Nhiên liệu thay thế xanh

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................................1
Chương 1. Giới thiệu chung về năng lượng tồn cầu..............................................................2
1.1. Tình hình tiêu thụ năng lượng trên thế giới.................................................................2
1.2. Dầu mỏ.........................................................................................................................3
1.3. Khí tự nhiên..................................................................................................................5
1.4. Than..............................................................................................................................7
1.5. Năng lượng hạt nhân....................................................................................................8
1.6. Năng lượng tái tạo......................................................................................................10
Chương 2. Nhiên liệu chuyển hóa từ than...............................................................................12
2.1. Khí hóa từ than...........................................................................................................12
2.1.1. Giới thiệu chung...................................................................................................12
2.1.2. Phân loại khí tổng hợp theo nhiệt trị..............................................................13
2.1.3. Phản ứng khí hóa than.....................................................................................15
2.2. Nhiên liệu lỏng từ than...............................................................................................20
2.2.1. Giới thiệu chung................................................................................................20
2.2.2. Nhiệt phân than.................................................................................................21
2.2.3. Hóa lỏng trực tiếp từ than................................................................................22
2.2.4. Hóa lỏng gián tiếp từ than................................................................................24
Chương 3. Nhiên liệu sinh học..................................................................................................25
3.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học.....................................................................25
3.1.1. Giới thiệu chung................................................................................................25
3.1.2. Các thế hệ nhiên liệu sinh học..........................................................................26
3.1.3. Ưu, nhược điểm của nhiên liệu sinh học.........................................................26
3.2. Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp.............................................27
3.2.1. Cồn.....................................................................................................................28
3.2.2. Metyl ester.........................................................................................................28
3.2.3. Hợp chất chứa oxy............................................................................................29
3.2.4. Dimetyl ether (DME)........................................................................................29
3.2.5. Dimetyl cacbonate (DMC)................................................................................29
3.2.6. Hydrogen............................................................................................................30

3.3. Nhiên liệu biodiesel....................................................................................................30
3.3.1. Khái niệm...........................................................................................................30
3.3.2. Ưu, nhược điểm của nhiên liệu biodiesel........................................................30
3.3.3. Các tiêu chuẩn chất lượng của biodiesel.........................................................32
3.3.4. Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel.............................................................34
3.3.5. Công nghệ chuyển hóa biodiesel......................................................................38
3.3.6. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel.........................................................40
3.4. Nhiên liệu etanol........................................................................................................45
3.4.1. Tính chất etanol.................................................................................................45
3.4.2. Cơng nghệ sản xuất etanol...............................................................................46
3.4.3. Triển vọng và tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu etanol........................49
Chương 4. Nhiên liệu từ khí......................................................................................................51
4.1. Khí thiên nhiên...........................................................................................................51
4.1.1. Giới thiệu chung................................................................................................51
4.1.2. Ưu, nhược điểm của khí thiên nhiên...............................................................51
4.1.3. Sự hình thành của khí thiên nhiên..................................................................52
4.1.4. Phân loại khí thiên nhiên..................................................................................53


4.1.5. Tính chất của khí thiên nhiên..........................................................................53
4.2. Khí hóa lỏng (LPG)....................................................................................................55
4.2.1. Giới thiệu chung................................................................................................55
4.2.2. Tính chất lý hóa của LPG................................................................................55
4.2.3. Tình hình sản xuất LPG...................................................................................57
4.2.4. Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong.........................58
Chương 5. Nhiên liệu hydro......................................................................................................61
5.1. Giới thiệu chung.........................................................................................................61
5.2. Sản xuất hydro............................................................................................................61
5.2.1. Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocacbon...................................................................62
5.2.2. Điện phân nước.................................................................................................63

5.2.3. Phương pháp sinh học......................................................................................65
5.3. Lưu chứa hydro..........................................................................................................65
5.3.1. Lưu chứa hydro dưới dạng khí nén.................................................................65
5.3.2. Lưu chứa hydro dưới dạng khí hóa lỏng........................................................66
5.3.3. Lưu chứa hydro nhờ hấp thụ hóa học.............................................................66
5.3.4. Lưu chứa hydro trong các hydrua kim loại (metal hydride)........................66
5.3.5. Lưu chứa hydro trong ống cacbon nano rỗng................................................67
5.3.6. Lưu chứa hydro trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere)..................67
5.4. Vấn đề an toàn............................................................................................................68
5.5. Ứng dụng nhiên liệu hydro.........................................................................................68
5.6. Pin nhiên liệu..............................................................................................................69
5.7. Các loại pin nhiên liệu................................................................................................70
5.8. Viễn cảnh nền kinh tế hydro (hydro economy)..........................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................80


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển kinh tế, kèm theo đó là sự gia tăng nhanh chóng các
phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực có trang bị động cơ đốt trong.
Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu ngày càng lớn trong khi nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày
càng cạn kiệt. Một vấn đề nan giải khơng kém đó là ơ nhiễm mơi trường do khí thải từ
động cơ phát ra. Trước tình hình như vậy, cần thiết phải tìm ra các loại nhiên liệu có
thể thay thế hồn tồn hoặc một phần nhiên liệu hóa thạch đồng thời giảm ơ nhiễm
mơi trường.
Giáo trình “Nhiên liệu thay thế” ra đời nhằm mục đích giới thiệu một số loại
nhiên liệu thay thế được nghiên cứu sử dụng phổ biến hiện nay trên thế giới cũng như
những loại nhiên liệu có tiềm năng to lớn trong tương lai.
Cuốn giáo trình này dùng để phục vụ cho các sinh viên chun ngành ơ tơ.
Ngồi ra, nó cũng có thể làm tài liệu học tập, tham khảo cho sinh viên chuyên ngành
cơ khí vận tải đường bộ, đường thủy, đường sắt, nơng lâm nghiệp… và các chun

ngành có liên quan đến động cơ đốt trong. Nội dung của cuốn giáo trình bao gồm:
Chương 1. Giới thiệu chung về năng lượng tồn cầu;
Chương 2. Nhiên liệu chuyển hóa từ than;
Chương 3. Nhiên liệu sinh học;
Chương 4. Nhiên liệu từ khí;
Chương 5. Nhiên liệu hydro;
Các thành viên tham gia biên soạn gồm: Nguyễn Tuấn Nghĩa (chủ biên) biên
soạn chương 1 và chương 3; Lê Hồng Quân biên soạn chương 2 và chương 4; Phạm
Minh Hiếu biên soạn chương 5.
Cuốn giáo trình được biên soạn dựa trên đề cương môn học đã được giảng dạy
tại Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội và có sự kế thừa những nội dung được giảng
dạy ở các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật. Ngoài ra, cuốn giáo trình cũng cập nhật
và đưa thêm vào những nội dung kiến thức mới nhằm phục vụ tốt hơn cơng tác giảng
dạy và học tập.
Trong q trình biên soạn, dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn không thể
tránh khỏi những khiếm khuyế. Các tác giả rất mong nhận được góp ý của bạn đọc để
lần tái bản sau có chất lượng tốt hơn. Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ: Tầng 4, Nhà A10,
Khoa Công nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội. Chúng tôi xin chân
thành cảm ơn!
Các tác giả

1


Chương 1. Giới thiệu chung về năng lượng tồn cầu
1.1.

Tình hình tiêu thụ năng lượng trên thế giới

Tiêu thụ năng lượng trên thế giới gia tăng liên tục bởi các lý do như: sự cải

thiện chất lượng cuộc sống, sự gia tăng dân số, cơng nghiệp hóa, sự tăng trưởng kinh
tế nhanh chóng của các nước đang phát triển, sự gia tăng các phương tiện… Có rất
nhiều loại nhiên liệu có sẵn trên thế giới, nhu cầu đó phụ thuộc rất lớn vào ứng dụng
và sử dụng, vị trí và khu vực tài nguyên, chi phí, yếu tố “sạch” và sự tác động tới mơi
trường, sự an tồn của sản xuất và sử dụng, yếu tố kinh tế - xã hội, chính trị tồn cầu
và khu vực… Chu trình sử dụng năng lượng bao gồm ba giai đoạn: sản xuất, phân phối
và tiêu thụ, tất cả phải được cân bằng với cơ sở hạ tầng, bất kỳ nút thắt hoặc sự thiếu
hụt ngay lập tức nào đều ảnh hưởng đến chu trình. Nếu có một sự giảm sút về sản xuất
của một số loại nhiên liệu, sự phân phối và tiêu thụ của nhiên liệu cụ thể này sẽ giảm
sút, nên việc chuyển đổi nhiên liệu từ loại này sang loại khác cũng như việc bắt buộc
phải tích trữ chắc chắn không thể tránh khỏi. Hơn nữa, dựa trên nguyên tắc cung cầu,
giá cả của loại nhiên liệu này chắc chắn sẽ tăng lên. Ngay cả một sự cố trong hệ thống
giao thông của một loại nhiên liệu nhất định sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thị trường tiêu
dùng, và hậu quả như thiếu nhiên liệu và tăng giá sẽ xảy ra ít nhất trong một thời gian
nhất định trong các khu vực bị ảnh hưởng . Bảng 1.1 tổng hợp mức tiêu thụ năng lượng
trên thế giới cho mỗi loại nhiên liệu từ năm 1980 đến 2003[4].
Bảng 1.1. Mức tiêu thụ các loại năng lượng cơ bản trên thế giới [4]
Loại năng lượng

1980

1990

2000

2001

2002

2003

Dầu mỏ (1000 thùng/ngày)

63.108

66.576

76.946

77.701

78.458

80.099

Khí tự nhiên (nghìn tỷ m3)

1,98

2,08

2,50

2,53

2,62

2,71

4.126

5.269

5.083

5.165

5.250

5.439

1.722,8

2.151,7

2.651,8

2.559,6

2.619,1

2.654,4

684,4

1.908,8

2.450,3

2.517,2

2.564,0

2.523,1

31,1

131,5

249,5

259,8

292,1

310,1

Than (triệu tấn)
Thủy điện (tỷ kWh)
Năng lượng hạt nhân (tỷ kWh)
Địa nhiệt, gió, mặt trời, gỗ và
chất thải điện (tỷ kWh)

Như đã thấy, tất cả các loại đều có mức tăng ổn định trong giai đoạn này. Than
và thủy điện cho thấy có mức tăng về tiêu thụ chậm nhất trong giai đoạn, trong khi
năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân có mức tăng mạnh nhất, điều này chỉ ra
rằng đây là những nguồn năng lượng đang nổi lên với tương lai lớn nhất trên thị
trường năng lượng thế giới. Than và thủy điện trở nên thông thường hơn, được củng
cố và rõ ràng thế giới vẫn sẽ phải phụ thuộc vào chúng trong một thời gian dài. Tỷ lệ
sự tăng trưởng tiêu thụ năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân cũng cho thấy tiềm

năng của chúng như là nhiên liệu thay thế, chúng sẽ thay thế và bổ sung cho các loại
nhiên liệu thông thường khác trong một loạt các ứng dụng và sử dụng sau cùng.
Trong số các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống, sự gia tăng tiêu thụ của khí
tự nhiên tăng nhanh hơn các nhiên liệu hóa thạch khác (dầu mỏ và than). Điều này là
do nhu cầu mạnh đối với khí thiên nhiên trong sưởi ấm cơng nghiệp và khu dân cư, sự
gia tăng lắp đặt các nhà máy điện cơ sở khí tự nhiên, sự phát hiện mới của các mỏ khí
2


tự nhiên lớn. Một vài lần trong thế kỷ 21, thế giới đã trải qua tình trạng thiếu hụt đáng
kể và tăng giá khí đốt tự nhiên, chủ yếu do sự mất cân bằng giữa cung và cầu.

