Công nghệ chuyển hóa than - Phần 8: Công nghệ khí hóa than

PHẦN 8 CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN Giảng viên : Văn Đình Sơn Thọ Phone : 097.360.4372 thovds-petrochem@mail.hut.edu.vn Địa chỉ load bài giảng : https://sites.google.com/site/vandinhsontho  Khí hóa than đó là phản ứng oxy hóa không hoàn toàn phần hữu cơ của than dưới tác dụng của oxy, hơi nước hoặc các tác nhân oxy hóa khác.  Quá trình khí hóa than xảy ra ở nhiệt độ cao (800oC-1800oC) để thu được khí H2 và CO.  Trong công nghiệp hỗn hợp khí này thường được đốt trong các lò công nghiệp ( chủ yếu nhà máy nhiệt điện, xy măng, ceramic).  Làm nguyên liệu đểđể sản xuất NH3 và CH3OH và nhiên liệu tổng hợp. H2 đó là những hóa chất cơ bản để thiết lập nên ngành hóa học hữu cơ. Nguyên liệu để khí hóa  Than  Chất thải sinh hoạt  Biomass  Petrocoke Các vùng trong thiết bị khí hóa  Vùng cháy  Vùng khử  Vùng nhiệt phân  Vùng sấy Vùng cháy :  Là nơi xảy ra phản ứng cháy của than với oxy.  Phản ứng  Đây là pu oxy hóa tỏa nhiệt mạnh ( Q = 98500 Kcal/Kmol) và nguồn nhiệt này sẽ cung cấp nhiệt lượng cho toàn bộ quá trình khí hóa.  Đối với tầng chuyển động thì nhiệt độ của vùng khí hóa phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm của tro. Sản phẩm của vùng cháy sẽ chuyển động lên vùng khử và cấp nhiệt cho than ở vùng khử.  Quá trình truyền nhiệt chủ yếu là đối lưu ( không có dẫn nhiệt vì hệ số dẫn nhiệt của than là rất kém.) Vùng khử :  Khí đi vào vùng khử là sp của nguyên liệu của vùng cháy gồm CO2 và hơi nước. Sẽ có 03 phản ứng chính sau 1. C + CO2 = 2CO – Q 2. C + H2O = CO + H2 – Q 3. C + 2H2O = CO2 + 2H2 – Q  Vùng khử sẽ tạo ra khí CO và H2 và thu nhiệt mạnh, lúc này tốc độ của phản ứng giảm  Vùng nhiệt phân : Sản phẩm của vùng khử đi vào vùng nhiệt phân và sẽ nung nóng than trong vùng này. Quá trình nhiệt phân sẽ xảy ra quá trình cắt các mạch nhánh của phân tử than tạo ra các sản phẩm khí và sản phẩm lỏng (còn gọi là chất bốc)  Vùng sấy Quá trình khí hóa phụ thuộc và thiết bị chính của quá trình đó là là khí hóa. Lò khí hóa hiện đang sử dụng rộng rãi trên thế giới được phân làm 3 loại : 1. Khí hóa tầng chuyển động, 2. Khí hóa tầng sôi 3. Khí hóa tầng chuyển động 4. Khí hóa trong lòng đất  Tầng chuyển động còn được gọi là tầng chặt, đặc trưng của thiết bị này là tầng than chuyển động từ từ xuống dưới do trọng lượng.  Trong thiết bị này, khí tổng hợp ở tầng khí hóa sẽ đốt dòng và nhiệt phân của những lớp than tiếp theo. Trong quá trình này lượng oxy tiêu tốn là không đáng j kể vì sản phẩm của quá trình nhiệt phân thường tồn tại trong hỗn hợp khí sản phẩm.  Nhiệt độ của dòng khí sản phẩm ra khỏi lò phản ứng là không cao và nhiệt độ của lớp xỉ là cao nhất trong toàn bộ lò.  Nguyên liệu sử dụng cho quá trình này thường là than cục. Trong trường hợp than có quá nhiều hạt nhỏ và nếu than đó không có tính bền nhiệt nó có thể cản trở dòng khí lưu thông trong lò. Khí hóa tầng chuyển động Khí hóa tầng sôi  Lò tầng sôi có ưu điểm là có sự phối trộn rất đồng đều của nguyên liệu và tác nhân oxy hóa và thúc đẩy quá trình trao đổi nhiệt và chuyển khối.  Quá trình này đảm bảo việc phân phối đồng đều của nguyên liệu trong tầng sôi nhưng một lượng nhất định nguyên liệu sẽ bị đưa ra ngoài cùng với tro. Chính vì vậy ức chế quá trình chuyển hóa của lò tầng sôi.  Nhiệt độ của lò khí hóa phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm của tro vì nếu tro kết dình với nhau sẽ ảnh hưởng đến quá trình sôi của lớp nguyên liệu.  Một vài nỗ lực đã ngiên cứu điều khiển nhiệt độ của lò ở nhiệt độ mềm của tro để nâng cao quá trình chuyển hóa của nguyên liệu.  Kích thước của than cũng là một yếu tố quan trọng của thiết bị này, nếu kích thước quá nhỏ sẽ bay ra ngoài lò và được tách ra bằng cyclon và sau đó lại được đưa lại vào lò phản ứng.  