ĐÔI NÉT VỀ LỊCH SỬ KHAI THÁC THAN BÙN TẠI MỸ


                                                                       
                                        Quốc Trung - CTV
I - Giới thiệu chung
Tại châu Âu, than bùn đã được sử dụng làm nhiên liệu hàng trăm năm trước đây. Nhìn chung, các lớp than bùn ở độ sâu lớn thường bị nén ép mạnh nên được ưu tiên sử dụng làm nhiên liệu do khả năng cháy tốt hơn. Các lớp than ở trên ít có giá trị làm nhiên liệu nên được sử dụng rộng rãi trong nghề làm vườn do đặc tính điều hòa đất, tạo môi trường trồng trọt như một lớp đất phủ. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã cho rằng than bùn không phải là một nguồn tài nguyên bền vững do việc khai thác than bùn bao gồm cả việc gây tổn hại môi trường sống của các động thực vật trong khu vực cần phải hàng trăm năm mới tái tạo và có thể không bao giờ trở lại điều kiện ban đầu. Các phương án lựa chọn sử dụng than bùn cho việc làm vườn bao gồm ủ phân từ chất thải, lá cây, phoi bào, xơ dừa và phân bón.
Có một lịch sử khá thú vị về việc khai thác than bùn tại đầm than bùn Burns Bog. Vào năm 1929, Công ty than bùn Miền Tây (Western Peat Company) được thành lập để khảo sát việc sử dụng các khoáng sàng than bùn tại địa phương. Năm 1938, Công ty TNHH than bùn BC (BC Peat Company Ltd.) đã mua 1000 mẫu Anh (1 mẫu Anh = 0,405ha) tại Burns Ranch với giá 25USD/mẫu trước khi Hội đồng Delta công bố kế hoạch xây dựng một nhà máy than bùn trị giá 75.000USD và mở đường vào khu vực đầm than bùn này. Nước Mỹ được xem là thị trường tiêu thụ than bùn lớn nhất và than bùn tại khu vực Burns Bog được kỳ vọng có chất lượng cao nhất (Delta Optimist, June, 1938). Tuy nhiên, quá trình sản xuất đã thất bại và Công ty đã phải ngừng sản xuất sau khi chi phí hết 300.000USD. Sau đó, Công ty TNHH Atkins & Durbrow Ltd. đã tiếp quản khu mỏ này và đã sản xuất thành công đến tận năm 1964 và được Công ty TNHH Western Peat Moss Ltd. (The Delta Centenary 1878-1979).
Trong chiến tranh thế giới lần thứ II, việc khai thác than bùn phát triển mạnh khi chính phủ Mỹ sử dụng than bùn tại đây làm chất xúc tác trong việc tinh lọc magie trong chế tạo bom napan. Trong chiến tranh, đã có 1600 công nhân làm việc cho Công ty Western Peat. Hai nhà máy than bùn được xây dựng tại Burns Bog, một ở phía Đông (năm 1942) và một ở phía Tây (năm 1944). Vào năm 1945, một bài báo đã nhận xét, “Các khu vực đầm lầy vùng Delta, Richmond và Pitt rộng bao la, không có gì ngoài than bùn. Đường tàu điện từ Marpole đến New Westminster vượt qua hàng ngàn mẫu Anh chứa than bùn, nơi việc khai thác, đóng bao và sấy khô đã diễn ra hàng thế kỷ”. Tờ Optimist ghi nhận rằng, ngành công nghiệp than bùn được ưu tiên phát triển hơn cả ngành đóng tàu hay chế tạo máy bay. Hơn 100.000 bao than bùn đã được vận chuyển tới nhà máy sản xuất magie gần Las Vegas. Việc đáp ứng nhu cầu than bùn trong chiến tranh cấp thiết đến mức đã có thời điểm chính phủ Mỹ cân nhắc việc mua lại 200 mẫu Anh đầm than bùn gần Lulu Island. 