1.2.

Dầu mỏ

Tiêu thụ dầu mỏ trên thế giới được tổng hợp trong bảng 1.2 từ năm 1980 đến
2003 [4]. Trong giai đoạn này, tiêu thụ dầu mỏ trên thế giới tăng trưởng với tỷ lệ trung
bình 1,04%/năm. Mặc dù tỷ lệ gia tăng này có vẻ thấp, nhưng cần phải lưu ý rằng
nguồn dầu mỏ là có hạn và có thể bị cạn kiệt trong những năm tới. Ước tính những
năm mà dầu khí có thể được cung cấp và tiêu thụ ở mức tiêu thụ hiện nay thường được
thực hiện bởi các chuyên gia hoạch định chính sách, nhưng những con số đã được nhất
quán và dao động từ năm này sang năm khác. Chính điều này xuất phát từ những khó
khăn trong ước lượng thu hồi trong tương lai của xăng dầu từ tất cả các nguồn dự trữ
được kiểm chứng và khó kiểm chứng. Hiệp hội kỹ sư dầu khí (SPE) và Hội đồng Dầu
khí thế giới (WPC) đã phát triển và phê duyệt một số định nghĩa của các điều khoản
dự phòng liên quan đến xăng dầu để tạo điều kiện thống nhất giữa các chuyên gia sử
dụng các điều khoản:
Trữ lượng kiểm chứng là những số lượng xăng dầu, bằng cách phân tích các dữ
liệu địa chất và kỹ thuật, có thể được ước tính một cách chắc chắn hợp lý để

được thương mại hóa thu hồi, từ các bể chứa được biết đến và trong điều kiện
kinh tế hiện nay, phương pháp hoạt động, các quy định của chính phủ. Trữ
lượng kiểm chứng có thể được phân loại thêm như phát triển hoặc kém phát
triển.
Trữ lượng khó kiểm chứng được dựa vào địa chất và kỹ thuật dữ liệu tương tự
như được sử dụng trong dự toán của trữ lượng kiểm chứng. Tuy nhiên, công
nghệ, hợp đồng, kinh tế, hoặc không chắc chắn điều ngăn cản trữ lượng như
vậy được phân loại là kiểm chứng. Trữ lượng khó kiểm chứng có thể được phân
loại là trữ lượng có thể xảy ra và trữ lượng có thể.
Trữ lượng có thể xảy ra là những nguồn trữ lượng khó kiểm chứng bởi một
phân tích các dữ liệu địa chất và kỹ thuật cho thấy có nhiều khả năng để có thể
thu hồi hơn là khơng. Nếu một giải thích xác suất được đưa ra, nên có ít nhất
một xác suất 50% mà số lượng thực tế thu hồi sẽ bằng hoặc vượt quá tổng ước
tính kiểm chứng cộng với trữ lượng có thể xảy ra.
Trữ lượng có thể là những nguồn trữ lượng khó kiểm chứng bởi một phân tích
các dữ liệu địa chất và kỹ thuật thấy ít có khả năng được phục hồi so với trữ
lượng có thể xảy ra. Nếu một giải thích xác suất được đưa ra, nên có ít nhất một
xác suất 10% mà số lượng thực tế thu hồi sẽ bằng hoặc vượt q tổng ước tính
kiểm chứng cộng với dự trữ có thể xảy ra cộng với trữ lượng có thể.
Hiện nay, giao thông vận tải, nhiên liệu, các ngành công nghiệp hóa dầu phụ
thuộc rất nhiều vào nguồn nguyên liệu từ dầu mỏ. Do đó, nhiên liệu thay thế thay thế
các nguyên liệu hóa dầu và bổ sung vật liệu có nguồn gốc dầu mỏ phải được phát triển
và sử dụng nhiều hơn. Cơ sở hạ tầng cần thiết cũng cần được phát triển và thay đổi cho
quá trình chuyển đổi từ nền kinh tế dầu khí hiện nay.
Bảng 1.2 cung cấp dữ liệu tiêu thụ xăng dầu các khu vực trên thế giới. Nó cho
thấy rằng tiêu thụ dầu mỏ ở Tây Âu trong 23 năm qua đã được ổn định liên tục, trong
khi ở châu Á, châu Đại Dương và Trung Đông, tiêu thụ đã tăng lên rất nhanh, riêng
3

khu vực châu Á và châu Đại Dương chiếm 64,1%. Điều này rõ ràng là do số lượng lớn
các nền kinh tế đang phát triển nhanh chóng trong khu vực. Hầu hết các nước không
phải là nước sản xuất dầu lớn, khu vực này sẽ nhạy cảm nhất đối với tương lai của
năng lượng dầu khí.
Bảng 1.2. Mức tiêu thụ dầu mỏ các khu vực trên thế giới [4]
ĐVT: 1.000 thùng/ngày
Khu vực

Bắc Mỹ

1980

1990

2000

2001

2002

2003

20.203,8 20.495,0 23.771,8 23.689,7 23.876,7 24.250,3

Trung và Nam Mỹ

3.613,4

3.760,6

5.230,0

5.343,2

5.261,6

5.243,4

Tây Âu

14.322,0 13.306,2 14.667,8 14.833,1 14.819,1 14.950,6

Đông Âu và Liên Xô cũ

10.707,0

9.731,6

5.095,5

5.154,8

5.269,9

5.407,9

Trung Đông

2.058,1

3.494,2

4.775,6

4.984,5

5.135,1

5.288,1

Châu Phi

1.474,1

2.069,6

2.507,4

2.617,9

2.650,2

2.702,9

Châu Á và châu Đại Dương 10.729,1 13.718,8 20.897,8 21.078,2 21.535,2 22.255,5
Toàn thế giới

63.107,6 66.576,0 76.945,9 77.701,3 78.457,7 80.098,8

Hình 1.1 cho thấy các dữ liệu sản xuất dầu thơ trên thế giới (triệu thùng mỗi

ngày). Nó cũng cho thấy sự phân hóa của sản xuất dầu thơ giữa các quốc gia thuộc tổ
chức các nước xuất khẩu dầu mỏ (OPEC) và các quốc gia không thuộc OPEC. Điều
đáng chú ý là xu hướng sản xuất giữa hai nhóm trong giai đoạn 1979-1993 là ngược
nhau, trong khi từ năm 1993 là song song.

Hình 1.1. Sản xuất dầu mỏ trên thế giới (triệu thùng/ngày)

Tại Mỹ, 97% năng lượng sử dụng trong ngành giao thông vận tải, bao gồm ô tô,
xe tải, tàu hỏa, tàu thủy và máy bay đều đến từ nhiên liệu dầu mỏ. Như vậy, xăng dầu
đến nay là các nhiên liệu giao thông quan trọng nhất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nỗ
4


lực nghiên cứu và ứng dụng đang được thực hiện ở nhiều quốc gia để phát triển xe
chạy năng lượng thay thế, chẳng hạn như điện, ethanol và hydro.

1.3.

Khí tự nhiên

Trong những năm gần đây, khí thiên nhiên đã trở nên phổ biến trong nhiều
ngành cơng nghiệp. Nó đốt cháy sạch hơn so với than đá hay dầu mỏ, do đó cung cấp
các lợi ích về mơi trường. Nó được phân phối chủ yếu qua đường ống và trong một
pha lỏng (gọi là khí đốt tự nhiên hóa lỏng [LNG]) vận chuyển qua đại dương bằng tàu
chở dầu.
Bảng 1.3 cho thấy việc tiêu thụ trên tồn thế giới của khí tự nhiên khô các vùng
trong giai đoạn từ năm 1980 đến năm 2003. Như đã thấy, tiêu thụ trên toàn thế giới của
khí tự nhiên tăng đều ở mức 2,6% mỗi năm.
Bảng 1.3. Tiêu thụ khí tự nhiên khơ trên thế giới [4]
ĐVT: Nghìn tỷ m3

Khu vực

Bắc Mỹ

1980

1990

2000

2001

2002

2003

639,0

636,5

784,2

752,0

780,9

776,5

31,1

57,3

93,6

100,2

100,7

108,2

Tây Âu

245,4

297,3

428,5

439,5

449,5

465,3

Đơng Âu và Liên Xô cũ

449,2

788,2

645,9

660,0

670,8

707,3

Trung Đông

37,1

101,9

193,2

199,8

216,2

222,7

Châu Phi

20,8

38,3

57,7

64,7

69,3

72,3

Châu Á và châu Đại Dương

71,5

158,8

295,5

313,8

333,0

353,0

1.498,3

2.078,5

2.498,8

2.530,0

2.620,5

2.705,5

Trung và Nam Mỹ

Tồn thế giới

Theo tạp chí “Dầu và Khí” (OGJ), trữ lượng khí tự nhiên trên thế giới tại thời
điểm 1/1/2004 vào khoảng 172,2 (tỷ m3). Giả sử rằng mức độ hiện tại về tiêu thụ khí
đốt tự nhiên cho thế giới được duy trì, trữ lượng sẽ đủ để kéo dài thêm 64 năm, yếu tố
cung cấp chẳng hạn như tăng mức tiêu thụ hàng năm, phát hiện mỏ mới và những tiến
bộ trong công nghệ. Mặc dù ước tính sơ bộ này có thể tốt hơn so với dầu khí một chút,
số phận của khí thiên nhiên là nhiều hơn hoặc ít hơn thì cũng giống như xăng dầu.
Bảng 1.4 cho thấy sự phân bố trên tồn thế giới của khí tự nhiên cho các nước
có trữ lượng lớn. Trữ lượng thế giới của khí thiên nhiên nói chung đã tăng , ít nhất là
bằng những con số do phát hiện mới về lĩnh vực khí đốt tự nhiên lớn, trữ lượng ước
tính có bù đắp nhiều hơn mức tiêu thụ hàng năm. Như đã trình bày trong bảng 1.4,
Nga có khoảng 27,6% trữ lượng khí đốt thiên nhiên thế giới, trong khi tổng hợp cho
khu vực Trung Đơng chiếm 41,4%.
Xét về tiêu thụ khí đốt tự nhiên, Mỹ chiếm 23,4% (dựa trên số liệu thống kê
năm 2003), trong khi khu vực châu Á và châu Đại Dương chiếm 13%. Điều này là khá
khác nhau từ các kiểu tiêu thụ xăng dầu, đó là nhiên liệu cho giao thơng ưa thích trên
tồn cầu. Năng lượng cung cấp bởi khí tự nhiên có thể thu được từ các nguồn khác
hoặc thay thế bằng các loại năng lượng khác tùy thuộc vào hệ thống cơ sở hạ tầng của
một vùng và quy luật cung-cầu.
5


