Nghiên cứu chế tạo xúc tác trên cơ sở coban để điều chế nhiên liệu lỏng từ khí tổng hợp thu được trong quá trình khí hoá than

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ COBAN ĐỂ ĐIỀU CHẾ NHIÊN LIỆU LỎNG TỪ KHÍ TỔNG HỢP THU ĐƯỢC TRONG Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN ĐTĐL2009/G46 Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Chủ nhiệm đề tài/dự án: PGS TS Nguyễn Hồng Liên 9522 Hà Nội - 2012 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XÚC TÁC TRÊN CƠ SỞ COBAN ĐỂ ĐIỀU CHẾ NHIÊN LIỆU LỎNG TỪ KHÍ TỔNG HỢP THU ĐƯỢC TRONG Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN ĐTĐL2009/G46 Chủ nhiệm đề tài/dự án Cơ quan chủ trì đề tài/dự án (ký tên) (ký tên đóng dấu) PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Ban chủ nhiệm chương trình (ký tên) Bộ Khoa học Cơng nghệ (ký tên đóng dấu gửi lưu trữ) Hà Nội - 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng năm 2011 BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I THÔNG TIN CHUNG Tên đề tài/dự án: Nghiên cứu chế tạo xúc tác sở Coban để điều chế nhiên liệu lỏng từ khí tổng hợp thu q trình khí hố than Mã số đề tài, dự án: ĐTĐL2009/G46 Thuộc: - Chương trình (tên, mã số chương trình): - Dự án khoa học công nghệ (tên dự án): - Độc lập (tên lĩnh vực KHCN): Lĩnh vực Hóa học Chủ nhiệm đề tài/dự án: Họ tên: Nguyễn Hồng Liên Ngày, tháng, năm sinh: 23/01/1975 Nam/ Nữ: Nữ Học hàm, học vị: PGS TS Chức danh khoa học: Giảng viên Điện thoại: Tổ chức: 38683098 Mobile: 0912636497 Fax: 0438683098 Chức vụ: Phó Viện trưởng Nhà riêng: 37558920 E-mail: nhlien-fct@mail.hut.edu.vn Tên tổ chức công tác: Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Địa tổ chức: Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Địa nhà riêng: Số 42, Ngõ 106/1, Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Tổ chức chủ trì đề tài/dự án: Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội I-1 Điện thoại: 04 38692136 Fax: 04 38692006 E-mail: qlkh@mail.hut.edu.vn Website: www.hut.edu.vn Địa chỉ: Số Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Họ tên thủ trưởng tổ chức: GS Nguyễn Trọng Giảng Số tài khoản: 931.01062 Ngân hàng: Kho Bạc Nhà nước Hai Bà Trưng, Hà Nội Tên quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục Đào tạo II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN Thời gian thực đề tài/dự án: - Theo Hợp đồng ký kết: từ tháng năm 2009 đến tháng năm 2011 - Thực tế thực hiện: từ tháng 6/năm 2009 đến tháng năm 2011 - Được gia hạn (nếu có): khơng - Lần từ tháng… năm… đến tháng… năm… - Lần … Kinh phí sử dụng kinh phí: a) Tổng số kinh phí thực hiện: 2000 tr.đ, đó: + Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 2000 tr.đ + Kinh phí từ nguồn khác: tr.đ + Tỷ lệ kinh phí thu hồi dự án (nếu có): khơng b) Tình hình cấp sử dụng kinh phí từ nguồn SNKH: Số TT Theo kế hoạch Kinh phí Thời gian Thực tế đạt Thời gian Kinh phí Ghi (Tháng, năm) (Tr.đ) (Tháng, năm) (Tr.đ) (Số đề nghị toán) 2009 2010 2011 1000 800 200 12/2009 12/2010 10/2011 995,675 795,475 208,850 995,675 795,475 208,850 I-2 c) Kết sử dụng kinh phí theo khoản chi: Đối với đề tài: Đơn vị tính: Triệu đồng Số TT Nội dung khoản chi Trả công lao động (khoa học, phổ thông) Nguyên, vật liệu, lượng Thiết bị, máy móc Xây dựng, sửa chữa nhỏ Chi khác Tổng cộng Theo kế hoạch Tổng 755 Thực tế đạt SNKH Nguồn khác 755 Tổng SNKH 755 755 Nguồn khác 695 695 699,672 699,672 340 340 339,675 339,675 0 0 0 210 2.000 210 2.000 0 205,653 2.000 205,653 2.000 0 - Lý thay đổi (nếu có): Kinh phí mua thiết bị dư 325 000 đồng (do giá thực tế thời điểm mua giảm so với dự kiến ban đầu) chuyển sang kinh phí mua nguyên vật liệu (có định điều chỉnh Bộ KH&CN) Các văn hành q trình thực đề tài/dự án: (Liệt kê định, văn quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực có); văn tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh có) Số Số, thời gian ban TT hành văn Số 742/QĐBKHCN, ngày 04 tháng năm 2009 Số 46/2009/HĐĐTĐL, ngày 01 tháng năm 2009 Tên văn Quyết định việc phê duyệt kinh phí nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp Nhà nước thực kế hoạch năm 2009 Hợp đồng nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ, thời gian thực Đề tài 24 tháng, từ tháng năm 2009 đến tháng năm 2011, tổng kinh phí từ ngân sách Nhà nước để thực Đề tài là: I-3 Ghi 2.000 triệu đồng Số 03/UQỦy quyền Hiệu trưởng ĐHBK-TB, ngày Trường Đại học Bách khoa 07 tháng 01 năm Hà Nội việc ký kết văn 2009 liên quan đến việc mua sắm trang thiết bị, dụng cụ, vật tư hóa chất từ nguồn kinh phí thuộc Đề tài, dự án KHCN Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Quyết định việc phê duyệt Số 8689/QĐBGDĐT, ngày 02 Kế hoạch đấu thầu thuộc Đề tài độc lập cấp Nhà nước tháng 12 năm “Nghiên cứu chế tạo xúc tác 2009 sở Coban để điều chế nhiên liệu lỏng từ khí tổng hợp q trình khí hóa than” năm 2009, giá dự tốn gói thầu: 340 triệu đồng Số 27284/QĐQuyết định vệc Phê duyệt ĐHBK-TB, ngày kết đấu thầu gói thầu 18 tháng 12 năm “Thiết bị phục vụ thực 2009 đề tài độc lập cấp Nhà nước Nghiên cứu chế tạo xúc tác sở Coban để điều chế nhiên liệu lỏng từ khí tổng hợp q trình khí hóa than” – Trường Đạ học Bách khoa Hà Nội, tổng giá trúng thầu: 339,675 triệu đồng Số Về việc điều chỉnh dự toán 3387/BGDĐTkinh phí đề tài độc lập cấp KHCNMT, ngày nhà nước, điều chỉnh số kinh 23 tháng năm phí dư 8.849.933 đồng mua 2011 bổ sung chất tải lạnh Số Về việc điều chỉnh dự tốn 1186/BKHCNkhi phí đề tài Độc lập cấp CNN, ngày 01 Nhà nước, mã số tháng năm ĐTĐL.2009G/46, đồng ý I-4 2011 chuyển kinh phí 8.849.933 đồng mua bổ sung chất tải lạnh Tổ chức phối hợp thực đề tài, dự án: Số TT Tên tổ chức đăng ký theo Thuyết minh Phịng Hố lý bề mặt - Viện Hố học Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Trung tâm Ứng dụng Chuyển giao công nghệ Viện Dầu khí - Tập đồn Dầu khí quốc gia Việt Nam Tên tổ chức tham gia thực Phòng Hoá lý bề mặt - Viện Hoá học - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Nội dung tham gia chủ yếu Tổng hợp chất mang SiO2 (các dạng khác