Tính toán hiệu quả kinh tế khi thay thế nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) bằng công nghệ khí hóa than

Đỗ Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 9 - 14 9 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ KHI THAY THẾ NHIÊN LIỆU KHÍ HÓA LỎNG (LPG) BẰNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN Đỗ Văn Quân*, Vũ Văn Hải Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo trình bày tóm tắt lý thuyết công nghệ khí hóa than vì mục đích năng lượng. Tác giả đã tính toán hiệu quả kinh tế khi thay thế phương án sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) bằng công nghệ khí hóa than cho mục đích sấy và nung gạch lát sàn. Đồng thời đã tính toán sự cân bằng Cacbon trong buồng khí hóa tại nhà máy gạch Việt-Ý, Sông Công, Thái Nguyên. Từ khoá: Khí hóa sinh khối, khí hóa tầng sôi, cân bằng Cacbon, khí hóa than. ĐẶT VẤN ĐỀ* Ở Việt Nam, công nghệ khí hóa than đã được nghiên cứu từ những năm 50 của thế kỷ trước nhằm sử dụng nguồn than có phẩm cấp thấp (độ tro và hàm lượng lưu huỳnh cao) để thay thế cho nguồn nhiên liệu chất lượng cao phải nhập khẩu đắt tiền (dầu, khí đốt) vì mục đích năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nhưng sau một khoảng thời gian dài do nguồn than trữ lượng lớn ở vùng mỏ Quảng Ninh khá dồi dào, việc khai thác đơn giản nên gần như công nghệ khí hóa than bị lãng quên. Hiện nay, cũng do nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, nguồn than phẩm cấp cao dự báo sẽ cạn kiệt trong một khoảng thời gian không xa. Cùng với nó, công nghệ đốt than theo phương pháp đốt trực tiếp có hiệu suất cháy ổn định nhưng các chất phát thải SOx, NOx, CO2, CO, bụi từ quá trình cháy trực tiếp đã gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường xung quanh. Xuất phát từ tình hình nêu trên, một số cơ sở sản xuất gốm sứ, gạch lát sàn... đã sử dụng những lò khí hóa than nhập khẩu từ Trung Quốc nhằm thay thế nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG). Việc đánh giá hiệu quả hoạt động của các thiết bị khí hóa than thông qua tính toán cân bằng Cacbon là cần thiết. * Tel: 0988.526.121 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khí hóa than là quá trình biến đổi nhiên liệu rắn ở nhiệt độ cao thành nhiên liệu khí bằng cách cung cấp một lượng hạn chế ôxy nguyên chất hoặc ôxy trong không khí và thường kết hợp với hơi nước. Sản phẩm của quá trình khí hóa bao gồm các chất khí CO, CO2, CH4, H2 và một số các chất khí không ngưng khác. Các phản ứng cơ bản cần được thực hiện trong quá trình khí hóa bao gồm: Phản ứng hoá học dị thể xảy ra trong vùng cháy: C + O2 = CO2 + 393,80 MJ/Kmol (25oC, 1at) Không khí đưa vào có chứa hơi nước phản ứng với cácbon ở nhiệt độ cao: C + H2O = H2 + CO - 118,50 MJ/kmol (25oC, 1at) Trong vùng suy giảm, CO2 tạo ra trong vùng cháy bị khử bởi khí CO theo phản ứng Boudouard: CO2 + C = 2CO - 159,90 MJ/Kmol (25oC, 1at) Trong vùng suy giảm còn xảy ra một phản ứng tạo H2 như sau: CO + H2O = CO2 + H2 + 41,20 MJ/Kmol (25oC, 1at) Khí mêtan cũng được tạo ra trong thiết bị hoá khí: C + 2H2 = CH4 + 87,50 MJ/Kmol (25oC, 1at) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đỗ Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 9 - 14 10 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HÓA THAN TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT GẠCH LÁT SÀN SÔNG CÔNG - THÁI NGUYÊN Nguyên lý làm việc Than cục kích thước từ 15 – 60 mm được tời nâng đưa lên cửa nạp than của lò khí hoá và nạp vào lò khí hoá liên tục bằng cơ cấu nạp than. Gió gồm hỗn hợp của hơi nước và không khí thổi vào từ đáy lò qua khe hở của hệ thống ghi quay và thực hiện các phản ứng đốt cháy và hoàn nguyên khí CO khi đi từ dưới lên qua các lớp than trong lò. Lò khí hoá có hình trụ tròn được làm bằng thép gồm hai lớp, ở giữa hai lớp được bơm đầy nước để làm mát vỏ lò. Nước làm mát vỏ là nước mềm để tránh hiện tượng đóng cặn vào vỏ lò. Khí than được hình thành với thành phần chủ yếu là CO, H2, CO2, CH4 và các khí không ngưng khác kèm theo lượng hạt bụi than. Khi ra khỏi buồng khí hóa nhiệt độ của sản phẩm khí có giá trị khoảng 450 - 5000C. Sản phẩm khí tiếp tục đi ra tháp lắng sơ bộ ở nhiệt độ cao theo kiểu cyclon khoảng 70% bụi than được khử. Khí than được đưa qua tháp làm lạnh cấp tốc bằng nước theo nguyên lý ngược chiều nhiệt độ giảm xuống còn 100 - 1200C. Bụi than được khử hầu hết trở thành khí than bán tinh và được đưa qua tháp lọc bụi lần 2 có các chất độn để lọc sạch hoàn toàn. Khí than đạt độ sạch tiêu chuẩn và nhiệt độ còn khoảng 40 - 500C. Khí than sạch được đưa vào buồng tăng áp bằng các quạt cao áp, áp suất tại các đầu ra là 8KPa và được đưa vào tháp lọc tách hơi nước và tạp chất rồi được đưa vào lò nung để sấy, nung sản phẩm bằng các mỏ đốt của lò sấy, lò nung. Trong quá trình tạo khí hoá than nước sạch được đưa vào bộ làm mềm nước khử các ion kiềm thổ trở thành nước mềm đạt tiêu chuẩn nước sử dụng cho nồi hơi. Nước này được bơm vào đai nước của vỏ lò, nhờ tận dụng nhiệt của lò sinh khí làm nước mềm bay hơi. Hơi nước này được quạt gió đẩy cùng với không khí vào đáy lò làm tác nhân khí hoá. Nước sạch ngoài vai trò làm tác nhân khí hoá còn sử dụng để làm nguội cấp tốc theo nguyên lý chuyển động ngược chiều làm lạnh phần khí và bụi than sau khi tuần hoàn qua tháp làm lạnh, qua bể tuần hoàn lắng, lọc. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lò khí hóa than nguội Mục tiêu sử dụng lò khí hóa than nguội nhằm tiết kiệm chi phí nhiên liệu cho quá trình sấy và nung gạch lát sàn, đó là dùng khí than để thay thế khí gas ở công đoạn lò nung và hầm 2 1 3 4 5 7 8 3 6 Than cấp Không khí H ơi nướ c N ướ c Buồng sấy Sơ đồ nguyên lý làm việc của lò khí hóa than nguội Sông Công- Thái Nguyên 1. Buồng khí hóa 5. Tháp rửa khí cấp 2 2. Bao hơi 6. Lọc bụi tĩnh điện 3. Tháp rửa khí 1 7. Thiết bị khử tar 4. Buồng tạo áp lực 8. Buồng chứa khí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đỗ Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 9 - 14 11 sấy giảm giá thành sản phẩm tăng tính cạnh tranh trên thị trường. Tính toán chi phí cho nhà máy sản xuất khi sử dụng khí hóa lỏng LPG - Tính toán lượng khí hóa lỏng LPG Nhu cầu LPG cung cấp cho lò nung và sấy nằm trong 1 năm (lấy sản lượng trung bình hằng năm để tính toán là 1.800.000 m2 sản phẩm): Lượng gas thực tế cần cấp cho lò nung và hầm sấy: 1800000m2 x 1,2kg = 2160000 (kg/năm) - Tính toán chi phí khi sử dụng khí hóa lỏng LPG Với giá GAS vào khoảng 26500 đồng/kg thì số tiền phải trả khi mua GAS trong 1 năm là: 2160000 x 26500 = 57240000000 (đồng/năm) - Chi phí bảo dưỡng Từ khi nhà máy đi vào vận hành đến nay chi phí