Nghiên ứu động họ ủa phản ứng khí hóa abon bằng hơi nướ trong ông nghiệp sản xuất đạm ure

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- Nguyễn rường T Giang ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG KHÍ HÓA CACBON BẰNG HƠI NƯỚC TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐẠM UREL

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

CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐẠM URE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà N - ội 201 7

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

-

Nguyễn Trường Giang

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG

KHÍ HÓA CACBON BẰNG HƠI NƯỚC TRONG

CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT ĐẠM URE

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHẠM NGỌC ANH

Hà Nội - 201 7

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Trường Giang

Đề tài luận văn: Nghiên cứu động học của phản ứng khí hóa cacbon bằng hơi

Mã số SV: CB140025

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… ………… với các nội dung sau:

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ……

………

Ngày……tháng……năm 2017

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

L I C Ờ ẢM ƠN

Để hoàn thiện chương trình và th c hi n t t lu n ự ệ ố ậ văn ố t t nghi p, tác gi ệ ả đã

nhận được s ự giúp đỡ, hướng d n nhi t tình c a các quý Th y, Cô c a Vi n Kẫ ệ ủ ầ ủ ệ ỹ

Với đề tài " Nghiên c ứu độ ng h c c a ph ọ ủ ả n ứ ng khí hóa cacbon b ằng hơi nướ c trong công nghi p s n xu ệ ả ất đạ m Ure ", tác gi xin chân thành cả ảm ơn Thầy

d n tác gi ẫ ảthực hiệ ốt luậ văn ốt nghiện t n t p này

bi t là các thệ ầy cô đã dạy và hướng d n tác gi trong th i gian tác gi h c t i ẫ ả ờ ả ọ ạtrường, đã ạo điềt u ki n t t nhất đểệ ố tác gi h c t p và hoàn thi n t t khóa h c ả ọ ậ ệ ố ọ

Tác gi xin c m ả ả ơn gia đình và các ạb n trong l p 14B-KTHH ã tớ đ ạo điều

ki nệ , giúp đỡ tác gi trong quá trình hả ọc tập và hoàn thành t t ố luậ vănn

L I CAM Ờ ĐOAN

trùng lặp v i các đ tài khác, tr các ph n tham khớ ề ừ ầ ảo đã được nêu rõ trong luận văn

Tác giả

Nguyễn Trường Giang

M C L C Ụ Ụ

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC T ẾT TẮT 6 ỪVI DANH MỤC CÁC HÌNH 8

DANH MỤC BẢNG 9

M Ở ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V Ề ĐẠM URE 12

1.1 Lịch sử phát tri n 12 ể 1.2 Tính ch t 12 ấ 1.2.1 Tính chất vật lý 12

1.2.2 Tính ch t hóa h c 14 ấ ọ 1.3 ng d ng 16 Ứ ụ 1.3.1 Trong công nghi p 16 ệ 1.3.2 S d ng trong phòng thí nghi m 18 ử ụ ệ 1.3.3 S d ng y h c 18 ử ụ ọ 1.3.3.1 Thuốc: 18

1.3.4 S d ng trong chử ụ ẩn đoán khác 18

1.4 Những nét nổi bậ ềt v phân Urê 19 1.4.1 Ưu điểm c a Urê 19 ủ 1.4.2 Cách s d ng phân urê hi u qu nh t 20 ử ụ ệ ả ấ 1.4.3 Phân đạm ure c n thi t cho cây trồng: 21 ầ ế 1.5 Th ị trường Urê trên th gi i và Vi t Nam 22 ế ớ ệ

1.5.1 Nhu c u và kh ầ ả năng đáp ứng phân urê tại Việt Nam 22 1.5.2 Tình hình s n xuả ất và tiêu thụ urê trên th gi i 22 ế ớ

ỨNG 24 2.1 T ng quan v khí hóa ổ ề than: 24 2.1.1 Phân lo i công ngh 24 ạ ệ2.1.2 Nh ng thông s ữ ố đặc trưng của than, dùng trong công ngh khí hóa 30 ệ2.1.3 Công ngh chu n b nguyên li u cho t ng h p NHệ ẩ ị ệ ổ ợ 3 t khí hóa than: 32 ừ2.1.4 Những phản ứng cơ bản trong quá trình khí hóa than 33 2.1.5 Khí hóa than lý t ng 35 ưở2.2 Nguyên lý hóa lý của quá trình khí hóa 36 2.2.1 Vấn đềcân bằng của phả ứn ng 36 2.2.2 Vấn đề độ ng h c cọ ủa phả ứn ng 40 2.2.2.1 Ph n ng than v i oxy 40 ả ứ ớ2.2.2.2 Ph n ng than vả ứ ới hơi nước 41 2.2.2.3 Ph n ng than vả ứ ới CO2 41 2.2.2.4 Ph n ng gi a than v i hydro 42 ả ứ ữ ớ2.2.2.5 Ph n ng CO vả ứ ới hơi nước 42 2.2.2.6 Ph n ng metan vả ứ ới hơi nước 43 CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN TRONG THIẾT

