BÁO CÁO TIỂU LUẬN NGUYÊN LÝ LÒ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI LÒ SINH KHÍ (THAN ĐÁ)

DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1CHƯƠNG 2 Hình 2.1 Các công nghệ lò khí hóa than Hình 2.2 Lò khí hóa tầng sôi kiểu mới và kiểu cũ Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của lò khí hóa tầng cố định thuận H

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

GVHD: ThS Nguyễn Đăng Khoa

Sinh viên thực hiện: Đồng Nguyên Nhất

Mssv: 1813354

Thành phố Hồ Chí Minh 11/09/2021

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH ii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 3

1 Nguồn gốc - lịch sử ra đời 3

2 Cơ sở lý thuyết 3

CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN 6

2.1 Khí hóa than tầng cố định 7

2.2 Khí hóa tầng sôi 14

2.2.1 Đặc điểm và nhược điểm cuả lò khí hóa tầng sôi 16

2.2.2 Phân loại khí hóa than tầng sôi 17

CHƯƠNG III: LÒ KHÍ HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP 26

3.1 Cấu tạo lò khí hóa than 26

3.2 Cấu tạo của nhà máy sản xuất khí hóa than 37

3.3 Nguyên tắc vận hành 46

CHƯƠNG IV: PHẠM VI SỬ DỤNG VÀ ƯU ĐIỂM CỦA LÒ KHÍ HÓA .54 4.1 Phạm vi sử dụng 54

4.2 Ưu điểm của lò 54

4.3 Các dây chuyền khí hóa than đang sử dụng tại Việt Nam 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2

Hình 2.1 Các công nghệ lò khí hóa than

Hình 2.2 Lò khí hóa tầng sôi kiểu mới và kiểu cũ

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của lò khí hóa tầng cố định (thuận)

Hình 2.4 Nguyên Lý làm việc của lò khí hóa tầng cố định

Hình 2.5 Phân loại lò hơi theo tốc độ gió

Hình 2.6 Các bộ phần của tách hạt

Hình 2.7 Các bộ phận chính của lò sinh khí tầng sôi tuần hoàn

Hình 2.8 Biểu diễn dòng chuyển động chất rắn trong lò

Hình 2.9 Biểu diễn trường nhiệt độ trong lò

Hình 2.10 Các bộ phận cuả lò khí hóa dạng tuần hoàn

CHƯƠNG 3

Hình 3.1 Cấu tạo lò khí hóa than tầng cố định

Hình 3.2 Lò khí than có bởi cởi than

Hình 3.3 Lò khí hóa tháp cao

Hình 3.4 Ghi lò

Hình 3.5: Cấu tạo lò sinh khí

Hình 3.6 Sơ đồ cấu tạo lò khí hoá than đá

Hình 3.7: Sơ đồ dây truyền sản xuất khí gas

LỜI NÓI ĐẦU

Khí hóa nhiên liệu rắn là giải pháp toàn diện và hiệu quả để chuyển hóa than đáhoặc các vật liệu có chứa cacbon (các loại nhiên liệu rắn, kể cả sinh khối, rác thải sinhhoạt và phế thải công nghiệp, phế thải nông nghiệp,…) thành các nguyên/ nhiên liệu,hoá chất quan trọng như CO, H2, N2,… phục vụ cho quá trình tổng hợp hóa học vàđặc biệt là tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế hiệu quả cho các loại nhiên liệu đắt đỏ nhưdầu, khí hiện nay Ngoài ra, việc nắm vững kiến thức và công nghệ hóa khí than còngóp phần vào việc khai thác hiệu quả mỏ than nâu khổng lồ ở đồng bằng Bắc Bộ màhiện nay với các công nghệ khai thác truyền thống (mỏ mở hoặc hầm lò) không khaithác được

Nếu việc khai thác mỏ than này thành công thì Việt Nam sẽ không phải nhậpkhẩu than trong những năm sắp tới So với các loại nhiên liệu như khí và dầu thì than

đá có giá thấp và ổn định hơn nhiều lần Vì vậy việc tìm ra các giải pháp thay thế cácloại nhiên liệu đắt tiền và luôn biến động giá như dầu và khí là một trong những quantâm hàng đầu của các doanh nghiệp, nhằm không những giảm chi phí sản xuất, giảmgiá thành, chủ động trong việc định giá, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm mà còntận dụng được các nguồn tài nguyên sẵn có trong nước, đặc biệt là than đá Một ưuđiểm lớn khác của khí hóa là hiệu suất sử dụng nhiên liệu được nâng cao, đồng thờigiảm thiểu sự ô nhiễm môi trường so với phương pháp đốt trực tiếp nhiên liệu Hơnnữa, nếu sử dụng khí hóa trong các nhà máy nhiệt điện còn giúp nâng cao hiệu suấtcủa nhà máy lên rất nhiều do có thể áp dụng chu trình hỗn hợp và giảm ô nhiễm môitrường Công nghệ khí hoá than đã phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước Ở cácnước Mỹ, Đức, Anh, Liên Xô (cũ) v.v… đã xây dựng chương trình công nghệ chế biếnthan quy mô cấp nhà nước Đến năm 1980, đã có hàng chục loại thiết bị và xưởng pilotchế biến than theo công nghệ hoá khí, hoá lỏng và nhiệt phân đã lần lượt ra đời nhưCông nghệ Texaco, Shell v.v Ở Việt Nam hiện nay, nhiều đơn vị sản xuất lớn như:gạch ốp lát, gốm sứ, chế tạo kết cấu thép, … hầu hết sử dụng nhiên liệu từ khí hoálỏng(LPG), một loại nhiên liệu ngày càng đắt đỏ và dao động theo giá thị trường quốc

