KHÍ HÓA THAN NGẦM: THỬ NGHIỆM KỸ THUẬT VÀ NHỮNG KẾT QUẢ



                                                   Trung Nguyên - CTV
     I -GIỚI THIỆU CHUNG

Hiện nay, việc tìm kiếm những giải pháp đối phó với sự biến đổi khí hậu là một trong những hoạt động quan trọng nhất trên thế giới. Theo quan điểm chuyên môn, vấn đề này có thể được giải quyết bằng nhiều giải pháp như: cắt giảm mức tiêu thụ năng lượng; sử dụng những nguồn năng lượng thay thế (gió, nước, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân ...), hoàn thiện các công nghệ đốt nhiên liệu hóa thạch (nâng cao hiệu suất sử dụng các thiết bị điện và nhiệt). Tuy nhiên, trong tương lai gần, than vẫn được xem là nguồn nhiên liệu hóa thạch phong phú nhất, là nguồn tài nguyên quan trọng đối với ngành năng lượng, hóa chất và một số ngành khác.
Nhờ các công nghệ mới, trong thời gian qua, đã có những công trình nghiên cứu chuyển đổi than thành khí tổng hợp. Phương pháp này được gọi là phương pháp “Khí hóa than ngầm – UCG” và được Liên Xô (cũ) áp dụng thử nghiệm từ những năm 30 của thế kỷ trước, với hai giếng khoan khoan sâu vào trong vỉa than, một giếng dùng để  bơm chất oxi hóa còn giếng kia dùng để vận chuyển sản phẩm khí lên mặt đất, sử dụng để sản xuất điện.
UCG là công nghệ thu hồi nhiên liệu từ các vỉa than không có khả năng khai thác một cách kinh tế bằng những phương pháp truyền thống. Ngày nay, theo đánh giá, chỉ có dưới 1/6 các mỏ than trên thế giới là có khả năng khai thác một cách kinh tế nhưng chi phí khai thác cao, mức độ nguy hiểm lớn và gây ra những tác động nghiêm trọng đến môi trường.
Những hoạt động thử nghiệm đầu tiên sử dụng phương pháp UCG trong điều kiện thực tế đã được tiến hành vào năm 1956 tại Czechoslovakia (cũ) trong khu vực bể than nâu Bohemia. Tuy nhiên, những kết quả của sáu cuộc thử nghiệm phương pháp UCG trong vòng 60 năm qua của thế kỷ trước đã không khẳng định được những giả thiết về công nghệ khí hóa than ngầm, đặc biệt là chất lượng khí thu hồi được. Năng suất tỏa nhiệt trung bình đạt 1,59-3,44 MJ/m3.
Ngày nay, cũng giống như các nước khác trên thế giới, tại Slovak tiếp tục quan tâm đến việc phục hồi và hoàn thiện công nghệ UCG. Ưu điểm chính của công nghệ này là có thể áp dụng đối với các khoáng sàng than không thể tiếp cận được, từ đó, sản xuất ra khí tổng hợp sử dụng trong sản xuất điện và các sản phẩm hóa chất khác. Dựa trên những tính toán về chi phí, phân tích kỹ thuật và kết quả thử nghiệm trên quy mô nhỏ, có thể nhận thấy công nghệ UCG có thể sản xuất ra khí tổng hợp với chi phí chỉ bằng ½ đến ¼ so với lò khí hóa trên mặt đất (Friedmann Upadhyeb và Kong, 2009). Quan trọng hơn, công nghệ UCG còn có thể kết hợp việc thu và lưu giữ khí cacbon.
Những thử nghiệm hiện trường tại các nước Tây Âu đã cho thấy tính khả thi của công nghệ UCG ở độ sâu lớn trong những điều kiện địa chất khác nhau và đối với các chủng loại than khác nhau. Ngoài ra, Mỹ và Trung Quốc cũng đã tiến hành thử nghiệm công nghệ UCG tại các mỏ đã khai thác nhằm thu hồi than.

II- NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM
Tại nước Cộng hòa Slovak, người ta đã thiết kế ra các thiết bị thử nghiệm để tiến hành những nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm. Mục tiêu của những nghiên cứu này nhằm tạo ra các cơ sở và phương tiện thử nghiệm, cho phép tiến hành thử nghiệm quá trình UCG bằng những phương pháp khác nhau.
Quá trình khí hóa than ngầm được tiến hành với các mẫu than nâu được khai thác từ mỏ Novaky và mỏ Cigel’, khu vực miền trung Slovak. Người ta đã tiến hành xây dựng một mô hình vỉa than với những điều kiện tương tự như tại khu mỏ. Sau đó, người ta tiến hành 16 thử nghiệm quá trình UCG trong hai lò khí hóa khác nhau. Trong mỗi thử nghiệm, những biến thiên về nhiệt độ tại các điểm khác nhau của mô hình, áp suất không khí trong lò, thành phần khí tổng hợp và khối lượng khói tạo ra trong quá trình khí hóa được liên tục ghi lại.
Lò khí hóa nằm nghiêng, mô phỏng độ dốc của vỉa than. Một máy nén khí đẩy khí vào trong một bình áp lực. Áp suất trong bình được kiểm soát bằng bộ điều khiển logic thông qua cuộn dây từ tính (solenoit). Nhờ một đường ống cấp, không khí có thể được làm giàu O2, CO2 hay hơi nước. Không khí hay hỗn hợp oxi hóa khí được thổi vào lò khí hóa nhờ một hệ thống van và ống dẫn, cho phép mô phỏng những bố trí các giếng khoan vào và ra trong thực tế. Hướng chuyển động có áp của khí trong lò khí hóa có thể được điều chỉnh nhờ các van bướm. Khí tổng hợp được xả ra và được đốt cháy bằng một vòi đốt. Ngoài ra, người ta còn sử dụng một số thiết bị khác như  máy phân tích khí, lưu lượng kế, nhiệt lượng kế.
Để đảm bảo các tính chất ban đầu của mẫu than đã được lựa chọn, tránh tiếp xúc với không khí trong quá trình vận chuyển về phòng thí nghiệm, người ta đã tiến hành vận chuyển cả lớp đất đá phía dưới và phía trên vỉa than và đưa chúng vào lò khí hóa. Mô hình thử nghiệm được xây dựng dựa trên cơ sở những kinh nghiệm cơ bản về lý thuyết về sự đồng dạng, đặc biệt là sự đồng dạng hình học của mô hình vỉa than để khí hóa. Có thể biểu diễn điều này bằng các công thức 1 và 2:
             (1)
                                 (2)
Trong đó, x là kích thước (dài, rộng) và b là độ dốc của vỉa than với mặt phẳng ngang.
Than được cắt theo khối trước khi đưa vào lò khí hóa, chúng dính kết với nhau theo các tiêu chuẩn đồng dạng (1) và (2). Người ta đã áp dụng tiêu chuẩn (3) để thử nghiệm tính ngang bằng của các dòng nhiệt trong mặt tiếp xúc than – đá trong mô hình và ngoài thực địa.
            (3)
Nói một cách khác, dòng nhiệt như vậy từ than chuyển sang đất đá vây quanh là sự giả thiết về những phương pháp đồng nhất, và nhiệt độ tại hiện trường cũng như trong mô hình càng trở lên chính xác hơn. Tiêu chuẩn (3) đạt được thông qua sự vây quanh than và các khối đá bằng các vật liệu cách nhiệt. Chiều dày lớp cách nhiệt được xác định qua các nghiên cứu mô phỏng đối với các mô hình khối than và các vỉa than có tiềm năng, do đó, tiêu chuẩn (3) được đáp ứng. Người ta đã sử dụng một mô hình mô phỏng nhiệt, được dựa trên lời giải các phương trình vi phân riêng trong những nghiên cứu mô phỏng trong các điều kiện biên và ban đầu như nhau.
Nhà máy thử nghiệm có khả năng mô phỏng quá trình UCG với không khí hoặc một hỗn hợp gồm không khí, khí O2 và khí CO2. Các số liệu đo được tập hợp nhờ một hệ thống quan trắc là lưu giữ trong cơ sở dữ liệu của máy tính. Hệ thống quan trắc cung cấp các số liệu về các biến số sau đây:
- Nhiệt độ trong than, kênh khí hóa và khối đá;
- Nhiệt độ bề mặt;
- Áp suất trong lò khí hóa;
- Áp suất không khí, chất oxi hóa, và khí tổng hợp;
- Lưu lượng theo thể tích không khí, chất oxi hóa và khí tổng hợp;
- Năng suất tỏa nhiệt;
- Thành phần khí tổng hợp.
Bằng máy phân tích khí, người ta đo được thành phần của khí tổng hợp, bao gồm khí CO, CO2, H2S, CH4 và H2. Các số liệu lựa chọn được hiển thị trên bảng vận hành trong quá trình thử nghiệm. Giai đoạn lấy mẫu cũng có thể thay đổi trong quá trình thử nghiệm.
Các thử nghiệm được kiểm soát bằng cách lập trình một bộ điều khiển logic. Các biến số kiểm soát bao gồm lưu lượng theo thể tích không khí hay hỗn hợp khí dẫn đến lò khí hóa UCG trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ tối đa (vùng oxi hóa), nhiệt độ tại khu vực riêng và năng suất tỏa nhiệt của khí tổng hợp. Một mạch hồi tiếp đặc biệt kiểm soát lượng khí O2 còn lại trong khí tổng hợp. Hàm lượng khí O2 còn lại trong khí tổng hợp cần phải xấp xỉ bằng 0%.
Trên quan điểm về hàm lượng, các nghiên cứu đã được xác định theo hướng nâng cao công suất nhiệt của khí tổng hợp. Trong giai đoạn 2007 – 2010, đã có 16 thử nghiệm được tiến hành tại những khoảnh đã khai thác. Loại than chưa khai thác (than nâu) đã được sử dụng trong một khối, khối này được đặt vào trong một tầng đá gốc nguyên thủy với một lớp đất đá phủ như trong điều kiện hầm lò ngoài thực tế. Dựa trên lý thuyết đồng dạng, người ta đã cố gắng duy trì những điều kiện trong phòng thí nghiệm tương tự như đối với tầng đá gốc thực tế. Trong trường hợp này, chỉ có không khí là được sử dụng như một chất oxi hóa. Năng suất tỏa nhiệt của khí tổng hợp trong khoảng 3-5 MJ/m3. Nhiệt độ tối thiểu tại khu vực oxi hóa cần đạt 7500C để sản xuất ra khí tổng hợp từ than nâu.
Người ta đã tiến hành phân tích thành phần và năng suất tỏa nhiệt của khí tổng hợp tùy theo kênh khí hóa. Năng suất tỏa nhiệt cao nhất luôn đo được phía sau kênh khí hóa, nằm ngoài vỉa than:
a/ Khí tổng hợp dẫn qua khu vực nhiệt phân và được làm giàu bằng khí mê tan do than giải hấp, bởi vì nhiệt độ của than được nâng lên nhờ nhiệt của dòng khí tổng hợp nóng. Kết quả của quá trình gia tăng nhiệt là, các lỗ rỗng vi mô/vĩ mô của than mở. Khí mêtan thoát ra từ than và sau đó được dòng khí tổng hợp hấp thụ.
b/ Hàm lượng khí mêtan tăng nhờ các phản ứng hóa học nêu trên, điều này giải thích sự suy giảm hàm lượng khí H2 và CO tại điểm c. Cần nhấn mạnh rằng, sản phẩm của các phản ứng là khí mêtan, loại khí ổn định tại nhiệt độ thấp hơn, trong khu vực nhiệt phân và khu vực UCG.
c/ Dưới sự tham gia của hơi nước (than với độ ẩm cao hơn) và O2 ở cả nhiệt độ cao và thấp, phản ứng không thuần khiết với cacbon đã xảy ra. Sản phẩm của phản ứng này cũng là khí mêtan (4C + O2 + 2H2O = CH4 + 2CO +CO2, AG° = -261.14 kJ/mol).
d/ Trong các thành phần khí tổng hợp, mêtan có năng suất tỏa nhiệt cao nhất. Trong quan điểm trước đây, hàm lượng khí mêtan cao nhất tại cuối khu vực khí hóa. Các yếu tố về năng suất tỏa nhiệt và hàm lượng mêtan là kết quả của năng suất tỏa nhiệt khí tổng hợp cao nhất tại giai đoạn cuối của quá trình khí hóa.  
Tất nhiên là năng suất tỏa nhiệt của khí tổng hợp có thể tăng nhờ không khí và oxi, do nitơ được xem là có hại theo quan điểm cân bằng năng lượng.  Để minh họa, người ta đã tiến hành một nghiên cứu thử nghiệm tại lò G2, với mục tiêu là xác định tỉ lệ tối ưu hỗn hợp oxi hóa không khí/O2 nhằm đạt được năng suất tỏa nhiệt cao nhất, đồng thời, khỏa sát ảnh hưởng của áp suất thiết bị oxi hóa.
Cần nhấn mạnh rằng, áp suất của hỗn hợp chất oxi hóa từ giờ 140 – 143 tăng lên từ 50 kPa lên 200 kPa. Sau đó, áp suất này giảm xuống. Trong hình 5, cũng giới thiệu năng suất tỏa nhiệt của khí tổng hợp cùng với tỷ lệ không khí/O2. Qua phân tích biểu đồ này, có thể kết luận rằng, tỷ lệ tối ưu của không khí/O2 trong hỗn hợp chất oxi hóa là 15%. Điều này được duy trì nếu như áp suất của hỗn hợp oxi hóa trước lò khí hóa được gữ ổn định tại mức 250 kPa. Tuy nhiên, có thể nhận thấy, tại lò khí hóa ngầm trong thực tế, có những khác biệt về áp suất và thể tích thiết bị oxi hóa.

