Khí hóa than (Coal Gasification) là công nghệ chuyển hóa than đá từ nhiên liệu rắn sang dạng khí tổng hợp (syngas) sạch và giàu năng lượng thông qua quá trình oxy hóa không hoàn toàn. Việc đưa nhiên liệu về thể khí cho phép loại bỏ triệt để các tạp chất như hợp chất lưu huỳnh và tro bụi ngay trước khi đốt, mở ra giải pháp phát điện hiệu suất cao và sản xuất hóa chất thân thiện với môi trường.
Bài viết tổng hợp và biên dịch chuyên sâu từ Chương 18: “Coal Gasification” trong tài liệu kinh điển Steam: Its Generation and Use (Ấn bản thứ 41) của Tập đoàn Babcock & Wilcox.
MỤC LỤC
1. Khái niệm và Nguyên lý Quá trình Khí hóa
Khác với quá trình đốt cháy hoàn toàn trong điều kiện dư oxy — nơi toàn bộ hóa năng của than giải phóng trực tiếp thành nhiệt năng kèm khí thải cacbonic ($\text{CO}_2$) và hơi nước ($\text{H}_2\text{O}$) — khí hóa than vận hành trong môi trường thiếu oxy (oxy hóa phân đoạn).
Khi lượng oxy được khống chế chính xác ở mức dưới tỷ lượng (sub-stoichiometric), than không cháy kiệt thành $\text{CO}_2$ mà chuyển hóa thành hỗn hợp khí cháy bao gồm Hydro ($\text{H}_2$), Cacbon monoxit ($\text{CO}$) và Mê-tan ($\text{CH}_4$). Dòng khí này bảo toàn phần lớn năng lượng hóa học của than nguyên khai, dễ dàng làm sạch và dẫn truyền để cấp cho tuốc-bin khí, tổng hợp hóa chất hoặc nâng cấp thành khí thiên nhiên thay thế (SNG).
Bên trong lò khí hóa, quá trình chuyển hóa diễn ra qua hai giai đoạn nối tiếp:
- Giải phóng chất bốc (Devolatilization): Khi nhiệt độ tăng cao, các liên kết hóa học yếu trong cấu trúc than bị bẻ gãy, giải phóng nhựa đường (tar), dầu, phenol và các khí hydrocarbon nhẹ. Phần rắn còn lại sau giai đoạn này là cốc char (fixed carbon).
- Khí hóa cốc char (Char Gasification): Cốc char tiếp tục phản ứng với các tác nhân khí hóa gồm oxy, hơi nước, $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2$ ở nhiệt độ cao để tạo thành khí tổng hợp (syngas).
2. Hệ Phản ứng Hóa học Cơ bản
Hóa học của quá trình khí hóa than là sự cân bằng nhiệt động lực học giữa hai nhóm phản ứng đối nghịch:
- Nhóm phản ứng tỏa nhiệt (Exothermic reactions – cấp nhiệt cho hệ thống):
- Cháy cacbon hoàn toàn: $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$
- Cháy cacbon không hoàn toàn: $\text{C} + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}$
- Phản ứng chuyển hóa khí-nước (Water-gas shift): $\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_2 + \text{H}_2$
- Phản ứng Mê-tan hóa (Methanation): $\text{CO} + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons \text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O}$
- Phản ứng Mê-tan hóa trực tiếp (Direct methanation): $\text{C} + 2\text{H}_2 \rightleftharpoons \text{CH}_4$
- Nhóm phản ứng thu nhiệt (Endothermic reactions – hấp thụ nhiệt):
- Phản ứng Boudouard: $\text{C} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons 2\text{CO}$
- Phản ứng Than – Hơi nước (Steam-carbon reaction): $\text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO} + \text{H}_2$
- Phản ứng giải phóng hydro: $2\text{H}\text{ (trong than)} \rightarrow \text{H}_2\text{ (khí)}$
Toàn bộ tổ hợp phản ứng này mang tính tự nhiệt (autothermic): nhiệt lượng sinh ra từ các phản ứng oxy hóa cacbon ban đầu vừa đủ để duy trì năng lượng cho các phản ứng thu nhiệt diễn ra liên tục mà không cần nguồn nhiệt đốt ngoài.
