Sơ lược về lịch sử ứng dụng công nghệ khí hóa than ngầm
Công nghệ khí hóa than ngầm UCG (Undergroud Coal Gasification) sử dụng các phản ứng hóa học để chuyển hóa than thành khí tổng hợp (Syngas), tương tự như ở các lò khí hóa than truyền thống. Điểm khác biệt là UCG sử dụng chính các vỉa than ngầm làm lò khí hóa than mà không cần phải chế tạo lò như ở công nghệ truyền thống. Nhờ vậy, than không cần khai thác lên từ các mỏ để khí hóa mà được thực hiện ngay tại mỏ than. UCG vừa được xem là một quá trình khai thác (khai thác than) vừa được xem là một quá trình chuyển đổi (khí hóa) nhằm tạo ra khí tổng hợp.
Ở quy trình công nghệ khí hóa than ngầm, các giếng bơm được khoan xuống đến vỉa than chưa được khai thác và thông qua các giếng bơm này, không khí hoặc ôxi được bơm cùng nước xuống vỉa than. Lớp than bề mặt được mồi cháy và ở nhiệt độ cháy cao (khoảng 1,200 độ C) và trong điều kiện thiếu ôxi lớp than tiếp theo được ôxi hóa từng phần thành hydro, cacbon monoxit, cacbon đioxit, cùng một lượng nhỏ mêtan và hydro sulfide. Các khí sản phẩm (khí tổng hợp) này được đưa lên mặt đất thông qua các giếng thu được đặt ở trên vùng cháy. Khí tổng hợp sau đó được xử lý để sản xuất ra nhiên liệu cho nhà máy điện, dùng trong các ngành công nghiệp lọc dầu, phân bón, hóa chất, v.v. Quá trình công nghệ UCG được minh họa ở hình 1.
Hình 1. Mô tả công nghệ UCG.
Công nghệ UCG được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng đầu tiên ở Liên Xô cũ với nhà máy UCG ở Ukraine được đưa vào hoạt động năm 1939. Từ đó, Liên Xô phát triển mạnh công nghệ UCG dùng các giếng đứng và phương pháp đốt cháy ngược để mở các đường bên trong vỉa than, mà hiện nay vẫn đang được sử dụng phổ biến.
Loại công nghệ UCG thứ hai được Hoa Kỳ và các nước Châu Âu nghiên cứu và phát triển từ thập niên 1970 và 1980 trên cơ sở ứng dụng công nghệ khoan dầu khí để tạo các lỗ khoan ngay trong vỉa than. Nhờ đó, có thể tạo các điểm bơm di động hay điểm bơm được kiểm soát (CRIP) và sử dụng ôxi hay không khí được làm giàu ôxi để khí hóa than. Công nghệ này được minh họa ở hình 2.
Hình 2. Sơ đồ công nghệ UCG sử dụng phương pháp CRIP
Các nghiên cứu và dự án khí hóa than ngầm tiêu biểu
Hiện nay, với quá trình chuyển dịch năng lượng, nhu cầu nhiên liệu khí và khí hydro ngày càng tăng cao, đồng thời kỹ thuật khai thác than truyền thống còn hạn chế, công nghệ UCG đang được chú trọng và đẩy mạnh phát triển trở lại, với các dự án thử nghiệm, ứng dụng như minh họa ở hình 3.
Hình 3. Phân bố các dự án UCG
Các dự án UCG đã được phát triển rộng rãi ở Úc. Dự án Chinchilla ở Queensland của Linc Energy là dự án thử nghiệm lớn gần đây nhất hoạt động từ năm 1997. Syngas được sản xuất ra từ mỏ than lần đầu tiên vào tháng 12 năm 1999. Các nhà phát triển dự án tuyên bố rằng 35,000 tấn than đã được khí hóa, thu được 95% tài nguyên than tương đương 75% tổng năng lượng. Dự án thử nghiệm này sau đó đã dừng hoạt động có kiểm soát. Kể từ đó, Linc đã phát triển thêm ba mô-đun khí hóa bổ sung tại Chinchilla. Mô-đun 3 được đưa vào vận hành vào năm 2007 cùng với nhà máy hóa lỏng nhiên liệu.
