B. Cương vị Biến đổi CO
Nhiệm vụ:
Cương vị Biến đổi CO dùng hơi nước để chuyển hóa CO trong khí than ẩm thành khí CO2 và H2 với sự có mặt của xúc tác là Co-Mo trong các lị biến đổi. Khí H2 làm ngun liệu cho q trình tổng hợp NH3, cịn khí CO2 được loại bỏ bằng phương pháp hấp thụ được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp urea và các sản phẩm chủ lực khác như CO2 lỏng, rắn.
Hỗn hợp khí ra khỏi cương vị chuyển hóa CO gọi là khí biến đổi, có hàm lượng CO ≤ 2,0%.
Lý thuyết q trình biến đổi CO bằng hơi nước:
− Phản ứng biến đổi CO bằng hơi nước:
Đặc điểm là thuận nghịch, tỏa nhiệt, thể tích trước và sau khơng đổi và chỉ xảy ra mãnh liệt khi có xúc tác thích hợp.
− Cơ chế phản ứng:
H2O + [K] = H2 + [K]O CO + [K]O = CO2 + [K] Ở đây [K] là chất xúc tác và [K]O là chất trung gian.
Trong thực tế đang dùng chất xúc tác Co-Mo ký hiệu kỹ thuật là HB-3 và HB-4. Đây là loại phù hợp cho các nhà máy phân đạm cỡ vừa và nhỏ sử dụng nguyên liệu đi từ than, dầu mỏ, khí thiên hiên hay khí đồng hành.
− Hiệu ứng nhiệt của phản ứng được biểu diễn bởi phương trình:
Trong đó:
Q – Hiệu ứng nhiệt, KJ/mol; T – Nhiệt độ phản ứng, K.
− Hiệu suất biến đổi CO được tính theo cơng thức:
Trong đó:
– Hiệu suất biến đổi CO;
– Hàm lượng % CO trong khí than ẩm; - Hàm lượng % CO trong khí biến đổi.
− Hằng số cân bằng có thể tính tốn theo nhiệt độ phản ứng:
− Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng:
+ Nhiệt độ;
+ Tỷ lệ khí/hơi;
+ Áp suất;
+ Nồng độ CO2;
+ Xúc tác đẩy nhanh tốc độ đạt đến cân bằng;
+ Phản ứng phụ.
Lưu trình cơng nghệ:
Chất xúc tác Co-Mo (HB-3, HB-4):
Thành phần hóa học của chất xúc tác Co-Mo chủ yếu là CoO > 19% và MoO3> 7% trên chất mang là γ – Al2O3 và các chất trợ/ ổn định đặc biệt khác.
Tính chất vật lý:
+ Hình cầu;
+ = 3 – 5, 4 – 6 hoặc 5 – 7 mm;
+ Tỷ trọng đống = 0,8 – 1kg/L;
+ Bề mặt riêng = 180 m2/g;
+ Cường độ nén điểm ≥ 35N/ viên;
+ Nhiệt độ làm việc 180 – 240oC.
Khí than ẩm ra khỏi đoạn III của máy nén 6 cấp có áp suất 2,05MPa, nhiệt độ ≤ 40oC được đưa vào công đoạn biến đổi. Đầu tiên qua bộ phân ly dầu, sau đó qua bộ lọc bằng than cốc để khử hết dầu, bụi và các tạp chất khác rồi đi vào đường ống của thiết bị trao đổi nhiệt với khí biến đổi từ lị biến đổi số 2 đi ra, sau đó được hỗn hợp với hơi nước quá nhiệt ở áp suất 2,5 MPa và đi vào bộ trao đổi nhiệt khí than. Khí than ra khỏi bộ trao đổi nhiệt được hỗn hợp với khí than lạnh tạo thành hỗn hợp khí có nhiệt độ 180 – 210oC, tỷ lệ hơi nước/khí ≈ 0,3 rồi đi vào đỉnh lị biến đổi số 1. Tại đây, khí than lần lượt qua các tầng chất bảo vệ, tầng chống độc, chống O2 và tầng xúc tác biến đổi chịu lưu huỳnh. Một phần khí CO bị chuyển hóa, nhiệt độ khí đạt 350 – 360oC đi ra khỏi đáy lò biến đổi số 1, đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí than, nhường một phần nhiệt cho khí than rồi đi vào bộ làm lạnh nhanh 1, qua tầng đệm trên khí được làm lạnh trực tiếp bằng nước ngưng từ bơm, sau đó có thể bổ sung thêm hơi nước để điều chỉnh tỷ lệ hơi nước/khí rồi đi qua tầng đệm dưới. Hỗn hợp khí lúc này có nhiệt độ 180 – 210oC đi vào đoạn trên lò biến đổi số 2 tiếp tục tiến hành phản ứng chuyển hóa CO, nhiệt độ đạt khoảng 300 – 320oC rồi đi ra và qua bộ làm lạnh nhanh số 2. Ở tầng đêm trên, khí lại được làm lạnh bằng nước phun trực tiếp từ bơm sau đó đi qua tầng đệm phía dưới để phân ly nước ngưng, hỗn hợp khí có nhiệt độ khoảng 180 – 210oC tiếp tục đi vào đoạn dưới của lò biến đổi số 2 lần lượt đi qua 2 tầng xúc tác biến đổi chịu lưu huỳnh, phần khí CO cịn lại tiếp tục bị chuyển hóa. Khí biến đổi có nhiệt độ ≤ 250oC, nồng độ CO ≤ 1,5% ra khỏi lò biến đổi số 2, đi vào không gian giữa các ống của thiết bị trao đổi nhiệt khí biến đổi, nhường mọt phần nhiệt cho khí than ẩm, tiếp tục qua thiết bị gia nhiệt cho dung dịch K2CO3 bằng khí biến đổi của hệ thống tái sinh tăng áp dung dịch khử CO2 để thu hồi nhiệt một lần nữa, sau đó là khâu khử H2S trong khí biến đổi.
Hơi nước có áp suất 2,5MPa từ xưởng Nhiệt điện đến lần lượt hỗn hợp với khí than ẩm trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí than và hỗn hợp khí sau khi ra khỏi tầng đệm phía trên ở bộlàm lạnh nhanh 1 để điều chỉnh tỷ lệ hơi nước/khí.
Nước ngưng thu hồi ở hệ thống khử CO2 được đưa vào thùng chứa nước ngưng, qua bơm tăng áp lần lượt được phun vào các bộ làm lạnh nhanh 1 và 2 để khống chế nhiệt độ hỗn hợp khí vào 2 đoạn xúc tác của lị biến đổi số 2. Ngồi ra nước ngưng cịn được phun vào đường hơi nước 0,5MPa để hạ nhiệt độ từ 240oC
xuống còn 180oC dùng cho hệ thống khử CO2 và một phần nước ngưng dư thừa cấp trở lại xưởng Nhiệt điện.
Các chỉ tiêu cơng nghệ chính:
Áp suất