặc biệt, được biết như là chế độ tầng sôi nhanh (fast

HVTH: Nguyễn Tiến Hồng
SHHV: CB110676

13

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

fluidized bed). Tùy thuộc đặc điểm của các loại nguyên liệu và ứng dụng của sản phẩm

khí tổng hợp, mà riser có thể hoạt động ở dải nhiệt độ từ 800 đến 1000oC [8]. Khí
nóng từ gasifier qua một cyclone, phân tách hầu hết các chất rắn liên kết với nó, rồi
qua Loop-seal trả lại các hạt về đáy của Gasifier [8].
2.2.3 Tầng sơi tổ hợp (DFB) (hybrid/twin reactor or dual fluidized bed)

Hình 2.4. Thiết bị khí hóa tầng sơi kiểu tổ hợp (CFB và BFB) [7]
Một vấn đề lớn trong quá trình khí hóa than hoặc vật liệu sinh khối là sự pha lỗng
thành phần của khí sản phẩm bởi N 2 trong khơng khí khi sử dụng các thiết bị khí hóa
than thơng thường do sự tiếp xúc của vùng cháy và vùng khí hóa. Để tránh điều này,
O 2 được dùng làm tác nhân khí hóa thay thế cho khơng khí, tuy nhiên giá thành cao và
tiêu tốn năng lượng. Các thiết bị khí hóa tổ hợp (Hình 2.4), hay các thiết bị khí hóa
ghép đơi (dual fluidized bed) có thể khắc phục vấn đề này bằng cách tách vùng cháy
(combustion zone) và vùng khí hóa (gasification zone) thành hai vùng riêng biệt, như
vậy N 2 trong khơng khí cháy sẽ khơng pha lỗng sản phẩm khí. Hệ thống các thiết bị

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

14

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012


Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình cân bằng hai giai đoạn cho q trình khí hóa than trong các thiết bị khí
hóa than dịng cuốn theo.

khí hóa tổ hợp này cũng được sử dụng trong q trình khí hóa than và các vật liệu sinh
khối [8].
Đại học kỹ thuật Vienna đã dùng hệ thống tuần hoàn ngoài để tiến hành khí hóa các

loại vật liệu sinh khối khác nhau trong nhà máy điện công nghiệp Gussing, Áo. Như
mô tả trong Hình 2.5, hệ thống gồm một thiết bị khí hóa tầng sơi sủi bọt và một buồng
đốt tầng sơi tuần hồn (CFB Combustor). Riser trong thiết bị CFB làm việc như một
buồng đốt tầng sơi; cịn thiết bị BFB hoạt động như một thiết bị khí hóa than tầng sôi
sủi bọt thông thường dùng hơi nước làm tác nhân khí hóa. Sự nhiệt phân và khí hóa
diễn ra ở thiết bị BFB. Phần vật liệu carbon và nhựa than (tar) chưa chuyển hóa được
vận chuyển đến buồng đốt (riser) qua van “phi cơ khí”.
Nhựa than và khí sinh ra trong quá trình nhiệt phân được đốt cháy trong buồng đốt.
Nhiệt do quá trình cháy sinh ra được hấp thụ bởi lớp vật liệu trao đổi nhiệt (cát thạch
anh) làm cho nhiệt độ của lớp tầng sôi trong buồng đốt lên đến khoảng 950oC. Lớp vật
liệu trao đổi nhiệt này ra khỏi được vận chuyển tuần hoàn trong toàn bộ hệ thống để
cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa diễn ra trong thiết bị khí hóa tầng sơi sủi bọt [8].
Vật liệu cachon (char) được khí hóa trong thiết bị khí hóa với sự có mặt của hơi nước,
tạo ra khí sản phẩm. Minh họa cho mơ hình khí hóa này có thể mơ tả như trên Hình
2.6. Hệ thống này cũng khắc phục vấn đề kết dính của nhựa than do nó được đốt cháy
trong buồng đốt. Do đó, sản phẩm khí tổng hợp tạo ra từ hệ thống thiết bị này được
xem là tương đối độc lập với nhựa than [8].

HVTH: Nguyễn Tiến Hoàng
SHHV: CB110676

15

Trường: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khóa: 2011-2012