Bảng 1.4. Trữ lượng khí tự nhiên trên thế giới [4]
ĐVT: Nghìn tỷ m

3

Quốc gia

Trữ lượng

Nga

47,6

Iran

26,6

Qatar

26,0

Ả rập Xê út

6,5

UAE

6,0

Mỹ

5,3

Angiêri

4,5

Nigieria

4,5

I rắc

3,1

Úc

0,8

Tồn thế giới

172,2

Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng được sử dụng nhiều thứ ba tại Mỹ (23%)
sau dầu mỏ và than đá. Người tiêu dùng chủ yếu của khí thiên nhiên là: các nhà sản
xuất, các tiện ích cơng cộng, dân cư (sưởi ấm và nấu ăn), thương mại, chủ yếu cho các
cơng trình sưởi ấm, như thể hiện trong hình 1.2.
Khí thiên nhiên giúp sản xuất
nhiều loại hàng hóa bao gồm cả nhựa,
phân bón, phim ảnh, mực in, cao su
tổng hợp, sợi, chất tẩy rửa, keo,
methanol, este, chất đuổi cơn trùng và

nhiều hơn nữa. Nó cũng được sử dụng
trong sản xuất điện năng như nó cháy
sạch hơn và hiệu quả hơn so với than
đá, và có những vấn đề phát thải liên
quan ít hơn so với nhiên liệu hóa thạch
phổ biến khác. Tuy nhiên, khí đốt tự
nhiên chỉ có một thị phần hạn chế như
một loại nhiên liệu cho giao thơng,
Hình 1.2. Sử dụng khí tự nhiên tại Mỹ
mặc dù nó có thể được sử dụng trong
các động cơ đốt trong thông thường. Điều này chủ yếu là do mật độ năng lượng thấp
trên mỗi đơn vị khối lượng trừ khi nó được nén dưới áp suất rất cao. Hơn một nửa số
hộ gia đình ở Mỹ sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu sưởi ấm chính. Bất kỳ sự gián
đoạn lớn trong việc cung cấp khí đốt tự nhiên sẽ mang lại hậu quả duy nhất nhưng khá
nghiêm trọng trong quản lý năng lượng của quốc gia, ít nhất là trong ngắn hạn và trong
một khu vực bị ảnh hưởng nhất định, khí thiên nhiên sử dụng rất nhiều bởi cả hai tiện
ích phát điện và nhà cửa. Các vấn đề phụ thuộc năng lượng trong khu vực đã phần nào
được giảm nhẹ bằng cách bãi bỏ quy định các tiện ích, điều mà thay đổi thực tiễn kinh
6


doanh của các công ty điện lực và ngành công nghiệp khí đốt tự nhiên. Bãi bỏ quy
định cho phép khách hàng mua khí đốt tự nhiên từ các nhà cung cấp khác hơn lợi ích
của địa phương, do đó cung cấp sự lựa chọn cho người tiêu dùng và kết quả cuối cùng
dẫn đến một giá trị tốt hơn cho họ.
Khí thiên nhiên được phân bố chủ yếu qua đường ống. Tại Mỹ, hơn một triệu
dặm đường ống ngầm được kết nối giữa các mỏ khí đốt tự nhiên và các thành phố lớn .
Khí này có thể được hóa lỏng bằng cách làm lạnh đến 260°F (162°C) và nhiều hơn
nữa ngưng tụ về khối lượng (615 lần) so với khí tự nhiên ở nhiệt độ phịng, làm cho nó
dễ dàng hơn để lưu trữ hoặc vận chuyển. Khí hóa lỏng tự nhiên (LNG) trong bồn chứa

đặc biệt có thể được vận chuyển bằng xe tải hoặc bằng tàu vì LNG có tính lưu động và
khối lượng nhỏ gọn của nhiên liệu lỏng khác. Về vấn đề này, nó có một số trong những
phẩm chất cần thiết cho một loại nhiên liệu cho giao thông. Kết quả là, hơn 100 cơ sở
lưu trữ LNG hiện đang hoạt động tại Mỹ và con số này vẫn tăng.
Giống như tất cả các loại nhiên liệu hóa thạch khác, khí thiên nhiên cũng tạo ra
CO2 (một loại khí nhà kính chủ yếu) khi đốt. Ngồi ra, khí đốt tự nhiên là một loại khí
nhà kính. Vì vậy, trong tất cả các giai đoạn của các công đoạn, lưu trữ và vận chuyển,
các biện pháp phòng ngừa phải được thực hiện để đảm bảo rằng khơng xảy ra rị rỉ.

1.4.

Than

Than được chủ yếu tiêu thụ trong phát điện và trong các ngành công nghiệp.
Năm 2002, tiêu thụ than chiếm 24% tổng tiêu thụ năng lượng trên thế giới. Khoảng
65% lượng tiêu thụ than được sử dụng để phát điện, 31% tiêu thụ cho công nghiệp như
các nhà máy sản xuất thép và máy phát điện hơi nước và phần còn lại 4% cho tiêu thụ
trong lĩnh vực dân cư và thương mại. Than đã từng là một nhiên liệu giao thông quan
trọng để cấp nguồn cho động cơ hơi nước. Tuy nhiên, than đá ngày nay hiếm khi được
sử dụng trong giao thông vận tải. Bảng 1.5 cho thấy tiêu thụ than trên toàn thế giới
theo vùng giai đoạn 1980-2003.
Bảng 1.5. Tiêu thụ than trên thế giới [4]
ĐVT: Triệu tấn
Khu vực

Bắc Mỹ
Trung và Nam Mỹ
Tây Âu
Đông Âu và Liên Xô cũ
Trung Đông

Châu Phi

1980

1990

749,33

972,17 1.168,91 1.146,33 1.151,38 1.183,97

19,40

2000

2001

2002

2003

26,54

37,10

35,47

34,22

35,07

937,45 1.037,19

717,21

718,54

717,04

712,54

1.225,11 1.289,06

724,04

715,16

704,21

717,52

1,08

5,68

13,84

14,84

15,96

15,55

112,50

151,70

189,56

188,16

186,80

202,60

Châu Á và châu Đại Dương 1.081,61 1.786,93 2.231,89 2.346,18 2.440,53 2.572,08
Toàn thế giới

4.126,48 5.269,29 5.082,54 5.164,68 5.250,14 5.439,33

Theo dự báo cho năm 2025 của Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA), tiêu thụ
than trên tồn thế giới để phát điện và sử dụng cơng nghiệp sẽ vẫn tương đối ổn định,
như thể hiện trong bảng 1.6. Sự gia tăng nhẹ trong tiêu thụ của ngành công nghiệp chủ
7


yếu là do sự tăng trưởng cơng nghiệp nhanh chóng của Trung Quốc, trong đó có một
trữ lượng và cung ứng than dồi dào, nhưng trữ lượng hạn chế về dầu và khí đốt tự
nhiên. Thương mại quốc tế về than dự kiến sẽ tăng từ 714 triệu tấn vào năm 2003 lên
969 triệu tấn trong năm 2025, chiếm khoảng 12-13% tổng lượng tiêu thụ than trên toàn
thế giới trong giai đoạn này.

Tổng trữ lượng thu hồi than trên thế giới được ước tính khoảng 1.001 tỷ tấn,
điều đó sẽ là đủ để kéo dài khoảng 184 năm nếu duy trì ở mức tiêu thụ năm 2003 với
mức 5,439 tỷ tấn. Trữ lượng vừa được điều chỉnh giảm sau khi áp dụng các tiêu chuẩn
chặt chẽ hơn, tức là khả năng thu hồi an toàn và kinh tế. Mặc dù các mỏ than được
phân phối rộng rãi trên toàn thế giới, nhưng khoảng 57% trữ lượng than thu hồi trên
thế giới đang nằm trong ba nước: Mỹ (27%), Nga (17%) và Trung Quốc (13%). Sau ba
nước này, sáu quốc gia chiếm 33% tổng số dự trữ: Ấn Độ, Úc, Nam Phi, Ukraine,
Kazakhstan và Nam Tư cũ. Than cũng phân bố rất khơng đồng đều giống các nhiên
liệu hóa thạch khác như dầu mỏ và khí đốt tự nhiên.
Bảng 1.6. Phân phối dự án thị trường than [4]
ĐVT: %
Thị trường

2002

2015

2025

Phát điện

39

39

38

Ngành công nghiệp

20

22

22

Các ngành khác

4

3

3

Tổng thị trường năng lượng

24

25

24

Than đá đã được nghiên cứu rộng rãi để chuyển thành nhiên liệu khí và chất
lỏng, cũng như nguyên liệu hydrocarbon. Phần lớn nhờ vào sự phong phú tương đối
của nó và giá nhiên liệu ổn định trên thị trường, than đã là mục tiêu trọng tâm cho việc
chuyển đổi tổng hợp thành các hình thức khác của nhiên liệu, tức là synfuels. Than có
thể được khí hóa, hóa lỏng và đồng xử lý với các loại nhiên liệu khác bao gồm dầu,
sinh khối, lốp xe phế liệu, chất thải rắn đô thị. Việc chuyển đổi thứ cấp khí và chất
lỏng có nguồn gốc than có thể tạo ra một loạt các sản phẩm hóa dầu, cũng như nhiên
liệu thay thế.
Năm 2003, than đá là nguồn hàng đầu thứ hai phát thải lượng khí CO2 từ việc

tiêu dùng và việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, chiếm 37% trong tổng số. Các nguồn
chính hàng đầu phát thải CO2 là từ việc tiêu thụ dầu mỏ, chiếm 42% trong tổng số. Vị
trí thứ ba là khí đốt tự nhiên ở mức 21%.

1.5.

Năng lượng hạt nhân

Bảng 1.7 cho thấy dữ liệu phát điện hạt nhân trên toàn thế giới và bảng 1.8
cho thấy dữ liệu phát điện trên toàn thế giới trong giai đoạn 1980-2003. Khoảng 30,3%
của phát điện hạt nhân trên thế giới trong năm 2003 là tại Mỹ, tiếp theo là Pháp
(16,6%), Nhật Bản (9,4%), Đức (6,2%), Nga (5,5%) và Hàn Quốc (4,9%).