Tại thời điểm đó, Western Peat đã tiến hành xây dựng các con đường và hào qua khu vực đầm than bùn Burns Bog cùng với việc thiết kế 16km đường sắt nhằm vận chuyển than bùn một cách dễ dàng. Hiện hệ thống đường sắt này vẫn còn nhưng chúng đã bị cây cối che phủ và chỉ được phát hiện sau vụ cháy năm 2005.
Qua thời gian, đã có bốn phương pháp khác nhau được sử dụng để khai thác than bùn tại Burns Bog. Vào thời kỳ đầu, than bùn được khai thác thủ công. Người ta tiến hành đào các hào thoát nước nhằm làm khô than và dễ dàng tiếp cận, sau đó dọn sạch cây cối trên mặt đất. Người ta tiếp tục đào các đường hào thẳng đứng trong lớp than bùn bằng cưa xích, từ đó đào các khối than bùn bằng xẻng xuống độ sâu 0,5m. Các khối than bùn này được đóng bao để khô và được vận chuyển tới nhà máy để chế biến.
Sau chiến tranh, đổi mới công nghệ đã cho phép cơ giới hóa trong khai thác than bùn. Trong giai đoạn 1952 đến 1980, Công ty Western Peat đã áp dụng phương pháp chân không (vacuum method) đề khai thác các lớp than bùn nhuyễn ở phía trên dùng trong nông nghiệp. Người ta sử dụng máy kéo gắn bừa và các đĩa nhỏ để làm tơi bề mặt lớp than bùn. Sau đó, các máy khai thác bằng chân không chạy trên bề mặt và hút một lớp mỏng than bùn dày 2cm. Việc khai thác này được tiến hành vài lần trên cùng một diện tích.
Một phương pháp khác được sử dụng để khai thác than bùn tại Burns Bog là phương pháp thủy lực (hydropeat method). Không như phương pháp chân không, đòi hỏi đầm than bùn được thoát nước để các máy khai thác chân không chạy trên bề mặt, phương pháp thủy lực có ưu điểm vượt trội trong điều kiện ẩm ướt. Một sà lan đệm khí cho phép một máy xúc gầu ngược đặt trên bề mặt ướt của than bùn và xúc than bùn lên mặt lưới. Người ta dùng các vòi nước như vòi chữa cháy phun vào các khối than bùn để loại bỏ rễ cây và các mảnh vụn, đồng thời tạo thành một hỗn hợp bùn than có thể bơm qua đường ống đến nhà máy chế biến. Sau chiến tranh, cả hai công ty Western Peat và Atkins & Durbrow đều áp dụng phương pháp này, tiếp tục cho đến khi kết thúc khai thác than bùn tại đây vào những năm đầu của thập kỷ 80 thế kỷ trước.

II- Các phương pháp xử lý than bùn
Hiện nay, bằng cách ứng dụng các công nghệ hiện đại, việc xử lý than bùn đã được tiến hành bằng một số phương pháp như: phương pháp nhiệt phân, phương pháp thủy phân, phương pháp chiết xuất, phương pháp biến đổi hóa học.
 Phương pháp nhiệt phân
Phương pháp đơn giản, triệt để và được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình xử lý than bùn là nhiệt phân. “Than bùn khi được làm nóng qua nhiệt độ 1400C sẽ chuyển hóa cấu trúc và nhiệt độ nung càng cao, quá trình chuyển hóa càng triệt để. Kết quả của quá trình này là sự sản sinh ra một lượng lớn các hợp chất mới. Cần lưu ý rằng quá trình nung nóng than bùn làm tăng đáng kể giá trị của nó so với các nguyên liệu hóa học thô.