tế, đã làm cho chi phí mỗi đơn vị sản phẩm tăng lên, dẫn đến giá thành sản phẩm cao

và một hệ quả tất yếu là tính cạnh tranh của sản phẩm giảm Vì vậy, để có thể đứng

vững trên thị trường trong nước và quốc tế, các doanh nghiệp đã tìm mọi cách để giảmchi phí sản phẩm và giảm chi phí nhiên liệu là yếu tố được quan tâm hàng đầu Sảnphẩm của công nghệ khí hóa than có thể giải được bài toán đó cho các doanh nghiệp.Tuy nhiên, hầu hết các doanh nghiệp trong nước đều sử dụng công nghệ khí hoá thancủa nước ngoài, trong đó hầu hết là sử dụng công nghệ khí hoá than của Trung Quốc.

Ở Việt Nam chúng ta, việc nghiên cứu công nghệ khí hoá than mới chỉ có một số đềtài, do vậy việc tổ chức nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thiết kế a 6 mẫu lò khí hoá than

đá kiểu ngược chiều phục vụ thí thí nghiệm”, là cấp thiết, đây là bước đầu tiên để cóthể nắm vững kiến thức về hóa khí, là một công việc có ý nghĩa rất lớn về tiết kiệmnăng lượng và bảo vệ môi trường, có thể ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, để dần thaythế các thiết bị nhập từ nước ngoài

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

1 Nguồn gốc - lịch sử ra đời

Năm 1972, cuộc "khủng hoảng năng lượng thế giới bùng nổ", giá dầu mỏ đột nhiên tăng vọt từ 5-7 USD/thùng lên 24USD/ thùng Cuộc khủng hoảng lần này đã mang đến cho thế giới một bài học hết sức quan trọng về tài nguyên năng lượng, đó là

sự hạn chế về trữ lượng và sự phân bố không đồng đều của nguyên liệu cacbua hydro

và khả năng cạn kiệt của chúng.

Trong thời kỳ 1970-1980, các nhà khoa học đã dự đoán là than sẽ trở lại thời kỳ thứ hai của "thế kỷ vàng" và khả năng cạn kiệt của dầu mỏ không còn xa nữa Chính những dự đoán đó đã dấy lên những công trình nghiên cứu quá trình công nghệ mới về chế biên than Những công trình nghiên cứu đầu tiên đã thu được sản phẩm nhiên liệu lỏng từ than bằng các phương pháp trực tiếp và gián tiếp ở các nước Mỹ, Đức, Anh,

Nhật Bản, Liên Xô cũ v.v…

Công nghệ hoá khí than của thế giới đã phát triển một cách nhanh chóng, trong

đó xu hướng chung là đi theo phương pháp hoá khí than chu kỳ trong là phương pháp

đảm bảo tính an toàn cho sinh thái, do khí than đã được làm sạch sơ bộ, lượng các chất

khí có hại như SO2, NO và các hạt bụi rắn đã giảm bớt

Từ năm 1970 đến nay, các nước trên thế giới đã sản xuất được 3 loại lò sinh khí

để hoá khí than có công suất tính theo than là 100 tấn/giờ ở qui mô công nghiệp, đó là:

Lò sinh khí hoá khí than theo lớp Tổng số lò sản xuất được cho đến nay là 930 lò,trong đó có hơn 160 lò sinh khí kiểu "Lurgi" Lò sinh khí tầng sôi kiểu Vinklera Tổng

số lò đã được sản xuất là 40 lò Lò sinh khí than cám kiểu Kopperxa-Totxeka Tổng số

lò đã được đưa vào sử dụng là 50 lò

2 Cơ sở lý thuyết

Lò sinh khí than là thiết bị sử dụng than, không khí và hơi nước nóng để chuyển

hóa thành khí than bằng các phản ứng cưỡng bức, ém khí Ưu điểm của việc sử dụng khí than để cung cấp nhiệt cho sản xuất rẻ vì không phải đầu tư lớn, điều khiển tiện lợi, tính tự động hóa cao, nguồn than sẵn có trong nước, thực tế đã chứng minh chi phí nhiên liệu rẻ hơn 20-50% so với dùng dầu FO, 30-50% so với dùng dầu DO, 40-65%

so với dùng Gas Khí than được dùng vào rất nhiều lĩnh vực công nghiệp mà hiệu suất

nhiệt cao, gia nhiệt đều, giảm ô nhiễm môi trường

Khí hóa than là quá trình biến đổi nhiên liệu rắn ở nhiệt độ cao thành nhiên liệukhí bằng cách cung cấp một lượng hạn chế ôxy nguyên chất hoặc ôxy trong không khí

và thường kết hợp với hơi nước Sản phẩm của quá trình khí hóa bao gồm các chất khí