8


Bảng 1.7. Mạng lưới phát điện hạt nhân trên thế giới [4]
ĐVT: Tỷ kWh
Khu vực

1980

1990

2000

2001

2002

2003

287,00

648,89

830,86

849,97

861,07

844,49

2,22

8,97

10,93

20,81

19,23

20,43

219,25

711,29

850,39

877,11

880,30

882,96

83,19

251,28

268,32

277,33

297,19

304,98

Trung Đông

0

0

0

0

0

0

Châu Phi

0

8,45

13,01

10,72

11,99

12,66

92,73

279,93

476,80

481,30

476,22

457,58

684,38 1.908,81 2.450,31 2.517,24 2.546,01

2.523,11

Bắc Mỹ
Trung và Nam Mỹ
Tây Âu
Đông Âu và Liên Xô cũ

Châu Á và châu Đại Dương
Toàn thế giới

Thị phần của phát điện trên thế giới vào năm 2003 bằng năng lượng hạt nhân là
15,9%, trong khi đó đối với Mỹ là 19,6%. Sự phụ thuộc nặng nề nhất của điện năng về
năng lượng hạt nhân vào năm 2003 đối với Pháp là 78%. Cần lưu ý trong cùng thời
gian đó đã có 19 quốc gia có hơn 20% năng lượng điện của họ tạo ra bằng các nhà
máy điện hạt nhân.
Theo triển vọng năng lượng quốc tế 2005, phát điện sử dụng các nhà máy điện
hạt nhân từ khắp nơi trên thế giới dự kiến sẽ tăng từ 2.560 tỷ kWh trong năm 2002 sẽ
tăng lên 3.032 tỷ kWh trong năm 2015 và 3.270 tỷ kWh trong năm 2025. Triển vọng
năng lượng hạt nhân nói chung được cải thiện đáng kể trong những năm gần đây, do
một số lý do:
1. Giá nhiên liệu hóa thạch tăng lên;
2. Tỷ lệ sử dụng công suất cao hơn cho nhiều cơ sở hạt nhân hiện có;
3. Nguyện vọng rằng hầu hết các nhà máy hiện có trong các thị trường phát
triển và các nền kinh tế chuyển tiếp sẽ được cấp phần mở rộng trong hoạt
động;
4. Thi hành Nghị định thư Kyoto;
5. Dự đoán cho nền kinh tế hydro và cần sự hiệu quả chi phí về năng lượng
điện.

Tuy nhiên, dự đốn xu hướng sử dụng năng lượng hạt nhân vẫn còn rất khó
khăn, do khơng chắc chắn đáng kể nguồn gốc từ các yếu tố chính trị và kinh tế - xã
hội.
Bảng 1.8. Mạng lưới phát điện trên thế giới [4]
ĐVT: Tỷ kWh
Khu vực

Bắc Mỹ

1980

1990

2000

2001

2002

2.721,60 3.627,43 4.590,30 4.515,91 4.653,94

2003
4.668,11
9


Trung và Nam Mỹ

308,23

497,17

781,10

767,55

790,31

828,66

Tây Âu

1.844,50 2.355,89 2.847,47 2.901,62 2.922,53 2.973,66

Đông Âu và Liên Xô cũ

1.603,19 1.974,79 1.564,12 1.590,83 1.624,61 1.668,18

Trung Đông
Châu Phi

92,41

229,85

439,53

462,95

491,65

506,19

189,18

307,40

417,29

431,80

451,63

471,06

Châu Á và châu Đại Dương 1.268,05 2.337,58 3.973,10 4.139,41 4.428,40 4.736,56
Toàn thế giới

1.6.

8.027,15 11.330,1 14.612,9 14.810,0 15.363,0 15.852,4

Năng lượng tái tạo

Tất cả các nhiên liệu hóa thạch đều không thể tái tạo, như vậy chúng sẽ dần dần
bị cạn kiệt. Khi chúng đang dựa vào nguồn tài nguyên hữu hạn và phân phối của
chúng cho rất nhiều địa phương trong khu vực nhất định của thế giới, chúng sẽ trở nên
đắt đỏ. Hơn nữa, sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hố thạch cần phải đốt, do đó làm
hư hại môi trường với các chất ô nhiễm và phát thải khí nhà kính. Để duy trì tương lai
của thế giới với một môi trường sạch và các nguồn năng lượng không bị cạn kiệt, năng

lượng tái tạo là sự lựa chọn rõ ràng. Các nguồn năng lượng tái tạo bao gồm: năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, sinh khối và hydro. Hầu hết
năng lượng tái tạo, ngoại trừ năng lượng địa nhiệt đều trực tiếp hoặc gián tiếp đến từ
mặt trời. Lợi ích của năng lượng tái tạo rất nhiều và chúng bao gồm:
1. Môi trường sạch mà không phát thải gây ô nhiễm;
2. Khơng bị cạn kiệt;
3. Sẵn có trên tồn thế giới;
4. Khơng có ngun nhân của sự nóng lên tồn cầu;
5. Giảm chất thải;
6. Ổn định chi phí năng lượng;
7. Tạo việc làm.
Với sự tăng giá của xăng dầu và khí đốt, như đã từng xảy ra vào năm 2005 và
2006, khả năng cạnh tranh tương đối của các loại nhiên liệu tái tạo và thay thế được
cải thiện. Hơn nữa, tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo thay thế,
cũng như nâng cao nhận thức công chúng bởi sự hậu thuẫn của chính phủ hỗ trợ mạnh
mẽ và ưu đãi, làm cho triển vọng năng lượng thay thế và tái tạo rất hứa hẹn.
Sản xuất trên toàn thế giới về năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, gió, gỗ
và điện sinh chất thải tăng với tốc độ trung bình hàng năm là 6,8% trong giai đoạn
1993-2003. Mỹ dẫn đầu thế giới với 94 tỷ kWh, tiếp theo là Đức với 31 tỷ, Nhật Bản
với 28 tỷ, Tây Ban Nha với 16,3 tỷ và Brazil với 16,2 tỷ. Năm nước này chiếm khoảng
60% trên thế giới về năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, gió, gỗ và phát điện từ
chất thải trong năm 2003.
Ethanol từ ngô ngày càng được sử dụng như nhiên liệu xăng pha trộn. Một
thương hiệu mới là E85, trong đó có chứa 85% ethanol và 15% xăng. Nhiều trạm xăng
10


ở Mỹ đã bắt đầu tích trữ nhiên liệu E85 thường xuyên và nhiều hãng đang cung cấp
nhiều dòng xe ô tô có thể được vận hành trên cả xăng thông thường hoặc E85.
Nâng cao nhận thức của công chúng về đốt sạch và hiệu quả năng lượng hydro

cũng đã được quan tâm chưa từng có trong cơng nghệ hydro và nghiên cứu pin nhiên
liệu. Nhiều chuyên gia dự đoán tương lai là một nền kinh tế hydro. Nền kinh tế hydro
sẽ được thực hiện, một danh sách dài các tiến bộ cơng nghệ phải được thực hiện, trong
đó bao gồm các cơng nghệ với chi phí sản xuất khơng đắt đỏ, phân phối và lưu trữ an
toàn, vật liệu an toàn và hiệu quả để xử lý hydro, động cơ đốt trong hydro, pin nhiên
liệu hydro, phòng chống mất mát…
Sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối và chất thải rắn đô thị (MSW) cũng
rất hứa hẹn. Tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực đã thực hiện lựa chọn này hiệu quả
và an tồn với mơi trường.

11


Chương 2. Nhiên liệu chuyển hóa từ than
2.1.

Khí hóa từ than

2.1.1. Giới thiệu chung
Chuyển đổi than bởi bất kỳ quá trình để tạo ra hỗn hợp khí cháy được gọi là khí
hóa than, mặc dù một số lượng lớn các phản ứng hóa học khác so với phản ứng khí
hóa có liên quan. Mặc dù các sản phẩm khí của q trình khí hóa than liên quan đến
các loại hóa chất dễ cháy, mục đích của q trình khí hóa khơng giới hạn để tạo ra các
nhiên liệu khí, vì khí sản phẩm có thể dễ dàng xử lý để tạo ra giá trị hóa chất và
nguyên liệu hóa dầu khác. Vấn đề thương mại khí hóa than nói chung địi hỏi sự kiểm
sốt oxy hố từng phần của than để chuyển đổi nó thành sản phẩm khí mong muốn.
Than có thể nóng lên bằng phương pháp đốt cháy trực tiếp hoặc gián tiếp bởi nguồn
nhiệt khác. Việc hóa khí thơng thường đi qua (hoặc thơng qua) than nóng để cung cấp
các phân tử tiếp xúc cho các phản ứng hóa học. Các chất phản ứng khí phản ứng với
các hàm chất cacbon (ví dụ: các hydrocacbon than) hoặc với các sản phẩm phân hủy

chính khác của than để sản xuất sản phẩm khí. Khơng phải tất cả các sản phẩm khí
được tạo ra bởi các q trình như vậy được kỳ vọng từ quan điểm về chất lượng nhiên
liệu, cần tiếp tục xử lý về các vấn đề môi trường. Do đó, q trình khí hóa than ln
được thực hiện trong kết nối với các quá trình hạ lưu, không chỉ cho các ứng dụng cuối
cùng, nhưng cũng nhằm mục đích làm sạch khí. Các trọng tâm chính của q trình khí
hóa than có thể được trên việc phát điện qua các kiểu tích hợp khí hóa chu trình hỗn
hợp (IGCC), về sản xuất khí tổng hợp cho các ứng dụng đường ống, hoặc tổng hợp của
nhiên liệu lỏng và hoá dầu là nguồn thay thế của vật liệu. Với sự ra đời của một nền
kinh tế hydro, vai trị của q trình khí hóa than trong sản xuất khí hydro có thể trở nên
quan trọng hơn.
Chuyển đổi than từ dạng rắn của nó thành nhiên liệu khí (hoặc hóa chất khí)
được áp dụng rộng rãi ngày nay. Trong những năm trước đó (1920-1940), khí hóa than
đã được sử dụng để sản xuất khí ở hàng trăm nhà máy trên toàn thế giới, các nhà máy
như vậy được gọi là nhà máy sản xuất khí (MGPs). Cơng nghệ này đã trở nên lỗi thời
trong thời kỳ hậu chiến tranh thế giới thứ 2, vì các nguồn cung cấp dồi dào dầu mỏ và
khí tự nhiên với giá cả phải chăng. Với sự ra đời của các lệnh cấm vận dầu mỏ trong
năm 1970 và biến động của giá xăng dầu, cũng như tình trạng thiếu khí đốt tự nhiên và
dầu mỏ trong thời gian đầu của thế kỷ 21, sự quan tâm trong q trình khí hóa than
cũng như khai thác thương mại đã được khôi phục. Mặt khác, gần đây có sự quan tâm
trong cơng nghệ pin nhiên liệu cho nên q trình khí hóa than như một phương pháp
tạo nguồn hydro đáng tin cậy và không tốn kém. Tất cả các việc trên dẫn đến nhiều
hoạt động lớn trong nghiên cứu, phát triển và các luận chứng của khí hóa than có kết
quả đáng kể trong việc cải tiến so với cơng nghệ thơng thường, do đó làm cho khí hóa
than cạnh tranh hơn trên thị trường nhiên liệu hiện đại.
Khí hóa than bao gồm một loạt các bước phản ứng chuyển hóa than có chứa C,
H và O, cũng như các tạp chất như S và N, thành khí tổng hợp và các hình thức khác
của hydrocarbon. Việc chuyển đổi này thường được thực hiện bằng cách đưa khơng
khí, oxy hoặc hơi nước vào một thùng lị phản ứng nơi có nhiệt độ, áp suất và mơ hình
dịng chảy được kiểm sốt. Tỷ trọng của các khí sản phẩm tạo thành (CO, CO 2, CH4,
H2, H2O, N2, H2S, SO2,…) phụ thuộc vào loại than và thành phần của nó, nhiệt động