Các nhóm thành phần của than bùn được chia tách sau quá trình nhiệt phân được sử dụng để xác định tính chất phân hủy do nhiệt của than bùn và vai trò của chúng trong sự cấu thành của các sản phẩm thể lỏng, thể rắn và thể hơi. Có thể xem xét một biến thể của các phương pháp tương tự khi nhiệt phân phần còn lại của than bùn sau quá trình cô lập tuần tự sơ bộ các nhóm cấu thành của than bùn. Tuy nhiên, than bùn không chỉ đơn giản là tổng hợp của các nhóm hợp chất hữu cơ tách rời và những phức hợp của các vật chất được kết nối bằng các mối liên kết vật lý và hóa học. Cách tiếp cận mở cho phép bổ sung thêm những hình dung về bản chất của quá trình tiến hành nhiệt phân than bùn và những đánh giá tích cực về việc sử dụng các thành phần nhận được sau quá trình đó.
Phương pháp nhiệt ly
Một phương pháp khác được sử dụng trong xử lý than bùn đó là nhiệt ly. Về cơ bản nhiệt ly giống với nhiệt phân nhưng được sử dụng công nghệ khác.
Một trong số các phương pháp mới nhất về nhiệt ly được công bố bởi các nhà sáng chế người Nga, ông Kotelnikov Vladimir Alekcandrovih và ông Podzorov Aleksandr Ivanovih, vào tháng 3 năm 2004. “Cách xử lý than bùn này không hề có liên quan tới các quan ngại về chất thải hóa học, công nghiệp hóa dầu, nông nghiệp và sản xuất điện, nhiệt. Phương pháp được tiến hành bằng cách nung nóng hai cấp độ than bùn thu được các thành phần thể rắn và thể khí. Ở bước đầu tiên, than bùn được làm khô tới độ ẩm không quá 15% bằng cách chia nhỏ cho đến 350 – 1050 g/giây và nung nóng tới nhiệt độ 120±5°С. Hơi nước và khí thải được làm sạch và đưa vào ống dẫn. Ở bước thứ hai, phần thể rắn còn lại được nung nóng tới nhiệt độ 520-530°С trong khi được cách ly hoàn toàn với oxy trong 1 – 6 giây, sau đó được làm mát và ngưng tụ trước khi hình thành nhiên liệu lỏng. Kĩ thuật mới được đưa ra cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý than bùn và làm giảm bớt năng lượng cũng như nguyên liệu đầu vào giúp làm tăng năng suất và hiệu quả sử dụng của than bùn.”
Trong một số các phương pháp tương tự khác, có những nhược điểm như: Nguồn cung cấp năng lượng cường độ cao làm giới hạn số lượng của một sản phẩm sau chế biến; sự phức tạp trong việc phân chia các sản phẩm nhận được; tiêu thụ điện năng cao nhưng năng suất thấp; mức độ thiệt hại cao, lãng phí; chất lượng của các sản phẩm phụ nhận được kém.
Trong phương pháp của Kotelnikov và Podzorov, các kết quả xử lý than bùn nhận được tốt hơn nhờ vào quá trình chế biến than bùn thông qua việc nung nóng hai cấp độ  thu được các thành phần thể rắn và thể khí, trong bước đầu tiên than bùn được làm khô tới độ ẩm không quá 15% bằng việc chia nhỏ cho tới 350 – 1050g/giây và làm nóng tới nhiệt độ 120±5°С. Hơi nước và khí thải hình thành sẽ được làm sạch và lấy đi sử dụng vào các hệ thống năng lượng đô thị. Ở bước thứ hai, phần thể rắn còn lại sẽ được nung nóng ở nhiệt độ 520 - 530°С trong môi trường cách ly oxy trong 1-6 giây, khí nóng được dẫn trong hệ thống ngưng tụ đến nơi tiếp nhận nhiên liệu lỏng. Chất rắn đen như than lấy ra khỏi lò phản ứng sau khi đã làm nguội (tới nhiệt độ 40°С) sẽ tiếp tục được sử dụng thay thế cho các loại phân bón kali hoặc sử dụng cho các ứng dụng trong luyện kim. Mức nhiệt biểu thị của quá trình chế biến than bùn trong đường dẫn là tối ưu và được dựa trên các tính toán lý thuyết về khả năng nhiệt của than bùn ban đầu và các dẫn chứng và chất liệu nhận được theo thống kê.