B KHÍ HÓA SHELL 44 Ị3.1 Các ph n ng trong lò khí hóa than Shell (SCGP): 45 ả ứ3.2 Tính toán các thông s và thiố ết lập mô hình động học: 47 3.2.1.Cân b ng ch 49 ằ ất:3.2.2.Cân b ng nhi 50 ằ ệt:

3.4 Kết quả và th o lu n: 64 ả ậ3.4.1 Kiểm định mô hình: 64 3.4.2 Đánh giá ảnh hưởng c a t l ủ ỷ ệ oxy/than đến các thông s khí hóa 69 ố3.4.3.Đánh giá ảnh hưởng của tỷ l ệ hơi nước với than đến các thông s khí hóa 71 ố

4.1 Tính toán độ chuy n hóa cacbon trong lò khí hóa: 76 ể4.2 Thành ph n khí t ng h p c a lò khí hóa than Shell: 78 ầ ổ ợ ủ4.3 Th tích lò khí hóa than Shell: 79 ểCHƯƠNG 5: KẾT LU N 81 ẬTÀI LIỆU THAM KH O 82 Ả

DANH M C CÁC T Ụ Ừ VIẾ T T T Ắ

g Gia tốc trọng trường (cm/s2)

Hloss,g-w Nhiệt trao đổi giữa khí và lò phản ứng (cal/ cm.s)

DANH M Ụ C CÁC HÌNH

3.5 Ảnh hưởng của lưu lượng hơi nước, lưu lượng Oxy tới thành phần khí

3.17 Ảnh hưởng của hơi nước đến thành ph n khí s n ph m ầ ả ẩ 72

DANH M C B Ụ Ả NG

Trang

1.1: Thành phần đặc tính của urê 13

1.2 : Tỷ lệ % lượng urê mất đi do sự bay hơi khí ammonia theo nhiệt độ đất 20

1.3 : Tỷ lệ % lượng urê mất đi do sự bay hơi ammonia theo độ pH của đất 21

1.4: Tiêu thụ phân bón toàn cầu 2007/08 đến 2011/12 21

1.5: Nhóm 10 nước tiêu thụ phân bón lớn nhất toàn cầu 2011/2012 23

2.1: Công thức tính Kp của một số phản ứng 40

3.1: Nhiệt trị và emtanpi các chất khí hóa 51

3.2: Dữ liệu than Quảng Ninh sử dụng cho nghiên cứu 70

4.1: Kết quả phân tích thành ph n than Qu ng Ninh t i Công ty ầ ả ạ ĐHB 76 4.2: Kết quả phân tích thành ph n x t i Công ty ầ ỉ ạ ĐHB 77 4.3: Thành phần các khí trong khí than tổng hợp 78

M Ở ĐẦ U

1 Lý do chọn đề tài

Khí hóa than là phương pháp toàn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới,

trường trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ô nhiễm trong khí than Ví dụ, lưu huỳnh trong than có thể được chuyển thành dạng

dùng để sản xuất phân bón hoặc các hoá chất khác

Chính vì vậy, để nâng cao năng suất, ta cần phải nghiên cứu động học của

những ưu điểm của nó Trên hết, từ việc tìm ra mô hình động học của phản ứng, ta

có thể ứng dụng để tính kiểm tra lò khí hóa than trong công nghiệp sản xuất đạm ure cụ thể tại Công ty cổ phần Phân đạm và hóa chất Hà Bắc

Trên cơ sở nghiên c u lý thuy t v ng h c ph n ng khí hóa cacbon b ng ứ ế ề độ ọ ả ứ ằhơi nước, xây dựng mô hình động h c c a ph n ng và ng dọ ủ ả ứ ứ ụng để ể ki m t khí ra lò hoá cacbon

3 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực ti n cễ ủa đề tài

tính ki m tra ể lò khí hóa than trong công nghiệp s n xuả ất đạm ure

4 Nội dung đề tài

N i dung cộ ủa đề tài, các vấn đề ầ c n gi i quyả ế trên cơ sởt: nghiên c u lý ứthuy t v ng h c ph n ng khí hóa cacbon bế ề độ ọ ả ứ ằng hơi nước, t ừ đó xây d ng mô ự

khí hoá cacbon, cu i cùng phân tích và th o lu n các k t qu ố ả ậ ế ả đạt được

5 C u trúc c a luấ ủ ận văn

- Chương 2: Nghiên c u lý thuy t v ng h c ph n ng khí hóa cacbon ứ ế ề độ ọ ả ứ

- Chương 5: ết luậK n

CHƯƠNG 1: TỔ NG QUAN V Ề ĐẠ M URE

1.1 L ch s phát tri n ị ử ể

Woehler t ng h p lổ ợ ần đầu tiên t ammonium sulfate (NHừ 4)2SO4 và potassium

thuyết sức sống

một ống bịt kín Điều này là n n t ng cho công ngh s n xu t urê công nghi p sau ề ả ệ ả ấ ệnày

Cho t i nhớ ững năm đầu th kế ỷ 20 thì urê mới được s n xu t trên quy mô ả ấcông nghiệp nhưng ở ứ m c sản lượng nhỏ Sau đại chi n th gi i th II, nhiế ế ớ ứ ều nước

đầu v cung c p chuy n giao công ngh s n xu t urê trên th giề ấ ể ệ ả ấ ế ới như: Stamicarbon

s n xu t urê tiên ti n, mả ấ ế ức tiêu phí năng lượng cho m t t n s n ph m urê rộ ấ ả ẩ ất thấp

1.2.1 Tính ch t vấ ật lý

c phân t

Tên qu c t ố ế là Diaminomethanal Ngoài ra urê còn được bi t v i tên là ế ớ

B ng 1.1: Thành phả ần đặc tính c a urê ủ

Urê là ch t d hút m t ấ ễ ẩ ừ môi trường xung quanh t i m t nhiạ ộ ệt độ nhất định

trên b m t urê Urê s hút ề ặ ẽ ẩm khi độ ẩm môi trường xung quanh lớn hơn 70%, nhiệ ột đ 10-400C

PE hoặc trong bao gi y nhi u l p ấ ề ớ

gây kết tảng urê sản phẩm:

• S n ph m urê có kích c ả ẩ ỡ không đồng đều, nhi u b i và m nh v t o ề ụ ả ỡ ạcho các h t urê có m i liên k t hàn b n v ng do b i và mạ ố ế ề ữ ụ ảnh v ỡ điền vào không gian giữa các hạt urê

Để ch ng k t t ng hố ế ả ạt urê, người ta áp d ng m t s bi n pháp sau: ụ ộ ố ệ

cường lực cơ giớ ủi c a h t và h n ch hút m ạ ạ ế ẩ

b m t riêng ti p xúc không khí c hề ặ ế ủa ạt urê, độ ề b n vững cơ giới cao

1.2.2 Tính ch t hóa h ấ ọc

V mề ặt thương mại, urê được sản xuất ra bằng cách loại nước trực tiếp

cacbamat amôn b ng cách cho ph n ng tr c ti p NHằ ả ứ ự ế 3 v i COớ 2 Hai ph n ả ứng được tiến hành liên t c trong tháp t ng h p cao áp ụ ổ ợ

Ở điều ki n áp suệ ất thường và tại điểm nóng ch y c a nó, urê phân h y thành ả ủ ủ

ph m ph bẩ ụ ấ ắc dĩ chủt đ y u có trong urê N u trong s n phế ế ả ẩm đạm Urê c p phân ấbón mà hàm lượng biuret vượt quá 2% trọng lượng s ẽ gây độc h i đ i v i cây tr ng ạ ố ớ ồ

Urê đóng vai trò như một chất cơ sở đơn và tạo ra các mu i có các acid ốCùng v i acid nitric nó t o ra nitrat urê CO(NHớ ạ 2)2.HNO3 và phân h y n khi b ủ ổ ị đốt nóng Urê c ng ứ ổn định nhiở ệ ột đ phòng và ở điều kiện thường áp Đốt nóng ở điều

urê thành biuret được xúc ti n ế ở điều ki n nhiệ ệt độ th p, áp su t cao và gia nhi t ấ ấ ệ

NH3 biuret s t o thành urê ẽ ạ

Urê ph n ng v i nitrat b c AgNOả ứ ớ ạ 3 v i s có m t c a hydroxid natri NaOH, ớ ự ặ ủ

urê sang d ng imit (6) ạ

Sau đó phả ứn ng v i nitrat b c Các tác nhân oxi hóa v i s có m t c a natri ớ ạ ớ ự ặ ủ

ứng với hydroxid natri để ạ t o thành cacbonat natri (8):

Phả ứn ng urê v i các lo i rư u sinh ra các ch t este acidcacbamic thư ng ớ ạ ợ ấ ờ

được g i là urêthan: ọ

loạ ải s n ph m d ng b t tinh th màu tr ng Peroxyd urê CO(NH)ẩ ạ ộ ể ắ 2.H2O2 được người

trong ngành hóa dược

1.3 ng d Ứ ụ ng

Urê được dùng làm phân bón, kích thích sinh trưởng, giúp cây phát tri n ể

lá

Trộ ẫn l n v i các ch t ph gia khác urê s ớ ấ ụ ẽ được dùng trong nhi u lo i phân ề ạ

tinh l i th p phù h p cho vi c v n chuyạ ấ ợ ệ ậ ển lưu thông phân phố ằi b ng h ệ thống ng ố

d n hay phun bón trẫ ực tiếp

Là ch t b sung vào thấ ổ ức ăn cho động v t, cung c p m t nguậ ấ ộ ồn đạm cố định tương đố ẻ ền đểi r ti giúp cho s tăng trư ng ự ở

ngành chăn nuôi gia cầm

nghi p d t có tác d ng làm phân b u các thành ph n ép c a các chệ ệ ụ ố đề ầ ủ ất sợi

Nguyên li u cho s n xu t ch t dệ ả ấ ấ ẻo, đặc bi t là nh a urê-ệ ự fomanđêhyt Urê

melamin

Là ch t thay th cho mu i (NaCl) trong vi c lo i b ấ ế ố ệ ạ ỏ băng hay sương muối của lòng đường hay đường băng sân bay Nó không gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại như muối

Được dùng trong m t s ngành s n xu t thu c tr ộ ố ả ấ ố ừsâu

Là m t thành ph n c a mộ ầ ủ ột số ầu dưỡ d ng tóc, sữa rửa mặt, d u tầ ắm và nước thơm

Nó cũng đượ ử ụng như là chấc s d t ph n ng trong m t s g c l nh s d ng ả ứ ộ ố ạ ạ ử ụ

để sơ cứu, do ph n ng thu nhi t t o ra khi tr n nó vả ứ ệ ạ ộ ới nước

Thành phần hoạt hóa để ử x lý khói th i từ động cơ diesel ả

làm tăng độ hòa tan c a m t sốủ ộ prôtêin Vì tính chất này, nó đượ ử ục s d ng trong các

Do urê được s n xu t và bài ti t khả ấ ế ỏi cơ thể ớ v i m t tộ ốc độ ần như không g

đổi, nồng độ urê cao trong máu ch ra vỉ ấn đề ớ ự v i s bài ti t nó ho c trong m t s ế ặ ộ ốtrường hợp nào đó là sự ả s n xu t quá nhiấ ều urê trong cơ thể

bạch cầu và b nh Kahler) ệ

Nồng độ cao c a urê (uremia )có th sinh ra các rủ ể ối loạn th n kinh (b nh ầ ệ

Các lo i urê ch a cacbon 14 - ng v phóng x , hay cacbon 13 - ng v ạ ứ đồ ị ạ đồ ị ổn

định được s d ng trong xét nghi m th ử ụ ệ ở urê, được s dử ụng để phát hi n s t n t i ệ ự ồ ạ

c a Helicobacter pylori (H pylori, m t lo i vi khu n) trong d dày và tá tràng ủ ộ ạ ẩ ạ

ra theo ph n ả ứng để ạ t o ra amôni c t ắ ừ urê để làm giảm độ pH của môi trường trong

cùng một phương pháp xét nghiệm đối với động v t (kh , chó, mèo - bao g m c ậ ỉ ồ ảcác loại "mèo lớn" như hổ, báo, sư tử v.v)

1.4 Nhữ ng nét n i b t v ổ ậ ề phân U rê

Trong s các s n ph m hoá hố ả ẩ ọc được s d ng ph bi n làm ngu n cung c p ử ụ ổ ế ồ ấ

(NH4NO3), urê… thì urê đượ ử ục s d ng nhiều hơn cả vì những đặc tính vượt tr i c a ộ ủ