CO, CO2, CH4, H2 và một số các chất khí không ngưng khác

Các phản ứng cơ bản cần được thực hiện trong quá trình khí hóa bao gồm: Phảnứng hoá học dị thể xảy ra trong vùng cháy:

C + O2 = CO2 + 393,80 MJ/Kmol (25oC, 1at)

Không khí đưa vào có chứa hơi nước phản ứng với cácbon ở nhiệt độ cao:

C + H2O = H2 + CO - 118,50 MJ/kmol (25oC, 1at)

Trong vùng suy giảm, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phảnứng Boudouard:

CO2 + C = 2CO - 159,90 MJ/Kmol (25oC, 1at)

Trong vùng suy giảm còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau:

CO + H2O = CO2 + H2 + 41,20 MJ/Kmol

Khí metan cũng được tạo ra trong quá trình khí hóa:

C + 2H2 = CH4 + 87,50 MJ/Kmol (25oC, 1at)

Nguyên lý hoạt động của lò khí hóa than

Quá trình khí hóa được tiến hành trong thiết bị đặc biệt được gọi là lò sinh khí

Đó là một lò đứng, phía trên có bộ phận nạp than vào lò, phía dưới có loại tro, xỉ Tácnhân khí hóa là không khí và hơi nước vào qua mũ gió ở phía dưới, nhiên liệu khí tạothành sẽ theo đường ống phía trên để ra ngoài Cụ thể, chất khí hóa (hơi nước vàkhông khí) sẽ tiếp xúc và phản ứng với than sau đó chuyển nhiên liệu từ dạng rắn(than) sang dạng khí Sản phẩm thu được gọi là khí than trong lò, than được đưa từ

trên xuống dưới, tác nhân khí hóa là hơi nước và không khí được đưa vào tủy theo loại

lò Giữa chúng sinh ra các phản ứng hóa học và quá trình trao đổi nhiệt lượng Theochiều chuyển động của tác nhân khí hóa, trong lò hình thành 6 tầng sinh khí: tầng tro

xỉ, tầng oxy hóa (tầng lửa), tầng hoàn nguyên chính và phụ, tầng chưng cất khô, tầngkhông (tầng trống rỗng)

Khí than thu được sau các tầng sinh khí theo đường ống đưa đến các mỏ đốt đểđốt cấp nhiệt cho lò nung Ta có thể điều chỉnh hiệu suất cháy và lượng nhiệt dễ dàngvới dung sai đạt không quá ±5,00C Khi cháy tỏa nhiệt sạch nên khí than trở thành mộtloại nhiên liệu quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệphiện nay

CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN

Có khoảng năm phân loại chính của hệ thống khí hóa: nâng cấp theo tầng cốđịnh, hạ tầng cố định, ghép chéo tầng cố định, tầng sôi sủi bọt và thiết bị khí hóa tầngsôi tuần hoàn, có thể được nhìn thấy trong hình bên dưới

Điều phân biệt các loại này khác nhau là cách thức và vị trí sinh khối nằm trongbình phản ứng, hướng của cả luồng không khí và nguyên liệu

Hình 2.2 Các công nghệ lò khí hóa than

2.1 Khí hóa than tầng cố định

Người ta phân biệt lò khí hóa theo khí than, phương pháp đưa tác nhân khí hóavào lò, chiều hướng chuyển động của khí, phương pháp tháo xỉ, đảo trộn nhiên liệucấu trúc của lò

Tùy theo tác nhân khí hóa ta có lò khí than khô, khí than ướt, lò khí than hỗnhợp Căn cứ theo phương pháp đưa tác nhân khí hóa ta có lò khí hóa hút tự nhiên haycưỡng bức Chúng ta cũng có lò mà khí và nhiên liệu chuyển động cùng chiều hayngược chiều và vuông góc Theo phương pháp tháo xỉ ta có lò sinh khí xỉ rắn hay lỏng,tuy nhiên loại lò sinh khí lỏng khá hiếm khi dùng Theo cấu trúc của lò có lò sinh khí

và tháp đứng cao

Người ta cũng phân biệt lò sinh khí cơ khí và bán cơ khí Sự phân biệt này dựatrên cơ sở nguyên tắc vận hành các thiết bị thải xỉ, nạp than, khuấy đảo nhiên liệu Phân loại theo thời kì:

Lò sinh khí kiểu mớ Lò sinh khí kiểu cũ

Hình 2.2 Lò khí hóa tầng sôi kiểu mới và kiểu cũ

So sánh hai kiểu lò

 Chiều cao thân lò

Thân lò của sinh khí kiểu củ thấp, để thuận lợi cho việc chọc chòog ( xử lí xỉ kếtdính trong lò ), nhưng lại giảm nhiệt trị khí than và sản lượng Đồng thời than trongthân lò thời gian ngắn, đốt không đầy đủ, làm cho xỉ có hàm lượng cacbon cao

Thân lò sinh khí kiểu mới cao hơn lò kiểu củ 1m trở lên.