Cơ chế chuyển hóa tạp chất:
- Lưu huỳnh ($\text{S}$): Chuyển hóa chủ yếu thành Hydro sunfua ($\text{H}_2\text{S}$) cùng một lượng nhỏ Cacbonyl sunfua ($\text{COS}$), giúp việc thu hồi ở dạng khí thuận lợi hơn nhiều so với xử lý khí khói sau đốt.
- Nitơ ($\text{N}$): Chuyển hóa thành khí trơ $\text{N}_2$ ở vùng nhiệt độ cao, hoặc tạo thành một lượng nhỏ Amoniac ($\text{NH}_3$) và Hydro xyanua ($\text{HCN}$) ở vùng nhiệt độ thấp.
3. Phân loại Khí Sản phẩm theo Nhiệt trị
Tùy thuộc vào tác nhân oxy hóa (không khí hay oxy tinh khiết) và công nghệ xử lý sau lò, khí sản phẩm được chia thành 3 nhóm tiêu chuẩn:
| Phân loại khí | Dải nhiệt trị | Đặc điểm công nghệ & Ứng dụng |
| Khí nhiệt trị thấp (Low-Btu gas) | $90 – 200\text{ Btu/DSCF}$ ($3.5 – 7.9\text{ MJ/Nm}^3$) | Sử dụng không khí làm tác nhân oxy hóa nên khí bị pha loãng bởi hàm lượng lớn Nitơ ($\text{N}_2$). Thường dùng đốt trực tiếp cho lò hơi tại chỗ hoặc tuốc-bin khí chuyên dụng. |
| Khí nhiệt trị trung bình (Intermediate-Btu gas) | $270 – 600\text{ Btu/DSCF}$ ($10.6 – 23.6\text{ MJ/Nm}^3$) | Khí hóa bằng oxy nguyên chất hoặc quy trình loại trừ nitơ. Là nguồn syngas tiêu chuẩn cho chu trình hỗn hợp IGCC và công nghiệp tổng hợp hóa chất. |
| Khí nhiệt trị cao (High-Btu gas / SNG) | $> 900\text{ Btu/DSCF}$ ($> 35.4\text{ MJ/Nm}^3$) | Khí nhiệt trị trung bình được đưa qua cụm xúc tác Mê-tan hóa bổ sung để đạt chất lượng và nhiệt trị tương đương khí thiên nhiên thương phẩm. |
4. Bốn Công nghệ Lò Khí hóa Chính
Dựa trên nguyên lý khí-động lực học và phương thức tiếp xúc giữa pha rắn (than) và pha khí, các lò khí hóa công nghiệp được phân thành 4 nhóm cấu hình cơ bản:
| Thông số kỹ thuật | Tầng cố định / Di chuyển(Fixed / Moving Bed) | Tầng sôi(Fluidized Bed) | Dòng cuốn / Lôi kéo(Entrained Flow) | Vận chuyển(Transport Gasifier) |
| Hướng dòng khí | Ngược chiều (Up-flow) | Ngược chiều (Up-flow) | Đồng chiều (Co-current) | Tầng sôi tuần hoàn (Circulating) |
| Kích thước hạt than | Thô: $< 5\text{ cm}$ ($< 2\text{ in}$) | Trung bình: $< 6\text{ mm}$ ($< 0.25\text{ in}$) | Than nghiền mịn (Pulverized) | Than mịn / hạt nhỏ |
| Cấp than phù hợp | Các loại than bậc thấp | Các loại than bậc thấp | Mọi cấp than | Mọi cấp than |
| Nhiệt độ vận hành | $427 – 649^\circ\text{C}$ ($800 – 1200^\circ\text{F}$) | $927 – 1038^\circ\text{C}$ ($1700 – 1900^\circ\text{F}$) | $> 1260^\circ\text{C}$ ($> 2300^\circ\text{F}$) | $\sim 871^\circ\text{C}$ ($1600^\circ\text{F}$) |