Nhiệt độ lò thấp hơn sẽ phù hợp hơn cho quá trình khí hóa những nguyên liệu như than chấy lượng thấp hoặc biomass. Khí hóa cùng chiều  Thiết bị khí hóa cùng chiều là tác nhân oxy hóa và nguyên liệu chuyển động cùng chiều.  Thời gian tiếp xúc rất ngắn, chỉ vài giây.  Kích thước của nguyên liệu nhỏ hơn 100micro do đó quá trình chuyển khối và vận chuyển trong dòng gas sẽ không đồng nhất. Do thời gian tiếp xúc ngắn do đó nhiệt độ quá trình phải cao để đảm bảo quá trình chuyển hóa và do đó lượng oxy cần thiết sẽ lớn.  Quá trình này có ưu điểm là có thể sử dụng được nhiều loại than khác nhau kể cả những loại than có hàm ẩm cao và hàm lượng tro lớn. KHÍ HÓA TẦNG CHUYỂN ĐỘNG  Xét về mặt lịch sử đây là quá trình lâu đời nhất để sản xuất khí tổng hợp và hơi nước.  Nguyên liệu phù hợp cho qua trình này là than antraxit  Thiết bị làm việc ở áp suất thường và khí của quá trình khí hóa tầng chuyển động phải được làm sạch để tách loại tar. Sản xuất khí đốt  Trong thiết bị sx khí, không khí ẩm được thổi từ dưới lên qua lớp than nóng đỏ. Than được nạp liệu từ trên đỉnh xuống và chuyển động từ từ xuống phía dưới.  Xỉ được tháo ra ở phí dưới lò bằng thiết bị thủy lực.  Không khí sẽ phản ứng với than và sx khí gas có nhiệt trị thấp 6500kj/m3. Nhiệt trị thấp do trong thành phần không khí thổi lò phản ứng có N2 nên ở trong pha khí sản phẩm khí N2 chiếm khoảng 50% và đó là nhược điểm của công nghệ này.  Ưu điểm của công nghệ này là có thể cho phép sx khí một cách liên tục.  Khi sử dụng những nguyên liệu khác như gỗ hoặc biomass thì nhiệt trị của khí chỉ khoảng 3500kJ/m3.  Công nghệ này thường được áp dụng cho các ngành công nghiệp nhỏ để lấy khí cho quá trình đốt lò công nghiệp ( khí cho ngành thủy tinh, sành sứ và luyện cốc) và đặc biệt công nghệ này được áp dụng rất rộng rãi ở Trung Quốc. Sản xuất hơi nước  Sản xuất khí hơi nước là quá trình không liên tục, khi đó hơi nước sẽ phản ứng với than hoặc coke để sx H2 và CO.  Đầu tiên không khí được thổi từ dưới lên để phản ứng với lớp than, khi nhiệt độ đạt 1300oC, không khí sẽ ngừng thổi và hơi nước sẽ được đưa vào từ dưới lên và sau đó từ trên xuống để sản xuất khí hơi nước.  Quá trình thổi hơi nước theo hai chiều mục đích để cho chế độ nhiệt được đồng đều trong toàn hệ thống vì phản ứng khử là phản ứng thu nhiệt mạnh. Khi nhiệt độ của lò hạ xuống khoảng 900oC thì hơi nước sẽ dừng lại và thay thế là dòng không khí.  Các chu kỳ cứ như thế được tiến hành để sản xuất khí hơi nước. Sau khi phân riêng và làm sạch khí hơi nước, khí H2 và CO có thể được sử dụng để sx amoniac hoặc methanol. Khi công nghệ phân tách O2 và N2 chưa phát triển thì quá trình sx khí hơi nước là quá trình có thể sản xuất khí tổng hợp có chất lượng cao. Công nghệ khí hóa than của nhà máy phân đạm Hà Bắc  Sinh viên báo cáo 5.1Quá trình Lurgi  Năm 1927 quá trình này được phát minh, đó là quá trình khí hóa than áp suất cao, quá trình này được nghiên cứu và phát triển bởi đại học k ỹ thuật Berlin (GS Rudolf Drawe).  Năm 1931 quá trình Lurgi được phát triển mạnh và được sử dụng rộng rãi để sản xuất khí đốt ở Bohlen, Brux.  Công nghệ khí hóa áp suất cao Lurgi (25-30 bar) kết hợp với tháo xỉ rắn và các quá trình tự động hóa, tối ưu hóa là thành công và có ứng dụng thương mại.  Các tiêu chí cơ bản của thiết bị khí hóa được mô tả ở bảng 5.2  Than được đưa lên trên đỉnh và được đưa vào lò phản ứng thông qua thiết bị lock. Mục đích của thiết bị này để khi nạp than vào lò không làm ảnh hưởng nhiều đến áp suất của lò.  Oxy và hơi nước được thổi từ dưới lên và ngược dòng với đường nạp liệu của than.  Thiết bị phản ứng gồm 2 lớp vật liệu chịu nhiệt và ở giữa là lớp nước. Lớp nước này có tác dụng làm giảm nhiệt độ của thiết bị khí hóa và tạo ra hơi nước nhờ quá trình trao đổi nhiệt với lớp vật liệu chịu nhiệt của lò khí hóa. Hơi nước này có áp suất tương đương với áp suất của lò khí hóa do đó là tăng khả năng trao đổi nhiệt của lớp gạch chịu nhiệt phía trong.  