 Cấu tạo

Lò khí hóa than kiểu cũ là sản xuất mấy năm trước đây của TQ, loại lò này thiết

kế thích ứng với than cục chất lượng tốt, tức hàm lượng than từ 72% trở lên, tính ổnđịnh nhiệt từ 65% trở lên, cường độ cơ khí cao hơn 70%, Nhiệt độ chảy cao hơn

1350 , đồng thời kích cỡ phải đạt 25℃ －38mm Khi chất lượng than không đạt đượcyêu cẩu như trên, đặc biết là Nhiệt độ chảy thấp, lò sẽ dễ bị kẹt Lúc đó sẽ chọc choòng

để giảm xỉ than trong lò Nên lò cũ đều thiết kế có lỗ chọc choòng, nhưng cũng là chỗ

bị rò khí, sau một thời gian sử dụng dài, tính bịt kín giảm xuống, dễ dò khí than, vừalãng phí, lại làm hàm lượng CO trong không khí tăng lên, công nhân ở lâu sẽ có nguyhiểm bị ngộ độc Lò sinh khí kiểu do khôg cần chọc chòong mà thiết kế nắp kín đã giảiquyết vất đề dò rỉ khí than

Máy nạp than cũ là kết cấu như nắp chuông, sau một thời gian sử dụng dài, hiệuqủa bịt kín không tốt, dẫn đến khí than đến phễu than, lãng phí khí than Máy nạp than

đã thay đổi kết cấu để giải quyết vấn đề trên

a, Quá trình khí hóa thuận

Theo phương pháp này thì than được nạp vào từ trên đỉnh lò xuống phía dưới,gió (không khí, hơi nước ) đi vào lò từ đáy lò còn sản phẩm khí đi ra ở cửa lò phíatrên Như vậy gió và than đi ngược chiều nhau Quá trình có một số đặc điểm sau (hình6)

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của lò khí hóa tầng cố định (thuận)

a) Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng nọ kế tiếp vùng kia.Dưới cùng là vùng xỉ (VI), tiếp đó là vùng cháy (V), vùng khử (vùng tạo ra sản phẩmkhí hóa) (IV), vùng bán cốc (III), vùng sấy than (II) và trên đó là tầng không đỉnh lò.b) Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy nên nếu đi từ dưới lên thì vùngcháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do có các phảnứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy có nhiệt

độ càng thấp hơn nữa do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước

Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng như sau:

to vùng cháy > to vùng khử > to vùng bán cốc > to vùng sấy

Như vậy nhiệt lượng vùng cháy đã phân phối cho các vùng khác để thực hiện quátrình khí hóa

Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp chủ yếu bằng conđường đối lưu, còn bằng các con đường khác (như bức xạ và dẫn nhiệt) thì ít quantrọng hơn.

c) Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt than giảm dần vì than

đã tham gia vào các phản ứng phân huỷ nhiệt (bán cốc), phản ứng khử, phản ứng cháy.Hàm lượng cacbon còn lại trong xỉ còn lại tương đối ít Tại vùng xỉ, hàm lượng tácnhân O2 và H2O lại cao do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với than.Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò, ta thấy:

Bắt đầu gió đi từ ghi lò (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo vùng cháy,vùng khử và cuối cùng là đến tầng không đỉnh lò

+ Vùng xỉ: Vùng này chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò, nhiệt độ ởđây tương đối thấp, tuy nhiên oxy cũng có phản ứng với phần than còn lại trong xỉ cònnóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút ít Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt

để đi tiếp vào vùng cháy

+ Vùng cháy: Trong vùng cháy xảy ra phản ứng C + O2 → CO + CO2; CO vừatạo ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió để tạo ra CO2 (2CO + O2  2CO2).Trong vùng này nhiệt toả ra mạnh, lượng nhiệt này dùng để cung cấp cho các phảnứng trong vùng khử và các vùng khác

+ Vùng khử: Trong vùng này CO2 và hơi nước đi từ vùng cháy vào có thể gây racác phản ứng sau:

+ Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp hơn vùngkhử do nhiệt phải cấp cho các phản ứng khử Nhiệt của khí (nhiệt độ khoảng

500 - 700oC) được cung cấp cho than ở vùng bán cốc Nếu than dùng cho khí hóa làthan biến tính thấp (như than nâu, than bùn ) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩmphân huỷ của than chứa nhiều hydrocacbon và khí CO2 Kết quả là khí sản phẩmkhông chỉ chứa CO, H2, CO2 mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác và sản phẩm khínày chỉ thuận lợi khi dùng làm nhiên liệu chứ không thuận lợi cho các quá trình tổnghợp hóa học.