B ng ch ng là sằ ứ ản lượng tiêu th urê (trên toàn th gi ụ ế ới)

Tiêu thụ

(Triệ ấu t n)

Khi s d ng urê không gây hiử ụ ện tượng cháy n nguy hiổ ểm cho ngườ ửi s

Với hàm lượng đạm cao, 46%, s d ng urê gi m bử ụ ả ớt được chi phí vận

Việc sản xu t urê thảấ i ra ít ch t đ c hấ ộ ại cho môi trường

đương với các lo i s n ph m cung cạ ả ẩ ấp đạm khác

1.4.2 Cách s d ng phân urê hi u qu ử ụ ệ ảnhất

làm gia tăng hiệu q a c a vi c s d ng urê là bón trủ ủ ệ ử ụ ộn vào đất trong giai đoạn chuẩn b t tr ng, pha vị đấ ồ ới nước trong h thệ ống tưới tiêu hoặc tưới nước ngay sau

S ựthất thoát đạm liên quan t i nhiớ ệ ột đ và độ pH của đất S ựthất thoát

sau đó cây sẽ ấ h p th m m t cách t t Cách làm này n u th c hi n t t s là m t ụ đạ ộ ừ ừ ế ự ệ ố ẽ ộbước tiến dài trong lĩnh v c nông nghi p ự ệ

1.4.3 Phân đạm ure c n thi t cho cây trầ ế ồng:

chính

cây (th c v t) c n mự ậ ầ ột lượng lớn để phát tri n gể ồm có: đạm (Nitơ), lân (photpho) và kali (K)

Molypden (Mo)…

Trong đó, đạm là y u t quan tr ng nh t giúp cây phát tri n t t, nhi u cành, ế ố ọ ấ ể ố ề

đượ ực l a ch n và s d ng ọ ử ụ

1.5 Th ị trườ ng Urê trên th i và Vi t Nam ế giớ ệ

Theo B Nông nghi p và Phát tri n nông thôn, nhu cộ ệ ể ầu urê năm 2006 cả

7,05 tri u tệ ấn Trong đó, urê khoảng 1,8 tri u t n S n xuệ ấ ả ất trong nước kho ng 4,7 ảtriệ ấu t n, nh p kh u 3,5 tri u t n ậ ẩ ệ ấ

ứng nhu cầu urê trong nước và su t kh u ấ ẩ

1.5.2 Tình hình s n xuả ất và tiêu thụ urê trên th gi i ế ớ

xu t thu n l i, kinh t và th ấ ậ ợ ế ị trường phát tri n thì nhu cể ầu phân bón tăng cao Chính

vì v y, trong m t s ậ ộ ố giai đoạn tình hình kinh t ế thế ớ ất ổ gi i b n, s n xu t kh ng ả ấ ủ

bón tiêu th toàn c u l i gi m m nh, cùng v i kh ng kho ng kinh t t i nhiụ ầ ạ ả ạ ớ ủ ả ế ạ ều nước

còn 155,3 tri u tệ ấn vào năm 2008/2009 và tăng trở ạ ừ l i t cuối năm 2009 lên 163,5 triệ ấn, đạu t t 172,6 triệ ấn năm 2010/2011 và u t 176,8 tri u tệ ấn năm 2011/2012

74% sản lượng ti u th ệ ụtoàn cầu

trên 21 tri u tệ ấn, các nước Nga, Indonesia, Mỹ mỗi nước trên 6 triệu tấn, còn l i cạ ủa các nước khác

CHƯƠ NG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T V KHÍ HÓA THAN VÀ Ế Ề

liệu, nguyên liệu trong công nghiệp và dân dụng

Tác nhân khí hóa ở đây có thể là không khí, hoặc oxy thuần, hoặc hỗn hợp

-* Ứng dụng của khí hóa than trong công nghiệp:

Quá trình khí hóa các nguyên liệu chứa carbon nói chung và khí hóa than nói riêng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp như công nghiệp luyện kim, công nghiệp điện, công nghiệp gốm sứ…và đặc biệt quan trọng đó là công nghiệp hóa

trữ lượng dầu mỏ và khí thiên nhiên trên thế giới đang cạn kiệt dần, giá cả ngày càng cao và không ổn định thì các sản phẩm từ quá trình khí hóa như nhiên liệu tổng hợp (Synfuels), khí tổng hợp (Sng) có một vai trò to lớn đối với các quốc gia đang phát triển phụ thuộc phần lớn vào nguồn năng lượng từ nước ngoài như các quốc gia Đông Nam Á trong đó có Việt Nam