Nhiệt độ sấy khô ở giai đoạn đầu tiên được thiết lập ở mức 120±5°С nhằm loại trừ quá trình bertinization (hình thành các chất nhựa) có thể xảy ra với than bùn ở khoảng nhiệt 130-170°С. Nhiệt độ trong lò phản ứng (buồng nhiệt ly) được để ở mức 520-530°С. Ở mức nhiệt độ nhất định than bùn xảy ra phản ứng tỏa nhiệt, ví dụ như phản ứng đi kèm với sự phân bổ nhiệt và do đó không đòi hỏi việc cung cấp thêm các năng lượng bổ sung.
Thời gian cho giai đoạn sấy than bùn là không hạn chế. Yếu tố quyết định cơ bản để hoàn thành giai đoạn này là độ ẩm đầu ra của than bùn. Sau khi được sấy khô, than bùn được bảo đảm ở độ ẩm không quá 15%. Thời gian của quá trình nhiệt phân ở giai đoạn thứ hai diễn ra trong lò phản ứng là không quá 6 giây. Nhiệt phân tốc độ cao diễn ra trong khoảng thời gian từ 0,7 đến 6,1 giây. Vì vậy, thời gian tối ưu cho than bùn ở trong lò phản ứng là trong khoảng 1 đến 6 giây.
Năng suất của quá trình được tính toán từ tính khả thi kinh tế và sự giảm thiểu tối đa kích thước xây dựng trong thiết kế và lắp đặt. Năng suất tối thiểu theo tính toán được chọn ở mức 100 – 300g than bùn khô/giây trong lò phản ứng.
Theo kết quả của năng suất lò phản ứng, năng suất của quá trình sấy khô phải đạt không ít hơn 3,5 lần so với năng suất lò phản ứng.
Tốc độ xử lý cao đạt được là do nguồn cung cấp năng lượng có cường độ cao đồng thời cũng giảm tổn thất nhiệt ra môi trường. Lợi nhuận đáng kể của năng lượng có được thông qua quá trình xử lý, với sự tham gia của các tham số của than bùn giúp giới hạn sự xuất hiện của các chất dẫn xuất của than bùn trong quá trình ngưng tụ. Các thông số của than bùn được đưa gần hơn tới thông số “spinodal”, quá trình này đạt hiệu quả và tổn thất nhiệt thấp hơn, do đó mang lại lợi ích kinh tế cao hơn. Việc nâng cao chất lượng của sản phẩm nhiệt phân thu được là nhờ vào việc quá trình bảo trì ngắn hơn trong quy trình chế biến than bùn, do không tạo ra nhựa, vì thế chi phí dành cho quá trình sinh nhựa trong khi chế biến than bùn cũng thấp hơn.
Sử dụng phương pháp này có thể giảm thiểu tối đa lãng phí trong quá trình chế biến than bùn, nâng cao chất lượng sản phẩm nhiệt phân, phân bón và hơi nước nhận được trong quá trình sản xuất, đồng thời giảm thiểu việc tiêu thụ năng lượng và thất thoát nhiệt ra môi trường bằng cách tăng tốc độ quá trình xử lý. Hiệu quả kĩ thuật khác là quá trình thực hiện hầu như không có chất thải, xử lý than bùn không gây ô nhiễm với năng lượng và nguyên liệu đầu vào thấp nhất, làm tăng năng suất và hiệu quả sử dụng của than bùn.
Ngoài ra, kĩ thuật này cũng có hiệu quả tối ưu hóa quá trình xử lý than bùn trong giới hạn chi phí cho than bùn nhằm tăng năng suất và trong giới hạn chi phí cho nguồn cung cấp năng lượng tích cực trong hai giai đoạn xử lý như: Mức nhiệt của quá trình sấy giúp loại trừ quá trình sinh nhựa của than bùn, cùng với nhiệt độ thích hợp tạo ra khí nhiệt phân, trong quá trình phản ứng sinh nhiệt không đòi hỏi việc cung cấp nguồn năng lượng bổ sung và cũng cải thiện đặc tính của các sản phẩm đã qua chế biến.
Một phương pháp xử lý than bùn khác là phương pháp thủy phân. Kết quả của quá trình thủy phân than bùn bằng acid sulfuric đậm đặc mang đến sản phẩm được dùng cơ bản trong các quá trình sinh hóa.
Phương pháp thủy phân
Dựa trên lý thuyết thủy phân than bùn, nhà khoa học người Nga Ufimtsev Aleksandr Evgenevich đã được cấp bằng sáng chế cho phương pháp tạo ra một thể nền dinh dưỡng cho quá trình trồng nấm men và nấm ăn được.
Thuỷ phân than bùn được thực hiện bằng acid sulfuric loãng (0,5 – 0,7%) tại nhiệt độ 160-170°С trong vòng 2,5 giờ. Trong quá trình thủy phân, acid sulfuric nóng được truyền qua một lớp vật liệu cứng không chuyển động (các nguyên liệu thực vật được nghiền nát), sau đó thu được các chất thủy phân sạch của các tạp chất có hại, đầu tiên là các chất chứa furfurala và các dẫn xuất của nó. Các phần dư thừa của acid sulfuric được loại sạch thông qua màng lọc thạch cao sau khi được trung hòa thủy phân bằng vôi sữa.
Phụ gia cơ bản trong chất thủy phân thực vật là furfurala. Phụ gia này ngăn chặn quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật và làm chậm sự tăng trưởng của chúng ở nồng độ 0.02%. Do đó, từ các chất thủy phân thực vật, nhất thiết phải cách ly furfurala ngay từ đầu. Để thực hiện điều đó, các chất thủy phân được làm mát tới nhiệt độ 30-35°С trong máy làm mát chân không. Các thành phần bay hơi của quá trình thủy phân được cô đặc và phụ thuộc vào số phần furfurala hình thành trong quá trình xử lý các hợp chất bay hơi trong sản phẩm cuối cùng. Các chất thủy phân của than bùn được coi như nguồn vật liệu thô triển vọng cho thức ăn gia súc lên men. Do đó, giá trị lớn nhất có chứa trong than bùn đầm lầy cao, chứa trong kết cấu đến 50% polysaccharide.
Than bùn có chứa một lượng đáng kể nitơ và phốt pho dưới hình thức dễ tiêu hóa, sau quá trình chuẩn bị sơ bộ có thể sử dụng như nguồn nguyên liệu tốt cho thức ăn gia súc lên men.
Phương pháp chiết xuất
“Quá trình sản xuất nhựa đường thông qua chiết xuất than bùn bằng xăng (nefras) được chủ yếu thực hiện trong công nghiệp, qua đó thu được các dạng sáp than bùn và dầu hắc ín dùng sản xuất ra các chế phẩm mới, được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ cấu trúc mô hình đúc chính xác cho đến các chế phẩm y tế. Hai công nghệ thu nhận từ các chất chiết xuất than bùn hoạt tính sinh học được phát triển và thực hiện trong quy mô công nghiệp. Việc thu nhận dầu hắc ín của sáp than bùn và ethanol chiết xuất được tiến hành trực tiếp từ chiết xuất của than bùn giàu CO2. Ethanol chiết xuất từ dầu hắc ín của sáp than bùn được làm giàu bởi các chất hoạt tính sinh học và được định rõ đặc tính bởi hiệu quả cao trong việc điều trị các bệnh về xương, nha khoa và phụ khoa. Các chất chiết xuất trong công nghệ thứ hai ở các hợp chất hóa học gần với ethanol chiết xuất từ dầu hắc ín của sáp than bùn, ngoài ra chúng còn được tăng cường các đặc tính cung cấp hoạt chất kháng vi sinh vật tăng cường. Những đặc tính trên thúc đẩy việc tiếp nhận các chiết xuất vô trùng cho y tế phục vụ cho việc điều trị bệnh”.