Nếu than dùng cho quá trình khí hóa là than antraxit thì sẽ cho sản phẩm khí CO,

H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học

b, Quá trình khí hóa nghịch

Hình 2.4 Nguyên Lý làm việc của lò khí hóa tầng cố định

Quá trình khí hóa nghịch được tiến hành trong các lò khí hóa, ở đó than đổ từtrên đỉnh lò xuống dưới, gió cũng đi từ phía trên của lò và đi cùng chiều với thanxuống phía dưới Sản phẩm khí của quá trình khí hóa thoát ra ở phía đáy lò (hình 2.8)

Do khí hóa thực hiện trong các điều kiện như vậy nên chúng có các đặc điểm sau:a) Phân bố lại các khu vực trong lò ngược với quá trình khí hóa thuận (như phần trên

đã trình bày):

Theo đường gió vào, từ trên xuống dưới bao gồm các vùng sau:

Vùng sấy khô  Vùng bán cốc  Vùng cháy  Vùng khử  Vùng tro và xỉ.Than bị nhiệt phân, sau đó cháy ngay và đi tiếp vào vùng khử Sản phẩm của quátrình nhiệt phân ở vùng bán cốc không thoát ra ngoài mà tiếp tục đi qua vùng cháy,vùng khử và vùng tro xỉ rồi mới thoát ra ngoài cùng với khí than

b) Hình thức trao đổi nhiệt trong lò khí hóa nghịch

Trong lò khí hóa nghịch, vùng có nhiệt độ cao nhất là vùng cháy, nó có xu hướngtrao đổi nhiệt với các khu vực xung quanh Nhiệt truyền cho vùng khử chủ yếu do quátrình đối lưu, còn nhiệt truyền lên phía trên (vùng cốc hóa) chủ yếu là do bức xạ vàdẫn nhiệt

c) Ảnh hưởng của quá trình bán cốc (nhiệt phân than) đối với quá trình khí hóa nghịchTrong lò khí hóa nghịch, sản phẩm của quá trình nhiệt phân (bán cốc) thoát raphải đi qua khu vực cháy, ở đó có dư oxy và nhiệt độ cao nên đại bộ phận khí và chấtlỏng nhiệt phân bị cháy và bị phân hủy tiếp, nên sản phẩm của quá trình khí hóanghịch chủ yếu chỉ có CO, H2, H2O, và một lượng nhỏ các loại nhựa, hydrocacbon Hàm lượng nhựa trong quá trình khí hóa nghịch là thấp, không quá 0,3 - 0,5 g/m3,trong khi khí sản xuất theo quá trình khí hóa thuận có hàm lượng nhựa cao, đến 30 - 40g/m3 Sản phẩm khí từ quá trình khí hóa nghịch có chất lượng tốt hơn từ quá trình khíhóa thuận nên khí đó có thể dùng để chạy các động cơ đốt trong hoặc chế biến hóahọc

phương pháp này là nếu vận tốc gió đưa từ dưới lên quá lớn chúng sẽ có khả năng thừaoxy, thoát lên trên gây cháy các sản phẩm CO, H2 Nếu vận tốc quá bé, lượng than cònlại trong xỉ tăng lên

Do vậy phương pháp khí hóa liên hợp có ưu điểm nhưng được dùng rất hạn chế,chỉ được dùng để sản xuất khí chạy động cơ từ những loại than độ tro cao và than bùn

2.2 Khí hóa tầng sôi

Đặt vấn đề

Trong khai thác than ở các mỏ, khối lượng than cám và than bụi khá nhiều, cóthể tới 50% tổng số lượng than khai thác Vì vậy việc áp dụng các công nghệ thích hợp

để sử dụng các loại than có kích thước hạt nhỏ là rất cần thiết

Than cám và than bụi có kích thước hạt khá nhỏ 0 - 10mm và 0 - 2mm, nếu xếpcác loại than này vào lò khí hóa thì trở lực của lớp than sẽ khá lớn Vì vậy nếu khí hóa

ở dạng chặt tầng cố định thì phải dùng tốc độ gió lớn mới khắc phục được trở lực đó

để đảm bảo cho lò có năng suất nhất định Nhưng nếu tăng tốc độ gió sẽ không tránhkhỏi có một số hạt than "sôi" lên, một số hạt có kích thước nhỏ hơn lại bay lơ lửngtrong khí hoặc bay ra ngoài lò phản ứng Như vậy chế độ khí hóa kiểu tầng cố địnhkhông còn giữ nguyên chế độ hoạt động Do vậy đối với các loại than cám, than bụiphải áp dụng phương pháp khí hóa khác, đó là phương pháp khí hóa than theo phươngpháp tầng sôi và dạng dòng cuốn

Khí hóa tầng sôi là gì?

