Giáo trình Điều khiển và khống chế lò tạo khí

Điều khiển và khống chế lò tạo khí ebook@free4vn.org -------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- T.g: Phan Việt Cường 3 Chương I : tìm hiểu quá trình công nghệ lò tạo khí I_1: Sơ lược về công nghệ sản xuất phân đạm . Quá trình sản xuất phân đạm tại nhà máy phân đạm và hoá chất Hà Bắc được vẽ trên hình I_1 . Trải qua rất nhiều công đoạn phức tạp , nhưng có thể chia ra thành các khâu chính sau : Than , không khí và hơi nước được đưa vào tạo khí . Tại lò tạo khí có các phản ứng hóa học phức tạp để tạo ra khí than . Khí than khi ra khỏi lò tạo khí có thành phần gồm nhiều loại khí khác nhau như : CO,CO2,N2,NH4,H2S … (thànhphần của khí than phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu sản xuất khí than) . Khí than sau khi sinh ra ở lò tạo khí được đưa vào các khâu tinh chế để tách ra các sản phẩm như : N2,H2,CO,CO2 …Sau đó N2 và H2 được đưa vào khâu hợp thành để sản xuất amoniac(NH3) ,còn CO,CO2 được đưa vào khâu sản xuất CO . Cuối cùng NH3 và CO sinh ra được đưa vào khâu sản xuất đạm để tạo ra đạm là NH2-CO-NH2 . Từ quá trình tổng thể để sản xuất phân đạm ta thấy là tạo khí là một khâu rất quan trọng trong cả dây chuyền sản xuất phân đạm . Khí than sinh ra ở lò tạo khí là nguyên liệu đưa vào các khâu tiếp theo do đó thành phần khí than tạo ra ở lò tạo khí sẽ quyết định chất lượng sản phẩm và hiệu xuất sản xuất của cả quá trình sản xuất phân đạm của nhà máy . I_2: Quá trình khí hoá than và những ảnh hưởng của nhiên liệu tới quá trình khí hoá . 1. quá trình khí hoá than . quá trình khí hoá than được tiến hành trong lò khí hoá than (gọi là lò tạo khí) . Lò này là lò đứng do Trung Quốc lắp đặt từ những năm 70 , bao gồm các bộ phận sau : 1 : Bộ phận nạp than 2 : Chuông chắn 3 : Zôn sấy 4 : Zôn chưng khô Điều khiển và khống chế lò tạo khí ebook@free4vn.org -------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- T.g: Phan Việt Cường 4 5 : Zôn khử 6 : Zôn ôxy hóa 7 : Khu vực xỉ 8 : Mũi gió I : Đường gió vào II : Đường khí ra III : Đường nhiên liệu Phía trên lò là bộ phận nạp than vào , phía dưới có các bộ phận chứa nước để thải tro xỉ và thực hiện sự khí hoá than . Tác nhân khí hoá như không khí và hơi nước quá nhiệt có thể đi qua mũi gió ở phía dưới , còn nhiên liệu dạng khí tạo thành lúc đó sẽ theo đường ống phía trên đi ra ngoài . Theo chiều từ trên xuống : nhiên liệu rắn (ở đây là than Antraxit Hòn Gai) lần lượt được sấy khô , khử , oxy hoá và cuối cùng tạo thành xỉ than . Và do đó cũng theo chiều cao người ta phân lò khí hoá than thành các zôn : sấy , chưng khô , khử , oxy hoá và xỉ . Ta có thể gộp zôn sấy và zôn chưng khô gọi là zôn chuẩn bị , còn zôn khử và zôn oxy hoá gọi là zôn khí hoá . Sự phân bố các zôn được mô tả bằng hình vẽ I_2 . 2. Nguyên lý của quá trình khí hoá than . Dòng khí từ dưới lên qua zôn chuẩn bị làm cho nhiên liệu được đốt nóng lên và hơi nước trong đó được tách ra . Khi đốt nóng khoảng 250 á 350oC nhiên liệu được chưng khô , tại đây các sản phẩm dạng khí và hơi nước tạo thành oxit cacbon (CO) , hiđro(H2) , cacbua hiđro nặng (chủ yếu là êtylen) , hiđrosunfua (H2S) , amoniac(NH3) , nhựa than . Nhiên liệu càng nhiều chất bốc thì sản phẩm chưng khô càng nhiều . Thành phần của sản phẩm chưng khô phụ thuộc vào loại nhiên liệu và dao động trong khoảng rộng . Sản phẩm chưng khô càng nhiều thì chất liệu khí than càng tăng . Sau khi tách chất bốc