5.1. Cơ sở của công nghệ khí hóa than ngầm
5.1.3. Các phản ứng trong quá trình khí hoá than
Quá trình khí hoá than là quá trình xảy ra các phản ứng và giải phóng năng lượn, gồm các phản ứng sau:
- Phản ứng cháy(toả nhiệt) của than, hidro, oxit carbon và khí metan:
C + O2 = CO2 + 394 kJ/mol; (2.1)
2C + O2 = 2CO + 221 kJ/mol; (2.2)
H2 + ẵ O2 = H2O + 242 kJ/mol; (2.3) CO + ẵ O2 = CO2 + 286 kJ/mol; (2.4) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 801 kJ/mol; (2.5) - Phản ứng thu nhiệt của carbonic và hơi nước:
CO2 + C = 2CO – 173 kJ/mol; (2.6) H2O + C = CO + H2 – 130 kJ/mol; (2.7) 2H2O + C = CO2 + 2H2 – 80,3 kJ/mol; (2.8) - Phản ứng trao ủổi:
CO + H2O = CO2 + H2 + 41,8 kJ/mol; (2.9) CO + 3H2 = CH4 + H2O + 205 kJ/mol; (2.10)
C + 2H2 = CH4 + 75,3 kJ/mol. (2.11)
Cỏc phản ứng trờn chưa tớnh ủến ủiều kiện và sự hoàn thành phản ứng.
Nguồn năng lượng chớnh, cần thiết cho sự biến ủổi than thành khớ là quỏ trỡnh khớ hoỏ, nhiệt lượng cần thiết cho khớ hoỏ chủ yếu ủược giải phúng từ cỏc phản ứng(2.1) – (2.5), (2.9), (2.10) nhiệt lượng này cung cấp ủiều kiện cho cỏc phản ứng(2.6) – (2.8) và cho quỏ trỡnh phõn ró than(giai ủoạn 1).
Theo cỏch ủú, trong quỏ trỡnh chỏy khụng hoàn toàn của chất ủốt (quỏ trỡnh khớ hoá), nhiệt lượng chỉ giải phóng một phần, gọi là nhiệt lượng vật lý, kí hiệu là QF, nhiệt lượng này giải phóng theo sản phẩm khí hoá, và thất thoát một phần vào môi trường xung quanh, phần cũn lại là nhiệt năng, bao gồm cỏc thành phần khớ ủốt cú trong sản phẩm khí hoá gọi là nhiệt lượng hoá học, kí hiệu là QX.
Tổng nhiệt lượng của than (QT) bằng tổng nhiệt lựong vật lý và hoá học:
QT = QF + QX (2.12)
Chia cả 2 vế của phương trỡnh(2.12) cho QT, ta nhận ủược phương trỡnh:
= + =η+ϕ
T X T F
Q Q Q
1 Q (2.13)
Trong ủú: =η
T X
Q
Q hệ số nhiệt lượng hoá của khí;
=ϕ
X F
Q
Q hệ số nhiệt lượng vật lý trong quá trình khí hoá.
Trong ủiều kiện lý tưởng, hệ số nhiệt lượng vật lý φ = 0, hệ số nhiệt lượng hoỏ học sẽ là η = 1, trên thực tế η < 1 và φ > 0.
Phương phỏp khớ hoỏ “luồng khớ lưu” hướng tới việc chỏy hoàn toàn chất ủốt, tức là hệ số nhiệt lượng hoỏ η hướng tới 0, và toàn bộ nhiệt năng của chất ủốt sẽ ủược chuyển ủổi thành nhiệt năng ủi cựng khớ sản phẩm, φ hướng tới 1.
Tỷ lệ CO/CO2 cũn ảnh hưởng ủến cường ủộ chỏy của cỏcbon: trong phản ứng (2.2) lượng cácbon tham gia phản ứng gấp hai lần trong phản ứng(2.1); do sự khác biệt giữa nhiệt bờn ngoài của cỏc phản ứng (2.1) và (2.2) quy ủịnh chế ủộ chỏy của carbon và cỏc phản ứng khác.
Cỏc phản ứng (2.4) và (2.6) ảnh hưởng tới cường ủộ chỏy của carbon và hạn chế các phản ứng (2.1) và (2.2).
Phản ứng (2.7), (2.8) và (2.9) chỉ thực sự ảnh hưởng ủến sự tạo khớ khi cú sự tham gia một lượng lớn hơi nước. ðây là những phản ứng có ý nghĩa thực tế rất lớn trong quá trình khí hóa than ngầm.
Phản ứng (2.7) cú tốc ủộ nhanh hơn nhiều lần so với phản ứng (2.6), tốc ủộ của mỗi phản ứng khụng chỉ ảnh hưởng tới nhiệt ủộ tại khu vực phản ứng mà cũn xỏc ủịnh ỏp suất của hỗn hợp khớ tạo thành; phản ứng (2.7) luụn diễn ra trước, ủến khi lượng hơi nước tham gia ủủ lớn thỡ phản ứng (2.6) mới xảy ra, nguyờn nhõn là do tỷ lệ CO trong khớ sản phẩm tăng cao do khớ ủầu vào sử dụng hỗn hợp hơi nước– khụng khớ, hơi nước–
oxy. Tớnh chất ủú cho thấy tỷ lệ khớ H trong khớ sản phẩm tăng nhanh hơn tỷ lệ CO.
Các phản ứng tạo khí metan (2.10), (2.11) chỉ xảy ra khi áp suất 100 – 300 Kpa.
Oxy cú trong khụng khớ tham gia vào phản ứng (2.1) và (2.2), và một phần nào ủú tham gia vào các phản ứng (2.3), (2.4) và (2.5); tới khoảng cách 10m từ lỗ khoan bơm khớ ủầu vào, oxy gần như ủó chỏy hết, cũng tại khoảng cỏch ủú thành phần CO trong khớ vào khoảng 25%, tỷ lệ CO/CO2 ủạt mức cao(≈ 4) chứng tỏ nhiệt ủộ tăng cao tại khu vực toả nhiệt và và sự tham gia của hơi nước là rất ít.
Sự suy giảm thành phần khớ CO và tăng tỷ lệ CO2 và H2 (ủặc biệt từ 30m) chứng tỏ sự thay ủổi cường ủộ của phản ứng (2.9), tiếp diễn cho tới khoảng cỏch 100m.
Trong quỏ trỡnh khớ hoỏ than chịu ảnh hưởng cơ bản bởi cỏc luồng hơi nước, ủú là nguyờn nhõn dẫn ủến tỷ lệ khớ CO2 cao trong khớ sản phẩm, cũn khớ CO cú tỷ lệ thấp.
Phản ứng (2.9) xảy ra trong kênh phản ứng làm giảm nhiệt lượng cháy của khí sản phẩm do thay thế oxit carbon bởi hidro và khí CO2.
Trong quỏ trỡnh khớ hoỏ than dưới lũng ủất, khu vực xảy ra cỏc phản ứng giải phúng nhiệt (2.1) – (2.5) ủược gọi là khu vực toả nhiệt, ủõy là khu vực cú mức ủộ giải phúng nhiệt lớn nhất, cú thể cung cấp ủiều kiện nhiệt cho cỏc phản ứng khỏc xảy ra như phản ứng (2.6) – (2.8).
(a) (b)
Hỡnh 5.3. Sự thay ủổi thành phần khớ theo chiều dài kờnh phản ứng.
a – phản ứng trong ủiều kiện tương ủối khụ rỏo; b-phản ứng với sự tham gia của nước dưới ủất.
Sự cháy của than dạng cốc với các phân tử oxy không chỉ xảy ra trên bề mặt mà cũn diễn ra bờn trong khối than với mức ủộ khỏc nhau phụ thuộc vào ủiều kiện cụ thể của từng phản ứng.
Trên thực tế trong các kênh phản ứng tại vỉa than, quá trình cháy của carbon không chỉ xảy ra gần bề mặt mà còn ở trong những khe nứt lớn. Mặt khác, dưới nền của kênh phản ứng cú thể tồn tại những khối than rơi từ vỏch và núc lũ do tỏc ủộng của ỏp lực ủất ủỏ bao quanh.
Tại bề mặt của kờnh phản ứng, nhiờt ủộ vào khoảng 1400 – 1600 ºC, phản ứng chỏy cú thể xảy ra bờn trong khối than, do nhiệt ủộ tăng cao dẫn tới sự hỡnh thành cỏc khe nứt lớn tại vỉa than; quá trình tạo khí không chỉ xảy ra trên bề mặt gương lò mà còn xảy ra trờn bề mặt cỏc khe nứt lớn ủú.
Sau khi chỏy và giải phúng khớ, dưới tỏc dụng của ỏp lực mỏ, cỏc khối than bắt ủầu bở rời và rơi xuống từ núc ủường lũ tạo thành một kờnh phản ứng mới. Quỏ trỡnh ủú ủược gọi là một giai ủoạn; vỉa than càng nằm sõu trong lũng ủất, bề dày vỉa càng lớn, thỡ
mỗi giai ủoạn trờn sẽ càng ngắn. Mặt khỏc, dưới tỏc dụng của ỏp lực mỏ tỏc dụng lờn vỉa than làm cho vỉa dần mất ủi sự cõn bằng.
Căn cứ vào sự hỡnh thành ủú của kờnh phản ứng, giai ủoạn II của quỏ trỡnh khớ hoỏ cũng diễn ra không chỉ ở trên bề mặt và bên trong các khe nứt mà còn ở những lớp than bị tách ra và rơi xuống.
Bề mặt chỏy của cỏc lũ ngang ủược gọi là gương lũ, than bắt ủầu ủược ủốt trờn bề mặt cỏc lũ ngang, vỉa than sẽ chỏy dần từ dưới lờn trờn theo ủú, gương lũ di chuyển dần theo hướng cắm của vỉa than.
Trong quỏ trỡnh ủốt, ủất ủỏ vỏch và tro than sẽ rơi xuống, giữ cho gương lũ luụn luụn cú khoảng trống ủể luồng khụng khớ ủi qua. Khớ ủược thổi vào ủi qua gương lũ, ủốt chỏy than tạo thành khớ núng và ủược dẫn ra ngoài.
1- Vỉa than
2- Xỉ than và ủất ủỏ rơi từ vách xuống
3- Gương lò;
4-Lỗ khoan thu hồi khí 5-Lỗ khoan thổi khí vào 6-ðường lò ngang.