bảo dưỡng hệ thống cấp gas hàng năm do đơn vị cung cấp gas đảm nhiệm. Nhà máy chỉ phải kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống đường ống cấp đến lò. Chi phí bảo dưỡng này rất thấp nên không cần tính toán. Tổng chi phí sử dụng GAS 1 năm: 57240000000 (đồng/năm) Tính toán chi phí cho nhà máy sản xuất khi sử dụng lò khí hóa than nguội - Nhu cầu than trong 1 năm là: Lượng than tiêu hao/ngày: 20500 kg/ngày Lượng than cần cung cấp cho lò nung và hầm sấy trong 1 năm là: 20500 x 330 = 6765000 (kg/năm) - Chi phí bỏ ra khi sử dụng than cho lò khí hóa: Với giá than hiện nay vào khoảng 4285 (đồng/kg) thì chi phí mua nhiên liệu than trong 1 năm là: 6765000 x 4285 = 28988025000 (đồng/năm) - Chi phí điện bộ phận khí hoá than nguội: + Tiêu thụ điện của thiết bị: Lượng điện tiêu thụ thực tế là: 130 kw/h + Giá điện bình quân cho 1 KW/h: 3000 đồng + Chi phí điện trong 1h là: 130KW/h x 3000 = 390000 (đồng/h) Tổng chi phí tiền điện trong 1 ngày: 390000đồng/h x 24 = 9360000 (đồng/ngày) Tổng chi phí tiền điện trong 1 năm: 9360000 x 330 = 3088800000 (đồng/năm) - Chi phí nước sản xuất: Lượng nước tiêu thụ thực tế là: 72 m3/ngày. + Giá nước bình quân 1m3: 6500 đồng Tổng chi phí tiền nước trong 1 ngày: 72 x 6500 = 468000 đồng/ngày Tổng chi phí tiền nước trong 1 năm: 468000 x 330 tháng = 154440000 (đồng/năm) * Chi phí lương công nhân vận hành trạm khí hoá than nguội: Tiền lương bình quân: 5000000 (đồng/người/tháng) Tổng số lao động: 15 người Chi phí tiền lương 1 năm: 15 x 5000000 x 12 = 900000000 (đồng/năm) Chi phí tiền lương 1 ngày: 900000000: 330 ngày = 2727272 (đồng/ngày). * Chi phí bảo dưỡng 1 tháng: 36000000 đồng Chi phí bảo dưỡng, vận hành 1 năm: 36000000 x 12 = 432000000 (đồng/năm) - Chi phí khấu hao tài sản. Giá trị tài sản đầu tư: 4123000000 đồng Thời gian khấu hao: 5 năm Giá trị khấu hao 1 năm: 859500000 đồng Giá trị khấu hao 1 tháng: 71625000 đống - Chi phí lãi vay 01 năm: 510000000 đồng Tổng chi phí sử dụng than tính cho một năm: 28988025000 + 3088800000 + 154440000 + 900000000 + 432000000 + 859500000 + 510000000 = 31847053800 (đồng/năm) - Như vậy, tổng giá trị kinh tế làm lợi cho nhà máy trong một năm khi chuyển từ đốt nhiên liệu LPG sang đốt khí than là: 57240000000 - 31847053800 = 25392946200 (đồng/năm) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đỗ Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 9 - 14 12 Hiệu quả giảm thiểu phát thải ra môi trường khi sử dụng lò khí hóa than nguội - Tác động của khí than: + Khí than được phát sinh trong lò kín và đưa vào đốt trong buồng đốt lò nung và hầm sấy. Khói thải của hầm sấy và lò nung gồm khí CO2 và hơi nước tương tự khi đốt LPG. + Trong quá trình nạp than gián đoạn lên phễu nạp trên cũng có 1 lượng bụi than rất nhỏ thoát ra trong quá trình chuyển than lên phễu nạp bằng elevator. Quá trình nạp than gián đoạn theo từng mẻ từ phễu nạp trên vào cửa nạp của lò khí hóa tuân thủ nghiêm ngặt theo thứ tự định sẵn, đảm bảo tránh tổn thất nhiệt cho lò, các ống khói còn lại chỉ mở khi có sự cố phải dừng lò nung để xả áp dư khi cần thiết. Lượng bụi lẫn trong khí than được khử sạch hai bước bằng công nghệ lắng lọc cyclon và bể sục nước tuần hoàn nên đảm bảo khí được làm sạch trước khi đưa vào đốt trong lò nung và hầm sấy ngang, nên luôn đảm bảo môi trường không bị ô nhiễm khi vận