hoàn toàn , nhiên liệu ở dạng cốc . Than cốc này được nung đỏ đi vào zôn khí hoá . Tại zôn này , phản ứng hoá học phức tạp xảy ra giữa cốc nung đỏ và các tác nhân khí hoá như không khí và nước . Ví dụ nếu cho tác nhân khí hoá than theo đường từ dưới lên trên thì không khí sẽ tác dụng với than cốc tạo thành khí cacbonic (CO2) , đồng thời hơi nước cũng tác dụng với cacbon để tạo thành cacbonic và hiđro . Những khí CO và H2 tạo nên lại tiếp tục cháy để tạo ra khía CO2 và H2O vì môi trường khí tồn tại ở dạng oxy hoá . Càng lên phía trên lượng khí oxy càng Điều khiển và khống chế lò tạo khí ebook@free4vn.org -------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- T.g: Phan Việt Cường 5 giảm, môi trường của dòng khí không còn oxy . Chính vì thế theo chiều cao hàm lượng CO và H2O tác dụng với cacbon nung đỏ tạo ra CO và H2 . Như vậy ở zôn khử hàm lượng CO và H2 khá cao . Các phản ứng oxy hoá đều toả nhiệt , nhiệt này sẽ cung cấp cho phản ứng khử và đốt nóng cốc . Nhiên liệu càng ẩm càng chứa nhiều chất bốc thì thời gian nhiên liệu lưu lại ở zôn khí hoá càng lâu . Nghĩa là tốc độ phản ứng trong zôn khử phụ thuộc rất nhiều vào mức độ chuẩn bị nhiên liệu . ở đây cần phải duy trì nhiệt độ ở zôn khí hoá khoảng 1000oC vì ở nhiệt độ này hầu hết khí CO2 đều bị khử thành oxitcacbon (CO) . Nhiệt độ càng cao phản ứng khử tiến hành càng thuận lợi . Như vậy khí than nhận được là do sản phẩm các phản ứng xảy ra ở zôn khí hoá và các khí nhận được từ zôn chưng khô . Thành phần của khí than khi ra khỏi zôn khí hoá cũng có sự thay đổi . Một số khí CO và H2 có tham ,/gia phản ứng tạo ra các sản phẩm ở dạng lỏng và CH4 . Trong các phản ứng có phản ứng thu nhiệt và phản ứng toả nhiệt , song nếu yêu cầu sản xuất NH3 thì khí tạo ra phải có yêu cầu về tỷ lệ như sau : ( CO + H2 ) : N2 = 3 : 1 Do vậy phản ứng oxy hoá (toả nhiệt) và phản ứng khử (thu nhệt) là không cân đối . Để đáp ứng nhu cầu trên người ta sử dụng hai giải pháp sau đây : - Dùng không khí giàu oxy và hơi nước đi vào lò khí hoá than . Lượng oxy giàu sao cho nhiệt toả ra bằng nhiệt thu vào của phản ứng : H2O + C . - Dùng phương pháp chế khí gián đoạn theo chu khỳ 5 bước (hiện nay nhà máy phân đạm và hoá chất Hà Bắc đang sử dụng phương pháp này) . Trong đó giữa các giai đoạn chế khí than ẩm có giai đoạn thổi gió làm tăng nhiệt độ cho tầng nhiên liệu . 3. Những ảnh hưởng của nhiên liệu tới quá trình khí hoá . 3.1 Độ ẩm của nhiên liệu . Nếu độ ẩm của nhiên liệu cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí làm giảm chất lượng khí than . Điều đó dẫn đến phải tổ chức lớp nhiên liệu có chiều cao thích hợp hoặc thay đổi chế độ khí hoá . 3.2 ảnh hưởng của nhựa than . Điều khiển và khống chế lò tạo khí ebook@free4vn.org -------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- T.g: Phan Việt Cường 6 Nhựa than tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và có ảnh hưởng đến chất lượng khí than ở những mức độ khác nhau . Vì nhiệt sinh ra của nhựa than khá cao (tới 31400KJ/KG) , vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí than tăng lên nhiều .Nếu có một điều kiện nào đó (độ ẩm hoặc chiều cao lớp than không được tổ chức hợp lý) thì than tách ra ở dạng lỏng . Trong trường hợp này chất lượng giảm xuống và quá trình khí hoá than gặp nhiều khó khăn vì do nhựa than tách ra trong lò là kết dính các lớp nhiên liệu . Nếu nhựa than tách ra ở đường ống dẫn sẽ gây ách tắc tại đó . Đặc biệt với van ba ngả nếu bị kẹt , tắc thì rất nguy hiểm . Chính vì vậy phải có thiết bị tách nhựa than ra khỏi khí than . 