Hình 4. Nhà máy UCG của Linc Energy tại Chichilla, Úc. (Nguồn: Courier mail)
Tại Nam Phi, dự án UCG thử nghiệm tại Mỏ than Majuba ở phía bắc Johannesburg được đưa vào hoạt động vào tháng 1 năm 2007, nhằm khí hóa than ở mỏ than sâu 300m đã bị đóng cửa trước đó do ảnh hưởng của các hoạt động núi lửa đến công tác khai thác mỏ. Dự án này cung cấp khí tổng hợp để ứng dụng đốt kèm than cho nhà máy điện Majuba bên cạnh.
Trung Quốc cũng đang đẩy mạnh phát triển công nghệ UCG và hiện có khoảng 15 trung tâm thử nghiệm khí hóa than ngầm ở Trung Quốc.
Hiện nay, một loại công nghệ UCG mới đang được nghiên cứu thử nghiệm là công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh (Underground Coal Bio-Gasification UCBG). Công nghệ này được đề xuất bởi nhà sinh vật học người Mỹ Kreig Venter dựa trên việc sử dụng các loại vi sinh vật có khả năng chuyển hóa than thành khí. Theo đó, vi sinh vật và dưỡng chất sẽ được đưa trực tiếp vào các vỉa than thông qua các lỗ khoan. Các vi sinh vật này sau đó sẽ xâm nhập sâu vào vỉa than, chuyển hóa cacbon thành dạng lỏng và sau đó thành dạng khí vi sinh (biogas). Công nghệ UCBG hiện đang được nghiên cứu và thử nghiệm bởi nhiều viện nghiên cứu, tập đoàn lớn trên thế giới.
Tiềm năng và triển vọng ứng dụng công nghệ khí hóa than ngầm ở Việt Nam
Tại Việt Nam, khu vực bể than sông Hồng đã được xác định có trữ lượng lớn, kéo dài khoảng 120 km từ thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ đến bờ biển vịnh Bắc Bộ, qua địa phận các tỉnh Hưng Yên, Thái Bình, Nam Định, Hải Dương, Hải Phòng và TP. Hà Nội.
Theo Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, tính đến năm 2016 đã xác định được 55 vỉa than nằm trong 5 tập vỉa tính từ trên mặt đến độ sâu khoảng 1,200m ở phần đất liền bể than Sông Hồng. Theo đó, trong số các vỉa than đã phát hiện, có 48 vỉa than dày trên 1m, 13 vỉa than dày trên 3m và 2 vỉa than chiều dày 8.6-10m gặp ở một số lỗ khoan. Riêng các vỉa than dày trên 1m nằm ở độ sâu 379-1,044m, tại nhiều lỗ khoan, độ sâu gặp than nông hơn so với dự đoán. Về chất lượng, các kết quả phân tích cho thấy, than có chất lượng tốt, là loại than nâu hoặc sub-bituminous độ tro thấp (trung bình 13.26%), nhiệt lượng cao (trung bình 6.890cal/g), chất bốc lớn (trung bình 48.15%), hàm lượng lưu huỳnh thấp (trung bình 1.54%).
Thách thức lớn đối với phương pháp khai thác than truyền thống ở Bể than sông Hồng là điều kiện địa chất rất phức tạp. Các vỉa than nằm ở quá sâu, khu vực này cũng là nơi có các đứt gãy kiến tạo đang hoạt động, có nguy cơ bị ảnh hưởng bởi địa chấn, động đất gây hư hại cho các công trình ngầm. Bên cạnh đó, bể than sông Hồng nằm trong vùng đông dân cư có tập quán canh tác lúa nước; có nhiều khu đô thị đóng vai trò các trung tâm chính trị - kinh tế - văn hóa - xã hội vô cùng quan trọng; nhiều khu công nghiệp, các công trình cơ sở hạ tầng đang phát triển mạnh và đô thị hóa mạnh.
Hình 5. Bản đồ phân bố khu vực Bể than sông Hồng. (Nguồn: baotainguyenmoitruong.vn)
Với đặc thù địa lý và địa chất nêu trên của Bể than sông Hồng, việc ứng dụng công nghệ khí hóa than ngầm UCG hoặc BUCG là hướng đi phù hợp cần nghiên cứu, thử nghiệm với một số dự án thí điểm.
Nếu thử nghiệm và ứng dụng thành công, sản phẩm khí tổng hợp được hình thành từ khí hóa than ở Bể than sông Hồng, được dùng làm nhiên liệu cho các dự án nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp, sẽ góp phần nâng cao tính tự chủ của ngành năng lượng Việt Nam, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Hình 6. Khí hóa than ngầm phục vụ các nhà máy điện khí (Nguồn: saucga.org.za)
Theo pecc2.vn