Than thông qua đĩa phân phối được đưa vào đồng đều trong lò và chuyển động từ từ xuống dưới là thông qua các tầng sấy, nhiệt phân, khí hóa và tầng cháy. Xỉ của quá trình cháy được đưa ra ngoài thông qua cửa tháo xỉ (dạng ghi quay). Gió, hơi nước sẽ tiếp xúc với lớp xỉ và làm giảm nhiệt độ của lớp xỉ xuống khoảng 300-400oC.  Gió được đưa vào lò từ dưới lên và thông qua hệ thống phân phỗi sẽ đưa gió tiếp xúc với tất cả các tầng than của lò khí hóa. Gió sẽ được nâng nhiệt độ nhờ trao đổi với lớp xỉ và vào vùng cháy và phản ứng với than tạo ra CO2. Ở vùng này nhiệt độ là cao nhất (hình 5.2). CO2 và hơi nước tiếp tục phản ứng với lớp than ở tầng khí hóa để hình thành CO, H2 và CH4. Phản ứng tạo khí ở vùng khí hóa là do đặc trưng của 3 phản ứng chính đó là phản ứng khí với hơi nước, phản ứng Bourdouard và phản ứng methan hóa.  Trong lò khí hóa có 4 tầng và than cũng như các chất khí sẽ chuyển động từ tầng này đến tấng khác. Phản ứng khí hóa là phản ứng tỏa nhiệt và tiến hành sau khi toàn bộ lượng O2 đã được sử dụng hết cho vùng cháy. Khí sau khi ra khỏi vùng khí hóa vào vùng nhiệt phân và nhiệt độ cao của khí sẽ làm nhiệt phân than và làm sấy khô than đưa vào. Khí này có nhiệt độ khoảng 800oC và sẽ trao đổi nhiệt với lớp than và xuống khoảng 550oC trước khi ra khỏi lò phản ứng.  Lớp không khí và nguyên liệu ngược chiều này sẽ làm nồng độ của CH4 trong pha khí tương đối cao. Một phần khí cũng hình thành trong quá trình nhiệt phân như tar, nhựa, phenol và amoniac và các hydrocacbon khác. Quá trình hạ nhiệt độ đột ngột của dòng khí ra khỏi lò khí hóa sẽ loại bụi, hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao. Thiết bị khí hóa Lurgi  Đặc điểm của quá trình này là lượng hơi nước đưa vào nhiều nhưng lượng oxy đưa vào ít hơn. Thành phần của khí thu được phụ thuộc nhiều vào hai tham số này.  Nguyên liệu khí hóa với công nghệ này đòi hỏi than có kích thước lớn, Đối với than có kích thước nhỏ phải dùng chất kết dính ( nhựa đường ) hoặc sản phẩm tar để kết dính các hạt than có kích thước nhỏ vào với nhau trước khi khí hóa.  Những loại than quá dòn cũng không thể sử dụng cho công nghệ này, những loại khác (mildly caking coal) thì cần phải có sự đảo khấy trộn để hạn chế hiện tượng tăng trở lực của lò khí hóa. Ứng dụng  Dây chuyền công nghệ lớn nhất sử dụng công nghệ này do hãng Sasol lắp đặt ở Nam phi để sản xuất nhiên liệu tổng hợp.  Trong sơ đồ công nghệ có 13 tháp MKIII, 83 tháp MkiV và 1 tháp MKV. Công suất của hệ thống này là 55 triệu Nm3/ngày khí tổng hợp. Khí tổng hợp được tiếp tục sử dụng để sản xuất 170.000bbl/ngày của nhiên liệu tổng hợp theo công nghệ Fischer-Tropsch (số liệu cập nhất năm 2002) . Công nghệ này được áp dụng ở Nam phi vì khi đó chỉ duy nhất công nghệ này là khí hóa áp suất cao và công nghệ này phù hợp với loại than có nhiệt độ chảy mềm của tro cao.  Công nghệ này đã được áp dụng ở Nam phi, Đức, Mỹ, Séc. Ở Đức và Séc sử dụng công nghệ này để sản xuất khí gas sử dụng cho tuốc bin để sản xuất điện năng. Ở Mỹ áp dụng công nghệ này để sx SNG ( Substitte Natural Gas).  Tại Trung Quốc công nghệ này được áp dụng để sx khí đốtamoniac và hydro.  5.2 British Gas/ Lurgi Slagging Gasifirer (BGL)  Công nghệ BGL được phát triển trên cơ sở công nghệ Lurgi và được công ty British Gas nghiên cứu với hệ thống tháo xỉ được thiết kế cho Slagging condition.  Quá trình này được bắt đầu năm 1960 nhưng sau đó thì dừng lại vì nước Anh phát hiện ra mỏ khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn ở Biển Bắc.  Công nghệ này lại được áp dụng lại vào năm 1974 khi xảy ra cuộc khủng hoảng về dầu lửa.  