84 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (27/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh TỔNG QUAN VỀ VIỆC KHAI THÁC THAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ HĨA NGẦM LITERATURE REVIEW METHOD OF MINING UNDERGROUND COAL GASIFICATION Nguyễn Lê Hồng Sơn, Hoàng An Quốc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM TÓM TẮT: Trong báo này, tác giả nghiên cứu vấn đề khí hóa than ngầm (UCG) Đây q trình chuyển hóa than thành khí gas tổng hợp Nguồn ngun liệu cho q trình khí hóa dựa vào trữ lượng than không khai thác phương pháp khai thác than truyền thống Sản phẩm q trình khí hóa dùng để phát điện nguồn nguyên liệu cho trình sản xuất Amoniac, nhiên liệu lỏng Quá trình diễn sau: dùng oxy (hay khơng khí, nước) bơm vào vỉa than, phản ứng với than nước ngầm sinh khí tổng hợp Sản phẩm khí thu thơng qua lỗ khoan thu hồi sản phẩm Từ khóa: khí hóa than ngầm,ucg, khí tổng hợp, vỉa than, vỉa than không khai thác ABSTRACT In my research, I stumbled across something interesting called the underground coal gasification (UCG) This is a process where coal is converted to syngas The resource for UCG is principally un-mined coal seams The gasification process creates synthesis gas that can be used as fuel for electricity generation, or feedstock for further chemical processes such as ammonia production or liquid fuels An oxidant (air, oxygen, or steam) is injected into the coal seam and reacts with the coal and water present in the seam to produce syngas that is extracted through a production well Keywords: underground coal gasification, ucg, syngas, coal seam, un-mined coal seams I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, người ta ứng dụng nhiều phương pháp đốt chuyển nhiên liệu than thành dạng nhiên liệu khác có hiệu quả, giảm thiểu nguồn khí thải gây nhiểm mơi trường, chuyển than đá thành nhiên liệu lỏng, rửa than đặc biệt khí hố than đá Khí hoá than đá phương pháp để chuyển than đá thành khí đốt dùng làm nguyên liệu tổng hợp hóa chất Phương pháp ứng dụng nhiều năm gần Đặc biệt Việt Nam với việc phát mỏ than lòng Đồng Sông Hồng (ĐBSH) với trữ lượng lớn gần 210 tỉ tấn, vỉa dầy dao động từ 2-3m 10-20m, nằm sâu -150 đến -2.500m, lớp kẹp, vỉa nằm thoải, khơng có nước ngầm, tổng diện tích 3.500 km2 Hiện tại, Việt Nam ứng dụng khí hóa than cịn hạn chế, có nguồn than dồi dào, trữ lượng lớn Ngồi ra, q trình sử dụng than sở nước chủ yếu theo kiểu truyền thống nên ảnh hưởng nhiều đến mơi trường nói chung hiệu suất sử dụng lượng nói riêng Nghiên cứu khả khai thác than Đồng Bằng Sông Hồng phương Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (27/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh pháp khí hóa ngầm mở hướng cho trình khai thác than lòng đất ĐBSH, nơi mà vỉa than tập trung nơi có cấu tạo địa chất khơng ổn định, lớp đất đá vách trụ mềm, sâu, chất lượng than thấp vỉa than mỏng, sở số liệu nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mơ hình khí hóa cụ thể Hình 1: Ngun lý khí hóa than ngầm Khí hóa than q trình dùng Oxi (hoặc khơng khí, nước Hydro) phản ứng với than nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí Nhiên liệu gọi chung khí than với thành phần cháy chủ yếu CO, H2, CH4 dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, công nghiệp sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH Các loại khí than: Tùy theo tác nhân khí hóa mà người ta thu loại khí than khác khí than khơ, khí than ướt, khí than hỗn hợp thuận nghịch Đa số phản ứng phản ứng tỏa nhiệt, nên nhiệt độ vùng khí hóa tăng, kết làm cho mẫu than mềm nóng chảy thành cục xỉ lớn Vì vậy, việc phân bố khơng khí theo toàn lớp nhiên liệu bị phá vỡ làm trình khí hóa trở nên xấu Ở phía vùng khí hóa phạm vi oxi hóa, nồng độ oxi hóa cao hơn, nên tiến hành phản ứng oxi hóa hồn tồn phần oxi hóa khơng hồn tồn Khí CO tạo thành gặp oxi tự chuyển hóa thành CO2 Đến vùng khử, CO2 tác dụng với than cốc nung đỏ để tạo thành khí CO Khí CO thành phần khí than khô Nếu khả phản ứng than cốc cao phân hủy CO2 mạnh khí giàu CO Q trình tạo khí than ướt dùng nước: II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 85 Q trình tạo khí than khơ: Khí than khơ khí than nhận tác nhân khí hóa khơng khí Tại vùng khí hóa xảy phản ứng sau: C + O2 = CO2 + 399499 kj/mol (1) 2C +O2 = 2CO + 232384 kj/mol (2) C + CO2 = 2CO + 167023 kj/mol (3) 2CO + O2 = 2CO2 +566474 kj/mol (4) Phản ứng (1) (2) tiến hành đến tận cùng, phản