Nghiên cứu thiết bị phản ứng xúc tác dị thể và quá trình điều chế, sử dụng zeolite X trong khí hóa than bùn

HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC15DK 1. Tên Luận Văn: (Tiếng Việt): Nghiên cứu thiết bị phản ứng xúc tác dị thể và quá trình điều chế, sử dụng zeolite X trong khí hóa than bùn. 2. Tên Luận Văn: ( Tiếng Anh ): Researching heterogeneous catalytic reaction equipment and process of preparation, using zeolite X in peat gasification. 3. Nhiệm vụ: Tổng quan về tài liệu Điều chế zeolite X Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống thiết bị Khảo sát quá trình khí hóa than bùn 4. Ngày giao luận văn: 1512018 HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC15DK 1. Tên Luận Văn: (Tiếng Việt): Nghiên cứu thiết bị phản ứng xúc tác dị thể và quá trình điều chế, sử dụng zeolite X trong khí hóa than bùn. 2. Tên Luận Văn: ( Tiếng Anh ): Researching heterogeneous catalytic reaction equipment and process of preparation, using zeolite X in peat gasification. 3. Nhiệm vụ: Tổng quan về tài liệu Điều chế zeolite X Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống thiết bị Khảo sát quá trình khí hóa than bùn 4. Ngày giao luận văn: 1512018 HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC15DK 1. Tên Luận Văn: (Tiếng Việt): Nghiên cứu thiết bị phản ứng xúc tác dị thể và quá trình điều chế, sử dụng zeolite X trong khí hóa than bùn. 2. Tên Luận Văn: ( Tiếng Anh ): Researching heterogeneous catalytic reaction equipment and process of preparation, using zeolite X in peat gasification. 3. Nhiệm vụ: Tổng quan về tài liệu Điều chế zeolite X Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống thiết bị Khảo sát quá trình khí hóa than bùn 4. Ngày giao luận văn: 1512018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ, SỬ DỤNG ZEOLITE X TRONG KHÍ HĨA THAN BÙN GVHD: TS.TRẦN HẢI ƯNG SVTH: THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ, SỬ DỤNG ZEOLITE X TRONG KHÍ HĨA THAN BÙN GVHD: TS.TRẦN HẢI ƯNG SVTH: THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2019 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA MINH VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MƠN KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC15DK Tên Luận Văn: (Tiếng Việt): Nghiên cứu thiết bị phản ứng xúc tác dị thể trình điều chế, sử dụng zeolite X khí hóa than bùn Tên Luận Văn: ( Tiếng Anh ): Researching heterogeneous catalytic reaction equipment and process of preparation, using zeolite X in peat gasification Nhiệm vụ: - Tổng quan tài liệu - Điều chế zeolite X - Thiết kế, chế tạo lắp đặt hệ thống thiết bị - Khảo sát trình khí hóa than bùn Ngày giao luận văn: 15/1/2018 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 1/6/2018 Họ tên người hướng dẫn: TS TRẦN HẢI ƯNG BM Chế Biến Dầu Khí Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018 CHỦ NHIỆM BỘ MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH TS ĐÀO THỊ KIM THOA PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người phản biện: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: LỜI CẢM ƠN Đề cương nghiên cứu luận văn bước đầu cho sinh viên tìm hiểu đề tài nghiên cứu luận văn suốt trình học tập mái trường Đại học Đề cương luận văn giúp cho sinh viên tìm hiểu vấn đề đặt giải nhiệm vụ yêu cầu luận văn tới