hành sử dụng. Quá trình đốt của khí gas trong lò nung và hầm sấy được kiểm soát chặt chẽ thông qua hệ thống kiểm soát điện tử tự động luôn khống chế hàm lượng khí CO trong khói thải dưới mức cho phép ≤ 500mg/ m3 (TCVN 5939 – 1995). - Tác động của nước thải: Trong quá trình sử lý khí than phải dùng nước rửa và làm nguội. Nước này được làm sạch tuần hoàn trong hệ thống bể tuần hoàn 50m3. Định kỳ 1 lần/năm súc rửa các chất lắng đi sử dụng lại (bụi than). Hàm lượng lưu huỳnh có trong than sẽ được trung hoà định kỳ bằng vôi. Như vậy, có thể coi không ô nhiễm nước khi sử dụng trạm phát sinh khí than. - Tác động của chất thải rắn: Chất thải rắn gồm bụi than và tro than. Trong quá trình sàng tuyển cơ học để phân loại, bụi than không phát tán rộng được do kích thước hạt bụi lớn và số lượng ít (chỉ có khi sàng than cục trong phạm vi nhà chứa than). Quá trình nạp than vào lò khí hóa được khép kín trong phạm vi hẹp và được cơ giới hóa, hơn nữa than nạp là than cục đã được tuyển nên lượng bụi là không đáng kể, không ảnh hưởng tới môi trường xung quanh. Theo tính toán của nhà cung cấp thiết bị và thực tế, Phòng Tài nguyên Môi trường của tỉnh Thái Nguyên đã đo nồng độ bụi phát thải ra không khí trong khi nhà máy vận hành nhỏ hơn mức cho phép ≤ 50mg/m3( TCVN 5939 – 1995 ). Thành phần than sử dụng cho lò khí hóa than nguội của Nhà máy: Ký hiệu Nhiệt trị Thành phần nhiên liệu HG Kcal/kg Clv Hlv Slv Olv Nlv Wlv Alv Cam 4a 7642 80 5,54 0,58 6 1 3 3,38 - Lượng khí CO2 phát thải khi chuyển thành khí than để đốt: KTV =0,01(CO+CO +CH ) =0,01(28+5+0,5) =0,335CO 2 42 (m3/kg nhiên liệu); tương đương 0,29(m3/kg nhiên liệu). - Lượng khí CO2 phát thải khi đốt LPG: LPGV = 0, 01(C H + C H ) = 0, 01(50 + 50) = 1CO 3 8 4 102 (m3/m3 nhiên liệu). So sánh phát thải khí CO2 ta thấy với cùng một lượng nhiên liệu thì phương pháp đốt khí than phát thải thấp nhất. Tính cân bằng Cacbon Từ các thông số của nhiên liệu đã cho sử dụng cho nhà máy gạch lát sàn Việt-Ý, Sông Công, Thái Nguyên ta có thể tính toán cân bằng Cacbon của thiết bị khí hóa. Ở đây do Cacbon trong CH4 không đáng kể nên ta có thể bỏ qua thành phần CH4. Như vậy Cacbon tồn tại chính trong thành phần sản phẩm khí là CO, CO2 và một phần còn lại trong xỉ không cháy hết. LÒ KHÍ HÓA C nhiên liệu CO CO2 Cxỉ CH4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đỗ Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 9 - 14 13 Ví dụ tính toán cho một lần lấy mẫu: CO V% CO2 V% CH4 V% Vk (m3/h) Bt (kg/h) 25,5 5,5 0,015 4124 1356 Vk- Lưu lượng sản phẩm khí; Bt- Lượng than tiêu thụ. Tổng hợp số lần lấy mẫu đo thực tế tại nhà máy sau một ca làm việc: Số lần lấy mẫu CO CO2 Cxỉ Tổng Cacbon Lượng Cacbon vào Lượng Cabon ra ε 1 25.1 5.6 5 0.357 74.99 67.86 90.48 2 25.3 5.5 6 0.368 75.20 67.71 90.04 3 25.4 4.5 5.5 0.354 78.81 73.08 92.72 4 25.2 5.4 4 0.346 64.30 50.25 78.15 5 25.5 4.8 4.5 0.348 85.32 76.50 89.66 6 25.8 4.7 4.7 0.352 87.03 64.77 74.42 7 26 5.1 4.78 0.3588 70.65 63.44 89.79 8 25.7 5.5 5.2 0.364 72.20 67.84 93.95 9 25.5 6 5.12 0.3662 81.50 79.65 97.73 10 25 5.5 4.87 0.3537 68.43 67.17 98.15 11 25.5 4.9 6.5 0.369 76.23 75.08 98.48 12 25.6 5.2 6.23 0.3703 70.03 65.84 94.01 13 26 5 5.14 0.3614 68.43 63.07 92.16 14 25.3 5.4 5.87 0.3657 78.66 75.38 95.83 15 25.5 5.5 6.12 0.3712 70.03 68.29 97.50 Cacbon của nhiên