ứng (3) (4) tiến hành Khí than ướt sản phẩm nhận q trình khí hóa than tác nhân khí hóa nước Trong vùng oxi hóa tiến hành phản ứng sau C + H2O = CO + H2 -125788 kj/mol (5) C + 2H2O = CO2 + 2H2 – 84594 kj/mol (6) CO + H2O = CO2 + H2 + 41235 kj/mol (7) C + CO2 = 2CO – 167023 kj/mol (8) Và phản ứng sinh sản phẩn metan: C + 2H2= CH4 (9) Phản ứng phân hủy nước kèm theo thu nhiệt, nhiệt độ cao phản ứng phân hủy nước mảnh liệt chủ yếu theo phản ứng (5) Sự phân hủy cịn phụ thuộc vào hoạt tính nhiên liệu Khí CO2 thu phản ứng (6) (7) tác dụng với than cốc nung đỏ vùng khử nằm phía vùng khí hóa để tạo thành khí CO III TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU: Trong nước: TS Nguyễn Thành Sơn (Giám đốc BQL dự án Than ĐBSH- Vinacomin) 86 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (27/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh có cơng trình nghiên cứu khoa học tạp chí Năng lượng Nhiệt số 105 UCG ĐBSH, tác giả đưa mơ hình tốn ước lượng sản phẩm thu được, khả ứng dụng ĐBSH Nước ngoài: Hơn 50 nhà máy UCG thí điểm thực toàn giới kể từ năm 1930 Những phát triển tập trung Liên Xô, Châu Âu, Mỹ Trung Quốc.Liên Xơ coi quốc gia tham gia nhiều UCG Tuy nhiên, thông tin chi tiết thử nghiệm UCG Liên Xơ có Những thử nghiệm tiến hành vỉa than khác với độ sâu khác độ dày So sánh để thử nghiệm Mỹ Liên Xô, hầu hết thử nghiệm châu Âu thực vỉa than sâu (sâu> 300 m) [9] Hình tóm tắt tất thử nghiệm UCG thực toàn giới giới hạn chiều sâu độ dày họ vỉa than Như thấy, tất thử nghiệm ngoại trừ nỗ lực châu Âu tiến hành vỉa tương đối sâu áp suất vận hành cao làm tăng khả rò rỉ IV BÀN LUẬN Tại Việt Nam, đặc biệt vùng đồng sông Hồng, trữ lượng than không khai thác phương pháp thông thường lớn nên phương pháp khai thác than phương pháp UCG cần nghiên cứu cụ thể Từ báo nghiên cứu trên, ta thấy, giới có nhiều nghiên cứu UCG, Việt Nam hạn chế Công Thương - Theo thông báo Văn phịng Chính phủ, Phó Thủ tướng Hồng Trung Hải giao Bộ: Công Thương, Tài nguyên Môi trường đạo đơn vị có dự án hồn chỉnh thủ tục cấp giấy phép thăm dò mỏ than, trình Thủ tướng Chính phủ xem xét, định Phó Thủ tướng yêu cầu đơn vị cấp phép thăm dò mỏ than phải báo cáo kết Hội đồng đánh giá trữ lượng khoáng sản phê duyệt Việc khai thác than để thử nghiệm công nghệ thực sau trữ lượng duyệt Nhưng đến nay, dự án Việt Nam chưa thực lý kinh tế, kỹ thuật, đội ngũ cán Vậy nên, nghiên cứu UCG vấn đề cấp thiết cần nghiên cứu triển khai Hình 2: Độ dày so với độ sâu thử nghiệm tiến hành tồn giới (C.Pana, 2009) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (27/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền nhiệt – NXB giáo dục – 2004 [2] Patankar S.V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGraw Hill, 1980 [3] Smoot D.L., Smith P.J., Coal Combustion and Gasification, Plenum Press, 1985 [4] PGS.TS Bùi Hải – PGS.TS Trần Thế Sơn (2001) Bài Tập Truyền Nhiệt – Nhiệt Động Và Kĩ Thuật Lạnh, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội [5] Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Đinh Văn Huỳnh, Nguyễn Trọng Khuông, Phạm Văn Thơm, Phạm Xuân Toàn, Trần Xoa (1999) Sổ Tay Q Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất – Tập 1, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội [6] Nguyễn Thanh Quang (ĐHBK – Đà Nẵng) – Đặng Thế Hùng (Công ty TNHH Trường Quang II) “Nghiên Cứu Chế Tạo Hệ Thống Hóa Khí Than Tầng Cố Định Ngược Chiều” Tạp Chí Khoa Học Và Cơng Nghệ Nhiệt Số 77 [7] Gasification Technology- Technical Issues in the Design of Gasifiers-1999 [8] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta-, Experimental simulation of hard coal underground gasification for hydrogen production, Fuel, 2012 [9] Krzysztof Stanczyk Hydrogen-oriented underground coal gasification for Europe (HUGE)-Euro commission [10] Krzysztof Stanczyk, Krzysztof Kapusta, Pollution of water during underground coal gasification of hard coal and lignite, Fuel, 2011 [11] G X Wang, Semi industrial tests on enhanced underground coal gasification at ZhongLiang-Shan coal mine, Curtin university technology, 2009 [12] M.Wiatowski Kstanczyk, Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”, Fuel, 2012 [13] Results of the tracer tests during the El-Tremedal underground coal gasification at great depth, Fuel, 2000 [14] Review of Underground Coal Gasificationwith Reference to Alberta’s Potential [15] Prabir Basu- Combusion and gasification- Taylor and Francis