Phương pháp biến đổi hóa học
Các quá trình biến đổi hoá học nhận được sự chú ý đáng kể, đặc biệt theo hướng xác định dành cho các loại than bùn thực vật tinh khiết, ví dụ như loại kết hợp của 85-95% từ bất kì loại than bùn sinh ra từ cây. “Có thể thấy rằng trong các sản phẩm của phương pháp chuyển đổi than bùn và acid humic, phương pháp hóa học (hydrogen peroxide) và điện hóa học (các điện cực khác nhau và mức độ tiếp xúc), việc duy trì các nhóm chức năng tăng lên đáng kể. Và các chế phẩm cũng chịu ảnh của tác động điện hóa học chứa nhiều nhóm acid mạnh hơn.
Sự khác biệt trong cơ chế oxy hóa được xác lập. Vì vậy, việc chuyển hóa theo điện hóa học không giống như hóa chất, hoàn toàn không phụ thuộc vào yếu tố về không gian, quá trình này cũng tăng cường số lượng các nhóm tạo ion dễ tiếp cận và hiệu quả của nguyên liệu thấm hút bề mặt. Các đặc tính thấm hút bề mặt của một số ion (sắt, kẽm) tăng lên 2-2,5 lần đã xác định khả năng hữu dụng của chúng trong việc chọn lọc các ion kim loại”.
Sau cùng, biến đổi hóa học than bùn các acid humic chủ yếu được sử dụng nhằm tăng việc phá huỷ liên kết trong các hoạt động thấm hút bề mặt và sinh học của chúng.
“Tuy nhiên lĩnh vực này rất ít sử dụng các mẫu thử nghiệm của quá trình xử lý hóa học được cung cấp”.
Các sản phẩm sau quá trình xử lý
Các sản phẩm nhận được sau quá trình xử lý than bùn là rất nhiều, nhưng nhìn chung các ứng dụng của chúng có thể được chia thành các ứng dụng cho nông nghiệp và các ứng dụng cho năng lượng.
“Trong nông nghiệp, than bùn hòa trộn với đất khoáng làm tăng khả năng giữ ẩm cho cát, tăng tỉ lệ ngấm nước của đất sét và axit hóa đất cho một số cây trồng cụ thể.
Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khai thác các hydro-carbon có giá trị và trong xây dựng là có thể sử dụng than bùn như chất cách điện bởi các đặc tính kém dẫn điện của nó, tuy vậy việc sử dụng than bùn vẫn ít hơn trong tương quan so sánh với quy mô khai thác cho các mục tiêu năng lượng.
Như vậy, các sản phẩm của quá trình xử lý than bùn và chất thải của quá trình đó đều có thể ứng dụng và trong công nghiệp, y tế và nông nghiệp. Tất cả các sản phẩm của quá trình xử lý than bùn (ngoại trừ các sản phẩm dành cho nông nghiệp và y tế) được tạo ra cho các mục đích năng lượng, ví dụ như một trong các loại khí nhiên liệu là khí tổng hợp. Nó là sản phẩm của quá trình khí hóa được sử dụng cho việc sinh nhiệt, và cũng được sử dụng như một khí trung gian trong sự tổng hợp Fischer – Tropsch cho việc sản sinh ra nhiên liệu sinh học lỏng thế hệ thứ hai./.
Quốc Trung (lược dịch)
Nguồn: http://www.burnsbog.ca/peat_mining.html


 

Số lượt đọc: 3858 - Cập nhật lần cuối: 03:11 | 31/03/2014
Về trang trước Bản in Gửi mail Trang chủ