Hình 2.1 dưới đây cho thấy rằng nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình khí hóa rất đa dạng như từ than đá, cạn dầu của quá trình lọc dầu cho đến các phế thải nông nghiệp, phế thải thành phố Từ sản phẩm khí thu được của quá trình khí hóa, qua các quá trình tinh chế, tổng hợp đã chế tạo được sản phẩm quan trọng phục

vụ đời sống con người

Trong 10-15 năm trở lại đây công nghệ khí hóa than được phát triển trở lại một cách mạnh mẽ được thể hiện rõ trong hình 2.2

Hình 2.2 Xu hướng phát tri n c a công nghi p khí hóa than ể ủ ệ

Có rất nhiều nguyên nhân cho sự phát triển trở lại của công nghệ khí hóa than trong đó giá dầu mỏ và khí thiên nhiên liên tục tăng cao là nguyên nhân chính đáng chú ý nhất Từ năm 1983 đến 2003 giá dầu mỏ chỉ trong khoảng 20-30 usd/bbl

và 5- 6 usd/MMBtu đối với khí thiên nhiên nhưng đến năm 2005 giá dầu đã tăng vọt lên trong khoảng 55-70 usd/bbl còn khí thiên nhiên 10-15 usd/MMBtu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa dẫn đến nhu cầu năng tăng cao ở các nước lớn đông dân như Trung Quốc, Ấn Độ đã thúc đẩy việc khai thác, chế biến than như là một nguồn năng lượng thay thế một phần dầu mỏ và khí thiên nhiên ngày càng khan hiếm và đắt đỏ

Một nguyên nhân quan trọng nữa phải kể đến là khí hóa than được ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp quan trọng của mỗi quốc gia như công nghiệp hóa học, công nghiệp điện, công nghiệp luyện kim, công nghiệp tổng

phẩm của công nghệ khí hóa than đối với một số ngành công nghiệp quan trọng

Hình 2.3 Biểu đồthể ệ hi n nhu c u s d ng khí than ầ ử ụ

Xu hướng phát triển của công nghệ khí hóa than ngày nay là nhằm vào mục tiêu nâng cao được năng xuất, hiệu suất chuyển hóa than cũng như chất lượng khí than đồng thời tích hợp quá trình khí hóa than với quá trình khác như nhà máy sản xuất điện sử dụng chu trình khí hóa tích hợp IGCC (Intergrated Gasification Combined Cycle) sản xuất phân bón hay nhiên liệu lỏng

Có thể tóm tắt sơ đồ cùa các quá trình khí hóa than được sử dụng phổ biến hiện nay như sau:

a, Khí hoá than ướt liên t c t cung cụ ự ấp nhi t, s n ph m chính là Hệ ả ẩ 2, CO

b, Khí hoá than t cung c p nhiên li u t ngoài vào: ướ ấ ệ ừ

c, Khí hoá than m t cung nhi t (n u b sung oxy), cung nhi t t ngoài ẩ ự ệ ế ổ ệ ừ

d, Hydro hóa than t o nhiên li u CHạ ệ 4:

e, Dây chuy n ch t o khí thay th khí thiên nhiên k t h p khí hóa than bề ế ạ ế ế ợ ằng

kh i dây chuy n b ng cách khí hóa trên ch t khí hóa là h i n c v i oxy, sau ó ỏ ề ằ ấ ơ ướ ớ đchuy n hóa trên xúc tác t o ể ạ CH4:

Trong phạm vi ch khí than cho t ng h p hóa h c ch y u dùng dây ế ổ ợ ọ – ủ ếchuy n (a) ho c (b), ch t o khí CO, Hề ặ ế ạ 2 sau đó chuyển thành H2 trong ph n ng ả ứ

khí than m v i h n h p khí Hẩ ớ ỗ ợ 2 và N2 (khí than m - cung c p nguyên li u cho ẩ ) ấ ệ

t ng h p NHổ ợ 3; ho c dùng ặ để chế ạ t o h n h p khí v i t l ỗ ợ ớ ỷ ệ CO/H2O xác định Phục

v ụcho tổng h p metanol ợ

ph n ch y u là CO, COầ ủ ế 2, N2 với nhiệt trị khác nhau

- Khí nguyên li u cho t ng h p hóa h c: Hệ ổ ợ ọ 2 :CO2 = 1

H2= 95 ÷98%

CO + CO2 < 200ppm

- Nhiên liệu d ng khí cho luy n kim: ạ ệ

H2 + CO ≈ 95 ÷98%; H2 : CO = 3,5

CO + H2O <3 %

b sung nit ta có khí than m; ho c ch có khổ ơ), ẩ ặ ỉ ông khí, ta được khí than khô; hoặc chỉ có hydro ta được khí thay th khí thiên nhiên ế –loại khí thiên nhiên t ng h p ổ ợ

