Nguyên liệu chính trong sản xuất amoniac từ than đá

Phần lớn amoniac được sản xuất từ khí thiên nhiên, tuy nhiên trên lý thuyết, bất kỳ nguyên liệu hyđrocacbon nào cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu, miễn là có thể oxy hóa được thành khí tổng hợp (syngas).

Tỷ lệ sử dụng các nguyên liệu để sản xuất amoniac trên thế giới là: 71,1% khí thiên nhiên; 5,6% napta và khí hóa lỏng; 3,7% dầu nhiên liệu; 19,0% than đá, than cốc, khí lò cốc và 0,6% là nguyên liệu khác. Ấn Độ là nước thiếu khí thiên nhiên, nên chủ yếu dùng napta. Ở châu Á giá khí thiên nhiên và napta đều tăng cao, nên người ta đã dùng nguyên liệu khác thay thế.

Có 3 phương pháp sản xuất khí tổng hợp với tỷ lệ H₂ : N₂ = 3:1 để tổng hợp amoniac:

-Refoming khí thiên nhiên và các hyđrocacbon bằng hơi nước

-Oxy hóa không hoàn toàn hyđrocacbon nặng

-Oxy hóa (hoặc khí hóa) không hoàn toàn than đá.

Refoming bằng hơi nước không thích hợp đối với hyđro cacbon nặng. Trước khi đưa vào quá trình khí hóa, cần xử lý sơ bộ chất rắn than đá. Ngoài ra, phải có nhà máy sản xuất oxy cho phương pháp này nên suất đầu tư tăng cao gấp 3 – 4 lần so với nhà máy sử dụng khí thiên nhiên. Tuy nhiên, ở những nước có giá khí thiên nhiên cao, lại có than đá giá rẻ thì chi phí đầu tư cho máy móc ở công đoạn khí hóa có thể được bù lại bằng giá than đá thấp hơn trong quá trình vận hành. Than đá nội địa giúp tiết kiệm ngoại tệ nhập khẩu dầu khí, giảm giá thành các sản phẩm đầu ra như amoniac, Urea, metanol. Chuyển các nhà máy hiện nay đang dùng khí thiên nhiên thành các nhà máy khí hóa than cũng là giải pháp tiết kiệm đầu tư vì có thể sử dụng lại các nhà máy hiện có.

Hiện nay, các nước Nam Phi, Ấn Độ, Trung Quốc và Mỹ đang là những nước đầu tư nhiều nhất từ than đá để sản xuất amoniac. Ngoài ra, còn một số nước khác có sử dụng lượng than đá ở quy mô nhỏ hơn như Nhật Bản, Bắc Triều Tiên, Việt Nam, Ai Cập và Nga.

Mỗi năm, Nam Phi sản xuất 627.000 tấn amoniac, chủ yếu dựa trên khí hóa than. Ấn Độ sử dụng nguyên liệu than đá vào năm 1960, chuyển sang nguyên liệu lỏng (napta, FO) vào năm 1970 và khí (khí thiên nhiên) vào năm 1980. Lượng khí cần thiết để sản xuất 2.200 tấn urê/ ngày tương đương với lượng khí cho nhà máy điện 250 MW. Điều đó có nghĩa là một nhà máy điện 1.000 MW trên cơ sở khí thiên nhiên sẽ tiêu thụ lượng khí cần thiết của 4 nhà máy urê cỡ trung bình. Ấn Độ dự định nhập khẩu khí thiên nhiên hóa lỏng(LNG) để giải quyết khó khăn đó. Nhưng việc sử dụng nguồn than đá dồi dào cho sản xuất amoniac và urê cũng có thể giúp Ấn Độ giải quyết vấn đề nói trên. Trung Quốc có nguồn than đá tập trung đến 75% ở các tỉnh phía Bắc và Tây Bắc. Trung Quốc cũng thiếu khí thiên nhiên và đang đối mặt với nhu cầu ngày càng tăng về sản xuất điện, do đó đi từ than đá có thể là một khả năng cho các nhà máy amoniac tương lai ở nước này. Mỹ hiện nay dùng than đá sản xuất khoảng 52% sản lượng điện và dự đoán trong 20 năm tới sẽ giảm xuống còn khoảng 45%, vì được thay một phần bằng khí thiên nhiên. Việc tăng cường sử dụng khí thiên nhiên để phát điện sẽ khiến cho giá khí tăng, buộc công nghiệp hóa chất phải tìm các nguyên liệu thay thế. Chính phủ Mỹ đã cấp 2 tỷ USD cho chương trình nghiên cứu công nghệ than sạch, mở đường cho việc xây dựng các nhà máy liên hợp để sản xuất điện, khí tổng hợp, amoniac, urê và metanol.

Các quy trình khí hóa

Khí hóa than đá ở áp suất khí quyển (ACG)

Đây là quy trình được sử dụng trong đa số các nhà máy khí hóa than cũ, cỡ nhỏ của Trung Quốc từ những năm 1950. Thiết bị khí hóa sử dụng than cục có kích thước 25-27 mm và độ bền nhiệt tốt, như antraxit hay cốc, để đảm bảo lượng hyđrocacbon thấp trong khí than. Thiết bị hoạt động ở áp suất khí quyển và than được khí hóa bằng không khí và hơi nước trong tầng cố định. Nhiệt sinh ra từ phản ứng tỏa nhiệt giữa than và không khí được lưu giữ trong tầng phản ứng để cung cấp nhiệt cho phản ứng giữa than và hơi nước, đó là giai đoạn mấu chốt trong quá trình khí hóa.

Khí hóa than đá ở áp suất khí quyển là một quá trình ổn định và sử dụng không khí ở áp suất khí quyển, không cần công đoạn tách khí, trang thiết bị tương đối rẻ – rẻ hơn khoảng 30% so với những quá trình khác (tính theo tấn sản phẩm). Tuy nhiên, tiêu hao năng lượng cao, khoảng 57 GJ/ tấn amoniac và quá trình cũng thải ra nhiều cacbon monoxit và hyđro sunfua, nên cần công đoạn xử lý khí đuôi. Quy trình này không thích hợp với các dây chuyền công suất lớn.

Quy trình của Shell

Quy trình khí hóa than theo công nghệ của Shell hiện nay chưa được sử dụng trong nhà máy amoniac nào, nhưng là một công nghệ khí hóa than hiện đại và điển hình. Quy trình này đang được dùng ở Hà Lan trong tổ hợp khí hóa than và phát điện 250 MW. Trung Quốc cũng đang xây dựng một số nhà máy sản xuất phân đạm urê ở Hồ Nam, Hồ Bắc, An Huy…, trong đó phần khí hóa than sẽ áp dụng công nghệ của Shell với công suất khí hóa 1000 – 2000 tấn than/ngày và đi vào hoạt động từ năm 2005.

Quy trình Koppers Totzek

Đây là quy trình được sử dụng trong những nhà máy ở Nam Phi, Ấn Độ và Trung Quốc. Trong thiết bị khí hóa, than được nghiền thành hạt mịn và cấp cho lò đốt. Oxy được dẫn vào trực tiếp từ phía trước của thiết bị khí hóa và cùng với lượng nhỏ hơi nước, hỗn hợp đi vào vùng phản ứng qua miệng của lò đốt với tốc độ cao. Nhiệt độ ở giữa ngọn lửa có thể đạt 2.000^oC. Khí tổng hợp đi ra qua đỉnh của thiết bị sinh khí ở nhiệt độ 1500 – 1600^oC và qua nồi hơi được đốt nóng bằng nhiệt thải. Phần lớn tro thải ra khỏi thiết bị phản ứng ở dạng lỏng và được hóa rắn thành hạt nhờ làm nguội nhanh bằng nước.

Quy trình Texaco

Quy trình này đạt thành công lớn ở Trung Quốc thay thế cho quy trình khí hóa than ở áp suất khí quyển, và trong một số trường hợp thay thế cho cả quy trình đốt napta.

Thiết bị khí hóa tầng cố định đáy khô của Hãng Lurgi

Hãng Lurgi đưa ra một số công nghệ khí hóa, trong đó, thiết bị khí hóa với tầng cố định, đáy khô của Lurgi hiện được sử dụng nhiều nhất. Quá trình khí hóa được thực hiện bằng hơi nước và oxy. Than di chuyển xuống phía dưới rất chậm, còn tro được tháo ra qua đáy. Nhiệt độ khí hóa tương đối thấp so với các quá trình khác. Trong khí thu được có những tạp chất như phenol và hyđrocacbon. Hàm lượng metan trong khí có thể lên đến khoảng 10%. Chính vì thế khí không đủ sạch.

Các khía cạnh kinh tế của quá trình khí hóa

Nhược điểm: Vốn đầu tư tương đối cao và tiêu thụ năng lượng gần gấp đôi.

Ưu điểm: Quá trình khí hóa dễ nâng công suất hơn so với refoming bằng hơi nước. So với nhà máy 2000 tấn/ năm, đầu tư cho nhà máy 5000 tấn/ năm có thể giảm 30% (tính theo tấn sản phẩm).

Tuy nhiên, giá nguyên liệu vẫn là vấn đề đáng quan tâm. Ví dụ, theo số liệu từ Ấn Độ, giá nguyên liệu năm 2002 như sau: khí – 4 USD/ Mbtu, napta – 120 USD/ Mbtu và than – 10 USD/ Mbtu. Như vậy, một nhà máy amoniac từ than cũng có khả năng cạnh tranh. Một khi giá khí thiên nhiên tiếp tục tăng, thì than đá phải chăng là câu trả lời cho những nước nghèo khí thiên nhiên mà có nguồn than đá phong phú như Trung Quốc và Ấn Độ?.