NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LÒ HÓA KHÍ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 87 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LỊ HĨA KHÍ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU A STUDY ON THE DESIGN, MANUFACTURE AND GASIFICATION OF A FURNACE USED FOR RESEARCH Trần Thanh Sơn Trường Đại học bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: ttson@hde.vn Tóm tắt: Bài báo trình bày kết việc nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ hóa khí than, thiết kế, chế tạo vận hành hệ thống hóa khí phục vụ nghiên cứu khoa học Trong lị hóa khí này, khơng khí nhiên liệu ngược chiều nhau, nhiên liệu sử dụng tính tốn than cám cấp liên tục qua hệ thống vít tải Hệ thống có khả điều chỉnh linh hoạt tất thông số vận hành khoảng rộng, có khả sử dụng khơng khí hỗn hợp khơng khí nước làm tác nhân khí hóa Các thơng số nhiệt độ đường cấp khí, buồng đốt đường khí xác định cặp nhiệt, thành phần khí tạo thành xác định máy phân tích khí IMR 2800P Kết vận hành ban đầu rằng, nồng độ CO khí sản phẩm phụ tỉ lệ với nhiệt độ buồng đốt đạt ~14% nhiệt độ buồng đốt 800oC Từ khóa: hóa khí; thiết kế; hóa khí than; khí than; ngược chiều Đặt vấn đề Cơng nghệ hố khí than cơng nghệ sản xuất khí đốt Oxy hố khối hữu than khơng hồn tồn Trong thời kỳ 1970-1980, nhà khoa học dự đoán than trở lại thời kỳ thứ hai "thế kỷ vàng" khả cạn kiệt dầu mỏ không cịn xa Chính dự đốn dấy lên cơng trình nghiên cứu q trình cơng nghệ chế biến than Những cơng trình nghiên cứu thu sản phẩm nhiên liệu lỏng từ than phương pháp trực tiếp gián tiếp nước Mỹ, Đức, Anh, Nhật Bản, Liên Xơ cũ[1,2] …, bắt đầu xây dựng chương trình công nghệ chế biến than qui mô nhà nước Hàng trăm hãng có tên tuổi giới tham gia trực tiếp vào lĩnh vực Tính đến năm 1980, hàng chục loại thiết bị nhà máy chế biến than theo cơng nghệ hố khí, hố lỏng nhiệt phân đời.Tổng công suất thiết bị hố khí than giới đến năm 1995 lên tới 30.000 MWh đến năm 2002 gần 50.000 MWh So với loại nhiên liệu khí dầu than đá có giá thấp ổn định nhiều lần Vì việc tìm giải pháp thay loại nhiên liệuđắt tiền biến động dầu khí quan tâm hàng đầu doanh nghiệp, nhằm khơng giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành, chủ động việc định giá, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm mà cịn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có nước, đặc biệt than đá Một ưu điểm lớn khác khí hóa hiệu suất sử dụng nhiên liệu nâng cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với phương pháp đốt trực tiếp nhiên liệu Hơn nữa, sử dụng khí hóa nhà máy nhiệt điện giúp nâng cao hiệu suất nhà máy lên nhiều áp dụng chu trình hỗn hợp khí-hơi giảm nhiễm môi trường Abstract: This article presents the results of the gasification technology selection study, design, manufacturing and operating the coal gasification for researching purposes In this gasification furnace, air and coal travel updraft and the coal used in this research is coal-dust and is continuously supplied by a screw press The gasification furnace can adjust the operating parameters in a wide range, using air or a mixture of air and steam as an oxidation gas