Ð i v i m t dây chuyố ớ ộ ền khí hóa người ta quan tâm đến hi u su t khí hóa, ệ ấ

Hiệu su t khấ í hóa được đặc trưng bằng lượng nhiệt thu được khi đốt cháy hoàn toàn th khể í thu được, so với lượng nhi t t a ra khi t toàn b nhiên li u rệ ỏ đố ộ ệ ắn dùng s n xuđể ả ất ra lượng khí đó

Ví dụ: dùng 1 đơn vịkhối lượng than có nhi t tr ệ ịlà Qc thu được m t th ộ ểtích khí than là V, nhi t tr cệ ị ủa khí là Qg (còn g i là nhiọ ệt thế ủ c a kh ), hi u su t khí hóa í ệ ấ( V thường tính theo khí khô)

C ng còn m t cách tính khác: hi u su t nhi t, b ng t ng nhi t trong khí ũ ộ ệ ấ ệ ằ ổ ệ

Q1 , Q2 , Q3 , Q4 ph n nhi t lý do than, h– ầ ệ ơi nước, không khí mang vào lò

Q5 , Q6, Q7 , Q8 ph n nhi t hàm cùa d u cok thu – ầ ệ ầ được ở đỉnh lò sau ngưng

t , nhi t lý c a khí than khô, ph n hụ ệ ủ ầ ơi nước, ph n dầ ầu cok trong khí than chưa ngưng tụ ế h t;

K – ệ ố h s thu h i nhi t qua h th ng gi m nhi t ồ ệ ệ ố ả ệ độ (ví d : t nụ ừ ồi hơi nhiệt

thừa), so vớ ổi t ng nhi t mang ra ệ

a Thành phần than :Trong than thường g m các nguyên t , s p theo tr t tự ồ ố ắ ậsau:

- Thành phần cháy trong than (ký hi u: C): g m các nguyên t k n và S ệ ồ ố ểtrê ở

d ng sunfua kim lo - ạ ại tính theo % khối lượng g c cháy ố

- Thành ph n khô (ký hi u: k): g m các nguyên t k trên c ng v i x : A - ầ ệ ồ ố ể ộ ớ ỉ

b Nhiệt trị ủ c a than:Chỉ lượng nhi t ệ toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn

Nhiệt trị ở ứ m c cao:

c Kích thước than : Ch ỉ kích thước cục than đưa vào lò trực ti p ế ảnh hưởng

tới trở ực, qua đó ảnh hưở l ng tới chế độ hoạt động c a lò khí hóa ủ

d Cường độ ủ c a than: Ch bỉ độ ền cơ học, nh m tránh v v n trong quá trình ằ ỡ ụ

vào mi n nhi t cao trong lò ề ệ

trình khí hoá than, chuy n sang d ng x v i thành ph n ch y u là SiOể ạ ỉ ớ ầ ủ ế 2, Fe2O3,

Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, H x này, ng v i mệ ỉ ứ ớ ột thành ph n nhầ ất định, có

m t nhiộ ệt độ nóng ch y nhả ất định - chính nhiệt độ này quyết định nhiệt độ trong lò làm việc khí hóa

g Hoạt tính c a than: ủ Chỉ ho t tính hóa h c cạ ọ ủa than, thường đặc trưng qua

tốc độ phản ứng gi a m t trong các thành ph n COữ ộ ầ 2, H2O v i than th hi n qua h ớ ể ệ ệ

s phân h y cố ủ ủa chứng (αCO2 hoặc αH2O) trong một điều kiện xác định

Hình 2.4:Các ch s cho bi t thành ph n % ch t b - theo t ng s g c cháy ỉ ố ế ầ ấ ốc ổ ố ố

Có thể hình dung t ừ than đến nguyên li u Hệ 2 + N2, cung c p cho quá trình ấ

t ng h p NHổ ợ 3, dây chuy n tr qua nhề ải ững bước chính sau :