liệu đưa vào ta có: Cnhiênliệu=1356.0,6198=840,45(kg) Cnhiênliệu = 840,45/12=70,03(Kmol) Xác định lượng Cacbon chứa trong khí sạch: Với 1(kmol) sản phẩm khí ở điều kiện tiêu chuẩn thì: Lượng Cacbon chứa trong CO bằng: 0,255(kmol) Lượng Cacbon chứa trong CO2 bằng: 0,055(kmol). Lượng Cacbon chứa trong xỉ thải bằng 6,12% như vậy bằng: 0,0612(kmol). Tổng thành phần Cacbon chứa trong khí CO, CO2 và xỉ bằng 0,3712(kmol). Giả thiết rằng, 1(kmol) sản phẩm khí có thể tích bằng 22,416(m3tc) và được coi là khí lý tưởng thì tổng Cacbon chứa trong sản phẩm khí bằng: 41240, 3712. 68, 29(kmol) 22, 416 = Tỷ lệ tương đương giữa đo đạc thực tế và lý thuyết: 68,29100x 97,5% 70,03 ε = = KẾT LUẬN Hiện nay, công nghệ khí hóa đã và đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới, nó đang từng bước được hoàn thiện về mặt công nghệ. Nhưng tại Việt Nam việc ứng dụng công nghệ khí hóa nhiên liệu rắn với mục đích năng lượng vẫn đang ở giai đoạn tìm hiểu, đánh giá và thử nghiệm. Một số nhà máy sử dụng thiết bị khí hóa than chủ yếu nhập khẩu từ Trung Quốc công suất vừa và nhỏ đang được ứng dụng tại các nhà máy gạch, nhà máy cán thép, nhà máy sản xuất phân đạm... Nhưng các thiết bị này chưa được nhiên cứu đánh giá hiệu quả một cách cụ thể. Trong tương lai không xa trữ lượng than phẩm cấp cao sẽ hết, than có phẩm cấp thấp cũng như sinh khối có trữ lượng lớn nằm rải rác tại những vùng xa trung tâm, khó khăn cho việc truyền tải điện thì việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ khí hóa để sản xuất điện, nhiệt đáp ứng nhu cầu năng lượng tại chỗ và đảm bảo môi trường được nhận dạng là một giải pháp có hiệu quả và cấp thiết. Việc nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm việc của các thiết bị khí hóa nhiên liệu rắn cũng cần được đề cập đến. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Dutta, Animesh (1998): A study of Biomass Gasification for Engine Applications; Thesis; Energy Program; AIT, Thailand. 2. Phạm Hoàng Lương, Đỗ Văn Quân; “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa sinh khối công suất nhỏ để sản xuất năng lượng”; Tạp chí khoa học và Công nghệ nhiệt Việt Nam; số 74-Tháng 3/2007. 3. Phạm Hoàng Lương, Nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng năng lượng ở Việt Nam, Hội nghị khoa học lần thứ 20 – Đại học Bách khoa Hà Nội, năm 2006. 4. Đề án cải tiến hệ thống lò nung gạch lát sàn theo phương pháp đốt LPG bằng công nghệ khí hóa than, năm 2006. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đỗ Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 9 - 14 14 SUMMARY CALCULATION OF ECONOMICAL EFFICIENCY WHEN REPLACING LIQUID PETROLEUM GASIFICATION (LPG) BY COAL GASIFICATION TECHNOLOGY Do Van Quan*, Vu Van Hai College of Technology – TNU This paper breifly presents the theory of coal gasification technology for energy purposes. The economical efficiency as well as the carbon balance in gasification chambers are calculated when coal gasification method is replaced LPG in order to dry and calcine the tiles in Viet - Y Factory of Tiles, Song Cong, Thai Nguyen. Key words: biomass, fluidised-bed gasification, carbon balance, coal gasification Ngày nhận bài: 09/5/2013; Ngày phản biện: 15/5/2013; Ngày duyệt đăng:26/7/2013 * Tel: 0988.526.121 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên