THỬ NGHIỆM KHÍ HÓA THAN NGẦM TẠI MỎ THAN


                                 Quốc Trung ( Biên dịch)

1. Giới thiệu chung

Hiện nay, than được xem là nguồn năng lượng duy nhất có khả năng đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên thế giới trong thời gian dài. Trên 40% sản lượng điện thế giới hiện đang được sản xuất từ than, trong khi đó, tại Ba Lan, con số này là 95% và theo dự báo, đến năm 2030, việc tiêu thụ than còn tăng cao hơn nữa, phản ánh tốc độ tăng trưởng kinh tế của nước này. Vì vậy, để phát triển nguồn năng lượng hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường, đáp ứng yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính, cần thiết phải triển khai các phương pháp sử dụng than hiệu quả, đặc biệt là các phương pháp sản xuất khí hydro từ than cho các ngành hóa chất, vận tải và điện lực.
Những năm gần đây, công nghệ khí hóa than ngầm UCG (Underground Coal Gasification) được xem là một trong những biện pháp khả thi trong chế biến và sử dụng than được quan tâm rộng rãi tại Cộng đồng châu Âu (EU) và trên thế giới. Những nghiên cứu đầu tiên về công nghệ này được tiến hành vào đầu thế kỷ 20. Đến nay, đã có trên 50 dự án thử nghiệm về công nghệ này được triển khai, trong đó, hơn 30 dự án được tiến hành tại Mỹ từ những năm 1960. Tại châu Âu, các nghiên cứu về công nghệ UCG được thực hiện tại Pháp, Bỉ, Anh, Ba Lan và Tây Ban Nha.
Dự án Khí hóa than ngầm chuyển hóa thành khí hydro cho châu Âu - HUGE (Hydro Oriented Underground Coal Gasification for Europe) giai đoạn 2007 – 2010 với mục tiêu thử nghiệm khả năng sản xuất khí hydro trong quá trình khí hóa than ngầm được kiểm soát thông qua những thay đổi về nhiệt độ và áp suất của các chất phản ứng và sản phẩm. Trong khi thực hiện dự án, cũng tiến hành đánh giá ban đầu về ảnh hưởng của công nghệ đến môi trường (chất lượng của nước và không khí, độ ổn định của địa tầng). Các mục tiêu đặc trưng của dự án HUGE bao gồm: kiểm chứng khả năng công nghệ trong các điều kiện thực tế, triển khai thử nghiệm tại chỗ quy mô nhỏ đối với các vỉa than nông hiện tạm dừng khai thác do những lý do về kinh tế hoặc địa chất và cuối cùng là áp dụng phương pháp UCG và hệ thống quan trắc đối với các vỉa than nông, bao gồm việc xây dựng, vận hành và đóng cửa lò phản ứng.
Trong bài báo này, tác giả giới thiệu các kết quả từ những thử nghiệm được lựa chọn về quá trình mô phỏng chuyển đổi than thành sản phẩm khí giàu hydro, oxi và hơi nước. Từ đó, cung cấp các thông tin thiết yếu cho việc xây dựng và vận hành lò phản ứng ngầm tại chỗ.
2. Thiết kế và xây dựng mô hình cấu trúc vỉa than
Mô hình cấu trúc vỉa than gồm các buồng khí hóa với kích thước 0,1 x 0,1m được bố trí tại phía dưới của lò phản ứng. Lớp đất đá sử dụng trong việc xây dựng các lò phản ứng gồm cát kết thu gom từ vị trí khai thác các vỉa than và đá phiến sét được nghiền nhỏ.
Mô hình hệ thống khí hóa than ngầm gồm các lối vào cho chất khí hóa được trang bị van và các bộ điều chỉnh lưu lượng, áp suất và nhiệt độ của chất khí hóa, bộ khí hóa, hệ thống làm mát khí, hệ thống thu và lọc khí, máy sắc ký khí và đồng hồ đo lưu lượng khí.
Trong quá trình thử nghiệm, các số liệu về nhiệt độ thu được qua các cặp nhiệt điện phản ánh các thông tin chính trong điều khiển quá trình và xử lý kết quả. Lượng khí sản phẩm đã được lọc, sấy khô, làm mát và được đo trong một ống gom khí với một đồng hồ đo lưu lượng, thành phần khí được kiểm soát bằng một máy sắc ký khí Agient 3000A.
3. Vật liệu
Các vỉa than sử dụng trong thực nghiệm được mô phỏng theo các khối than tại các mỏ Piast và Bielszowice (Công ty Weglowa SA). Ngoài ra, còn tiến hành thực nghiệm tại chỗ trên quy mô nhỏ tại mỏ than Barbara, Mikolow. Các kết quả phân tích gần đúng và cuối cùng các mẫu than theo các tiêu chuẩn phòng thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Các thông số lý hóa của mẫu than sử dụng trong thực nghiệm khí hóa than ngầm
 
Thông số    Giá trị      
     Mỏ than Piast    Mỏ than Bielszowice    Mỏ than Barbara      
Độ ẩm Wa [%]    1,8    1,5    7,11      
Độ tro Aa [%]    1,3    2,2    1,50      
Chất bốc Va [%]    28,4    32,4    35,10      
Nhiệt lượng cháy Qsa [kJ/kg]    34,474    34,572    29,787      
Năng suất tỏa nhiệt Qia [kJ/kg]    33,287    33,399    28,535      
Hàm lượng lưu huỳnh Sa [%]    0,3    0,3    0,59      
Cacbon Cta [%]    84,6    83,6    72,99      
Hydro Hta [%]    5,2    4,9    4,10      
Nitơ Nta [%]    1,1    1,2    1,41      
Cacbon cố định [%]    68,5    63,9    56,29     
4. Thử nghiệm
4.1. Thử nghiệm trên mô hình
Trong quá trình thử nghiệm, người ta tiến hành đốt khối than bằng một mỏ đốt dùng khí (gas burner) có cấu tạo đặc biệt, sử dụng nhiên liệu propan – butan và oxi được sử dụng như một chất oxi hóa. Quá trình đốt dừng lại khi nhiệt độ trong buồng khí hóa vượt quá 4000C. Sau đó, người ta thay mỏ đốt khí bằng một hệ thống cung cấp chất phản ứng cho quá trình khí hóa để quá trình này được bắt đầu.
4.2. Thử nghiệm tại chỗ
Lò phản ứng ngầm được bố trí tại khu vực mỏ than Barbara. Vỉa than nằm ở độ sâu 30m, chiều dày vỉa 1,6m và chiều dài vỉa 15m. Hệ thống cung cấp các chất phản ứng gồm những đường ống dài 800m, dẫn thẳng từ trên mặt đất xuống giếng mỏ, qua các đường lò bằng tới vị trí cách lò sinh 10m, nơi đặt một ống thu được thiết kế theo các kết quả thử nghiệm trên mô hình mô phỏng. Hệ thống đường ống này được trang bị các van cho phép dẫn vào lò phản ứng ngầm. Đồng hồ đo lưu lượng được gắn trên các đường ống dẫn không khí và oxi từ trên miệng giếng. Một đường ống bằng thép có đường kính 200mm, dài 150m, sử dụng để vận chuyển khí sản phẩm từ cuối lò sinh qua đường lò dọc thông gió và giếng thông gió. Hệ thống thu khí sản phẩm gồm có thiết bị ngắt lửa, quạt, đường dẫn khói và hai mỏ đốt khí khởi động (pilot burner), sử dụng khí propan – butan và các bộ mồi lửa điện điều chỉnh bằng điện tử. Một bẫy nước được lắp đặt trên đường ống, cách đầu ra của khí sản phẩm 15m.
Nhiệt độ được đo tại bốn điểm: dưới đất, đường ống vào và đường ống ra khỏi lò phản ứng (4m và 8m từ đầu ra). Trên mặt đất, nhiệt độ được đo tại điểm sau quạt hút. Nhiệt độ được đo bằng các cặp nhiệt điện kiểu K và phạm vi đo 400C ¸ 6000C.
Thành phần khí được kiểm soát tại khu vực nằm ngang của buồng khí hóa. Khí được dẫn trực tiếp bằng các đường ống đồng từ buồng khí hóa đến máy sắc ký khí. Người ta sử dụng một thiết bị đặc biệt để đo tốc độ dòng khí, nhiệt độ và độ ẩm trong buồng khí hóa. Cứ 30 phút, người ta lại sử dụng máy sắc ký khí Agient 3000A để phân tích thành phần mẫu khí thu được.
5. Kết quả và nhận xét
Mục tiêu chính của thử nghiệm trên mô hình là khảo sát quá trình khí hóa hai giai đoạn nhằm xác định các điều kiện phù hợp cho việc sản xuất khí giàu hydro. Trong giai đoạn đầu của thử nghiệm (làm nóng lên), chỉ có khí oxi được cung cấp cho lò phản ứng và những phản ứng chính xảy ra như sau:
C + O2 (g) ® CO2(g)     DH = - 394,9kJ/mol       (1)
2C + O2 (g) ® 2CO2(g)     DH = - 226,0kJ/mol       (2)
Trong giai đoạn tiếp theo, người ta ngừng cung cấp oxi và dẫn hơi nước vào khu vực phản ứng. Lúc này, sẽ xảy ra phản ứng nước – khí hấp thụ nhiệt (endothermic water gas reaction):
C + H2O (g) ® CO(g) +H2(g)    DH = +135,7kJ/mol       (3)
Nhiệt lượng thoát ra trong quá trình oxi hóa than dần được tiêu thụ trong giai đoạn cung cấp hơi. Nhiệt độ giảm xuống dưới 7000c là dấu hiệu quá trình cung cấp hơi dừng lại và tiếp tục quá trình thổi oxi. Thời gian trung bình của giai đoạn oxi hóa là 2 giờ và giai đoạn cung cấp hơi là 1,5 giờ.
Trong quá trình thử nghiệm, người ta quan sát được hai quá trình tăng và giảm nhiệt độ bên trong lò phản ứng, đảm bảo duy trì các thông số thích hợp với quá trình sản xuất khí có hàm lượng các chất cháy cao, chủ yếu là hydro.v Vì vậy, giai đoạn oxi hóa tiếp tục diễn ra tới khi đạt được nhiệt độ trong khoảng 11000C ¸ 12000C. Trong các giai đoạn cung cấp hơi diễn ra sau đó, việc theo dõi nhiệt độ diễn ra liên tục cho tới khi nhiệt độ giảm xuống 7000C ¸ 8000C. Bảng 2 giới thiệu thành phần và năng suất tỏa nhiệt của khí sản phẩm thu được trong các giai đoạn  thử nghiệm công nghệ UCG trên mô hình mô phỏng.
Bảng 2.
 
Giai đoạn    Ban đầu    Khí hóa    Kết thúc      
Thời gian (giờ)    0-10    10-125    125-165      
Giai đoạn cung cấp oxi (% vol)    H2    32,77    15,28    5,43      
     CO    36,35    17,28    5,63      
     CO2    24,67    56,96    78,66      
     CH4    1,78    3,05    1,02      
     C2H6    -    0,09    0,04      
Giai đoạn cung cấp hơi (% vol)    H2    -    53,77    41,41      
     CO    -    15,78    9,46      
     CO2    -    14,40    29,45      
     CH4    -    9,77    5,54      
     C2H6    -    0,24    0,19      
Năng suất tỏa nhiệt giai đoạn cung cấp oxi/giai đoạn cung cấp hơi (MJ/m3)    8,8    5,1/11,5    1,7/7,8     
6. Thử nghiệm công nghệ UCG tại mỏ Barbara
Các kinh nghiệm thu được trong các thử nghiệm trên mô hình mô phỏng đã cung cấp các thông tin cần thiết cho việc xây dựng và vận hành một lò phản ứng ngầm tại khu vực mỏ than Barbara với mục tiêu kiểm soát hiệu quả quá trình khí hóa than ngầm và lựa chọn các điều kiện tối ưu cho việc sản xuất khí hydro.
Cuộc thử nghiệm tại chỗ này diễn ra trong 355 giờ, từ ngày 7/4/2010 ¸ 22/4/2010, bắt đầu bằng việc khởi động quạt hút và đốt cháy vỉa than. Không khí được cung cấp trực tiếp từ đường lò vào trong buồng khí hóa trong vỉa than. Vỉa than được đốt bằng mỏ đốt khí (nhiên liệu là khí propan – butan), cách cửa vào lò phản ứng 4,5m. Quá trình đốt diễn ra trong hai giờ. Cuối giai đoạn này, nhiệt độ của nguồn khí ra khỏi lò phản ứng là 3000C và khí sản phẩm cháy bùng lên. Tiếp theo, mỏ đốt khí được gỡ bỏ và một phễu rót đặc biệt được gắn lên đường ống vào. Quá trình thử nghiệm được bắt đầu bằng việc gia tăng nhiệt của vỉa than và lượng oxi được cung cấp với lưu lượng 20Nm3/giờ (Nm3/giờ là công suất nén khí (hoặc lỏng). 1 Nm3/giờ là 1 m3 chất khí (lỏng) bị nén bởi 1 Niutơn trong 1 giờ). Thời gian thử nghiệm khí hóa được tính từ thời điểm này.
Để xem xét hoạt động không ổn định của lò phản ứng trong 190 giờ đầu tiên, cuộc thử nghiệm tại chỗ này có thể chia làm ba giai đoạn:
I.  0 - 190 giờ: vỉa than bắt đầu bắt cháy và lò phản ứng hoạt động ổn định.
II. 190 giờ - 355 giờ (165 tiếng): lò phản ứng hoạt động ổn định.
III. Tại giờ thứ 355 và 40 ngày sau: đóng cửa lò phản ứng và kết thúc thử nghiệm.
Trong giai đoạn I, vỉa than được gia tăng nhiệt và lò phản ứng hoạt động ổn định. Oxi và không khí hoặc không khí giàu oxi được cung cấp luân phiên với lưu lượng thay đổi nhằm thu được các số liệu thử nghiệm khác nhau. Trong giai đoạn này, đôi khi (có thể kéo dài tới 1 giờ) hoạt động của lò cần thiết phải dừng lại để ngừng cung cấp không khí hoặc oxi, nitơ cho lò phản ứng. Sự ổn định của lò đạt vào giờ thứ 190.
Trong giai đoạn II, khí oxi được sử dụng như tác nhân khí hóa duy nhất với lưu lượng 20-40Nm3/giờ.
Trong giai đoạn III, quá trình cung cấp oxi ngừng lại, khí nitơ được cung cấp cho lò phản ứng (lưu lượng trung bình 35 Nm3/giờ) trong khoảng 1 tuần nhằm hạ nhiệt độ và đóng cửa lò phản ứng. Bốn tuần sau đó, các tường ngăn được dỡ bỏ và tiến hành thông gió.
6.1. Phân tích mẫu than trước và sau khi khí hóa
Kết quả phân tích các mẫu than trước và sau khi khí hóa được giới thiệu trên bảng 3. Cả hai mẫu than đều được lấy tại buồng khí hóa, ở phần trên, cách vách lò 2m. Quá trình phân tích diễn ra trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn của Ba Lan.
Bảng 3. Kết quả phân tích các mẫu than mỏ Barbara trước và sau khi khí hóa
 