Để hoàn thành đề cương luận văn này, em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, đặc biệt quý thầy cô Bộ mơn Kỹ thuật Chế Biến Dầu Khí dẫn dắt truyền đạt cho chúng em kiến thức quý giá suốt thời gian học tập vừa qua năm học Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Hải Ưng tận tình hướtng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đề cương luận văn Em xin cảm ơn bạn tận tình chia tài liệu giúp đỡ em tận tình trình làm đề cương luận văn Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Sinh Viên TÓM TẮT ĐỀ CƯƠNG Ngày nguồn than bùn trở thành mục tiêu quan trọng nghiên cứu vào năm gần đây, có tiềm q trình khí hóa với xúc tác để tạo nguồn nhiên liệu cho ứng dụng đời sống người.Trong khuôn khổ nội dung đề cương luận văn này, giới thiệu sơ lược tổng quan zeolite, than bùn, khí hóa than bùn, khuôn khổ này, trình làm tìm hướng thiết yếu, tạo suất nhiên liệu đạt tối đa Với xúc tác zeolite X tạo sản phẩm mong muốn DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT SUB: Secondary Building Units FAU: Faujasite MFI: Mobil Five DANH MỤC BẢNG Bảng Các thông số zeolite A 9 10 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN 4.TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN 4.1 Giới thiệu chung khí hóa than Khí hóa than phương pháp toàn diện để chuyển hóa than, nguồn nguyên liệu rẻ tiền sẵn có với trữ lượng khổng lồ nhiều nơi giới, thành nguyên liệu hoá chất quan trọng CO, H2, Khí hóa than q trình tổng cộng phản ứng đồng thể dị thể nhiên liệu rắn chứa cacbon Phụ thuộc vào mục đích q trình khí hóa, nhận sản phẩm khí chứa CO, H CH4 Hỗn hợp khí sản phẩm có chứa (CO + H ) có tỷ lệ khác cấu tử dùng cho q trình tổng hợp hóa học 4.2 Các loại khí than Tùy theo tác nhân khí hóa mà người ta thu sản phẩm khác khí than khơ, khí than ướt hay khí than hỗn hợp,… 4.2.1 Khí than khơ Khí than khơ khí than nhận tác nhân khí hóa khơng khí Tại vùng khí hóa sảy phản ứng sau: C + O2 2C + O2 C + CO2 2CO + O2 CO2 ( 3.1 ) 2CO ( 3.2 ) 2CO ( 3.3 ) 2CO2 ( 3.4 ) Trong , phản ứng (3.1) (3.2) tiến hành đến tận cùng, phản ứng (3.3) ( 3.4) tiến hành thuận nghịch Đa số phản ứng phản ứng tỏa nhiệt, dẫn tới tăng nhiệt độ 45 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN vùng khí hóa, kết làm cho mẫu than mềm nóng chảy tạo thành cục xỉ lớn Khí than khơ có nhiều nhược điểm, chủ yếu khả sinh nhiệt thấp, tổng hàm lượng CO, H thấp Tổn thất nhiệt trình sản xuất cao nhiệt độ sản phẩm khí khỏi lò cao (800÷9000C), hiệu suất khí thấp Do thành phần khí than khơ có hàm lượng CO H2 thấp, nên giá trị sử dụng giá trị kinh tế thấp Trong trường hợp khí có hàm lượng H thấp CO cao ứng dụng để tổng hợp hóa học 4.2.2 Khí than ướt Khí than ướt sản phẩm nhận trình khí hóa than tác nhân khí hóa nước Trong vùng oxy hóa tiến hành phản ứng sau: C + H 2O = CO + H2 ( 3.5 ) C + 2H2O = CO2 + 2H2 ( 3.6 ) CO + H2O = CO2 + H2 ( 3.7 ) C + CO2 = 2CO ( 3.8 ) Phản ứng phân hủy nước kèm theo thu nhiệt, nhiệt độ cao phản ứng phân hủy nước mãnh liệt chủ yếu theo phản ứng ( 3.5 ) Sự phân hủy phụ thuộc vào hoạt tính nhiên liệu Khí CO thu phản ứng ( 3.6 ) ( 3.7 ) tác dụng với than cốc nung đỏ vùng khử nằm phía vùng khí hóa để tạo thành khí CO ( 3.8) Khí than ướt chủ yếu để tổng hợp hóa học Vì ngun liệu có nhiều H2 nên khí than ướt thường dùng để