12


lực học và hóa học của các phản ứng khí hóa như điều khiển bởi các thơng số q trình
vận hành.
Cơng nghệ khí hóa than có thể được sử dụng trong các hệ thống năng lượng sau
đây có tầm quan trọng tiềm năng:
1. Sản xuất nhiên liệu để sử dụng trong các đơn vị phát điện;
2. Sản xuất khí tổng hợp hoặc thay thế khí tự nhiên (SNG) để sử dụng như
nguồn cung cấp đường ống dẫn khí;
3. Sản xuất hydro cho các ứng dụng pin nhiên liệu;
4. Sản xuất khí tổng hợp để sử dụng như một nguyên liệu hóa học;
5. Sản xuất nhiên liệu khí (nhiệt trị thấp và nhiệt trị trung bình) cho mục đích
cơng nghiệp.
Khí tổng hợp (SG) là một vật liệu khởi đầu rất quan trọng cho cả nhiên liệu và
hóa dầu. Nó có thể được lấy từ các nguồn khác nhau bao gồm dầu mỏ, khí tự nhiên,
than, sinh khối và thậm chí chất thải rắn đơ thị (MSWs). Khí tổng hợp được phân loại
thuận tiện, dựa vào thành phần chính của nó, như: (1) khí giàu H2, (2) khí giàu CO, (3)
khí giàu CO2, (4) khí giàu CH4... Các nhiên liệu chủ yếu và chất hóa học trực tiếp làm
từ khí tổng hợp bao gồm hydro, carbon monoxide, metan, amoniac, methanol,
dimethylether, xăng, nhiên liệu diesel, ethylene, isobutylen, hỗn hợp các olefin C2-C4,
rượu C1-C5, ethanol, ethylene glycol…
Nhiên liệu thứ cấp và các hóa chất tổng hợp thông qua con đường methanol bao
gồm formaldehyde, acid acetic, xăng, nhiên liệu diesel, methyl formate, methyl
acetate, acetaldehyde, anhydrit axetic, vinyl axetat, đimetyl ete, etylen, propylen,
isobutylen, ethanol, cồn C1-C5, axit propionic , metyl tert-butyl ether (MTBE), ethyl
tert-butyl ether (ETBE), tert-amilic metyl ete (TAME), benzene, toluene, xylene, ethyl
acetate… Con đường tổng hợp của hoá chất qua methanol là một chất trung gian được
gọi là tổng hợp gián tiếp.
2.1.2. Phân loại khí tổng hợp theo nhiệt trị

Tùy thuộc vào các nhiệt trị của kết quả khí tổng hợp sản xuất bằng quy trình khí
hố, khí sản phẩm thường được phân loại làm ba loại hỗn hợp khí:
1. Khí nhiệt trị thấp bao gồm một hỗn hợp của khí carbon monoxide, hydrogen
và một số loại khí khác với một giá trị nhiệt thường ít hơn 11,8 (MJ/m3).
2. Khí nhiệt trị trung bình là một hỗn hợp gồm khí metan, carbon monoxide,
hydrogen và các loại khí khác nhau với một giá trị nhiệt trong khoảng 11,8 ÷
27,6 (MJ/m3).
3. Khí nhiệt trị cao bao gồm chủ yếu là metan với một giá trị nhiệt khoảng 39,4
(MJ/m3). Nó cũng được gọi là SNG.
Khí hóa than liên quan đến phản ứng của cacbon than (nói chính xác là các
hydrocacbon than phân tử) và các sản phẩm nhiệt phân khác với oxy, hydro và nước để
cung cấp khí đốt.
2.1.2.1.

Khí nhiệt trị thấp
13


Để sản xuất khí nhiệt trị thấp, khơng khí thường được sử dụng như một đơn vị
đốt cháy (hoặc khí hóa). Thay vì oxy ngun chất được sử dụng, các sản phẩm khí
chắc chắn có chứa một hàm lượng lớn các thành phần không mong muốn như nitơ
hoặc các hợp chất chứa nitơ. Do đó, nó có kết quả trong một nhiệt trị thấp khoảng 5,9
÷ 11,8 (MJ/m3). Đơi khi, loại khí hóa than có thể được thực hiện tại chỗ, tức là dưới
lòng đất, nơi khai thác than bằng các kỹ thuật khác khơng có lợi về mặt kinh tế. Ví như
tại chỗ khí hố, khí nhiệt trị thấp có thể là một sản phẩm mong muốn. Khí nhiệt trị
thấp chứa 5 thành phần chính với khoảng 50% nitơ, một số lượng hydro và carbon
monoxide (dễ cháy), carbon dioxide và một chút metan. Sự hiện diện thành phần nitơ
lớn như là một cách phân loại sản phẩm khí nhiệt trị thấp. Hai thành phần khó cháy
khác (CO2 và H2O) tiếp tục hạ nhiệt trị của khí sản phẩm. Sự hiện diện của các thành
phần này làm hạn chế khả năng áp dụng của khí nhiệt trị thấp để tổng hợp hóa học.

Hai thành phần dễ cháy chủ yếu là hydro và carbon monoxide; tỉ lệ của chúng khác
nhau tùy thuộc vào điều kiện sử dụng khí hóa. Một trong những thành phần không
mong muốn nhất là H2S, xảy ra ở một tỷ lệ so với hàm lượng lưu huỳnh trong than
gốc. Nó phải được loại bỏ bởi các phương pháp làm sạch khí trước khi khí sản phẩm
có thể được sử dụng cho các mục đích hữu ích khác như chế biến thêm và nâng cấp.
2.1.2.2.

Khí nhiệt trị trung bình

Trong sản xuất khí nhiệt trị trung bình, oxy tinh khiết hơn khơng khí được sử
dụng như là đơn vị đốt cháy, mà kết quả làm gia tăng đáng kể giá trị nhiệt, khoảng
11,8 ÷ 15,8 (MJ/m3). Sản phẩm khí chủ yếu có chứa carbon monoxide và hydrogen với
một số khí metan và carbon dioxide. Nó chủ yếu được sử dụng trong q trình tổng
hợp methanol, hydrocarbon cao hơn thơng qua phương pháp tổng hợp Fischer-Tropsch
và nhiều loại hóa chất khác. Nó cũng có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu để
tạo ra hơi nước hoặc để chạy tua bin khí. Tỷ lệ H2:CO trong khí nhiệt trị trung bình
thay đổi từ 2:3 (nếu CO giàu) đến hơn hơn 3:1 (nếu H2 giàu). Sự gia tăng giá trị nhiệt
là do thành phần cao hơn của khí metan và hydrogen cũng như nồng độ thấp hơn của
carbon dioxide, ngoài sự vắng mặt của nitơ của đơn vị khí hóa.
2.1.2.3.

Khí nhiệt trị cao

Khí nhiệt trị cao chủ yếu là metan (> 95%) và như vậy, nhiệt trị của nó là
khoảng 35,5 ÷ 39,4 (MJ/m3). Nó tương thích với khí tự nhiên và có thể được sử dụng
như một loại khí thiên nhiên tổng hợp hoặc thay thế (SNG). Đây là loại khí tổng hợp
thường được sản xuất bằng phản ứng xúc tác của carbon monoxide và hydrogen, được
gọi là phản ứng methanation. Các khí tổng hợp thường chứa carbon dioxide và metan
với số lượng nhỏ. Hơn nữa, hơi nước thường có trong khí để giảm bớt ơ nhiễm carbon,
làm thay đổi hiệu quả xúc tác. Do đó, các phản ứng hóa học thích hợp trong hệ thống

methanation bao gồm:
3H2 + CO = CH4 + H2O
2H2 + 2CO = CH4 + CO2
4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O
2CO = C + CO2
CO + H2O = CO2 + H2

14


Trong số này, các phản ứng hóa học trội nhất dẫn đến metan là sản phẩm đầu
tiên. Do đó, nếu methanation được thực hiện trên một chất xúc tác với một hỗn hợp
khí tổng hợp của H2 và CO, mong muốn tỷ lệ H2:CO của khí tổng hợp là khoảng 3:1.
Số lượng lớn các sản phẩm H2O được loại bỏ bằng cách ngưng tụ và tái tuần hồn như
q trình loại bỏ nước hoặc bay hơi. Trong quá trình này, hầu hết nhiệt tỏa ra do phản
ứng methanation cũng được thu hồi thơng qua một loạt các q trình thu thập năng
lượng. Trong khi tất cả các phản ứng được liệt kê ở trên là tỏa nhiệt khá mạnh, ngoại
trừ các phản ứng thay đổi hơi nước (WGS) phía trước, mà là tỏa nhiệt nhẹ nhàng, việc
tỏa nhiệt phụ thuộc phần lớn vào lượng CO có trong khí tổng hợp. Đối với mỗi 1% CO
trong khí tổng hợp, một phản ứng đoạn nhiệt sẽ được trải qua khoảng nhiệt độ tăng lên
là 60°C, trong đó có thể được gọi là tăng nhiệt độ đoạn nhiệt.
Một loạt các kim loại thể hiện hiệu ứng xúc tác trên phản ứng methanation. Thứ
tự của hoạt động xúc tác: Ru > Ni > Co > Fe > Mo. Sử dụng Nickel là bởi đến nay các
chất xúc tác thường được sử dụng nhất trong các q trình thương mại vì chi phí tương
đối thấp của nó và cũng có các hoạt tính xúc tác cao hợp lý. Gần như tất cả các chất
xúc tác thương mại được sử dụng cho quá trình này rất dễ bị ngộ độc lưu huỳnh và cố
gắng phải được thực hiện để loại bỏ tất cả các sulfua hydro (H 2S) trước khi các phản
ứng xúc tác bắt đầu. Nó là cần thiết để làm giảm nồng độ lưu huỳnh trong khí cung
cấp để thấp hơn 0,5 ppm để duy trì hoạt động xúc tác đầy đủ trong một thời gian dài.
Do đó, mục tiêu của sự phát triển chất xúc tác nhằm tăng cường khả năng chịu đựng