Năm 1990 công nghệ này được áp dụng ở công ty Schwarze ở Đức với nguyên liệu là sự phối trộn của lignin và chất thải rắn đô thị Công nghệ này có những đặc điểm chính sau  Tăng sản lượng của CO và H2  Tăng công suất của lượng nguyên liệu đưa vào  Có thiết kế đặc biệt với loại nguyên liệu có nhiệt độ chảy mềm của tro thấp  Có những yêu cầu riêng về những nguyên liệu có kích thước nhỏ  Giảm lượng hơi tiêu thụ  Bộ phận phía trên của BGL tương tự như thiết bị khí hóa Lurgi tháo xỉ khô và chỉ có một vài cải tiến.  Không có bộ phận ghi lò để tháo xỉ. Thiết bị đưa gió (đầu phun) được thiết kế ở trên vùng xỉ lỏng, thiết bị này cũng có thể để đưa nhiên liệu khác vào lò như tar hoặc than bụi ( vì nếu than bụi đưa lên phía trên sẽ bị tắc lò).  Phần dưới của thiết bị là bộ phận tháo xỉ lỏng. Xỉ được tháo qua bộ phận quenching bằng nước và xỉ sẽ thành rạng rắn và được tháo ra nhờ thiết bị tháo xỉ.  Lượng hơi nước tiêu tốn ít hơn và lượng oxy tiêu tốn nhỏ hơn so với công nghệ Lurgi. Lượng khí tổng hợp thu được lớn hơn nhiều so với cùng lượng nguyên liệu đưa vào và sản phẩm của quá trình nhiệt phân ít hơn tuy nhiên lượng CO2 lại ít hơn... So sánh 2 công nghệ Lurgi và BGL được đưa ra ở bảng 5.5 KHÍ HÓA TẦNG SÔI  Công nghệ tầng sôi được Winkler nghiên cứu năm 1920.  Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn.  Sôi tĩnh đó là quá trình mà chất rắn tập trung với mật độ cao khi quá trình cân bằng giữa tốc độ dòng khí và trọng lực.  Khi tăng tốc độ dòng khí tới khi toàn bộ chất rắn bị cuốn theo dòng khí và tạo thành “ full pneumatic tránport” hình thành.  Ở tốc độ gió vừa phải, sự khác nhau giữa tốc độ khí và chất rắn đạt tới mức tối đa, chế độ này gọi là chế độ cuốn theo ( slip velocity) nó được gọi là sôi tuần hoàn. Các lớp sôi này được mô tả ở hình 5.6.  Chế độ sôi có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hóa và tạo ra lớp sôi trong thiết bị.  Quá trình này phức tạp lúc điều khiển khi bắt đầu hoặc khi kết thúc.  Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hơi nước sẽ được sử dụng làm tác nhân thổi. Khi sử dụng cho mục đích sx điện năng thì không khí có thể sử dụng làm tác nhân oxy hóa ( khi sử dụng biomass). Một vài đặc điểm chính  Nhiệt độ : Bất kỳ dạng tầng sôi nào đều phụ thuộc vào vào kích thước hạt và tốc độ của gió. Một lượng lớn xỉ (95%) còn lại trong tầng sôi trong khi đó lượng cacbon đã được khí hóa thành khí tổng hợp. Lượng xỉ này sẽ mềm ra và tụ kết với nhau thành những hạt có kích thước lớn hơn. Lúc này trở lực sẽ lớn hơn tốc độ gió và hạt xỉ sẽ lắng xuống và thoát ra khỏi tầng sôi và sẽ tạo ra sáo trộn và phá vỡ lớp sôi. Chính vì nguyên nhân này nên chế độ nhiệt của thiết bị khí hóa luôn nhỏ hơn nhiệt độ chảy mềm của tro. Đối với than nhiệt độ khoảng 950-1100oC và với biomass khoảng 800- 950oC. Khi nhiệt độ khí hóa thấp thì lượng tar sẽ nhiều hơn trong hỗn hợp khí. Nguyên nhân là do quá trình cấp nhiệt từ từ nên quá trình nhiệt phân diễn ra nhiều hơn nên nhiều tar hình thành trong quá trình này và nhiệt độ thấp thì phản ứng cracking của tar sẽ không xảy ra.  Chất lượng nguyên liệu : Mục tiêu của công nghệ này là để sử dụng các loại nguyên liệu có chất lượng thấp như biomass, than chất lượng thấp Đối với than chất lượng thấp thì tốc độ phản ứng nhanh hơn do đó nhiệt độ của lò khí hóa có thể khống chế thấp hơn. khí hóa tầng sôi kích thước không dưới 10mm. Do than khác nhau về kích thước và hình dáng nên duy trì chế độ sôi là khó khăn. Chế độ sôi phải được kiểm soát chặt chẽ vì nếu nhiều hạt than kích thước nhỏ hơn sẽ bị cuốn theo chế độ gió ra ngoài. Các hạt than này sẽ được tách ở xyclon và đưa trở lại thiết bị khí hóa.  