| Trạng thái tro xỉ | Tro khô hoặc Thải xỉ (Slagging) | Tro khô hoặc Thiêu kết (Agglomerating) | Thải xỉ lỏng (Slagging) | Tro khô (Dry ash) |
| Nhà phát triển tiêu biểu | Lurgi, British Gas/Lurgi | Winkler, KRW | GE/Texaco, Shell, ConocoPhillips/E-Gas, Uhde, B&W | KBR / MW Kellogg |
Đặc trưng vận hành của từng cấu hình:
- Lò tầng cố định (Moving-Bed): Lớp than đi từ trên xuống ngược chiều với dòng khí nóng đi lên, lần lượt qua các vùng sấy, giải phóng chất bốc, khí hóa và cháy. Nhiệt độ khí đầu ra thấp giúp tối ưu trao đổi nhiệt nội bộ nhưng kéo theo nhựa đường (tar) và phenol chưa phân hủy hết.
- Lò tầng sôi (Fluidized-Bed): Dòng khí thổi từ dưới lên giữ các hạt than lơ lửng, tạo vùng phản ứng đồng đều về nhiệt độ. Lò bắt buộc phải khống chế nhiệt độ dưới điểm chảy mềm của tro để tránh đóng xỉ clinker làm phá vỡ trạng thái tầng sôi.
- Lò dòng cuốn (Entrained-Flow): Than nghiền mịn được phun đồng chiều với chất oxy hóa với thời gian lưu chỉ vài giây. Nhiệt độ cực cao ($> 1260^\circ\text{C}$) bẻ gãy hoàn toàn các hydrocarbon nặng thành $\text{CO}$ và $\text{H}_2$, đồng thời hóa lỏng tro thành xỉ chảy.
- Lò vận chuyển (Transport Gasifier): Vận hành ở vận tốc khí lớn với mật độ tuần hoàn hạt rắn cao, đạt độ chuyển hóa cacbon kiệt mà vẫn duy trì nhiệt độ dưới ngưỡng nóng chảy của tro.
5. Thu hồi Nhiệt và Hệ thống Làm sạch Khí
Dòng khí tổng hợp rời khỏi lò khí hóa mang theo lượng nhiệt hiện (sensible heat) rất lớn. Để bảo toàn hiệu suất nhiệt toàn nhà máy, dòng khí này đi qua hai công đoạn xử lý chính:
- Làm mát và thu hồi nhiệt:
- Bộ làm mát khí tổng hợp (Syngas Cooler / Waste Heat Boiler): Tận dụng nhiệt khí thô để sinh hơi quá nhiệt cấp ngược lại cho chu trình tuốc-bin hơi.
- Dập nguội (Quenching): Phun trực tiếp nước hoặc khí tuần hoàn nguội để hạ nhiệt nhanh và làm đông đặc các giọt xỉ lỏng lơ lửng trước khi khí đi vào các bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu.
- Hệ thống làm sạch lạnh (Cold Gas Cleanup):
- Lọc bụi: Giữ lại toàn bộ hạt bụi mịn thông qua thiết bị xyclon và bộ lọc túi vải/lọc nến chịu nhiệt.
- Khử lưu huỳnh: Các khí axit ($\text{H}_2\text{S}, \text{COS}$) được hấp thụ bằng dung môi hóa học hoặc vật lý, sau đó hoàn nguyên và đưa qua cụm nhà máy Claus để thu hồi lưu huỳnh nguyên chất dạng thương phẩm.
6. Chu trình Hỗn hợp Khí hóa Tích hợp (IGCC)
IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) là mô hình ứng dụng tiêu biểu nhất của khí hóa than trong phát điện, kết hợp công nghệ hóa học với chu trình hỗn hợp khí – hơi:
- Khí hóa & Làm sạch: Than được chuyển hóa thành syngas và loại bỏ triệt để lưu huỳnh, bụi mịn.
- Chu trình Brayton (Tuốc-bin khí): Khí tổng hợp sạch được đốt trong buồng đốt tuốc-bin khí để kéo máy phát điện.
- Thu hồi nhiệt khói thải: Dòng khói thải nhiệt độ cao ($> 538^\circ\text{C}$ / $> 1000^\circ\text{F}$) thoát ra từ tuốc-bin khí được dẫn qua Lò hơi Thu hồi Nhiệt (HRSG).
- Chu trình Rankine (Tuốc-bin hơi): Hơi nước sinh ra từ HRSG kết hợp với hơi từ bộ làm mát khí tổng hợp (Syngas Cooler) cùng dẫn động tuốc-bin hơi để phát điện bổ sung.
Hiệu suất năng lượng: Các tổ máy IGCC thương mại đạt hiệu suất ròng từ 38% – 43% (theo nhiệt trị cao HHV) và lên tới 45% (theo nhiệt trị thấp LHV). Với sự phát triển của các thế hệ tuốc-bin khí chịu nhiệt độ cao, hiệu suất tổng thể của IGCC được kỳ vọng chạm mốc 50%.
7. Hiệu quả Môi trường và Xu hướng Phát triển
So với các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi đốt than phun truyền thống (PC plants), hệ thống khí hóa tích hợp IGCC giải quyết tận gốc bài toán phát thải nhờ xử lý tạp chất ở thể tích khí nhỏ và áp suất cao trước khi đốt:
- Kiểm soát Lưu huỳnh ($\text{SO}_2$): Hiệu suất thu hồi lưu huỳnh đạt trên 99% nhờ tách $\text{H}_2\text{S}$ ở áp suất cao trước buồng đốt.
- Kiểm soát Nitơ Oxit ($\text{NO}_x$): Nitơ liên kết trong than được loại bỏ ngay ở công đoạn làm sạch khí thô; phát thải $\text{NO}_x$ chỉ phát sinh nhiệt học tại ngọn lửa tuốc-bin khí và dễ dàng khống chế dưới mức $0.05\text{ lb/10}^6\text{ Btu}$ ($21.5\text{ g/GJ}$).
- Giảm thiểu chất thải rắn: Tro than nóng chảy kết khối thành xỉ thủy tinh trơ (vitrified slag) không bị rửa trôi kim loại nặng (leaching) và có thể tái sử dụng làm vật liệu xây dựng; lưu huỳnh thu hồi ở dạng nguyên chất bán thương mại. Tổng lượng chất thải rắn giảm khoảng 50% so với bùn thạch cao từ tháp khử lưu huỳnh khói thải ướt (FGD).
- Loại bỏ Thủy ngân & Bụi mịn: Thủy ngân được hấp phụ hiệu quả bằng lớp than hoạt tính trên dòng khí áp suất cao trước khi đốt.
Triển vọng tương lai: Công nghệ khí hóa than hiện đại đang mở rộng sang mô hình tổ hợp đồng sản xuất đa năng (Co-production plants / Vision 21) — kết hợp linh hoạt giữa phát điện sạch với sản xuất hóa chất cơ bản (amoniac, methanol), nhiên liệu lỏng tổng hợp (Fischer-Tropsch) và Hydro ($\text{H}_2$) tinh khiết phục vụ công nghệ pin nhiên liệu (fuel cells) và thu giữ cacbon (CCS).
Nguồn tham khảo: Babcock & Wilcox Company (2005), “Chapter 18: Coal Gasification”, Steam: Its Generation and Use, 41st Edition.