tổng hợp NH 3, làm nhiên liệu 46 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN 4.3 Một số cơng nghệ khí hóa than Mỗi loại than sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều phương pháp khí hóa than khác Tùy thuộc kích cỡ than đưa vào lò khí hóa mà áp dụng ba kiểu cơng nghệ khí hóa phổ biến là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng sơi khí hóa than dòng - Than cục to, đường kính 10 - 100mm: thích hợp kiểu cơng nghệ khí hóa than tầng cố định - Than cục nhỏ, đường kính - 10mm: thích hợp cơng nghệ khí hóa than tầng sơi - Than cám, đường kính - 2mm: thích hợp cơng nghệ khí hóa than dòng (khơ ướt) 4.3.1 Khí hóa than tầng cố định Khí hóa than tầng cố định thích hợp cho cục than đưa vào to có đường kính 10-100 mm, có loại tầng cố định khí hóa thuận khí hóa nghịch 4.3.1.1 Q trình khí hóa nghịch Theo phương pháp than nạp vào từ đỉnh lò xuống phía dưới, gió (khơng khí, nước ) vào lò từ đáy lò sản phẩm khí cửa lò phía Như gió than ngược chiều 47 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN Hình Q trình khí hóa nghịch  Q trình khí hóa nghịch có đặc điểm : - Phân chia chiều cao lò thành vùng phản ứng, vùng kế - tiếp vùng Tóm tắt nhiệt độ vùng sau: to vùng cháy > to vùng khử > to vùng bán cốc > to vùng sấy Như nhiệt lượng vùng cháy phân phối cho vùng khác để thực q trình khí hóa Các vùng lò có đặc điểm sau: - Vùng xỉ: Vùng chủ yếu chứa xỉ để chuẩn bị đưa khỏi lò, nhiệt độ tương đối thấp, nhiên oxy có phản ứng với phần than lại xỉ nóng nên hàm lượng oxy giảm chút Ở vùng chủ yếu không khí gia nhiệt để - tiếp vào vùng cháy Vùng oxy hóa: Trong vùng oxy hóa xảy phản ứng cháy cacbon 4C + 3O2 ↔ 2CO + 2CO2 + 529 kJ/mol 48 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN - Vùng khử: Trong vùng CO2 nước từ vùng cháy vào gây phản ứng sau: C + CO2 = 2CO C + H2O = CO + H2 C + 2H2O = CO2 + 2H2  162 kJ/mol + 119 kJ/mol + 42 kJ/mol Đây phản ứng quan trọng vùng khử phản ứng tạo khí dùng làm khí đốt dùng làm ngun liệu cho cơng nghiệp tổng hợp hóa học (CO H 2) sản xuất phân đạm hóa chất khác Vùng nhiệt phân: Khí khỏi vùng khử có nhiệt độ giảm vào vùng nhiệt phân Nhiệt khí (nhiệt độ khoảng 500÷700 C) cung cấp cho than vùng bán cốc Nếu than dùng cho khí hóa than biến tính thấp (như than nâu, than bùn, ) bị bán cốc hóa, sản phẩm phân huỷ than chứa nhiều hydrocacbon khí CO2 Kết khí sản phẩm khơng chứa CO, H 2, CO2 mà có hợp chất hữu khác sản phẩm khí thuận lợi dùng làm nhiên liệu không thuận lợi cho trình tổng hợp hóa học Nếu than dùng cho q trình khí hóa than antraxit cho sản phẩm khí CO, H có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho q trình tổng hợp hóa học Vùng sấy khô: Tầng tầng phân hủy cacbon, tầng bề mặt nhiên liệu than Khí hóa than nóng lên gặp phải than đổ vào trao đổi nhiệt với làm cho hàm lượng nước than bị bốc nhiệt Than sấy khơ 4.3.1.2 Q trình khí hóa thuận Q trình khí hóa thuận tiến hành lò khí hóa, than đổ từ đỉnh lò xuống dưới, gió từ phía lò chiều với than xuống phía Sản phẩm khí q trình khí hóa phía đáy lò 49 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN Hình Q trình khí hóa thuận  Q trình khí hóa thuận có đặc điểm : - Theo đường gió vào, từ xuống bao gồm vùng sau: Vùng sấy khô → Vùng nhiệt phân → Vùng cháy( vùng oxi hóa ) → Vùng khử → Vùng tro xỉ Than sau sấy bị nhiệt phân, sau cháy tiếp vào vùng khử Sản phẩm trình nhiệt phân vùng bán cốc khơng ngồi mà tiếp tục qua vùng cháy, vùng khử vùng tro xỉ ngồi với khí than Đặc điểm vùng tương tự khí hóa nghịch trình bày - Hình thức trao đổi nhiệt lò khí hóa thuận : 50 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN Trong lò khí hóa thuận, vùng có nhiệt độ cao vùng cháy, có xu hướng trao đổi nhiệt với khu vực xung quanh Nhiệt truyền cho vùng khử chủ yếu q trình đối lưu, nhiệt truyền lên phía (vùng cốc hóa) chủ yếu khí than Ảnh hưởng trình bán cốc (nhiệt phân than) q trình khí hóa thuận: Trong lò khí hóa thuận, sản phẩm trình nhiệt phân (bán cốc) phải qua khu vực cháy, có dư oxy nhiệt độ cao nên đại phận khí chất lỏng nhiệt phân bị cháy bị phân hủy tiếp, nên sản phẩm trình khí hóa thuận chủ yếu có CO, H2, H2O, lượng nhỏ loại nhựa, hydrocacbon Hàm lượng nhựa q trình khí hóa thuận thấp, khơng q 0,3÷0,5 g/m3, khí sản xuất theo q trình khí hóa nghịch có hàm lượng nhựa cao, đến 30÷40 g/m Sản phẩm khí từ q trình khí hóa thuận có chất lượng tốt từ q trình khí hóa nghịch nên khí dùng để chạy động đốt chế biến hóa học 4.3.1.3 Q trình khí hóa liên hợp Q trình khí hóa liên hợp q trình kết hợp phương pháp khí hóa thuận phương pháp khí hóa nghịch thiết bị  Ưu nhược điểm phương pháp khí hóa liên hợp: Q trình khí hóa thuận có ưu điểm sản phẩm có hàm lượng nhựa bé, khuyết điểm có phần than chưa tham gia hòan tồn vào phản ứng khí hóa bị thải Q trình khí hóa nghịch có ưu điểm than tham gia hòan tồn vào phản ứng cháy khử Q trình khí hóa liên hợp khắc phục nhược điểm hai q trình khí hóa Song khó khăn lớn phương pháp liên hợp vận tốc gió đưa từ lên lớn chúng có khả thừa oxy, lên gây cháy sản phẩm khí CO, H Nếu vận tốc gió q bé, lượng than lại tro xỉ lại tăng lên 51 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN Do phương pháp khí hóa liên hợp có ưu điểm dùng hạn chế, dùng để sản xuất khí chạy động từ loại than có độ tro cao than bùn 4.3.2 Khí hóa kiểu tầng sơi Than cám than bụi có kích thước hạt nhỏ 0-10mm 02mm, xếp loại than vào lò khí hóa trở lực lớp than lớn Vì khí hóa dạng chặt tầng cố định phải dùng tốc độ gió lớn khắc phục trở lực để đảm bảo cho lò có suất định Nhưng tăng tốc độ gió khơng tránh khỏi có số hạt than "sơi" lên, số hạt có kích thước nhỏ lại bay lơ lửng khí bay ngồi lò phản ứng Như chế độ khí hóa kiểu tầng cố định khơng giữ ngun chế độ hoạt động Do loại than cám, than bụi phải áp dụng phương pháp khí hóa khác, phương pháp khí hóa than theo phương pháp tầng sơi dạng dòng  Ngun lý khí hóa than kiểu tầng sơi: Theo phương pháp khí hóa than tầng sơi nhiên liệu gió hướng từ đáy lò Nhiên liệu sơi lơ lửng lò khí đốt tạo Khí sản phẩm cửa đỉnh lò qua thiết bị lọc bụi, trước đưa vào sử dụng Hình Q trình khí hóa kiểu tầng sơi 52 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA THAN BÙN 4.3.3 Khí hóa than dòng lơi Tương tự khí hóa than kiểu tầng sơi khí hóa than kiểu lôi dùng cho than cám, than bụi đường kính nhỏ cỡ 0-2 mm  Nguyên lý khí hóa than dòng lơi : Hình 4 Q trình khí hóa kiểu dòng lơi Tương tự khí hóa kiểu tầng sơi phương pháp khí hóa than kiểu dòng lơi nhiên liệu khơng khí cấp vào hướng từ đáy lò Nhiên liệu sơi lơ lửng lò khí đốt tạo Khí sản phẩm cửa đỉnh lò qua thiết bị lọc bụi thứ Theo công nghệ người ta phải tăng áp cửa vào lò dòng Trong q trình khí hóa áp suất tăng lên 53 ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ KHÍ H ĨA THAN BÙN 5.ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA THAN BÙN 5.1 Thiết bị khí hóa 54 ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ KHÍ HĨA Hình Thiết bị phản ứng khí hóa 5.2 Sơ đồ quy trình Xúc tác Sp Khí Nguyên liệu Làm Rây Phản ứng Khí O2 Ngưng tụ Sp lỏng Làm khí Phân tích Hình Sơ đồ quy trình cơng nghệ 55 ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ KHÍ H ĨA THAN BÙN Thuyết minh quy trình Than bùn ban đầu làm loại bỏ tạp chất: rác, cây…, sau qua rây để  phân loại kích thước hạt Khi khảo sát q trình khí hóa, ngun liệu xúc tác đưa vào hai tầng riêng biệt bình phản ứng Bình phản ứng dạng ống, phản ứng tầng cố định, bên ngồi bình phản ứng có lắp điều khiển tốc độ gia nhiệt Khi khí hóa sản phẩm lỏng giữ lại hệ thống ngưng tụ, thành phần khí khơng ngưng sau khỏi thiết bị ngưng tụ dẫn qua hệ thống làm khi.Sau sản phẩm khí lấy mẫu để phân tích 56 ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ KHÍ H ĨA THAN BÙN 57 TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN STT Kế hoạch thực Tìm kiếm thơng tin tài liệu than bùn, zeolite X, khí hóa than bùn nội dung liên quan Tiến hành tổng hợp Zeolite X Chế tạo lắp đặt hệ thống thiết bị Khảo sát trình khí hóa than bùn Xử lý số liệu viết luận văn Tuần 1-2 3-4 5- 10 - 13 14 - 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Ts Trần Thanh Sơn, “Nghiên cứu q trình hóa khí than thiết kế, chế tạo lò hóa khí Phục vụ thí nghiệm” 12-2013 E.KurkelaP.StåhlbergP.SimellJ.Leppälahti “Updraft gasification of peat and biomass” Volume 19, Issues 1–2, 1989, Pages 37-46 MarkusCarlborg, FredrikWeiland, harlieMa, RainerBackman, IngvarLandälv, HenrikWiinikka “Exposure of refractory materials during high-temperature gasification of a woody biomass and peat mixtur”.Volume 38, Issue 2, February 2018, Pages 777-787 Ewa J.Marek, YaoyaoZheng, tuart A.Scott “Enhancement of char gasification in CO2 during chemical looping combustion” Volume 354, 15 December 2018, Pages 137-148 JiaYu,Joseph D.Smith “Validation and application of a kinetic model for biomass gasification simulation and optimization in updraft gasifiers” Volume 125, March 2018, Pages 214-226 VittoriaBenedetti,FrancescoPatuzzi,MarcoBaratieri “Characterization of char from biomass gasification and its similarities with activated carbon in adsorption applications” Volume 227, October 2018, Pages 92-99 E.Kurkela “Status of peat and biomass gasification in Finland” Volume 18, Issues 3–4, 1989, Pages 287-292 ... KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG X C TÁC DỊ THỂ VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ, SỬ DỤNG ZEOLITE X TRONG KHÍ HĨA THAN BÙN GVHD: TS.TRẦN... BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC15DK Tên Luận Văn: (Tiếng Việt): Nghiên cứu thiết bị phản ứng x c tác dị thể trình điều chế, sử dụng zeolite X khí hóa than bùn Tên Luận Văn: ( Tiếng Anh ): Researching heterogeneous... việc sử dụng nguồn nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ 15 ĐẶT VẤN ĐỀ Trên sở nhận thức đó, đề tài luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu thiết bị phản ứng x c tác dị thể trình điều chế, sử dụng zeolite X khí