Chuyển hóa carbon : Quá trình khuấy trộn đồng đều của gió và than tạo ra sự khấy trôn l y tưởng và chuyển khối thuận lợi của chế độ tầng sôi. Thực tế chế độ tầng sôi là thiết bị phản ứng tĩnh với chế độ khuấy l y tưởng. công nghệ này cũng có một vài nhược điểm đó là rất khó không chế thời gian phản ứng của các hạt than phân bố đều trong tầng sôi. Do đó có những phần than chưa phản ứng đã bị đưa ra khỏi lò. Lượng cacbon chuyển hóa tối đa là 97%. Lượng oxy sử dụng cho khí hóa tânhf sôi lớn hơn nhiều so với khí hóa tầng chặt  Tro Tro của quá trình khí hóa tầng sôi ở dạng leachable form. Trạng thái tro sẽ phức tạp hơn nếu bổ sung đá vôi vào quá trình với mục đích kết dính sunfua hình thành trong quá trình cháy và để hạn chế quá trình làm sạch sunfua của khí sản phẩm. Tuy nhiên đá vôi không thể chuyển hóa hết thành CaSO4 nên tro sẽ còn lẫn cả đá vôi chưa phản ứng. Xỉ được loại ra từ đáy của thiết bị khí hóa hoặc là được tách ra ở xyclon. Quá trình khí hóa tầng sôi có thể khác nhau về phương pháp tháo xỉ ( tháo xỉ khô hoặc tháo xỉ kết dính).  Yêu cầu về thiết bị : Do nhiệt độ của tầng khí hóa không cao (dưới 1100oC) nên thiết bị làm vỏ lò cũng không có yêu cầu đặc biệt như khí hóa lớp chuyển động. Gạch chịu lủa thường được sử dụng để làm vật liệu lót trong của lò để chịu được nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn. Bên ngoài là lớp thép. Đối với khí hóa tầng sôi tuần hoàn phải chú y hơn về độ dãn nở nhiệt vì gradien nhiệt độ là không đều nhau trong lò khí hóa. ??? Quá trình Winkler  Quá trình này là quá trình khí hóa tầng sôi ở áp suất thường.  Phát minh này được cấp patern năm 1922 và nhà máy đầu tiên được xây dựng năm 1925.  Đến nay đã có khoảng 70 dây truyền này được lắp đặt trên thế giới với năng suất khoảng 20 triệu Nm3/ngày.  Quá trình này có thể sử dụng bất k y loại nguyên liệu nào như than nâu, than sub- bituminous, bitummius.  Than trước khi đưa vào lò khí hóa được nghiền sao cho kích thước dưới 10mm  Nếu than có độ ẩm nhỏ hơn 10% thì không cần quá trình sấy trước khí sử dụng. T  han được đưa vào thiết bị khí hóa bằng băng truyền và tầng sôi được duy trì nhờ gió được thổi từ dưới lên. Tốc độ gió vào khoảng 5m/s và khi tốc độ tăng thì nhiệt độ tầng khí hóa tăng và sản phẩm tar trong khí sản phẩm cũng giảm đi.  Nhiệt độ hoạt động của lò từ 950-1050oC.  Hệ thống gồm hai thiết bị phụ trợ đó là thiết bị tận dụng nhiệt và cyclon tách xỉ.  Trong xỉ lượng cacbon chưa phản ứng còn rất lớn vào khoảng 20% lượng than đưa vào lò. Xỉ có lẫn nhiều cacbon này sử dụng như là nhiên liệu cho các quá trình khác. Quá trình Winkler nhiệt độ cao (HTW)  Quá trình này được xây dựng vào năm 1970 để khí hóa lignin để đối phó với giá dầu mỏ gia tăng.  Quá trình này được sử dụng để sản xuất methanol và hydrogen và SNG.  Quá trình này có nhiệt độ cao và áp suất cao do đó giảm hiệu suất tiêu tốn năng lượng, nâng cao chất lượng khí và tăng khả năng chuyển hóa của cacbon và tuần hoàn cacbon chưa phản ứng thu được ở cyclon.  Quá trình HTW tận dụng rất tốt nhiệt độ cao của khí sản phẩm ra khỏi lò có nhiệt độ 900oC giảm xuống 300oC  Một dây truyền 600 tấn/ngày với áp suất 10bar được xây ở Berrenrath đã vận hành trong 12 năm và đạt hiệu suất khai thác là 84 để sản xuất khí phục vụ cho quá trình tổng hợp methanol.  Hai dây truyền với năng suất 980t/ngày phối hợp với IGCC ở Cộng hòa Séc. Trong dây truyền đó có 26 lò khí hóa tầng chặt.  Quá trình này lại được phát triển để khí hóa chất thải rắn. Dây truyền 20t/ngày đã được xây ở Nhật Bản. Quá trình khí hóa lớp sôi tuần hoàn (CFB)  Tháp khí hóa lớp sôi tuần hoàn có nhiều ưu điểm hơn so với khí hóa tầng chặt và « transport reactor ». Là có tốc độ gió cao đảm bảo sự đảo trộn và tiếp xúc đồng đều của pha khí và pha rắn do đó quá trình chuyển khối và truyền nhiệt xảy ra hiệu quả hơn.  Pha rắn được đưa vào lò nhờ dòng khí và sau đó lại được tách ra khỏi dòng khí và được đưa trở lại nhờ (vòng tuần hoàn ngoài). Đối với những hạt có kích thước lớn hơn, quá trình sôi tuần hoàn chủ yếu nằm ở thiết bị chính và khi chỉ khi nhỏ đi nó sẽ tiếp tục thực hiện (vòng tuần hoàn ngoài).  Công nghệ CFB, các pha rắn thực hiện quá trình tuần hoàn nhiều hơn so với khí hóa tầng chặt do đó có ưu điểm là có tốc độ gia nhiệt nhanh đối với dòng nguyên liệu, nó giảm đáng kể lượng tar hình thành trong quá trình gia nhiệt nguyên liệu.  Có 2 công ty nổi tiếng với công nghệ này đó là Lurgi và Foster Wheeler.  Sơ đồ thiết bị CFB của Lurgi được mô tả ở hình 5.10 và công nghệ CFB rất phù hợp cho khí hóa sinh khối.  Tốc độ của dòng khí là 4-8m/s, tốc độ này đảm bảo tất cả các pha rắn có kích thước lớn đều được đưa vào lò và được nâng lên phía trên. Pha rắn được tách ra khỏi pha khí nhờ cyclon và quay trở về lò nhờ ống nối.  Tác nhân khí hóa sử dụng là không khí được đưa vào qua vòi phun (dòng khí thứ nhất) và nguyên liệu được được đưa ở phía đối diện nhờ dòng khí ( dòng khí thứ 2) và phía trên so với đường vào của tác nhân oxy hóa.  Đối với nguyên liệu là biomass, kích thước phải khống chế trong khoảng 25-50mm. Thiết bị khí hóa KBR ( Kellogg Brown và Root)  Tốc độ gió là 11-18m/s nên có tốc độ tuần hoàn cao hơn.  Nguyên liệu và chất hấp thụ ( đá vôi) được đưa vào thiết bị khí hóa thông qua bộ phận lock hopper.  Thiết bị khí hóa này làm việc ở áp suất 11-18 bar và nhiệt độ 900-1000oC.  Hiệu suất chuyển hóa cacbon 95-98%.  Trong vùng khuấy trộn tác nhân oxy hóa và hơn nước được trộn với pha rắn nguyên liệu hoặc được tuần hoàn từ ống tuần hoàn.  Khí và pha rắn được đưa vào vùng trộn và phản ứng sau đó vào vùng phân tách. Ở đây các hạt có kích thước lớn tách ra nhờ trọng lượng, các hạt có kích thước nhỏ hơn được phân tách tại xyclon. Các chất rắn tách khỏi pha khí được đưa lại vùng trộn thông qua J-leg.  Khí sản phẩm được làm lạnh và sau đó qua thiết bị tách bụi cuốn theo, đó là các vật liệu tách bằng gốm hoặc lưới kim loại có khả năng chịu nhiệt độ trong khoảng 370- 780oC.  Chất hấp thụ sẽ phản ứng với S tạo thành CaS. Chúng và char, xỉ và sẽ được tách ra ở stand-pipe bằng vít tải và bụi tách từ quá trình tách bụi sẽ được đốt ở lò tầng sôi. KHÍ HÒA CÙNG CHIỀU  Ưu điểm của quá trình khí hóa cùng chiều là có thể khí hóa bất cứ loại nguyên liệu.  Thành phần khí thu được không có thành phần nhựa và tar.  Xỉ tháo ra trong quá trình này là loại inert và frit.  Quá trình này tiêu thụ lượng lớn oxy đặc biệt khi tiến hành khí hóa hỗn hợp than ướt hoặc than có độ ẩm cao.  Hai công ty nổi tiếng nhất cho công nghệ khí hóa cùng chiều với nguyên liệu là hỗn hợp than-nước nạp trên đỉnh là của hãng Shell và Krupp-Koppers. Công ty Noell lại nổi tiếng với công nghệ khí hóa cùng chiều than khô và nạp liệu trên đỉnh Các đặc điểm chính của quá trình khí hóa cùng chiều được tóm tắt ở bảng 5.7  Quá trình khí hóa cùng chiều được áp dụng trong công nghiệp từ những năm 1950 với áp suất khoảng 20-50bar và nhiệt độ 1400oC.  Các hạt than mịn được thổi vào cùng chiều với tác nhân oxy hóa là không khí hoặc oxy và nhiệt độ của thiết bị khí hóa lớn hơn nhiệt độ chảy mềm của xỉ.  Công nghệ này có thể thu được hàm lượng khí tổng hợp chất lượng cao vì hàm lượng CH4 trong thành phần khí là nhỏ.  Ở nhiệt độ này thành phần nhựa và tar bị phân hủy thành khí Các đặc tính của công nghệ  a. Với nguyên liệu là than khô : có thể thực hiện với tốc độ thổi tác nhân oxy hóa là nhỏ hơn so với nguyên liệu là hỗn hợp than- nước.  Thiết bị khí hóa cùng chiều với nguyên liệu là than khô cho chất lượng sản phẩm khí tổng hợp là tốt nhất.  Tuy nhiên có thể diều chỉnh tỷ lệ H2/CO. Thao tác quá trình khí hóa với sự xuất hiện của CO2 từ 0.5 – 4%mol ở 1500oC là thuyết phục hơn cả.  Thiết bị khí hóa một giai đoạn  Cho phép có nồng độ khí có độ sạch cao, lẫn rất ít hydrocacbon và CH4 ( khoảng dưới 0,1%).  Với nồng độ CO2 thấp và độ chuyển hóa cacbon cao, điều đó có nghĩa rằng toàn bộ thành phần cacbon của nguyên liệu đưa vào được chuyển hóa thành CO do đó quá trình rửa khí bằng axit là không áp dụng cho công nghệ này.  Quá trình này đã được áp dụng ở Buggenum IGCC 250MW, Puertollano ( Tây ban nha) với công suất 300MW, Schwarze ở Germany với năng suất 600 tấn/ngày. Quá trình khí hóa áp suất thường Koppers-Totzek  Khí hóa cùng chiều của Koppers-Totzek được xây dựng ở Phần lan, Hy lạp,Thổ nhĩ kỳ, Ấn độ, Nam phi và Zimbabue. Các nhà máy này phần lớn để sản xuất amoniac.  Lò khí hóa KT được thiết kế để than và oxy được đưa vào từ hai bên của lò khí hóa, khí sản phẩm sẽ ra ở trên đỉnh lò và đáy lò là nơi tháo xỉ.  Thiết bị đầu tiên được thiết kế với năng suất 5000Nm3/h với hai của nạp. Gần đây công suất thiết kế của thiết bị lên đến 32.000Nm3/h với 4 của nạp.  Khí sản phẩm ra có nhiệt độ 1500oC và được làm nguội bởi nước xuống 900oC để xỉ lỏng không thể vào thiết bị làm nguội và trong trường hợp có vào thiết bị trao đổi nhiệt thì là xỉ khô, do đó không ảnh hưởng lớn đến các ống trao đổi nhiệt. Lò khí hóa có lớp áo nước để giảm nhiệt độ của tường lò khí hóa. Một tỷ lệ đánh kể lượng nhiệtđược truyền vào lớn áo nước áp suất thấp và đó là lượng nhiệt đáng kể của quá trình.  Đáy lò khí hóa là water bath dùng để tận dụng nhiệt của xỉ và là van thủy lực ( nước) để khí hình thành trong lò khí hóa không theo đường xỉ ra ngoài. Quá trình khí hóa của Shell  Hai công ty Shell và Koppers liên doanh để xây dựng nhà máy khí hóa Shell vào năm 1978 ở Harburg- Đức với công suất 150 tấn/ngày với những tham vọng khác nhau.  Hãng Koppers muốn phát triển khí hóa để sản xuất khí tổng hợp với năng suất cao, còn hãng Shell tham vọng sản xuất nhiên liệu tổng hợp từ than bằng công nghệ khí hóa và Fischer- Tropsch. Sau đó hai công ty này phát triển công nghệ này theo những mục đích khác nhau..  Shell xây dựng một nhà máy khác ở Houston có công suất 250 tấn/ngày còn Koppers xây nhà máy công suất 48 tấn/ngày ở Furstenhausen (đức).  Năm 1994 nhà máy công suất 2000 tấn/ngày được xây dựng ở Phần Lan và 1997 xây dựng nhà máy 3000 tấn/này ở Tây Ban Nha. Trong những năm gần đây rất nhiều nhà máy mới được hãng Shell xây dựng ở Trung Quốc  Than bột thông qua các hoppers (có kích thước dưới 90um) được đưa vào thiết bị khí hóa bằng khí trơ thông qua vòi phun.  Quá trình khí hóa sẽ xảy ra ở trong lòng ống của thiết bị khí hóa. Ở gần đầu đốt sẽ phối trộn với oxy và hơi nước. Phản ứng sẽ xảy ra rất nhanh và thời gian lưu của than là 0,5-4 seconds. Khí sinh ra sẽ thoát ra ở đỉnh lò.  Xỉ theo đường đáy của lò khí hóa ra ngoài bằng water bath.  Nhiệt độ của lò khí hóa khoảng 1500oC và áp suất khoảng 30-40bar. Quá trình làm nguội đột ngột của xỉ khi tiếp xúc với nước sẽ làm xỉ vụn nhỏ và mịn, sản phẩm này sẽ được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất xi măng.  Lớp lót lò phản ứng là lớp màng có cấu tạo đặc biệt và được bọc bởi gạch SiC để hạn chế nhiệt bức xạ và nhiệt độ cao của xỉ tiếp xúc với lớp thành kim loại của lò khí hóa.  Trong ống, hơi nước sẽ hình thành và sử dụng cho nhà máy nhiệt điện.  Lượng nhiệt mất mát ở tường lò khí hóa phụ thuộc vào chế độ tháo xỉ. Và chiếm khoảng từ 2-4% nhiệt cháy của lượng than đưa vào.  Tỷ lệ CO là 2/3 và H2 là 1/3. Khí sau khi ra khỏi lò khí hóa được tiếp xúc trực tiếp với nước để giảm nhiệt độ xuống 900oC với dòng nước tuần hoàn là 280oC.  Thiết bị tiếp xúc được thiết kế để khí nóng và xỉ luôn ở dạng khô trước khi tiếp xúc với các ống trao đổi nhiệt bằng kim loại.. Sau khi ra khỏi thiết bị tiếp xúc trực tiếp, khí sản phẩm tiếp tục làm mát ở thiết bị làm mát khí và làm tăng nhiệt độ của hơi nước ( là tác nhân làm lạnh) để phục vụ cho quá trình sản xuất điện năng.  Khí sau khi làm nguội có nhiệt độ 280oC tiếp tục qua các thiết bị lọc bụi ( candle) để loại bỏ bụi rắn. Khoảng ½ lượng khí lại được đưa trở lại thiết bị nén khí để sử dụng như là quenching gas. Lượng khí còn lại tiếp tục làm mát bằng thiết bị sục. Quá trình khí hóa Noell Quá trình khí hóa Texaco Năm 1983 và 1985 hai nhà máy được xây dựng ở Ube-Nhật bản và 01 nhà máy được xây dựng ở Tuynidi. Năm 1990, 09 nhà máy được xây dựng trong đó 05 nhà máy ở Trung Quốc trong đó hai nhà máy ở Trung Quốc sản xuất methanol và khí đốt và các nhà máy còn lại sản xuất NH3 và điên năng. Có 04 nhà máy ở Mỹ trong đó có 03 nhà máy ở Mỹ sử dụng nguyên liệu là coke dầu mỏ sx NH3 và 01 nhà máy ở Mỹ sản xuất điện năng với công suất 250MWe.  Công nghệ Texaco nạp nguyên liệu dạng huyền phù đưa từ đỉnh tháp và là công nghệ khí hóa cùng chiều và tường lò làm bằng vật liệu chịu nhiệt.  Công nghệ Texaco có 2 kỹ thuật làm mát đó là làm mát theo phương pháp tiếp xúc trực tiếp và radiant boiler.  Than hoặc coke dầu mỏ được nghiền ướt với kích thước nhỏ khoảng 100um và tạo huyền phù ở thiết bị tạo huyền phù, huyền phù được đưa vào thiết bị khí hóa bằng bơm màng và áp suất của lò khí hóa là 30bar cho quá trình IGCC và sẽ hoạt động ở áp suất 70-80 bar nếu để sản xuất khí tổng hợp.  Huyền phù được đưa vào thiết bị khí hóa cùng với tác nhân oxy hóa ( thường là oxy) thông qua vòi phun được đặt ở đỉnh của tháp. Nhiệt độ của tháp khí hóa là 1500oC ở nhiệt độ chảy lỏng của xỉ.  Với kỹ thuật làm lạnh trực tiếp, khí tạo thành cùng với xỉ đi xuống phía dưới của lò khí hóa và vào vùng làm mát ( quenching – tôi). Khí sau khi ra khỏi vùng quenching sẽ bão hòa hơi nước có nhiệt độ khoảng 200-300oC. Nếu sử dụng khí cho sản xuất hóa học như sản xuất hydro và NH3 thì điều kiện này là l y tưởng để thực hiện phản ứng shift CO. HCl sinh ra sẽ qua tháp rửa axit trước khi tiếp xúc vào tầng xúc tác của phản ứng shift. Xỉ sẽ trao đổi nhiệt và trờ về trạng thái rắn và được tháo ra ngoài thông qua cửa tháo hopper, nước tách ra ở đây sẽ được đưa trở lại thiết bị tạo nhũ tương (bùn).  Với kỹ thuật làm mát bằng radiar (hình 5.20) sử dụng để sản xuất điện năng và có khả năng tận thu nhiệt tỏa ra tối ưu. Khí sau khi ra khỏi thiết bị khí hóa sẽ vào thiết bị làm mát radiar và giảm nhiệt độ của khí xuống 760oC. Xỉ lỏng sẽ tiếp xúc với nước và hóa rắn và được tháo ra ngoài nhờ hopper. Khí sau khi làm kạnh tiếp tục và thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và hạ xuống 425oC. Hai thiết bị làm mát này đều tăng nhiệt độ của môi chất làm mát ( hơi nước có áp suất cao). Áp suất có thể lên đến 115bar. Trước khi đi sử dụng, khí cũng qua thiết bị rửa để loại HCl và bụi cơ học.  Công nghệ này đầu tư không đắt tiền nhưng chi phí sửa chữa là khá lớn.  Với kỹ thuật làm lạnh trực tiếp, khí tạo thành cùng với xỉ đi xuống phía dưới của lò khí hóa và vào vùng làm mát ( quenching – tôi). Khí sau khi ra khỏi vùng quenching sẽ bão hòa hơi nước có nhiệt độ khoảng 200-300oC. Nếu sử dụng khí cho sản xuất hóa học như sản xuất hydro và NH3 thì điều kiện này là l y tưởng để thực hiện phản ứng shift CO.  Xỉ sẽ trao đổi nhiệt và trở về trạng thái rắn và được tháo ra ngoài thông qua cửa tháo hopper, nước tách ra ở đây sẽ được đưa trở lại thiết bị tạo nhũ tương (bùn).  Với kỹ thuật làm mát bằng radiar sử dụng để sản xuất điện năng. Khí sau khi ra khỏi thiết bị khí hóa sẽ vào thiết bị làm mát radiar và giảm nhiệt độ của khí xuống 760oC. Khí sau khi làm kạnh tiếp tục và thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và hạ xuống 425oC. Hai thiết bị làm mát này đều tăng nhiệt độ của môi chất làm mát ( hơi nước có áp suất cao). Áp suất có thể lên đến 115bar.  Xỉ lỏng sẽ tiếp xúc với nước và hóa rắn và được tháo ra ngoài nhờ hopper.  Công nghệ này đầu tư không đắt tiền nhưng chi phí sửa chữa là khá lớn.