Hoặc than khí hóa b ng ch t khí hóa gằ ấ ồm hơi nước và không khí (ho c ặkhông khí giàu oxy), chuy n thành nhiên li u khí; qua kh các h p ch t cể ệ ử ợ ấ ủa lưu

hu nh ỳ – chủ ế y u là H2S, chuy n hóa CO trên xúc tác v i s có m t cể ớ ự ặ ủa hơi nước; qua kh b ử ỏ CO2, qua kh b ử ỏ CO, đôi khi còn tiế ụp t c qua kh ử vi lượng CO, CO2 rồi vào t ng h p NHổ ợ 3 Hoặc dùng chất khí hóa gồm hơi nước và oxy, s n ph m ch y u ả ẩ ủ ế

là H2 và CO, sau đó tiế ụp t c kh t p chử ạ ất như dây chuyền trên

tháp r a CO, m t m t tách CO, m t m t b sung Nử ộ ặ ộ ặ ổ 2 vào khí H2, tr thành h n h p ở ỗ ợnguyên li u cho t ng h p NHệ ổ ợ 3

2.1.4 Những phản ứng cơ bản trong quá trình khí hóa than

Trong khuôn khổ ủ c a quá trình ch t o khí nguyên li u cho t ng h p NHế ạ ệ ổ ợ 3, ởđây chỉ đề ập đế c n quá trình s d ng ch t khí hóa là không khí ho c không khí giàu ử ụ ấ ặoxy, hơi nước

Quá trình khí hóa than di n ra song song hai lo i ph n ng, ph n ng h ễ ạ ả ứ ả ứ ệkhông đồng nh t khí r n - gi a than và ch t khí hóa; ph n ng h ng nh t - ch ấ ắ ữ ấ ả ứ ệ đồ ấ ủ

y u là gi a s n ph m th khí cế ữ ả ẩ ể ủa quá trình khí hoá Và cũng thường ch ỉ xét đến

được coi như giai đoạn chu n b - nâng nhiẩ ị ệt độ ủ c a than t nhiừ ệt độ thư ng t i ờ ớ

Quá trình sấy: bay hơi nước

thành hơi nước Ph n oxy t o thành COầ ạ 2 : tùy thu c lo i than, v i than g : 30% ộ ạ ớ ỗthan béo 20%, than đá antraxỉt và cok 10%

V i hydro: tham gia t o thành Cớ ạ 2H2là 3 ÷5 %

Với nitơ: toàn bộ nitơ nguyên tố ạ t o thành t phân t ừ ử nitơ

V i sunfua: 80% sunfua chuy n sang d ng Hớ ể ạ 2S, còn 20% lưu lại theo x ỉ

C2H2,H2S, chuy n thành hydro phân t ể ử

V i oxy còn lớ ại: sẽ ph n ng v i than t o CO ả ứ ớ ạ

Với loại than antraxit, than cok có th b qua các axit hể ỏ ữu cơ, rượu

Kết quả ủ c a các ph n ng trên t o thành khí s n ph m cả ứ ạ ả ẩ ủa giai đoạn chu n ẩ

b , c ng vị ộ ới sản ph m cẩ ủa giai đoạn khí hóa, ta được khí than

Người ta không cần quan tâm đế ốn t c đ c a các ph n ng này Vì trong lò ộ ủ ả ứkhí hóa điều c n kh ng ch cầ ố ế ủa giai đoạn này là quá trình truy n nhi t t khí s n ề ệ ừ ả

đọan này, song ch y u là các ph n ủ ế ả ứng sơ ấ c p Có th ể coi như chủ ế y u bao g m ồ

Trườ ng h p ch t khí hóa là không khí Ph n ợ ấ ả ứng như sau:

Để ổ t ng hi u ng nhi t b ng không, t l 2 ph n ng b ng 1,636 hay s n ệ ứ ệ ằ ỷ ệ ả ứ ằ ả

V ớ i khí than ư ớ t, ch t khí hóa là h ấ ơi nước - oxy, tương tự ta thu được 3,636 mol CO và 1,636 mol hydro

2.2.1 Vấn đề cân b ng c a phằ ủ ản ứng

V m t lý thuyề ặ ết – ự d a trên công th c nhiứ ệ ộng đểt đ tính h ng s cân b ng ằ ố ằ

H u h t các công th c th c nghi m u dầ ế ứ ự ệ đề ựa trên cơ sở thí nghi m trên ệgraphit Tuy v y v n có th s dậ ẫ ể ử ụng để tính toán nồng độ khí s n ph m ng thái ả ẩ ở trạ

1- Phương trình xác định h ng s ằ ốcân bằng của phả ứn ng:

suất thổi gió b ng áp suằ ất hệ P, nghĩa là: