Sử dụng oxy hiệu quả để cải thiện các quá trình cháy và oxy hóa trong công nghiệp
Việc nạp thêm oxy vào không khí thường là cách dễ sử dụng với chi phí thấp giúp giảm phát thải, hạ mức đầu tư, và cải thiện tính linh động và nâng cao độ tin cậy của một số quá trình hóa học trong công nghiệp.
Các nhà sản xuất ngày nay đối mặt với những áp lực ngày càng gia tăng về cắt giảm nhiên liệu, tiền đầu tư, chi phí vận hành, giảm phát thải (nhất là khí CO2), cải thiện chất lượng, bảo đảm sự đồng nhất, tính linh động của các quá trình và năng suất. Việc nạp thêm oxy vào không khí vùng phản ứng hoặc vùng cháy là một cách cực kỳ hữu hiệu để đạt đến tất cả những đòi hỏi nói trên. Các quá trình công nghệ như oxy hóa, lên men, cháy, và xử lý nước thải có thể hưởng lợi từ việc sử dụng oxy nạp thêm trong không khí.
Lý do thông dụng nhất cho việc làm giàu không khí phục vụ cho hệ thống quá trình là để gia tăng năng suất. Điều này không có nghĩa là việc làm giàu oxy hoặc thay thế oxy cho khí làm việc giúp tiết kiệm 100% chi phí về nguồn tác nhân oxy hóa vì việc làm giàu oxy đã chiếm một phần chi phí từ việc mở rộng quy trình gốc.Tuy nhiên, việc giảm tỷ lệ khí nito trong nguồn khí oxy hóa cho phép sử dụng các thiết bị nhỏ gọn hơn và giá thành rẻ hơn. Lưu lượng toàn phần khí cấp sẽ thấp hơn so với lưu lượng khí cấp dùng cho quy trình gốc. Điều này giúp giảm thiểu sự tụt áp trong các thiết bị xử lý khí như máy thối, máy nén, quạt, và các thiết bị dòng. Nhờ đó, chi phí vận hành, cụ thể là chi phí năng lượng, sẽ giảm.
Khi giảm môt phần hay hoàn toàn nito, lượng oxy có mặt trong dòng khí sẽ tăng lên. Tốc độ phản ứng vì thế cũng cao hơn. Sự cháy và nhiệt độ phản ứng cao hơn với thời gian lưu tồn lâu hơn. Các yếu tố này đóng góp cho các phản ứng chuyển hóa triệt để hơn. Qua đó, kết quả là sản phẩm thu được sẽ có chất lượng như ý hơn. Ngoài ra, thể tích khí thải sẽ giảm đi và việc vệ sinh ống khói thải cũng đơn giản hơn.
Đốt cháy với tác nhân oxy hóa được làm giàu oxy.
Quá trình cháy này được dùng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Chúng bao gồm sản xuất thủy tinh, gia công sắt thép và kim loại màu, thiêu kết chất thải, thu hồi lưu huỳnh, cracking dòng bằng xúc tác, v.v…Quá trình cháy này còn dùng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, petcoke, và nhiên liệu rắn cũng như trong quá trình đốt than đá bằng khí giàu ôxy có sử dụng biện pháp bẫy giữ khí CO2
Đốt cháy với với tác nhân oxy hóa được làm giàu oxy có thể chia ra làm ba mức độ:
Cháy với lượng oxy làm giàu thấp, trung bình và cao. Lượng oxy làm giàu với mức độ thấp được định nghĩa như một phần mole của oxy trong dòng cấp chất oxy hóa với tỷ lệ 21-28%. Đây là ứng dụng đơn giản nhất và chi phí ít nhất do oxy được nạp trực tiếp vào dòng khí và ta vẫn có thể sử dụng đầu đốt thông thường. Ở cấp độ giàu oxy hơn trong khí cấp, quá trình cháy cần đầu đốt và thiết bị đặc biệt nhưng lợi ích về hiệu suất cháy sẽ cao hơn.
Phản ứng giàu oxy
Oxy cần dùng trong sản xuất các hóa chất công nghiệp và monomer. Bảng 1 liệt kê các quá trình hóa dầu oxy hóa cần oxy tinh khiết, hoặc khí cấp giàu oxy, hoặc làm giàu oxy trong dòng khí cấp.
Sản xuất ethylene oxide từ ethylene là một trong những phản ứng nói trên. Khi dùng nito để tạo môi trường trơ trong lò phản ứng, quá trình phản ứng phải đi qua loạt ba bước. Nhưng nếu dùng oxy tinh khiết, phản ứng sẽ xảy ra ở điều kiện động học tối ưu hơn. Nhờ vậy, quá trình ba bước được cắt xuống còn một bước. Công suất được cải thiện rõ rệt. Giá thành kinh tế từ sử dụng quy trình giàu oxy này được chấp nhận rộng rãi.
Một phản ứng khác hưởng lợi ích từ việc sử dụng oxy là quá trình oxychloro hóa ethylene trong sản xuất monomer vinylchloride. Điều kiện cho phản ứng tối ưu là cần một lượng dư ethylene và một nồng độ oxy nằm dưới giới hạn thấp của sự cháy tạo lửa trong hệ thống. Nếu sử dụng không khí như dòng tác nhân oxy hóa, việc duy trì lượng ethylene dư sẽ gánh chịu chi phí cao do tổn thất lượng lớn ethylene. Nhưng , với oxy nguyên chất, nó cho phép một tỷ lệ như ý các khí trong lò phản ứng được hoàn lưu để đạt tới điều kiện phản ứng tối ưu.
Việc sử dụng oxy tinh khiết thay vì không khí trong các phản ứng hóa học cần được đánh giá kỹ lưỡng theo bản chất quy trình. Bảng 2 tóm tắt một vài hướng dẫn chung cho biết nơi nào sử dụng oxy nguyên chất là hiệu quả kinh tế.
Hiệu suất năng lượng
Đứng ở góc độ hiệu suất năng lượng, thành phần nito và argon trong khí cháy là những thành phần đồng hành trong quá trình oxy hóa và chiếm tới 79% phần mol trong không khí khô nhưng những khí này không hỗ trợ quá trình cháy. Vì là các thành phần đồng hành, chúng cần phải được gia nhiệt lên đến cùng nhiệt độ như các sản phẩm cháy. Bởi không phải tất cả nhiệt cháy của các thành phần khí đều được thu giữ, sự thất thoát những khí này có liên quan đến tổn thất năng lượng. Giản đồ minh họa trong hình 1 và 2 sẽ giúp giải thích điều này. Hình 1 là giản đồ Sankey biểu diễn năng lượng sinh ra từ việc đốt methane với nguồn oxy hóa là không khí cấp cho lò nung. Không khí có thành phần 21% O2 và 79% N2 ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cháy 815oC. Hình 2 mô tả sự cháy của methane trong oxy tinh khiết ở cùng 2 chế độ nhiệt nói trên.
Theo như biễu diễn trên, việc loại bỏ các khí trơ từ không khí cháy làm gia tăng nhiệt hữu ích cho quá trình. Sự gia tăng biến đổi từ 59% lên 79% cùng với tiết kiệm được 26% nhiên liệu như dự kiến.
Hình 1: Phân bố tiêu hao nhiệt khi đốt methane với nguồn oxy hóa không khí
Hình 2: Phân bố tiêu hao nhiệt khi đốt methane với nguồn oxy hóa là oxy tinh khiết
Sự phát thải ít hơn
Cùng với việc tiết kiệm nhiên liệu, sự đốt cháy trong oxy cũng làm giảm sự phát thải. Việc giảm tiêu thụ nhiên liệu làm giảm trực tiếp sự phát thải khí CO2. Khi việc tiết kiệm nhiên liệu ở mức 25-60% có thể đạt được nhờ sử dụng oxy, sự cắt giảm phát thải CO2 cũng đạt được ở mức 25-60%. Ngay cả khi tính luôn giai đoạn dùng nhiên liệu để tách oxy từ không khí sự đốt cháy nhiên liệu giàu oxy vẫn cho mức phát thải CO2 toàn phần là thấp.
Hình 3: Sự thay đổi nhiệt độ theo nồng độ oxy cung cấp
Sự phát thải oxyt nito từ các nguồn cháy cũng bị tác động mạnh theo nồng độ O2 trong tác nhân oxy hóa. Các hệ nhiên liệu dạng khí (được tạo ra theo cơ chế Zeldovich) là nguồn phát thải các oxyt nito NOx. Phản ứng này phụ thuộc vào cả sự có mặt nito và quan trọng hơn là nhiệt độ. Để cháy trong không khí, yếu tố giới hạn trong việc tạo ra NOx là nhiệt độ của ngọn lửa. Khi cháy trong oxy tinh khiết, yếu tố giới hạn lại là sự có mặt của nito. Các hiệu ứng cạnh tranh của nhiệt độ ngọn lửa và sự có mặt của nito gây ra sự tăng tạo NOx ở nồng độ oxy làm giàu thấp. Lượng phát thải NOx giảm mạnh khi nồng độ O2 đạt đến 80-90% trong tác nhân oxy hóa.
Hình 4: Sự thay đổi lưu lượng khí thải theo nồng độ oxy
Tài liệu tham khảo:
1. Johnson, L. M., “Method and Apparatus for Oxy-Fuel Combustion,” U.S. Patent Application No. WO 2008/109482 PCT (Sept. 12, 2008).
2. D’Agostini, M. D., “Method for Largely Unsupported Combustion of Petroleum Coke,” U.S. Patent No. 7,185,595 (Mar. 6, 2007).
3. D’Agostini, M. D., & F. A. Milcetich, “Pulverized Solid Fuel Burner,” U.S. Patent Application No. 2008/0184919 (Aug. 7, 2008).
4. Gans, M., “Choosing Between Air and Oxygen For Chemical Processes,” Chem. Eng. Progress, 75 (1), pp. 67–72. (Jan. 1979).
5. Slavejkov, A. G., “Method and Device for Low-Nox High-Effi ciency Heating in High-Temperature Furnaces,” U.S. Patent No. 5,575,637 (Nov. 19, 1996).
6. Slavejkov, A. G., “Low-NOx Staged Combustion Device for Controlled Radiative Heating in High-Temperature Furnaces,” U.S. Patent No. 5,611,682 (Mar. 18, 1997).
Teppi
Sử dụng oxy hiệu quả
Linear Mode