    Mẫu than tại mỏ Barbara    Phần còn lại sau khi
khí hóa      
Mẫu nhận được:              
Độ ẩm Wrt (%)    11,81    1,92      
Độ tro Art  (%)    15,56    7,81      
Lưu huỳnh tổng cộng Srt (%)    0,51    0,86      
Năng suất toả nhiệt Qrt (kJ/kg)    21.708    30.450      
Phân tích:              
Độ ẩm Wa (%)    6,39    0,54      
Độ tro Aa  (%)    16,52    7,92      
Chất bốc Va (%)    29,84    0,62      
Năng suất toả nhiệt Qa (kJ/kg)    23,192    30.914      
Ca (%)    57,95    89,44      
Ha (%)    3,70    0,10      
Na (%)    0,87    0,69      
Lưu huỳnh tổng cộng Sa (%)    0,54    0,87      
Sac (%)    0,54    0,76      
Oa * (%)    14,03    0,65     
Ghi chú: Lượng oxi được tính theo:
(Oa) = 100 – (Wa) – (Aa) – (Ca) – (Ha) – (Sac) – (Na) (%)
6.2. Thành phần khí sản phẩm
Thành phần khí sản phẩm từ quá trình khí hóa được thể hiện trên bảng 4. Sau 190 giờ, hoạt động của lò phản ứng ổn định hơn và những thay đổi trong thành phần khí sản phẩm không lớn. Hàm lượng hydro, mêtan và CO đều giảm theo thời gian. Hàm lượng cao nhất ghi nhận được là 45% hydro, 35% CO và 8% mêtan. Hàm lượng trung bình các thành phần trên sau quá trình thử nghiệm lần lượt là 14%, 13,4% và 1,5%. Hàm lượng của H2S đạt mức 0,1 – 0,3%, trung bình 0,17%. Hàm lượng khí CO2 tăng ngay từ khi bắt đầu thử nghiệm, từ 10% lên 30% (trung bình 16,5%). Hàm lượng khí nitơ tăng nhanh lên 50% và tiếp tục tăng trên 60% do việc cung cấp khí nitơ cho lò phản ứng. Ngoài ra, cũng còn một lượng nhỏ khí oxi (khoảng 1,9%) được ghi nhận trong quá trình thử nghiệm. Trong giờ thử nghiệm thứ 100, có sự tăng nhẹ về hàm lượng oxi (lên 10%), liên quan đến những vấn đề vận hành với thiết bị tách nhựa than (tar separator) và rò gió tại quạt hút.
Bảng 4. Hàm lượng trung bình của các thành phần khí

 
Giai đoạn    Hàm lượng trung bình (% vol)      
     H2    CO    CH4    C2H6    H2S    CO2    N2    O2      
I. 0 – 190 giờ    18,5    15,7    2,0    0,05    0,18    13,2    47,8    2,6      
II. 90 – 355 giờ    9,2    10,7    0,90    0,03    0,16    20,2    57,6    1,2      
Tổng cộng    14,2    13,4    1,50    0,04    0,17    16,4    52,4    1,9     
Hàm lượng nước có trong khí sản phẩm cao và vào khoảng 0,1kg H2O/Nm3 khí khô. Tổng thể tích khí sản phẩm khô là 71.764 Nm3, trung bình 202 Nm3/giờ. Khối lượng nước là 7410kg, trung bình 20,9kg/giờ. Trong quá trình thử nghiệm, hàng ngày, có khoảng 500dm3 nước nhiễm bẩn được thu gom, trung bình là 20,8kg/giờ. Tổng khối lượng nước là 14810kg, tổng khối lượng nước nhiễm bẩn là 7400kg. Trong quá trình khí hóa, không cần cung cấp nước bổ sung do nguồn nước tự nhiên liên tục chảy vào lò phản ứng.
Năng suất tỏa nhiệt được tính theo công thức:
W = (12.634 × CO + 63.785 × C2H6 + 10.804 × H2 + 35.818 × CH4 + 14,7 H2S) (MJ/Nm3)
Trong đó, CO, C2H6, H2, CH4 và H2S thể hiện hàm lượng (theo % thể tích) của các thành phần khí riêng biệt trong khí sản phẩm và các con số thể hiện năng suất tỏa nhiệt của chúng tính theo MJ/m3.
Bảng 5 giới thiệu một số thông số kỹ thuật của khí sản phẩm trong giai đoạn I và II của thử nghiệm khí hóa than.
Bảng 5.
 
Giai đoạn    Thể tích khí (Nm3)    Lưu lượng khí trung bình (Nm3/giờ)    Năng suất tỏa nhiệt trung bình của khí (MJ/Nm3)    Công suất nhiệt trung bình của khí (kW)      
I. 0-190 giờ    38.444    202,3    4,67    262      
II. 90-355 giờ    33.320    201,6    2,71    153      
Tổng cộng    71.764    202,2    3,75    211     
7. Kết luận
- Tính khả thi của phương pháp sản xuất khí giàu hdro bằng công nghệ UCG đã được chứng minh qua thử nghiệm trên mô hình khối than, khả năng sản xuất ổn định khí sản phẩm với hàm lượng trung bình 78% các thành phần nhiên liệu và trên 50% khí hydro.
- Thử nghiệm thực tế tại mỏ than Barbara đã chứng minh tính khả thi của việc sản xuất khí nhiên liệu trong điều kiện thực tế dưới hầm lò. Tuy nhiên, dòng không khí dư không kiểm soát được xâm nhập vào lò phản ứng làm giảm chất lượng khí, do một phần các thành phần nhiên liệu bốc cháy với lượng oxi có trong không khí dư. Đây chính là nguyên nhân khiến cho năng suất tỏa nhiệt trung bình của khí sản phẩm tương đối thấp.
–    Tuy nhiên, các kết quả cho thấy, công nghệ UCG có thể áp dụng thành công trong việc sử dụng khí giàu hydro và bằng cách đó, sản xuất được khí có năng suất tỏa nhiệt cao. Hiện tại, hàm lượng khí hydro cao nhất thu được trong các thử nghiệm UCG tại hiện trường là 40%, nhưng cần tiếp tục các nghiên cứu thử nghiệm nhằm tối ưu hóa quá trình sản xuất khí giàu hydro./
                                                                Quốc Trung (biên dịch)
                                                  Tuyển tập báo cáo tại Hội nghị Khoa học
                               Kỹ thuật Mỏ Quốc tế lần thứ 22, Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ - 2011







 


 

Số lượt đọc: 4191 - Cập nhật lần cuối: 01:28 | 02/07/2013
Về trang trước Bản in Gửi mail Trang chủ