Nồi hơi tầng sôi là dòng lò hơi công nghiệp mà ở đó nhiên liệu được đốt cháytrong một lớp hoặc trong một thể sôi với những hạt rắn nóng không cháy Việc sửdụng lò hơi tầng sôi sẽ giúp tránh được những vấn đề mà loại lò đốt nhiên liệu hóathạch hay gặp phải Một đặc điểm nữa là lò hơi tầng sôi lại có khả năng đốt được cảnhững nhiên liệu kém chất lượng, khả năng đốt cháy hoàn toàn cao hơn, hiệu quả kinh

tế cao do đó loại lò (nồi) hơi tầng sôi này hiện được rất nhiều doanh nghiệp quan tâm

và lắp đặt

Tại sao gọi là ‘tầng sôi’?

Do có khái niệm như vậy bởi quá trình đốt nhiên liệu được trộn lẫn với các rắnkhông cháy bao gồm: cát, tro, … Chúng sẽ thổi lên ở trạng thái lơ lửng trong buồngđốt nhờ vào áp lực của dòng không khí Ở trạng thái này lớp nhiên liệu trong buồngđốt sẽ ở trạng thái lơ lửng, nhờ vào đó sự tiếp xúc giữa không khí và nhiên liệu cũngđược tăng lên rất nhiều Các vật liệu cháy và không cháy được chuyển động tự do vàsôi giống như chất lỏng Các hạt rắn ở trạng thái này và được gọi là tầng sôi hay lớpsôi.

Xét vận tốc gió trong khí hóa tầng sôi

Xét vận tốc gió trong lò phản ứng: nếu tốc độ gió còn nhỏ thì than vẫn ở dạng lènchặt, nhưng nếu tăng dần vận tốc lên thì than đang ở trạng thái lèn chặt dần biến thànhtrạng thái ‘sôi’ (hiện tượng sôi của hạt rắn trong dòng khí)

Tốc độ gió (Wgió) lúc bấy giờ gọi là tốc độ sôi (Wsôi)

Vì vậy khi Wgió = Wsôi thì phương pháp khí hóa gọi là khí hóa tầngsôi

Tiếp tục tăng vận tốc gió tới giới hạn nhất định sẽ đạt được trạng thái cân bằnggiữa lực đẩy của gió và trọng lượng của than Tốc độ gió lúc đó được gọi là tốc độ tớihạn, xác định theo công thức:

Wtới hạn =

4g.gT.d

Trong đó:

 gT : Trọng lượng riêng của than

 gkhí: Trọng lượng riêng của khí

 d: Kích thước hạt than

 C: Hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hạt than và phụ thuộc vàoRe

Nếu Wgió > Wtới hạn  than sẽ bay ra ngoài lò theo khí Vì vậy  Wgiókhông cho phép vượt quá Wtớihạn Như vậy than có kích thước d lớnthì Wtới hạn cũng càng lớn

2.2.1 Đặc điểm và nhược điểm cuả lò khí hóa tầng sôi

a Đặc điểm

- Than liên tục chuyển vào lò khí hóa.

- Than được đảo trộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao, điều đó làmcho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao lò

- Cấu tạo lò đơn giản, vốn đầu tư thấp

- Có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà không cần dùngcác thiết bị xử lý đắt tiền

- Nhiên liệu sử dụng đa dạng: than cám, biomss, rác thải nghành giấy…

- Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò Các hạt nhỏ ở phía trên và

dễ dàng bay ra ngoài theo gió Để làm giảm lượng bụi than bay theo gió ra ngoài người

ta đưa than gió bậc 2 ở khoảng giữa để tăng cường quá trình khí hóa Nhưng gió bậcmột thổi lên vẫn là chủ yếu

- Khi khí hóa tầng sôi, nhiên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới áy lò, nhđ ư

v y than ậ đượ ếc ti p xúc ngay v i vùng có nhi t cao Quá trình s y, bán c c cùng x yớ ệ độ ấ ố ẩ

ra trong vùng này L ng ch t b c sinh ra g p Oượ ấ ố ặ 2 trong gió s cháy thành COẽ 2 và H2O,

m t ph n nh khác b nhi t phân Vì v y khí s n ph m sinh ra kh i lò không có s nộ ầ ỏ ị ệ ậ ả ẩ ỏ ả

ph m l ng, không có các h t hydrocacbon nên khí s ch Dùng cho t ng h p hóa h cẩ ỏ ạ ạ ổ ợ ọ

r t có l i.ấ ợ

- Vì khí hóa t ng sôi nên các h t than luôn chuy n ng và trong lò không cóầ ạ ể độranh gi i rõ r t gi a các vùng ph n ng (nh vùng cháy, vùng kh , vùng nhi t phân…ớ ệ ữ ả ứ ư ử ệtrong khí hóa t ng c nh) và nhi t c a lò gi m xu ng Vì nhi t này nên nhi tầ ố đị ệ độ ủ ả ố ệ độ ệ

c a lò trongh ph ng pháp khí hóa t ng sôi ch t t 900 – 1000

b Nhược điểm

- để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế

c ng không th nâng nhi t ph n ng cao quá 1150 ũ ể ệ độ ả ứ ℃ nhi t có th làm ch y x ệ độ ể ẩ ỉ

Do nhi t lò không nâng cao ệ độ được nên các lo i than già, han antraxit có t c ph nạ ố độ ả

ng c a C v i các tác nhân khí không l n thì không thích h p cho quá trình khí hóa

2.2.2 Phân loại khí hóa than tầng sôi

Thông thường người ta có thể phân ra 2 loại lò hơi tầng sôi như: lò hơi tầng sôituần hoàn và lò hơi tầng sôi dạng cuốn

a Lò hơi tầng sôi dạng tuần hoàn

cấu tạo của lò hơi tầng sôi tuần hoàn gồm ba phần là: Buồng đốt, cyclon và phầnđuôi của lò

- Bộ phận nạp liệu: Nhiên liệu cấp vào lò hơi tầng sôi yêu cầu phải có kích thước

đồng đều và độ lớn theo quy định nhằm đạt điều kiện cháy tối ưu Đối với than giớihạn kích thước là 0-10 mm Đối với biomass nói chung thì từ 0-50mm Nhiên liệu cóthể vận chuyển bằng băng tải, vít, gàu tải… tới các silo chứa để dự trữ hoặc nạp trựctiếp vào lò hơi Hệ thống cấp liệu có thể thêm các thiết bị cảm biến đo khối lượng lắptrên các phễu chứa nhiên liệu hay lắp trên băng tải nhiên liệu để đo lường lượng nhiênliệu cấp vào lò, phục vụ việc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất lò hơi

Đối với lò tầng sôi, nhiên liệu cấp vào lò có thể được phun lên bề mặt lớp sôihoặc cấp từ bên dưới lớp sôi Kiểu cấp liệu phía dưới lớp sôi chỉ áp dụng đối với than

đá đã qua nghiền sơ bộ với kích thước nhỏ

Một số lò hơi đốt các nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ cần cấp thêm đávôi để xử lý nhằm giảm phát thải khí SOx Các chất hấp phụ này sẽ được nghiềnxuống cỡ hạt khoảng 0-6mm rồi phun vào buồng đốt.

- Buồng đốt tầng sôi:

Buồng đốt là cấu tạo chính của lò hơi

Một tập hợp các hạt rắn sẽ trở thành tầng sôi khi có một lượng áp suất cao đượcđưa vào từ mặt dưới của lớp hạt rắn làm cho hạt rắn ứng xử như chất lỏng: các vật thể

có khối lượng riêng lớn hơn lớp hạt rắn sẽ chìm xuống còn các vật thể có khối lượngriêng nhỏ hơn sẽ nổi (theo định luật Archimedes)

Độ sôi của lớp hạt rắn sẽ phụ thuộc rất lớn vào kích thước hạt và vận tốc sôi Vậntốc sôi của lớp hạt rắn tăng chậm hơn so với tốc độ của dòng khí đi trong đó Sự chênhlệch này được gọi là vận tốc trượt Vận tốc trượt càng lớn thì khả năng hòa trộn nhiênliệu càng tốt và hiệu quả cháy sẽ càng cao

Nhiệt độ lớp sôi đối với lò BFB đốt than được duy trì khoảng 800-900℃

Đối với than nhiệt lượng cao, phương pháp để giữ nhiệt độ lớp nền trong khoảngyêu cầu là thêm chùm ống bức xạ ngâm trong lớp sôi Chùm ống này có thể là ốngsinh hơi hoặc là ống quá nhiệt Tuy nhiên vì tiếp xúc trực tiếp với các hạt rắn chuyểnđộng nên tuổi thọ của chùm ống này thường thấp, phải kiểm tra thay thế thường xuyênBuồng đốt lò tầng sôi yêu cầu phải có vật liệu chịu lửa bao quanh (gạch hoặc bêtông)

Chiều cao lớp vật liệu nền thường từ 120 – 400mm, kích thước phổ biến của hạtrắn là từ 0.8 – 1.2 mm và khối lượng riêng là từ 1500 – 2400kg/m3 Cát, xỉ, đá dolomit,

đá vôi đều có thể làm vật liệu nền

Hình 2.5 Phân loại lò hơi theo tốc độ gió

- Hệ thống cấp gió:

Gió cấp 1 tạo lớp sôi (primary air) được gia nhiệt khi đi qua bộ sấy không khí và

đi vào buồng phân phối gió dưới đáy lò Mặt trên buồng phân phối gió có rất nhiều bécphun nhằm phân đều lượng gió cấp ra khắp bề mặt buồng đốt giúp buồng đốt sôi đều.Các béc phun cũng ngăn các hạt rắn trong lớp sôi lọt vào buồng cấp gió Thiết kế hệthống phân phối gió để buồng đốt sôi đều là cực kì quan trọng đối với lò tầng sôi.Gió cấp 2 sẽ được cấp vào bên trên phần buồng đốt trống để cấp thêm oxy nhằmđốt cháy các chất bốc bị đẩy lên cao Tùy theo loại nhiên liệu mà gió cấp 2 có thểchiếm tỷ trọng cao hay thấp hoặc có thể bị loại bỏ

- Phần cyclon (bộ phận tách hạt):

Cyclon có nhiệm vụ tạo nên khả năng tuần hoàn của lò hơi Phần cyclon của lòtầng sôi tuần hoàn khác với các lò hơi khác ở điểm khói thải sau khi ra khỏi buồng đốtvẫn còn các hạt chưa cháy sẽ được lọc qua đây và đưa trở lại buồng đốt

Hình 2.6 Các bộ phần của tách hạt

- Phần đuôi lò:

Cuối cùng là phần đuôi lò, khí nóng sau khi qua cyclon sẽ được đưa tới đuôi lò,tại đây có hệ thống trao đổi nhiệt, hệ thống lọc bụi, đảm bảo khí thải đạt an toàn trướckhi đưa ra ngoài môi trường

Hình 2.7 Các bộ phận chính của lò sinh khí tầng sôi tuần hoàn

1-không khí đầy, 2- cấp nhiên liệu,3- vòi phun khí thứ cấp, 4- lò nung, 5- xyclon, 6- niêm phong

hạt, 7- thiết bị trao đổi nhiệt.

Hệ thống xử lý khói có thể bao gồm thiết bị lọc bụi như cyclon, ventury, lọc bụitĩnh điện…

b Nguyên lý hoạt động của công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Nhiên liệu được cấp vào buồng đốt qua hệ thống cấp liệu Lượng nhiên liệu cấpvào lò được điều chỉnh bởi tốc độ chuyển động của hệ thống cấp nhiên liệu vào lò.Tại buồng đốt của lò hơi sẽ xảy ra quá trình dao động hỗn hợp của những nhiênliệu rắn (nhiên liệu than, tro, xỉ) được phân thành từng lớp theo tỷ trọng của hạt nhiênliệu và chiều cao của buồng đốt Qúa trình dao động này được thực hiện chính nhờ vậntốc của luồng gió cấp 1 được đưa vào lò từ sàn đáy của buồng đốt Nguyên lý hoạtđộng của công nghệ lò hơi tầng sôi tuần hoàn là đốt hơi theo kiểu trọng lực, điều này

có nghĩa là không khí nóng sau khi qua bộ sấy không khí 1 cấp sẽ được cấp từ dưới lêntrên để tạo ra áp lực đủ lớn giúp duy trì các hạt than nhỏ với kích thước khoảng 5mm

có thể cháy lửng lơ trong không gian của buồng đốt

Lò hơi tầng sôi truyền nhiệt theo phương thức đối lưu và bức xạ, kích thướcnhiên liệu từ 0 - 10mm

Theo đó, buồng đốt luôn được duy trì ở nhiệt độ 850 độ, và nhiệt độ này thấp hơnnhiều so với ở lò than phun nhưng lại có hiệu quả cao hơn khi cung cấp nhiệt độ ổnđịnh, nguyên liệu cháy kiệt hơn

Điểm đặc biệt của loại lò hơi tầng sôi này chính là quá trình cháy được đốt kèmvới đá vôi giúp trung hòa khí SO2 sinh ra khi đốt than, giúp hạn chế khí độc gây ảnhhưởng xấu tới môi trường và sức khỏe của mọi người

Hình 2.8 Biểu diễn dòng chuyển động chất rắn trong lò

Biểu diễn sự phân bố chất rắn trong vòng tuần hoàn, các mũi tên chỉ ra hướng đicủa dòng chất rắn trong lò

Hình 2.9 Biểu diễn trường nhiệt độ trong lò

Hình 2.10 Các bộ phận cuả lò khí hóa dạng tuần hoàn

CHƯƠNG III: LÒ KHÍ HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP 3.1 Cấu tạo lò khí hóa than

（1） Phễu than cám; （2） Máy nạp than tự động;

（3） Cửa lò （4） Trang bị đothan; （5） Nặp lò;

（6） Trụ đỡ （7） Kẹt nước （8） Mũ gió

（9） Dao gạt （10） Phễu tro sỉ trên （11） Van trên

（12） Phễu tro sỉ dưới （13） Van dưới （14） Cửa ra khí than

（15） Lỗ （16） Hệ thống đáy lò （17） Cửa vào khí;