Temperatures at gas inlet, chamber and gas outlet are measured by thermocouples; coal-gas concentration is measured by IMR 2800P gas analyzer The initial result shows that CO concentration is proportional to the chamber temperature and reaches ~14% at chamber temperature of 800oC Key words: gasification; design; coal gasification; coal-gas; updraft Ở Việt Nam 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 hố lỏng(LPG), loại nhiên liệu ngày đắt đỏ dao động theo giá thị trường quốc tế, làm cho chi phí đơn vị sản phẩm tăng lên, dẫn đến giá thành sản phẩm cao hệ tất yếu tính cạnh tranh sản phẩm giảm Vì vậy, để đứng vững thị trường nước quốc tế, doanh nghiệp tìm cách giảm chi phí sản phẩm giảm chi phí nhiên liệu yếu tố quan tâm hàng đầu Sản phẩm cơng nghệ khí hóa than giải tốn cho doanh nghiệp Ngồi ra, cơng nghệ khí hóa cơng nghệ đầy triển vọng để khai thác hiệu mỏ than nâu lớn đồng sông Hồng mà phương pháp khai thác truyền thống áp dụng được.Hiện có nhiều lị hóa khí nhập sử dụng Việt Nam lại chưa có nghiên cứu cụ thể công nghệ nhà nghiên cứu nước công bố ngoại trừ số báo nói ưu điểm khả ứng dụng cơng nghệ hóa khí[3] Vì vậy, cần thiết phải có nghiên cứu lý thuyết lẫn thực hành công nghệ thực để Việt Nam dần làm chủ cơng nghệ đại thân thiện với mơi trường Thiết kế lị hóa khí 2.1 Cơ sở lý thuyết: Dựa cơng thức nhiệt động để tính số cân phản ứng q trình khí hóa.Hầu hết công thức thực nghiệm[1,2,4] dựa sở thí nghiệm graphit Tuy sử dụng để tính tốn nồng độ khí sản phẩm, thường gồm N2, CO, CO2, H2, CH4 H2O trạng thái cân Có thể dựa vào phương trình sau để xác định thành phần cân Trần Thanh Sơn 88 2.1.1 Phương trình xác định số cân phản ứng: 𝐶𝑂2 + 𝐶 ↔ 2𝐶𝑂; 𝐾𝑃1 = 𝑝𝐶𝑂 𝑝𝐶𝑂2 (1) 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 ↔ 2𝐶𝑂2 + 𝐻2 ; 𝐾𝑃2 = 𝐶 + 2𝐻2 ↔ 𝐶𝐻4 ; 𝐾𝑝3 = 𝑝𝐶𝐻4 𝑝𝐻2 𝑝𝐶𝑂2 𝑝𝐻2 𝑝𝐶𝑂 𝑝𝐻2𝑂 (2) (3) Ba phần ứng coi phản ứng hai chiều chủ yếu trình khí hóa 2.1.2 Phương trình cân tổng áp suất hệ: 𝑝 = 𝑝𝑁2 + 𝑝𝐶𝑂2 + 𝑝𝐶𝑂 + 𝑝𝐻2 + 𝑝𝐶𝐻4 + 𝑝𝐻2𝑂 (4) Giải hệ phương trình cho phép rút thành phần cân hệ quan hệ với thành phần chất khí hóa, ngược lại Giá trị số cân ba phản ứng tra theo bảng Trong trường hợp chuyển đổi đơn vị đo lường giá trị số cân bằng, gần coi khí lý tưởng để áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng Trong q trình khí hóa, quan trọng phản ứng chính, khống chế chất lượng q trình khí hóa phản ứng hệ đồng khí - rắn Như vậy, q trình phản ứng hóa học, q trình truyền nhiệt, truyền chất ảnh hưởng đến tốc độ q trình khí hóa Ở xét số phản ứng 2.1.3 Phản ứng cháy than với Oxy Ngay từ kết nghiên cứu phản ứng Oxy than gỗ, nhà nghiên cứu[3,4,5] đưa giả thiết chế, mà chấp nhận Đó là, trước hết than hấp phụ Oxy tạo thành hợp chất trung gian (HCTG): 𝑥𝐶 + 𝑦 𝑂2 = 𝐶𝑥 𝑂𝑦 (5) Sau tùy điều kiện phản ứng, HCTG phân hủy thành sản phẩm: 𝐶𝑥 𝑂𝑦 = 𝑚𝐶𝑂2 + 𝑛𝐶𝑂 (6) Tỷ lệ m/n thay đổi theo nhiệt độ phân hủy; nhiệt độ cao tỷ lệ nhỏ Phản ứng nằm miền khống chế trình truyền chất, tốc độ trình phản ứng phụ thuộc vào hệ số khuếch tán đối lưu (phản ứng dòng chảy) nồng độ Oxy pha khí (ở nồng độ Oxy bề mặt zero phản ứng chiều) 2.2 Lị hóa khí tầng cố định ngược chiều: Hình giới thiệu ngun lý làm việc lị hóa khí tầng cố định ngược chiều áp suất thường thành phần khí theo chiều cao lị Từ hình ta quan sát q trình phản ứng sau: Nếu than nguyên liệu vào từ lị, qua mâm tháo xỉ đáy tháo dần khỏi lò, tầng than di chuyển từ xuống Chất oxy hóa ngược chiều từ lên, ta quan sát thấy có vùng phản ứng sau: VI- vùng xỉ: Xỉ than nóng gặp chất oxy hóa, nâng Hình Ngun lý làm việc lị khí hố tầng cố định ngược chiều nhiệt độ chất oxy hóa từ khoảng 60oC lên khoảng 420oC, thân xỉ làm nguội trước thải ngồi V- vùng oxy hóa: Vùng xảy phản ứng cháy than Oxy chất khí hóa tạo thành CO, CO2 theo phản ứng (1), (2), (5) (6), phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ tăng nhanh chóng tới mức gần nhiệt độ hóa mềm xỉ IV- vùng khử chính: Ở xảy phản ứng nước than theo phản ứng (2), (3) Phần CO2 tạo thành phản ứng Oxy hóa hồn tồn bị khử C theo phản ứng (1).Hầu hết phản ứng thu nhiệt Đặc điểm dễ thấy hàm lượng H2O, CO2 khí giảm, nhiệt độ tầng than giảm III- vùng khử phụ: Ở tiếp tục phản ứng khử CO2 xảy loạt phản ứng thứ cấp quanh miền 700 oC  800oC II- vùng chưng than: Ở xảy q trình chưng khơ than thường gọi vùng chuẩn bị Đỉnh vùng chuẩn bị vùng sấy (đôi coi vùng II, III vùng chuẩn bị) I- Trên vùng không gian tự để gom khí, tách phần than bị nổ vỡ Ở không xảy phản ứng đáng kể Với loại lò này, tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng q trình hóa khí hiệu suất hóa khí, mặt khác cần tính đến định mức tiêu hao nước cho 1m3 sản phẩm khí Có nhiều thơng số ảnh hưởng đến thành phần khí hóa như: loại than; cường độ khí hóa, chế độ nhiệt (bao gồm nhiệt độ lò tổng hạng mục ảnh hưởng đến cân nhiệt), tỷ lệ không khí/ nước tỷ lệ Oxy bổ sung, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 2.3 Lị hóa khí thí nghiệm Để phục vụ mục đích nghiên cứu khoa học nên lị hóa khí thiết kế có cơng suất Gt = 10 kg/h, nhiên liệu sử dụng than cám a Lượng khơng khí cần cấp cho lị hóa khí xác định công thức: 𝑄𝑙𝑡 = 𝐸𝑅 𝐺𝑙𝑡 𝐺𝑡 , 𝑘𝑔𝐾𝐾/ℎ; Trong đó: Glt lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy kg than ER tỉ số tương đương b Kích thước lị hóa khí Các kích thước lị hóa khí sau: Đường kính lị hóa khí Dtr = 400 mm Đường kính ngồi áo nước Dng = 500 mm Chiều cao lị hóa khí H = 1200 mm Chiều cao áo nước Hn = 400 mm Đường kính vít tải dv = 100 mm Hình thể cấu tạo lị hóa khí phục vụ thí nghiệm Ở đây, than cấp liên tục từ lên cấu vít tải liệu Than vít tải nằm trung tâm lị đưa lên đỉnh phễu liệu xuống thải qua cửa thải xỉ Khơng khí hỗn hợp khơng khí nước đưa vào lị từ phía qua khe cấp gió vào lị ngồi phía Hơi nước q nhiệt khí hóa đầu lị gia nhiệt thêm thiết bị gia nhiệt điện trở đến nhiệt độ yêu cầu Lượng than, lượng gió cấp vào lò điều chỉnh biến tần để điều chỉnh thuận lợi xác Nhiệt độ buồng hóa khí, nhiệt độ khơng khí (hoặc hỗn hợp khơng khí nước), nhiệt độ khí than đo cặp nhiệt điện Thành phần khí than đầu lị hóa khí đo máy phân tích khí IMR 2800P, có thang đo CO đến 30% 10 89 Kết thảo luận Hình hình ảnh than cám sử dụng thí nghiệm Than sử dụng than cám 4a Công ty CP than miền Trung với đặc tính thể bảng Việc sử dụng than cám để hóa khí giúp giảm giá thành nhiên liệu đầu vào (than cám rẻ than cục) giảm chi phí chuẩn bị nhiên liệu (7) ép than cám thành cục tiêu tốn nhiều lượng hóa chất lị hóa khí sử dụng, tăng hiệu q trình Bảng Đặc tính than Thành phần Wlv Tỉ lệ, % Chất S bốc,Vlv lv 6.5 0.5 Alv Qlv, kcal/kg Cỡ hạt, mm 20 6400 0-15 Hình hình ảnh lửa ứng với nhiệt độ buồng hóa khí khác Khi nhiệt độ buồng lửa, xác định phía buồng lửa cách đỉnh phễu cấp liệu 150mm phía trên,nhỏ 400oC khí than đầu không cháy Khi nhiệt độ buồng lửa đạt 400 oC khí than bắt đầu cháy tăng nhiệt độ buồng lửa lửa sáng chiều dài lửa tăng lên Ngọn lửa sáng dài nhiệt độ buồng lửa đạt 800oC Trong thí nghiệm này, nhiệt độ buồng lửa bị khống chế 800oC giới hạn thiết bị đo Trong thí nghiệm lượng khơng khí lượng than cấp vào lị hóa khí giữ cố dịnh khơng đổi Hình thể nồng độ CO khí tạo thành theo nhiệt độ buồng lửa Từ đồ thị nhận xét sau: nồng độ khí CO tăng lên nhanh theo nhiệt độtrong khoảng từ 400oC đến 600oC, sau tốc độ tăng nồng độ CO giảm dần đạt ~14% nhiệt độ buồng lửa t = 800oC Nồng độ khí CO cao đạt thí nghiệm thấp lị hóa khí thương mại nay(đến 27%) nhiều nguyên nhân như: hạn chế thời gian nên số lần thí nghiệm chưa nhiều, chưa thay đổi thông số thiết kế, vận hành khác lượng khơng khí cấp, nhiệt độ khí cấp,…nhiệt độ buồng lửa bị giới hạn đề cập trên, chưa bổ sung nước, nhiên liệu than cám than cục than bàng… Khi điều chỉnh thông số trênđến giá trị tối ưu lượng khí CO, CH4 H2 tạo thành nâng lên đáng kể 12 15 11 13 14 Hình Cấu tạo lị hóa khí thí nghiệm Bao cụm ống thủy, Đường nước cấp; Áo nước; 4.Đường nước; Đường khói ra; Van xả đáy; Quạt gió; Lổ cấp gió; Cửa mồi lửa; 10 Lớp bơng bảo ơn; 11 Vít tải than; 12 Động vít tải; 13.Phểu thải xỉ; 14 Máng nước; 15 Bơm nước cấp Hình Than sử dụng thí nghiệm Trần Thanh Sơn 90 t = 400oC t = 500oC t = 600oC Kết luận Việc thiết kế, chế tạo vận hành thành công lị hóa khí than có ý nghĩa lớn việc nghiên cứu cơng nghệ hóa khí tầng cố định nói riêng hóa khí nói chung Kết góp phần cho việc nghiên cứu khí hóa than loại nhiên liệu khác Những kết thành phần khí CO xác định theo nhiệt độ buồng đốt khí than tạo thành kết quan trọng thành phần với CH4, H2 định nhiệt trị khí than hiệu suất lị hóa khí Thành phần khí CO khí hóa tỉ lệ với nhiệt độ buồng đốt đạt ~14% nhiệt độ buồng đốt 800 oC Thành phần CO khí hóa chưa cao lị thương mại hành kết ban đầu thông số vận hành khác chưa điều chỉnh Tỉ lệ nâng lên tương lai việc tối ưu hóa vận hành thực Tài liệu tham khảo [1] John Rezaiyan and N.P Cheremisinoff, Gasification technologies, CRC press, 2005 [2] C Higman and M van der Burgt,Gasification, Elsevier, 2007 t = 700oC [3] T.V Hưng, N.V Đức T.T Sơn,Nghiên cứu thiết kế hệ thống hóa khí than phục vụ thí nghiệm, tuyển tập báo cáo Hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng, 2010 t = 800oC Hình Hình ảnh lửa nhiệt độ buồng đốt khác 20% [4] L.L.Faulkener,Solid fuels combustion and gasification, Marcel Dekker, 2004 [5] Juan F Espinal, Fanor Mondragon and Thanh N Truong, “Themodynamic evaluationof steam gasification mechanisms of carbonaceous materials”, Carbon 47, Elsevier, 2009, p3010-3018 %CO 15% 10% 5% 0% 200 400 600 800 1000 toC Hình Nồng độ CO khí thantheo nhiệt độ buồng đốt (BBT nhận bài: 13/12/2013, phản biện xong: 26/12/2013)