3.3 ảnh hưởng của tro xỉ . ở vùng dưới lò tro xỉ có thể nóng đỏ vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao . Nếu nhiệt độ nóng chảy của xỉ than thấp thì nó sẽ kết dính thành mảng lớn làm cản trở quá trình khí hoá và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết . Lúc đó gió sẽ tập trung đi vào những vùng chưa bị kết dính xỉ . Điều này dẫn đến tác nhân hóa vượt quá năng lượng bình thường ở vùng này dẫn đến hàm lượng CO2 và N2 của khí than tăng lên . Nếu quá trình tiếp diễn lâu thì nhiệt độ tại vùng đó sẽ tăng do kết quả của phản ứng toả nhiệt , làm cho nhiệt độ xỉ tiếp tục tăng dẫn đến tê liệt quá trình khí hoá than và kéo theo làm giảm nghiêm trọng chất lượng khí than . Ngoài ra để phá xỉ phải tốn nhiều năng lượng cho ghi quay phá xỉ . Để hạn chế hiện tượng kết tảng ta phải tối ưu hoá vùng khí hoá than , điều chỉnh nhiệt độ và mực nước vỏ két thích hợp chống lại sự kết dính khi cần thiết. 3.4 ảnh hưởng của sản phẩm chưng khô . Tùy từng loại nhiên liệu mà sản lượng , sản phẩm chưng khô thu được ở mức độ khác nhau . Nếu sản phẩm chưng khô càng cao chất lượngkhí than càng tăng . 3.5 ảnh hưởng của kích thước và hạt cốc . Kích thước hạt than và hạt cốc đóng vai trò đáng kể trong quá trình khí hoá than , nếu kích thước hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc bề mặt của chúng với tác nhân khí hoá tăng lên , tốc độ phản ứng tăng . Tuy nhiên nếu kích thước hạt quá nhỏ hoặc độ bền cơ học kém dẫn đến vỡ vụn thì sức cản thuỷ lực tăng , dễ gây bí tắc lò cản trở quá trình khí hoá . Bởi vậy ta phải chọn than , tuyển chọn kích thước hợp lý . Điều khiển và khống chế lò tạo khí ebook@free4vn.org -------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- T.g: Phan Việt Cường 7 I_3: Công nghệ sản xuất khí than tại lò tạo khí của công ty phân đạm và hoá chất Hà Bắc . 1. Hệ thống thiết bị . Hệ thống thiết bị chính của quá trình chế tạo khí than của lò tạo khí được xây dựng như hình I_3 . Với một công đoạn bao gồm : - Lò khí hoá than . - Lò đốt . - Lò hơi nhiệt thừa . - ống khói . - Một hệ thống dẫn hơi nước quá nhiệt (0,8at) . Không khí có áp xuất P = 2000mmH2O và hỗn hợp của chúng cũng như các ống dẫn khí than nối giữa 5 bộ phận kể trên với nhau đến túi rửa phong rồi đến két khí . Quá trình điều khiển chế khí thực hiện qua 5 giai đoạn do hệ thống điều khiển (cơ khí thuỷ lực với hệ thống dầu cao áp) đảm nhiệm . Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển hệ thống cao áp (hoặc nước cao áp) đóng mở van công nghệ theo chương trình . 2. Công nghệ chế khí than ẩm . Khí than ẩm dùng làm khí nguyên liệu tổng hợp amoniac (NH3) . Quá trình chế khí đòi hỏi rất nhiều yêu cầu về cân bằng nhiệt giữa phản ứng thu nhiệt và phản ứng toả nhiệt (như đã nói ở trên) . Chính vì vậy để đáp ứng các yêu cầu đó quá trình chế khí than được chia thành 5 giai đoạn sau : - Giai đoạn thổi gió . - Giai đoạn thổi lên chế khí lần 1 . - Giai đoạn thổi xuống . - Giai đoạn thổi lên lần 2 . - Giai đoạn thổi sạch . 2.1 Giai đoạn thổi gió . Như ta đã nói ở trên , theo yêu cầu sản xuất amoniac NH3 thì khí tạo ra phải có tỷ lệ (CO + H2) : N2 = 3 : 1 nên tỷ lệ phản ứng toả nhiệt và thu nhiệt trong quá trình khí hoá không cân bằng . Điều này dẫn đến phải có một giai đoạn chế khí than khô nhằm tăng nhiệt độ cho tầng nhiên liệu .