lưu huỳnh của chất xúc tác.
2.1.3. Phản ứng khí hóa than
Trong q trình khí hóa than, bốn phản ứng chính rất quan trọng là:
1. Khí hóa hơi;
2. Khí hóa CO2;
3. Khí hóa H2;
4. Phản ứng oxy hố từng phần.
Trong hầu hết các thiết bị khí hóa, một số các phản ứng, cùng với phản ứng
WGS, xảy ra đồng thời. Bảng 2.1 cho thấy hằng số cân bằng cho các phản ứng như các
hàm số của nhiệt độ. Cùng một dữ liệu được thể hiện trong hình 2.1, là log10Kp với
1/T. Từ con số này, theo đó là hiển nhiên và có ý nghĩa:
1. Quan hệ của log10Kp với 1/T gần tuyến tính cho tất cả các phản ứng.
2. Các phản ứng tỏa nhiệt là trên cùng một thứ tự như độ dốc của những quan
hệ của log10 Kp với 1/T cho mỗi phản ứng.
3. Do tiêu chí của Kp>1 (tức là, log 10Kp > 0), nó được tìm thấy rằng khí hóa
hydro được ưu tiên về mặt nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn, trong khi đó CO 2 và
các phản ứng khí hóa hơi được ưu tiên về mặt nhiệt ở nhiệt độ cao.
4. Các hằng số cân bằng cho phản ứng WGS là chức năng yếu nhất của nhiệt
độ trong số tất cả các phản ứng so sánh, như được chứng minh rõ ràng trong
diễn biến đồ thị. Điều này cũng có nghĩa là sự cân bằng của phản ứng này
có thể được đảo ngược lại tương đối dễ dàng bằng cách thay đổi các điều
kiện hoạt động bắt buộc.
15


Bảng 2.1. Các hằng số cân bằng cho phản ứng khí hóa
Log10 Kp
T (K)

I

II

III

IV

300 0,00333

23,29

68,67

15,86

20,81

4,95

8,82

400 0,0025

19,13

51,54

10,11

13,28

3,17

5,49

500 0,002

16,26

41,26

6,63

8,74

2,11

3,43

600 0,001667

14,34

34,40

4,29

5,72

1,43

2,00

700 0,001429

12,96

29,50

2,62

3,58

0,96

0,95

800 0,00125

11,93

25,83

1,36

1,97

0,61

0,15

900 0,00111

11,13

22,97

0,37

0,71

0,34

0,49

1000 0,001

10,48

20,68

0,42

0,28

0,14

1,01

1100 0,000909

9,94

18,80

1,06

1,08

0,02

1,43

1200 0,000833

9,50

17,24

1,60

1,76

0,16

1,79

1300 0,000769

9,20

15,92

2,06

2,32

0,26

2,10

1400 0,000714

8,97

14,78

2,44

2,80

0,36

2,36

Chú ý:

1/T

V

VI

Phản ứng I: C + 1⁄2O2 = CO;

Phản ứng II: C + O2 = CO2;

Phản ứng III: C + H2O = CO + H2;

Phản ứng IV: C + CO2 = 2CO;

Phản ứng V: CO + H2O = CO2 + H2;

Phản ứng VI: C + 2H2 = CH4.

Hình 2.1. Hằng số cân bằng (Kp) đối với phản ứng khí hóa

2.1.3.1.

Khí hóa hơi
16


Các phản ứng khí hóa hơi thu nhiệt, tức là yêu cầu nhiệt đầu vào cho phản ứng
để tiến hành theo hướng về phía trước của nó. Thơng thường, một lượng dư thừa hơi
cũng là cần thiết để thúc đẩy các phản ứng.
C (s) + H2O (g) = CO (g) + H2 (g) ΔH°298 = 131.3 kJ/mol
Tuy nhiên, hơi dư thừa được sử dụng trong phản ứng này làm tổn hại đến hiệu
suất nhiệt của q trình. Do đó, phản ứng này thường được kết hợp với phản ứng khí
hóa khác trong các ứng dụng thực tế. Tỷ lệ H2:CO của sản phẩm khí tổng hợp phụ

thuộc vào tính chất hóa học tổng hợp cũng như quy trình kỹ thuật. Hai cơ chế phản
ứng (A, B) đã nhận được sự chú ý nhất đối với các phản ứng carbon-hơi nước qua một
loạt các điều kiện khí hóa thực tế.
Cơ chế A:

Cf + H2O = C(H2O)A
C(H2O)A → CO + H2
Cf + H2 = C(H2)B

Trong các phương trình trên:
+ Cf biểu thị các vị trí của cácbon tự do khơng bị chiếm chỗ;
+ C(H2O)A và C(H2)B biểu thị các loại hấp thụ hóa học, trong đó H2O và H2
được hấp phụ trên các vị trí cácbon;
+ "=" có nghĩa là phản ứng cơ học cụ thể là đảo ngược;
+ "→" có nghĩa là phản ứng chủ yếu là không thể đảo ngược.
Trong cơ chế A, tỷ lệ khí hóa tổng thể bị ức chế bởi hấp phụ hydro trên các vị
trí tự do, do đó làm giảm hiệu lực của các vị trí trống hoạt động cho hấp thụ hơi nước.
Cơ chế này có thể được gọi như là ức chế bởi hấp phụ hydro.
Cơ chế B:

Cf + H2O = C(O)A + H2
C(O)A → CO

Mặt khác, trong cơ chế B, tỷ lệ khí hóa bị ảnh hưởng bởi phản ứng cạnh tranh
của chất oxy với hydro, do đó hạn chế việc chuyển đổi của sự hấp thụ hóa học oxy vào
cacbon monoxit. Do đó, cơ chế này có thể được gọi như là ức chế bởi sự trao đổi oxy.
Cả hai cơ chế này vẫn có khả năng sản xuất các biểu hiện tỷ lệ cho khí hố hơi
của cacbon trong các hình thức:
r = k1pH2O/(1 + k2pH2 + k3pH2O)
Điều đó được tìm thấy có sự tương quan khá tốt với các dữ liệu thực nghiệm. Đây là

loại biểu hiện tỷ lệ có thể dễ dàng thu được bằng cách lấy xấp xỉ trạng thái giả ổn định
trên các loại hấp thụ của cơ chế.
2.1.3.2.

Khí hóa CO2

Phản ứng của than với CO 2 có thể được xấp xỉ hoặc đơn giản là phản ứng của
cacbon với cacbon dioxit, cho mục đích xây dựng mơ hình. Cacbon dioxit phản ứng
với carbon để tạo ra khí carbon monoxide và phản ứng này được gọi là phản ứng
“Boudouard”. Phản ứng này cũng thu nhiệt trong tự nhiên, tương tự như phản ứng khí
hóa hơi.
17


C (s) + CO2 (g) = 2CO (g)

ΔH°298 = 172.5 kJ/mol

Các phản ứng ngược lại là một phản ứng tích tụ cacbon là nguyên nhân chính
làm dơ bẩn cacbon trên nhiều bề mặt, chẳng hạn như vơ hiệu hóa q trình xúc tác.
Phản ứng này thường ưu tiên nhiệt động học ở nhiệt độ cao (t > 680 oC), điều này cũng
tương tự như khí hóa hơi. Các phản ứng, nếu thực hiện một mình địi hỏi nhiệt độ cao
(đối với phản ứng nhanh) và áp suất cao (đối với nồng độ chất phản ứng cao hơn) cho
chuyển đổi đáng kể. Tuy nhiên, phản ứng này trong các ứng dụng khí hóa thực tế là
hầu như khơng bao giờ diễn ra một cách đơn lẻ, vì nhiều yếu tố bao gồm cả chuyển đổi
thấp, tốc độ vận động chậm, hiệu suất nhiệt thấp, khơng hiệu quả kinh tế…
Có sự nhất trí chung rằng dữ liệu thực nghiệm về tốc độ của q trình khí hóa
than bởi CO2 phù hợp với một phương trình thực nghiệm của các hình thức:
r = k1pCO2/(1 + k2pCO + k3pCO2)
Ở đây: pCO và pCO2 là áp lực riêng phần của CO và CO2 trong các lị phản ứng. Phương

trình tỷ lệ này được thể hiện để phù hợp với ít nhất hai cơ chế theo đó cacbon monoxit
làm chậm phản ứng khí hóa.
Cơ chế A:

Cf + CO2 → C(O)A + CO
C(O)A → CO
CO + Cf = C(CO)B

Cơ chế B:

Cf + CO2 = C(O)A + CO
C(O)A → CO

Trong cả hai cơ chế, cacbon monoxit làm chậm tốc độ phản ứng tổng thể. Việc
chậm phát triển là thơng qua cacbon monoxit hấp thụ vào các vị trí tự do trong các
trường hợp cơ chế A, trong khi nó thơng qua phản ứng của sự hấp thụ hóa học oxy với
khí cacbon monoxit để sản xuất khí cacbon dioxit trong cơ chế B.
2.1.3.3.

Khí hóa H2

Bổ sung trực tiếp của hydro tới than dưới áp lực cao tạo thành khí metan. Phản
ứng này được gọi là khí hóa hydro và có thể được viết như sau:
Than + H2 = CH4 + Chất chứa cacbon
Hay:

C (s) + 2H2 (g) = CH4 (g)

ΔH°298 = –74.8 kJ/mol

Phản ứng này là tỏa nhiệt và được ưu tiên nhiệt động học ở nhiệt độ thấp (t
<670°C), khơng giống như cả hai phản ứng hóa hơi và khí hóa CO2. Tuy nhiên, ở nhiệt
độ thấp, tốc độ phản ứng là không tránh khỏi quá chậm. Do đó, nhiệt độ cao là ln
ln cần thiết vì lý do vận động, do đó địi hỏi áp lực cao của hydro, mà còn được ưu
tiên từ những cân nhắc cân bằng. Phản ứng này có thể được xúc tác bởi K 2CO3, niken,
clorua sắt, sunfat sắt… Tuy nhiên, việc sử dụng chất xúc tác trong q trình khí hóa
than bị ràng buộc nhiều bởi yếu kinh tế vì giá trị nguyên vật liệu thấp, cũng như khó
khăn trong việc khôi phục và tái sử dụng chất xúc tác. Do đó, q trình xúc tác khí hóa
than đã khơng được thực hiện nhiều.
2.1.3.4.

Oxy hóa từng phần

Đốt than liên quan đến phản ứng với oxy, có thể được cung cấp như oxy tinh
18


khiết hoặc như khơng khí, tạo thành cacbon monoxit và cacbon dioxit. Các phản ứng
hóa học chủ yếu giữa cacbon và oxy bao gồm:
C (s) + O2 (g) = CO2 (g)

ΔH°298 = –393.5 kJ/mol

C (s)+ 1/2O2 (g) = CO (g)

ΔH°298 = –111.4 kJ/mol

Nếu có đủ khơng khí hoặc oxy được cung cấp, đốt cháy tiếp diễn liên tục thông
qua quá trình oxy hóa pha hơi và bốc lửa của vật chất dễ bay hơi để cuối cùng đánh
lửa thành than cịn sót lại. Chắc chắn, nó khơng mong muốn cho phép các phản ứng

đốt cháy tiếp tục quá lâu, bởi vì sẽ lãng phí tài ngun cacbon.
Mặc dù q trình đốt cháy hoặc phản ứng oxy hóa của cacbon có thể được thể
hiện bằng các phương trình phản ứng cân bằng hóa học đơn giản, q trình oxy hóa
một phần liên quan đến một cơ chế phản ứng phức tạp phụ thuộc vào tốc độ và hiệu
quả đốt. Con đường phản ứng phức tạp hơn vì sự hiện diện của cả hai phản ứng đồng
nhất khí-pha và các phản ứng phức tạp giữa các chất phản ứng khí và rắn. Vấn đề
tranh cãi đầu liên quan đến phản ứng oxy hóa cacbon đó là cacbon dioxit là một sản
phẩm chính của phản ứng không đồng nhất của cacbon với oxy hay một sản phẩm thứ
cấp do q trình oxy hóa pha khí của cacbon monoxit. Q trình oxy hóa của cacbon
bao gồm ít nhất bốn tương tác oxy cacbon sau đây:
C + 1/2O2 = CO
CO + 1/2O2 = CO2
C + CO2 = 2CO
C + O2 = CO2
Dựa trên rất nhiều cơng trình nghiên cứu, bao gồm cả nghiên cứu ghi nhãn
đồng vị, đưa ra nhất trí liên quan đến phản ứng cacbon-oxy:
1. CO2, cũng như CO, là một sản phẩm chính của q trình oxy hóa cacbon.
2. Tỷ lệ các sản phẩm chính, CO thành CO2, thường được tìm thấy để tăng
mạnh với sự gia tăng nhiệt độ.
3. Có sự bất đồng trong đó độ lớn của tỷ lệ của sản phẩm chính là một hàm số
duy nhất của nhiệt độ và độc lập với loại cacbon phản ứng.
2.1.3.5.

Phản ứng thay đổi khí nước (WGS)

Mặc dù phản ứng WGS khơng được phân loại như là một trong những phản
ứng khí hóa chính, nó khơng thể được bỏ qua trong các phân tích của các hệ thống
phản ứng hóa học có liên quan đến tổng hợp khí. Trong số tất cả các phản ứng liên
quan đến tổng hợp khí, phản ứng cân bằng này nhạy cảm nhất với sự biến đổi nhiệt độ.
Nói cách khác, hằng số cân bằng của nó phụ thuộc mạnh mẽ nhất vào nhiệt độ. Vì vậy,

phản ứng cân bằng này có thể được đảo ngược trong một loạt các điều kiện quá trình
thực tế trên một phạm vi nhiệt độ rộng. Phản ứng WGS nhẹ nhàng tỏa nhiệt như sau:
CO (g) + H2O (g) = CO2 (g) + H2 (g)

ΔH°298 = –41.2 kJ/mol

Mặc dù tất cả các loại hóa chất tham gia trong hình thức của một chất khí, các
nhà khoa học tin rằng phản ứng này chủ yếu diễn ra ở các bề mặt không đồng nhất của
than và cũng là phản ứng được xúc tác bởi các bề mặt cacbon. Khi phản ứng WGS
được xúc tác bởi nhiều bề mặt không đồng nhất và phản ứng cũng có thể diễn ra ở nơi
đồng nhất cũng như không đồng nhất, một sự hiểu biết tổng quát của phản ứng WGS
19


đã rất khó khăn để đạt được. Ngay cả những thơng tin tỷ lệ động trong các tài liệu có
thể khơng ngay lập tức hữu ích hoặc áp dụng đối với một tình huống phản ứng thực tế.
Sản phẩm khí tổng hợp từ một khí hóa có chứa một loạt các loại khí khác so với
cacbon monoxit và hydro. Thơng thường, chúng bao gồm cacbon dioxit, metan và
nước (hơi nước). Tùy thuộc vào mục tiêu của q trình sau đó, các thành phần của khí
tổng hợp có thể cần phải được ưu tiên điều chỉnh. Nếu mục tiêu của quá trình khí hóa
là để có được một năng suất cao của metan, nó sẽ được ưa tiên để có tỷ lệ mol của
hydro với cacbon monoxit là 3:1, dựa trên hệ số tỷ lượng phản ứng metan hóa sau đây:
CO (g) + 3H2 (g) = CH4 (g) + H2O (g)
Nếu mục tiêu của khí tổng hợp tạo ra là sự tổng hợp của metanol qua pha hơi
quá trình áp suất thấp, tỷ lệ phản ứng thích hợp giữa hydro và cacbon monoxit sẽ là
2:1. Trong trường hợp như vậy, hỗn hợp khí tổng hợp là phản ứng nhất quán thường
được gọi là khí cân bằng, trong khi một thành phần khí tổng hợp mà bị lệch đáng kể so
với hệ số tỷ lượng chính được gọi là khí khơng cân bằng.
Nếu mục tiêu của sản xuất khí tổng hợp là để có được một năng suất cao của
hydro, nó sẽ được cải tiến để tăng tỷ lệ H 2 với CO bằng cách tiếp tục chuyển đổi CO

(H2O) thành H2 (và CO2) thông qua phản ứng WGS. Tuy nhiên, nếu các sản phẩm khí
cuối cùng là để được sử dụng trong các ứng dụng pin nhiên liệu, cacbon monoxit và
cacbon dioxit phải được loại bỏ đến mức chấp nhận bởi một q trình như loại bỏ khí
axit hoặc các q trình hấp thụ khác. Đặc biệt, đối với hydro proton màng trao đổi
(PEM) hoạt động pin nhiên liệu, khí cacbon monoxit và các loại lưu huỳnh phải được
loại bỏ triệt để từ khí hydro.
Phản ứng WGS là một trong những phản ứng quan trọng trong q trình khí
hóa hơi nước, nơi cả hơi nước và cacbon monoxit có mặt với số lượng khá lớn. Mặc
dù tất cả bốn loại hóa chất tham gia vào các phản ứng WGS là những hợp chất khí ở
giai đoạn phản ứng của hầu hết các q trình xử lý khí, phản ứng WGS, trong trường
hợp của khí hố hơi than chủ yếu diễn ra không đồng nhất, tức là trên bề mặt rắn của
than. Nếu sản phẩm khí tổng hợp từ một khí hóa cần được tân trang bằng phản ứng
WGS, phản ứng này có thể được xúc tác bởi một loạt các chất xúc tác kim loại. Sự lựa
chọn của các loại cụ thể của các chất xúc tác đã luôn luôn dựa trên các kết quả mong
muốn, các điều kiện nhiệt độ hiện hành, thành phần của hỗn hợp khí và các quá trình
kinh tế. Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phản ứng WGS qua một loạt các chất
xúc tác bao gồm sắt, đồng, kẽm, niken, crôm và molypden. Những nỗ lực đáng kể đã
được thực hiện trong việc phát triển một hệ thống chất xúc tác mạnh mẽ có khả năng
chịu lưu huỳnh cao và phạm vi nhiệt độ được áp dụng rộng rãi hơn.
2.2.

Nhiên liệu lỏng từ than

2.2.1. Giới thiệu chung
Có ba phương pháp để sản xuất nhiên liệu lỏng từ than đá đó là: nhiệt phân
than, hóa lỏng trực tiếp và hóa lỏng gián tiếp. Nhiên liệu lỏng cũng có thể thu được
thơng qua cơng nghệ than bùn.
Mặc dù than có nhiệt trị cao nhưng do ở dạng rắn nên là một trong những lý do
chính gây bất tiện để xử lý như một nhiên liệu tiêu dùng. Để cho nhiên liệu loại này
được sử dụng dễ dàng hơn, nghiên cứu được tiến hành để chuyển đổi thành nhiên liệu

20


thể khí hay nhiên liệu thể lỏng. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, Đức đã sản xuất với
sản lượng rất lớn (100.000 thùng/ngày), họ sử dụng công nghệ áp suất cao và nhiệt độ
cao, tuy nhiên cơng nghệ hóa lỏng kém thân thiện với mơi trường như q trình làm
sạch và tinh chế ở mức tối thiểu.
Các mục tiêu của q trình hóa lỏng than hiện nay chủ yếu tập trung vào việc
giảm các điều kiện hoạt động nghiêm trọng, giảm thiểu yêu cầu về hydro và làm cho
các sản phẩm dạng lỏng thân thiện hơn với môi trường. Do xu hướng gần đây về sự
tăng giá xăng dầu và sự biến động trên thị trường thế giới, các q trình hóa lỏng than
kinh tế hơn. Mặt khác, với trữ lượng than trên tồn thế giới cịn rất lớn nên sự thay thế
của nhiên liệu loại này rất tiềm năng và cũng rất thực tế.
Với lợi thế công nghệ sẵn có về hóa lỏng than, do đó việc hóa lỏng than để sản
xuất nhiên liệu lỏng sạch hoàn toàn có thể được bán ra thị trường cho các phương tiện
giao thông. Lâu nay, người ta vẫn tin rằng giá dầu thơ vào khoảng 35 USD/01 thùng,
vì vậy q trình sản xuất xăng và diesel bằng việc hóa lỏng than sẽ trở nên kinh tế và
cạnh tranh hơn. Tuy nhiên, có thể thấy giá dầu thơ hiện nay trung bình cao hơn nhiều,
các chuyên gia tài chính đưa ra nhận xét rằng giá dầu tăng cao là xu hướng tất yếu và
lâu dài chứ không phải là hiện tượng tạm thời. Ngay cả sau khi xem xét những thay
đổi trong các yếu tố kinh tế khác nhau liên quan đến các ngành công nghiệp năng
lượng, sản xuất nhiên liệu cho giao thông hoặc các loại dầu nhiên liệu thông qua hóa
lỏng than chắc chắn là một lựa chọn tốt cho tương lai. Hơn nữa, các sản phẩm hóa
lỏng than có thể được tinh chế và chế biến để có các tính chất của nhiên liệu thơng
thường, địi hỏi khơng phải thay đổi cơ sở hạ tầng quan trọng trong phân phối cũng
như khơng phải thay đổi thói quen cho người tiêu dùng.
2.2.2. Nhiệt phân than
Sản phẩm của nhiệt phân than gồm thành phần tar ngưng tụ, dầu, hơi nước và
khí khơng ngưng tụ, thơng qua q trình được gọi là phá hủy chưng cất, trong đó có
việc phân tách mối liên kết C-C trong cấu trúc phân tử than. Các phản ứng phân tách

mối liên kết C-C có tác dụng trong việc giảm trọng lượng phân tử hydrocacbon, điều
mà cuối cùng chuyển đổi nhiên liệu rắn thành lỏng hoặc khí. Dư lượng rắn của quá
trình nhiệt phân than được gọi là char (than xương). Vì vậy char chứa lượng
hydrocacbon dễ bay hơi ít hơn than và thành phần H thấp hơn. Tức là, tỷ lệ H/C là một
chỉ số hiệu quả của tính chất sản phẩm than. Ví dụ, hình thành các char từ than theo
hướng của tỷ lệ H/C giảm, trong khi chuyển đổi than thành chất lỏng than theo hướng
của tỷ lệ H/C ngày càng tăng. Các sản phẩm nhiệt phân đơng đặc phải được hydro hóa
hơn nữa để loại bỏ lưu huỳnh và nitơ cũng như để cải thiện chất lượng nhiên liệu
lỏng. Nitơ và lưu huỳnh khơng chỉ tạo ra các chất ơ nhiễm khơng khí (trong các hình
thức NOx và SOx) khi đốt cháy mà cịn độc và khử hoạt tính của chất xúc tác. Nhiệt
phân gồm các phản ứng phân hủy nhiệt tạo ra chủ yếu sự phân tách các mối liên kết CC và một phần các mối liên kết C-S, C-H bên trong cấu trúc phân tử của than, do đó
sản xuất các sản phẩm có trọng lượng phân tử thấp hơn như hydrocacbon lỏng.
Một số quy trình nhiệt phân có thể được thương mại hóa. Bảng 3.1 liệt kê các
q trình nhiệt phân than khác nhau và điều kiện hoạt động của tiến trình đó và sản
lượng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình và sản lượng sản phẩm bao gồm
các cấp bậc than, kích thước hạt than, loại lị phản ứng, cơ khí chế biến, hydro áp suất
riêng phần, áp suất lò phản ứng, nhiệt độ xử lý, thời gian lưu trú than… Nhìn qua bảng
21


3.1 có thể hiểu rằng sản lượng chất lỏng cao hơn thu lại với thời gian lưu trú ngắn hơn,
và như vậy rằng khối khí hydro giúp năng suất sản phẩm lỏng. Với một thời gian lưu
trú ngắn hơn, nếu được quản lý đúng cách, không cho phép thời gian phản ứng đủ để
bẻ gãy nhiệt hydrocacbon lỏng hơn nữa (để khí hóa hydrocarbon), do đó để lại
hydrocacbon lỏng nhiều hơn trong các dòng sản phẩm.
Bảng 3.1. Tổng hợp so sánh về các quá trình nhiệt phân và nhiệt phân hydro
Q trình

Loại lị phản
ứng

Nhiệt
độ phản
ứng (0C)

Áp suất
phản
ứng
(psi)

Thời
gian lưu
trú than

Sản lượng (%)
Char

Dầu

Khí

Lurgi-Ruhrgas

Máy trộn cơ khí

450-600

15

20s

45-55

15-25

30

COED

Nhiều tầng sơi

290-815

20-25

1-4h

60,7

20,1

15,1

Occidental

Dịng chảy cuốn

580

15

2s

56,7

35,0

6,6

TOSCOAL

Tàu vặn lại

425-540

15

5p

80-90

5-10

5-10

Than cốc sạch

Một tầng sôi

650-750

100-150

50p

66,3

13,9

14,6

Union Carbide

Một tầng sôi

565

1000

5-11p

38,4

29,0

16,2

Thêm hydro để hydrocarbon than cải thiện tỷ lệ H/C đủ cao để tăng tính lưu
động và để sản xuất nhiên liệu lỏng. Trong trường hợp đặc biệt của hoạt động ở nhiệt
độ thấp, chiết xuất của trọng lượng phân tử hydrocacbon lớn đang diễn ra chủ yếu là

do đặc tính dung mơi vượt trội của chất lỏng siêu tới hạn, điều đó cho thấy không phải
là phản ứng phá vỡ mối liên kết C-C của nhiệt phân than.
2.2.3. Hóa lỏng trực tiếp từ than
Hóa lỏng trực tiếp của than được xác định là hóa lỏng với hydro, để phân biệt
nó từ nhiệt phân và hóa lỏng gián tiếp. Hóa lỏng với hydro cụ thể hơn có nghĩa là q
trình hóa lỏng được thực hiện trong mơi trường hydro. Hóa lỏng trực tiếp có thể được
phân loại thành đơn hoặc hai giai đoạn. Trong q trình hai giai đoạn, than đầu tiên
được hydro hóa trong một giai đoạn pha lỏng chuyển nó thành một sản phẩm dạng
lỏng; và sau đó trong một giai đoạn hydro hóa hơi pha thứ hai, các sản phẩm lỏng
được xúc tác chuyển đổi để làm sạch, nhiên liệu chưng cất nhẹ. Hóa lỏng trực tiếp có
một lịch sử tương đối dài, và các quá trình khác nhau đã được ứng dụng thành công
trên quy mô lớn. Hoạt động quy mơ lớn hóa lỏng than đã đóng góp rất nhiều cho sự
tiến bộ của q trình cơng nghiệp hóa học trong tất cả các khía cạnh về máy móc thiết
bị, thiết kế và kiến thức. Các quá trình gần đây đã sẵn sàng cho thương mại đầy đủ bao
gồm H-Coal, SRC-I, SRC-II, EDS…
 Quá trình H-Coal:
Quá trình H-Coal là một q trình hóa lỏng than xúc tác trực tiếp được phát
triển vào năm 1963 bởi nghiên cứu hydrocarbon (HRI), hiện nay là công nghệ
hydrocarbon (HTI). Than nghiền thành bột, chất lỏng rác, hydro và chất xúc tác trộn
với nhau trong các lị phản ứng có tầng hóa lỏng để chuyển đổi than thành chất lỏng
22


hydrocacbon và các sản phẩm khí. Than bùn với dầu tái chế được bơm với áp suất lên
đến 200bar và đưa vào đáy lị phản ứng có tầng hóa lỏng. Sự phát triển các q trình
H-Coal đã đóng góp rất đáng kể vào lĩnh vực kỹ thuật phản ứng hóa học trong các
vùng phản ứng nhiều giai đoạn cũng như thiết kế của lị phản ứng hóa lỏng và lị phản
ứng chất lỏng bị cuốn theo. Các lò phản ứng có tầng hóa lỏng là tương tự như một chất
lỏng bị cuốn theo lị phản ứng, nhưng bong bóng khí lớn hơn nhiều giúp hóa lỏng các
hạt rắn trong một lị phản ứng tầng sơi khí-lỏng-rắn. Do đó, các hạt than tương đối lớn

có thể được sử dụng trong các lị phản ứng có tầng hóa lỏng.
Các điều kiện nhiệt độ q trình 345-370°C, có thể được thay đổi một cách
thích hợp để sản xuất sản phẩm ngói đá đen khác nhau. Nhiệt độ phản ứng cao hơn
445-455°C cũng đã được chứng minh thành cơng cho q trình.
 Q trình tinh chế dung mơi than (SRC-I):
SRC-I là một q trình hóa lỏng nhiệt trong đó dung mơi, than đá và hydro
được phản ứng trong một lò phản ứng (tan rã) để sản xuất một lớp không thể chưng cất
mà trên đó có thể được sử dụng như một nhiên liệu lị hơi sạch. Các điều kiện phản
ứng là hơi ít khắc nghiệt hơn so với quá trình H-Coal. Sự vắng mặt của một chất xúc
tác làm giảm tỷ lệ hydro hóa và có tỷ lệ H/C về giống như than. Quá trình này cũng là
lý tưởng cho than bitum, đặc biệt là những loại có chứa nồng độ cao của pirit (FeS 2).
Các pirit được coi là chất xúc tác hóa lỏng.
 Q trình tinh chế dung mơi than (SRC-II):
Q trình SRC-II là một quá trình nhiệt, và sử dụng các chất khoáng trong than như
chỉ là xúc tác. Nồng độ chất khống trong lị phản ứng được giữ cao bằng cách tái chế
bùn dầu nặng. Việc tái chế sử dụng các chất khoáng và các điều kiện phản ứng khắc
nghiệt hơn phân biệt các hoạt động SRC-II từ quá trình SRC-I và cũng đã giải thích
cho các sản phẩm nhẹ hơn. Quá trình SRC-II được giới hạn trong than có chứa chất
khống xúc tác và do đó, loại trừ tất cả cấp độ than thấp hơn, một số than bitum. Than
nghiền thành bột có kích thước hạt nhỏ hơn trong khoảng 0,125, và tỷ lệ dung
môi/than là 2,0 được sử dụng cho SRC-II, trong khi tỷ lệ dung môi/than là 1,5 cho
SRC-I. Chất lượng sản phẩm dạng lỏng là kém hơn so với quá trình H-Coal.
 Quá trình dung mơi Exxon (EDS):
Q trình EDS sử dụng một bước chế biến hydro khơng xúc tác cho hóa lỏng
than để sản xuất hydrocacbon lỏng. Tính năng nổi bật của nó là sự hydro hóa của dung
mơi tái chế, được sử dụng như là một nguồn cung cấp hydro cho than bùn trong một lị
phản ứng áp suất cao, q trình này cũng được coi như là một quá trình giai đoạn đơn.
Phản ứng hóa lỏng được thực hiện khơng xúc tác. Các dung môi tái chế được xúc tác
hydro trong một lị phản ứng tầng cố định. dung mơi này có trách nhiệm chuyển hydro
để than bùn trong lò phản ứng hóa lỏng áp suất cao. Điều kiện phản ứng tương tự như

của SRC-I và H-Coal.
2.2.4. Hóa lỏng gián tiếp từ than
Hóa lỏng gián tiếp than liên quan đến việc sản xuất các hỗn hợp khí tổng hợp từ
than như một giai đoạn đầu tiên và sản xuất xúc tác tiếp theo của nhiên liệu
hydrocarbon và hóa hợp với dưỡng khí từ khí tổng hợp như một giai đoạn thứ hai. Hóa
lỏng gián tiếp có thể được phân loại thành hai khu vực chính:
23