III-UCG – MỘT CÔNG NGHỆ SẠCH
       So với những phương pháp khai thác than truyền thống, phương pháp UCG tạo ra nhiều lợi ích đáng kể khác. Cộng đồng khu vực không phải đối mặt với ảnh hưởng có hại như các phương pháp cũ mang lại, đồng thời đem lại lợi nhuận thông qua việc xây dựng cơ sở hạ tầng có liên quan như hệ thống giao thông, trạm cung cấp điện, tạo việc làm cho lao động địa phương.
Hiện tại, phương pháp UCG thuộc nhóm được gọi là “các công nghệ sạch” do nó đem lại những lợi ích về môi trường, tiêu thụ năng lượng thấp, giảm lượng phát thải khí CO2. Dựa trên thực tế là, cứ đốt 1 tấn than nâu sẽ sản sinh ra 1,02 tấn CO2, lượng điện tiêu thụ là 98,229 MJ/tấn than tại các mỏ than nâu, trong trường hợp áp dụng phương pháp UCG thì lượng điện tiêu thụ là 68,76 MJ/tấn, có thể tính được lượng khí CO2 theo công thức (4):   
          (4)
Trong đó, GCO2 là tổng khối lượng CO2 cắt giảm nhờ sử dụng phương pháp UCG; a là hệ số xác định lượng khí CO2 nhờ tiết kiệm than nâu cần thiết để sản xuất ra các nguồn điện khác nhau (a = 0.0077); và X là tổng khối lượng than nâu được khí hóa nhờ phương pháp UCG.
Tương tự, người ta có thể tạo ra những lợi ích về môi trường như sau:
- Lượng khí phát thải thấp: Quá trình khí hóa diễn ra ngầm dưới mặt đất, vì vậy cắt giảm được các chi phí và quản lý môi trường;
- Phương pháp UCG không yêu cầu nguồn nước bên ngoài để vận hành, một ưu điểm về môi trường trong việc sử dụng nước trong các hoạt động khai thác than và các phương pháp sản xuất điện sử dụng than nghiền;
- Giảm thiểu ô nhiễm bụi, tiếng ồn và những tác động trực quan trên mặt đất;
- Cắt giảm phát thải khí mêtan: Khí mêtan hấp thụ trong than được thu hồi trong quá trình khí hóa nên không phát tán ra ngoài khí quyển;
- Không có nhu cầu trong việc đổ thải;
- Không gây sụt lún, biến dạng bề mặt đất;
-    Cắt giảm chi phí trong giải phóng, đền bù và phục hồi đất đai trong khai thác mỏ.

IV- KẾT LUẬN
Nhiều năm trước đây, thuật ngữ “UCG” hầu như ít ai biết đến. Tuy nhiên, ngày nay, con người ngày càng quan tâm đến công nghệ này bởi hai lý do chính là:
- Sự thiếu hụt các nguồn năng lượng sạch (châu Âu), bên cạnh đó, là sự tồn tại của những khoáng sàng than lớn nhưng không thể khai thác một cách kinh tế bằng các công nghệ truyền thống;
- Yêu cầu nâng cao chất lượng môi trường trên thế giới.
Hiện nay, mặc dù ngày càng có nhiều nguồn năng lượng sạch hơn nhưng nhiên liệu hóa thạch vẫn tiếp tục chiếm ưu thế trong hỗn hợp năng lượng trên thế giới trong tương lai gần. Vì vậy, tại nhiều nước, người ta đang tận dụng những ưu điểm cơ bản mà công nghệ UCG mang lại như: tiếp cận những vỉa than không thể khai thác bằng phương pháp thông thường, mức độ tác động đến môi trường thấp, chi phí vận hành nhà máy thấp. Những phân tích đã cho thấy những khả năng hoàn thiện công nghệ UCG nhằm đạt được năng suất tỏa nhiệt tối đa của nguồn khí hóa tổng hợp. Một trong những cách nâng cao công nghệ UCG là quá trình điều khiển tối ưu.
Tại Cộng hòa Slovak, từ những kết quả thử nghiệm khí hóa than trong phòng thí nghiệm, hiện nay, người ta đã tiến hành những tính toán ban đầu về trữ lượng than nâu trong các điều kiện địa chất mỏ khác nhau không thể áp dụng các phương pháp khai thác thông thường để tiến tới áp dụng công nghệ UCG tại hiện trường trên quy mô lớn, tận thu tài nguyên, bảo vệ môi trường./.

Ảnh: Bóc đất đá, khai thác than tại mỏ Núi Hồng- ảnh của Quang Tình.
                                                     

                                                      Trung  Nguyên (biên dịch)
                                                   Nguồn: Báo cáo khoa học tại
                                     Hội nghị Khoa học Kỹ thuật Mỏ quốc tế lần thứ 23,
                                                       Montreal, Canada - 2013


 

Số lượt đọc: 3199 - Cập nhật lần cuối: 07:14 | 10/04/2014
Về trang trước Bản in Gửi mail Trang chủ