nhau) xúc tác Co/SiO2 Sản phẩm chủ yếu đạt loại chất mang SiO2 xúc tác Co/SiO2 có cấu trúc khác Trung tâm Ứng dụng Chuyển giao cơng nghệ Viện Dầu khí Tập đồn Dầu khí quốc gia Việt Nam Phân tích thành phần sản phẩm q trình chuyển hố khí tổng hợp Phân tích thành phần sản phẩm lỏng q trình chuyển hóa khí tổng hợp Ghi chú* - Lý thay đổi (nếu có): khơng Cá nhân tham gia thực đề tài, dự án: (Người tham gia thực đề tài thuộc tổ chức chủ trì quan phối hợp, không 10 người kể chủ nhiệm) Số TT Tên cá nhân đăng ký theo Thuyết minh Nguyễn Hồng Liên, TS Tên cá nhân Nội dung tham gia tham gia thực Nguyễn Hồng Chủ nhiệm đề Liên, TS tài, Chịu trách nhiệm tổng thể Phụ trách nhóm nhiệm vụ 1, 2, I-5 Sản phẩm chủ yếu đạt Viết đăng báo khoa học, Hướng dẫn học viên cao học, Báo cáo định kỳ tổng kết Ghi chú* Nguyễn Anh Vũ, ThS Vũ Đào Thắng, PGS TS Nguyễn Anh Vũ, ThS Thư ký đề tài Phụ trách nhóm nhiệm vụ 3, 4, đề tài Hệ phản ứng chuyển hóa khí tổng hợp Điều kiện công nghệ tối ưu cho phản ứng chuyển hóa khí tổng hợp Điều kiện Nguyễn Văn Nguyễn Văn Tham gia Xá, TS Xá, TS nhiệm vụ 3, cơng nghệ hoạt hóa xúc tác Nhiên liệu Chu Thị Hải Chu Thị Hải Tham gia lỏng từ Nam, ThS Nam, ThS nhiệm vụ 2, trình 4, 5, 6, 7, chuyển hóa khí tổng hợp Điều kiện Nguyễn Hàn Nguyễn Hàn Phụ trách Long, ThS Long, ThS nhóm nhiệm chuyển hóa khí tổng vụ hợp có thành phần tương tự khí thu từ q trình khí hóa than Kết Nguyễn Thị Nguyễn Thị Phụ trách Hà Hạnh, ThS Hà Hạnh, ThS nhóm nhiệm phân tích đánh giá vụ chất lượng xúc tác Xúc tác Lê Thị Hoài Lê Thị Hoài Tham gia Nam, PGS Nam, PGS nhiệm vụ 2, Co/SiO2 TS TS Kết Hoàng Linh Hoàng Linh Tham gia Vũ Đào Thắng, PGS TS Phụ trách nhóm nhiệm vụ I-6 Lan, ThS 10 Đào Tường, TS Lan, ThS Văn Đào GS Tường, TS nhiệm vụ 5, phân tích thành phần sản phẩm q trình chuyển hóa Xúc tác Văn Tham gia GS nhiệm vụ 1, Co/Al2O3 - Lý thay đổi ( có): khơng Tình hình hợp tác quốc tế: Theo kế hoạch Thực tế đạt Số TT (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn, số lượng người tham gia ) (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn, số lượng người tham gia ) Tên tổ chức hợp tác: Leibniz-Institut für Katalyse, Universität Rostock Nội dung cần hợp tác khuôn khổ đề tài: Trao đổi kinh nghiệm nghiên cứu, cập nhật thông tin kết nghiên cứu xúc tác trình tổng hợp FischerTropsch, hợp tác đào tạo nghiên cứu sinh, thực phần nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác hệ phản ứng thiết lập Viện, phân tích đánh giá cấu trúc vật liệu kỹ thuật hoá lý đại mà Việt Nam chưa trang bị Mossbäuer, TEM kết nối thiết bị phân tích hàm lượng nguyên tố, … Đoàn ra: Thăm quan trao đổi hợp tác nghiên cứu đánh Tên tổ chức hợp tác: Leibniz-Institut für Katalyse, Universität Rostock Nội dung cần hợp tác khuôn khổ đề tài: Trao đổi kinh nghiệm nghiên cứu, cập nhật thông tin kết nghiên cứu xúc tác trình tổng hợp FischerTropsch, hợp tác đào tạo nghiên cứu sinh, thảo luận kết nghiên cứu đánh giá đặc trưng hoạt tính xúc tác Co/γ-Al2O3 hệ phản ứng thiết lập PTN, tham khảo phương pháp phân tích TEM kết nối thiết bị phân tích hàm lượng nguyên tố, tổ chức hội thảo “Ứng dụng kỹ thuật phân tích GC-MS đánh giá trình xúc tác“ đào tạo kỹ thuật viên phân tích I-7 Ghi chú* giá đặc trưng vật liệu Số lượng: 01 đoàn (02 người) Thời gian: 10 ngày Đức Địa điểm: Viện nghiên cứu xúc tác LIKAT Đại học Rostock, Đức Đoàn vào: Báo cáo nghiên cứu xúc tác cho q trình chuyển hố khí tổng hợp Số lượng: 01 đoàn (01 người) Thời gian: ngày Việt Nam Địa điểm: Phịng thí nghiệm CN Lọc Hóa dầu & Vật liệu xúc tác hấp phụ, ĐHBKHN GCMS Đoàn ra: Thăm quan trao đổi hợp tác nghiên cứu đánh giá đặc trưng vật liệu Số lượng: 01 đoàn (02 người) Thời gian: 10 ngày Đức (21-30/11/2010) Địa điểm: Viện nghiên cứu xúc tác LIKAT Đại học Rostock, Đức Đồn vào: Báo cáo ứng dụng kỹ thuật phân tích GCMS nghiên cứu hoạt tính xúc tác cho trình chuyển hố khí tổng hợp q trình chuyển hóa hóa học khác Số lượng: 01 đồn (01 người) Thời gian: ngày Việt Nam (7-11/3/2011) Địa điểm: Phịng thí nghiệm CN Lọc Hóa dầu & Vật liệu xúc tác hấp phụ, ĐHBKHN Đối tượng tham gia hội thảo: có 22 cán Trường ĐHBKHN, Trường ĐHKHTN, Trường ĐH Sư phạm HN, Viện Hóa học cơng nghiệp VN, Viện Khoa học Công nghệ VN tham dự hội thảo - Lý thay đổi (nếu có): khơng I-8 4.2 Ngun lý q trình khí hóa than ẩm: Nhiên liệu than cục đưa vào từ đỉnh lị Chất khí hóa khơng khí nước cấp vào từ đáy lò qua tầng nhiên liệu để tiến hành khí hóa Tro xỉ thải cửa đáy lò Trong lò khí hóa đưa chất khí hóa qua tầng nhiên liệu để tiến hành phản ứng nhiên liệu có phân tầng Từ xuống tầng nhiên liệu phân thành tầng: tầng sấy, tầng chưng, tầng khí hóa (gồm tầng khử tầng ơxi hóa), tầng xỉ Khoảng khơng lị: (nhiệt độ từ 600 – 7000C) nơi tập kết tất khí q trình khí hóa để ngồi Tầng sấy: (Nhiệt độ từ 700 – 7500C) lợi dụng nhiệt lò khí than làm bay hàm lượng nước than Tầng chưng khô: (Nhiệt độ từ 750 – 8200C) Nguyên liệu thu nhiệt phân giải nhờ trao đổi với khí nóng nhả thành phần chất bốc khỏi khu vực Hàm lượng oxy chất khí tham gia phản ứng với carbon: C + O2 = CO2 + Q 2C + O2 = 2CO + Q C + H2 = CH4 + Q S + H2 = H2S Tầng khí hóa: (Nhiệt độ từ 820 – 12000C) CO2 bị khử thành CO Nguyên liệu tăng nhiệt nhờ trao đổi nhiệt với khí nóng từ tầng oxy hóa lên CO2 + C = 2CO – Q C + H2O = CO2 + H2 –Q Tầng oxy hóa: (Nhiệt độ từ 420 – 12000C) Carbon bị oxy hóa khơng khí thành CO2 CO nước khử thành CO, CO2, H2 C + O2 + 3,76 N2 = CO2 + 3,76 N2 + Q 2C + O2 + 3,76 N2 = 2CO + 3,76 N2 + Q 2H2O + C = CO2 + H2O – Q H2O + C = CO + H2 – Q 62 Tầng tro xỉ: (Nhiệt độ từ 60 – 4200C) tầng phân phối chất khí hóa, nâng nhiệt cho chất khí hóa nhờ nhiệt tro xỉ, ngăn ngừa khơng ghi lị bị biến dạng cháy lỏng nhiệt độ cao Thành phần khí than ẩm sau: CO CO2 H2 O2 CH4 N2 31,5 41 0,5 19 4.3 Khí hóa than lị khí hóa gián đoạn tầng cố định: 4.3.1 Lưu trình cơng nghệ: a Giai đoạn thổi gió: Giai đoạn có tác dụng tăng nhiệt cho lị khí hóa Nguồn khơng khí cấp cho q trình thổi gió quạt hút thổi hệ thống đường ống chung đưa vào từ đáy lị phát sinh khí than Khơng khí qua tầng than nóng đỏ thực phản ứng cháy Cacbon tích nhiệt cho lò: C + O2 = CO2 + Q 2C + O2 = 2CO + Q C + CO2 = 2CO - Q Khí hình thành (cịn gọi khí thổi gió) khỏi đỉnh lị phát sinh khí than nhờ hệ thống ống dẫn đưa sang đáy lò đốt thực nhả nhiệt cho tầng gạch chịu lửa để tích lại nhiệt lị đồng thời phối hợp với lượng khơng khí lần hai để đốt CO nhằm mục đích thu hồi nhiệt tránh nhiễm mơi trường CO + O2 = CO2 + Q Khí sau dẫn tiếp qua lò nhiệt thừa theo hướng từ xuống để thu hồi nhiệt lượng tách phần bụi bị theo, qua van ống khói phóng khơng ngồi đưa thu hồi khí thổi gió qua van thu hồi Thành phần khí thổi gió gồm: CO2 : 15% - 17%; CO + H2: 7% - 10% 63 Để tận dụng lượng CO cịn lại khí thổi gió đưa sang cương vị thu hồi để sản xuất nước 13at Khí thổi gió 10 hệ thống lị (thực tế thu hồi khí thổi gió số lị hoạt động, cơng suất xử lý nhà máy chưa đủ để xử lý hết tất cả) đưa vào đường ống dẫn khí chung Qua thiết bị cyclon tách bụi sau qua hệ thống caloriphe Tại khí thổi gió hịa trộn với khơng khí thực phản ứng cháy Nhiệt tỏa tận dụng để cấp nhiệt cho nước trình hóa sản xuất nước 13at Hơi nước 13at tạo tuần hoàn trở lại hệ thống ống dẫn nước chung để cung cấp nước cho giai đoạn sau b.Giai đoạn thổi lên lần 1: Hơi nước nhiệt P = 5at, T = 2800C - 3500C từ xưởng Nhiệt điện qua lưu lượng kế cấp sang khu lò đốt qua phận giảm áp P109 cấp cho lò với áp suất 0,8 - 1at Hỗn hợp nước khơng khí đưa vào đáy lị qua tầng than nóng đỏ thực phản ứng khí hóa tạo khí than ẩm: 2C + O2 = CO + Q C + O2 = CO2 + Q CO + O2 = CO2 + Q C + H2O = CO + H2 - Q C + CO2 = 2CO – Q C + 2H2O = CO2 + H2 - Q Ngoài cịn có phản ứng phụ sau: C + 2H2 = CH4 + Q CO + 3H2 = CH4 + H2O + Q CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O + Q S + H2 = H2S Khí than ẩm hình thành qua đỉnh lị phát sinh khí than đưa sang lò đốt với thành phần: CO: 30% - 32% H2: 39% - 42% CO2: 7% - 8% O2: < 0,5% CH4: 2 nghiên cứu phương án sản xuất nên xem xét phương án sản xuất đồng thời nhiên liệu hydrocacbon lỏng nhiên liệu hydro Như vậy, sử dụng khí hố than sản xuất theo công nghệ nhà máy phân đạm Hà Bắc để sản xuất nhiên liệu hydrocacbon lỏng 67 II XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ TỔNG HỢP THU ĐƯỢC TỪ Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN CƠNG NGHIỆP Ngun liệu cho q trình than antraxit, nước, khơng khí Phương pháp khí hóa sử dụng nhà máy gián đoạn lị tầng cố định Q trình thực sau: khí hóa than xảy lị khí hóa tạo sản phẩm hỗn hợp khí than ẩm CO2, CO, H2, N2, H2S, CH4, Ar,… Hỗn hợp khí sau khỏi lị khí hóa đưa tách bụi, làm nguội dẫn vào két khí Khí than ẩm khỏi két khí đưa vào lọc bụi điện, lọc nốt hàm lượng bụi lại có kích thước nhỏ trước quạt tăng áp đưa vào hệ thống khử lưu huỳnh nén nhiều cấp để sử dụng cho trình tổng hợp NH3 ure sau Thành phần khí than ẩm Cơng ty Phân đạm Hóa chất Hà Bắc thống kê bảng Bảng Thành phần khí than ẩm Cơng ty Phân đạm Hóa chất Hà Bắc Thành phần khí than ẩm, %V CO H2 CO2 H2S, mg/m3 O2 CH4 N2 30 - 32 39 - 42 7-8 1000 - 1500 < 0,5