Báo cáo tổng quan về UCG

Ý tưởng Khí hoá than ngầm được đưa ra bởi những người anh em nhà Siemens ở cuối những năm 1800. Ý tưởng này đến như một gợi ý để khai thác than thải còn lại sau khi hoàn thành công tác khai thác mỏ hầm lò (Hurley 2008; Kostur and Blistanova, 2009). Hai mươi năm sau, nhà hoá học người Nga Dmitry Mendeleev phát triển khái niệm và thiết kế khá chi tiết hoạt động cho UCG (Burton et al.,năm 2009; Kostur và Blistanova, 2009; Hurley, 2008). Các bằng sáng chế Khí hoá than ngầm đầu tiên được cấp cho Betts ở Anh vào năm 1901 ( Hurley,2008). Việc thực hiện thực tế đầu tiên của khái niệm UCG được lên kế hoạch và bắt đầu bởi William Ramsay ở Anh vào năm 1912; Tuy nhiên các thí nghiệm tiến hành không thành công do chiến tranh thế giới lần thứ nhất nổ ra và gây ra cái chết cho Ramsey (Burton et al, 2009;. Hurley, 2008). Vào tháng 5 năm 1913 trên báo Tiến hóa Nga, Vladimir Lenin, trong khi lưu vong, xuất bản các bài viết đầu tiên về UCG dựa trên hiểu biết của Ramsay, tuyên bố lợi ích tiềm năng rất lớn của UCG cho Hội Mỏ bởi vì nó có thể xóa bỏ lao động trực tiếp trong khai thác hầm lò (Burton et al., 2009). Bài báo đặt một nền tảng tốt cho phát triển UCG trên thế giới (Burton et al, 2009;. Hurley, 2008; Bond, 2007; Walker, 2007). Thí nghiệm UCG đầu tiên được thực hiện vào năm 1920 tại Anh, thử nghiệm tiếp theo vào năm 1928 kéo dài trong khoảng 50 năm dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật UCG (Hurley, 2008; Bond, 2007). UCG tiếp tục được thực hiện tại Mỹ trong cuộc khủng hoảng năng lượng của họ vào năm 1970. Một lượng tiền lớn được đầu tư vào kỹ thuật UCG cho phát điện và kết quả là trên 30 thí điểm bán công nghiệp được tiến hành ( Hurley,2008) . Mỹ hạ được giá thành khí đốt tự nhiên trong năm 1990, và sau đó UCG không được tiếp tục do thiếu nhân sự có kinh nghiệm.

BÁO CÁO TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHÍ HOÁ THAN (Tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu khả thi dự án phát triển bể than ĐBBB, kèm theo Tờ trình số /TGĐ-TTr ngày tháng năm 2007) Tầm quan trọng công nghệ khí hoá than Dân số giới khoảng tỷ Nhu cầu tiêu dùng lượng hàng năm khoảng 13 tỷ NLTC, tức bình quân 2,1 NLTC/người Để đáp ứng nhu cầu trên, đồng thời để đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường cách mạng công nghệ phải tập chung giải vấn đề hoá học, lượng, khai khoáng Một vấn đề khí hoá nhiên liệu rắn Mặc dù công nghiệp lĩnh vực lượng, dầu mỏ khí thiên nhiên chiếm vai trò chủ đạo định, theo dự báo, sản lượng dầu mỏ khí thiên nhiên đạt mức tối đa sau 20-30 năm nữa, sau giảm nhanh chóng Ở số kinh tế, xuất việc giảm sản lượng khai thác Chẳng hạn, sản lượng khí thiên nhiên Mỹ năm 1975 558 tỷ m3, đến năm 1986 giảm 473 tỷ m3 Các nhà khoa học dự tính trữ lượng thực tế lòng đất dầu mỏ đủ dùng cho toàn nhân loại thêm 40-50 năm nữa, khí đốt30-40 năm, than 200-250 năm Tổng trữ lượng than số nước đánh sau: Nước Bitum/An thracite Australia 38500 T.Quốc 63000 Indonesia 750 Nga 48700 Canada 3500 Mỹ 111000 Nam Phi 48800 Ấn Độ 89700 Columbia 6200 Tổng trữ lượng khả khai 478800 %` 53% Trữ lượng chứng minh 805000 Tài nguyên dự đoán 807400 Tổng trữ lượng (triệu tấn) thời gian SubThan tổng trữ tổng sản tồn (năm) bitum nâu lượng lượng 2400 37600 78500 340 231 33200 18300 114500 1393 82 1350 2900 5000 103 48 97300 11000 157000 253 620 900 2200 6600 67 99 101100 34500 246600 993 249 0 48800 215 227 2800 92500 359 258 400 6600 40 167 272300 158000 909100 4823 188 30% 17% 100% 355400 213900 1374400 398600 847700 2053700 Cân đối sản phẩm dầu mỏ số nước sau: Nước Trữ lượng (tr.tấn) Tỷ lệ (%) Nhu cầu dầu (tr.thùng/n Trang / 49 Sản lượng dầu Cân cung- gày Mỹ Nga TQ Ấn độ Australia Nam Phi Ukraine Kazakhstan Balan Brazil Tổng 246000 157000 114500 92500 78500 48800 34000 31000 14000 10000 826000 27.1 17.3 12.6 10.2 8.6 5.4 3.8 3.4 1.5 1.1 91.0 20.7 2.8 7.0 2.5 0.9 0.5 0.3 0.2 0.5 1.8 (tr.thùng ngày) 6.9 9.6 3.6 0.8 0.6 0.3 0.1 1.4 0.1 1.7 cầu - 13.8 + 6.8 - 3.4 - 1.7 - 0.3 - 0.2 - 0.2 + 1.2 - 0.4 -0.1 Thực tế than, số liệu lạc quan Tổng trữ lượng than khai thác toàn giới dự báo khoảng 2500-3000 tỷ Mức khai thác khoảng tỷ tấn/năm, than đủ cho thời gian 1000 năm Nếu tính đến nhu cầu lượng kinh tế tiềm phát triển mạnh công nghệ khí hoá than lòng đất, tổng sản lượng than giới đạt mức tỷ tấn/năm Như kỷ nguyên than kéo dài thêm khoảng 500 năm Nếu tính đến khả bổ sung trữ lượng nhờ công tác thăm dò hoàn thiện công nghệ khai thác, chuyên gia xác định tiềm nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc cacbon trái đất, tỷ trọng than 90-97%, đó, tỷ trọng dầu mỏ khí đốt chiếm 3-10% Chính vấn đề hoá lỏng khí hoá nhiên liệu rắn (điều chế từ than thành dầu khí) lĩnh vực giới quan tâm “Than bánh mỳ công nghiệp”- Lê Nin ví vào đầu kỷ 20 Nhưng việc sử dụng than theo công nghệ truyền thống nguồn lượng hoá thạch sơ cấp đến đặt vấn đề có liên quan tới môi trường Ngay nhà máy nhiệt điện chạy than trang bị hệ thống lọc bụi có hiệu suất tới 98,5-99% (điều đạt dự án điện mới), mức độ ô nhiễm phát thải nhà máy nhiệt điện chạy than cao tới 5-40 lần so với nhà máy điện nguyên tử có công suất tương đương Để khẳng định công nghệ UCG công nghệ môi trường, ta tham khảo thông số nhà khoa học Nga xác định sau: + Trong giai đoạn khai thác than công nghệ bình thường, lượng chất thải rắn hình thành tính bình quân cho NLTC 5-6tấn/tấn NLTC; diện tích mặt đất bị ảnh hưởng trực tiếp 15-20ha/triệu NLTC; lượng phát thải bụi than vào không khí 3-6 kg/tấn NLTC; + Trong khâu sử dụng (đốt) than: lượng chất thải xỉ 130-170 kg/tấn NLTC; phát thải khí NOx 2-5 kg/tấn NLTC Trang / 49 Bản chất phân loại khí hoá than Việc sử dụng than nguồn lượng để thu nhiệt, hay phát điện không gây nguy hại cho môi trường, an toàn mặt phát thải đề xuất Mendeleép Ramjai khí hoá than làm khí lò khí hoá Ý tưởng khí hoá than thuộc Mendeleép từ năm 1888 nhà hoá học người Anh Uliam Ramjai (1912) Quá trình chuyển hoá than từ dạng rắn sang dạng khí quan tâm nghiên cứu cách gần 200 năm Ứng dụng khí thu từ việc khí hoá than (đã khai thác- khí hoá mặt đất) thể lần đầu hệ thống chiếu sáng phố Luân Đôn vào năm 1807 Từ năm 1812 công ty chuyên doanh than coke khí đốt làm ánh sáng thành lập Luân Đôn Đến kỷ 19, việc khí hoá than mặt đất (than khai thác) trở thành ngành công nghiệp phát triển mạnh Anh Bản chất khí hoá than biến than từ nhiên liệu dạng rắn thành nhiên liệu dạng khí Ở dạng rắn khí, nhiên liệu than chứa thành phần cháy Các thành phần cháy thay đổi trình chuyển hoá nhiên liệu than từ dạng rắn sang dạng khí Về nguyên tắc, tất loại than khí hoá Sự khí hoá than (chuyển biến than từ rắn sang khí) xẩy lò, hay gọi lò khí hoá than Về chất, lò khí hoá than lò phản ứng hoá học, xẩy trình lý hoá, mô tả phương trình phản ứng hoá học cụ thể Trong tài liệu kỹ thuật, người ta thường phân khí hoá than thành hai dạng công nghệ khác theo chất nguyên liệu than đưa vào khí hoá theo chất lò khí hoá là: (i) khí hoá than vỉa lòng đất (Underground Coal Gasification, viết tắt UCG); (ii) khí hoá than khai thác mặt đất (Surface Coal Gasification, viết tắt SCG) Công nghệ UCG: có nguyên liệu đầu vào than nằm vỉa lòng đất, có lò khí hoá khoảng không tự nhiên tạo vỉa than Công nghệ SCG: có nguyên liệu đầu vào than khai thác lấy khỏi lòng đất, có lò khí hoá thiết bị chế tạo theo thiết kế định phụ thuộc vào qui trình sử dụng Trang / 49 Khí hoá than lòng đất (UCG) 3.1 Tính ưu việt UCG Ưu điểm khí hoá than lòng đất có nhiều: không cần đến lao động nặng nhọc độc hại thợ lò; nhiều công đoạn phức tạp, có chi phí lớn, gây ô nhiễm cho môi trường (như vận tải, bốc rót, nghiền than) thay không cần thực Về mặt môi trường, khí hoá than lòng đất ưu việt phương pháp khai thác than công nghệ lộ thiên bãi thải, không làm biến đổi môi trường đất Ngoài ra, khí hoá cho phép tự động hoá mức cao Phương pháp khí hoá than lòng đất cho phép khai thác vỉa than nằm sâu, có chiều dầy nhỏ Điều cho phép tăng đáng kể trữ lượng khả khai than tổng tiềm đánh giá Ví dụ, Đức có tổng tiềm than đánh giá tới 230 tỷ tấn, đó, với công nghệ trình độ kỹ thuật tại, trữ lượng khả khai than có 24 tỷ Như tới gần 90% trữ lượng than nằm lại lòng đất không khai thác sử dụng không phát triển công nghệ khí hoá than lòng đất Hay Ucraina, nhà khoa học xác định 78% trữ lượng than đá 34% trữ lượng than nâu khí hoá theo công nghệ UCG Về mặt kinh tế, tính toán Mỹ cho thấy giá khí thu nhờ khí hoá than lòng đất rẻ 1,3-3,9 lần so với giá khí thiên nhiên khai thác Alaska rẻ 1,45 lần so với khí thu lò khí hoá mặt đất Tuy nhiên, nhiều vấn đề có liên quan cần giải để phát triển có hiệu công nghệ khí hoá than lòng đất UCG phụ thuộc vào điều kiện địa chất địa chất thuỷ văn vỉa than 3.2 Sơ đồ nguyên lý công nghệ UCG hình vẽ sau: Người ta khoan thẳng đứng cặp (hai) lỗ khoan từ mặt đất xuống tới vỉa than Sau khoan nghiêng-ngang lỗ khoan nối thông hai lỗ khoan với Sau thổi không khí/ôxy xuống vỉa than qua lỗ khoan hút lên qua lỗ khoan thứ hai, người ta đốt cháy vỉa than để tạo lò phản ứng vỉa than Lò phản ứng bao bọc ban đầu than chưa cháy vỉa 5, sau đất đá bao quanh vỉa than Trang / 49 Hình Sơ đồ nguyên lý UCG lỗ khoan từ mặt đất; đất đá bao quanh vỉa than; lò khí hoá than (nơi than đốt cháy); lỗ khoan ngang/nghiêng nối thông hai lỗ khoan đứng; vỉa than Sơ đồ công nghệ UCG kết hợp với qui trình sử dụng sản phẩm khí sau khí hoá sơ đồ sau: Trang / 49 Sơ đồ nguyên lý tổ hợp mỏ-năng lượng sở UCG 1- Lò khí hoá lòng đất; 10- Tuabin khí; 2- Không khí nén thổi vào vỉa than; 11- Ống khói hút; 3- Khí có nhiệt lượng thấp thu 12- Bộ hâm nước; từ lò khí hoá vỉa; 13- Máy phát điện xoay chiều; 4- Thiết bị lọc khí; 14- Lưới điện; 5- Khí trời; 15- Tuabin hơi; 6- Máy nén; 16- Bình ngưng; 7- Buồng đốt; 17- Bơm; 8- Máy sấy hơi; 18- Hơi nóng 250oC; 9- Khí khói; 19- Nước 3.3 Các công đoạn UCG UCG tạm phân thành công đoạn: Khoan lỗ khoan nghiêng-ngang theo vỉa để thổi không khí từ mặt đất vào đốt vỉa than dẫn khí cháy than từ vỉa lên mặt đất; Thiết lập vỉa than lỗ khoan kênh khí hoá cách đốt cháy vỉa than Trang / 49 Khí hoá vỉa than cách thổi không khí từ bên theo lỗ khoan vào kênh khí hoá để trì cháy vỉa than thu sản phẩm khí đám cháy than vỉa Làm khí Quá trình hoá khí than xẩy nhờ tác dụng hoá học cacbon với ôxy phân hoá nhiệt than Nhược điểm UCG sản phẩm khí có nhiệt thấp, trình khí hoá than vỉa xẩy không ổn định, khó điều khiển, thu hồi triệt để sản phẩm cháy than, khối lượng khoan khối lượng chuẩn bị lớn, chiếm tới 30-35% giá thành sản phẩm Mặc dù vậy, phương pháp UCG truyền thống sở vững cho nghiên cứu hoàn thiện tiếp 3.4 Các nghiên cứu phát triển UCG Ở Liên xô cũ, công tác nghiên cứu UCG năm 1930 Đến giai doạn 1945-1948 xây dựng sơ đồ công nghệ UCG sở lỗ khoan, tạo vỉa than kênh khí hoá không cần mỏ Sau Thế chiến lần 2, kinh nghiệm Nga sử dụng Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Bỉ nước khác Ở Liên Xô cũ có trạm khí hoá than Nam Apinskaia Cudơbát đưa vào vận hành từ 1955 đến 1996; Công suất cao trạm đạt vào năm 1966 488 triệu m3 khí với giá thành 1,98 rúp/1000m3 hay tương đương với giá 14 rúp/tấn NLTC Trong giai đoạn 1967-1977 công suất trạm giao động khoảng 300-420 tr.m3/năm, cung cấp cho hộ dùng khí ổn định Ở Uzơbếc có trạm Angren hoạt động từ 1963 đến Trong năm 1970-1980, hầu hết cường quốc công nghiệp than giới mua quyền công nghệ khí hoá than lòng đất Liên Xô Nga nước có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết đạt kết thực tế công nghệ UCG lớn giới Hiện nhà khoa học Nga tiếp tục hoàn thiện phương án công nghệ UCG Các nước có công nghiệp than phát triển quan tâm đến UCG Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu UCG mang tính thực tiễn cao phát triển Các năm qua có tới 10 trạm UCG xây dựng Trung Quốc Tại Áo năm 2003 xây dựng xong sở UCG lớn Các nước khác Ấn độ, Triều Tiên, Hàn Quốc quan tâm đến UCG Giai đoạn trước năm 1970-1980, lò khí hoá than thiết lập theo phương pháp hỗn hợp, phải sử dụng công việc hầm mỏ Sau giai đoạn 1980, lò khí hoá không cần tiến hành công việc hầm mỏ Trong giai đoạn hoàn thiện công nghệ nối hai lỗ khoan kênh đốt than, công nghệ khoan theo vỉa, công nghệ thuỷ lực hoá vỉa than, công nghệ khoan Trang / 49 nghiêng-ngang mũi khoan nhanh tốc độ lớn, đặc biệt có trang bị thiết bị dẫn hướng Mỹ nước Tây Âu từ lâu triển khai nghiên cứu ứng dụng công nghệ UCG Ở Mỹ, UCG nghiên cứu rầm rộ từ năm 1972 (gắn với thời kỹ khủng hoảng lượng) Trong giai đoạn 1972-1989 tiến hành 30 dự án thử nghiệm điều kiện mỏ-địa chất khác Thử nghiệm trường tiến hành với phương pháp thổi không khí, thu khí có nhiệt trị thấp Phần lớn thử nghiệm sau tiến hành với phương pháp thổi ôxy thu khí có nhiệt trị trung bình Kết tốt Mỹ thu nhờ phương pháp thổi khí có định hướng tới bề mặt cháy vỉa than (phương pháp kiểm chứng Nga trước đó) Hiện nay, công ty Energy International Mỹ thực nghiên cứu trình độ cao UCG cách chi tiết Các kết luận chủ tịch Energy International rút UCG sau: 1) Chi phí sản xuất khí thu UCG nhỏ so với khí hoá than mặt đất (SCG) 2) Chi phí đầu tư sở sản xuất có qui mô tương tự UCG nhỏ hơn; 3) Các tiêu môi trường UCG đạt tối đa công suất xí nghiệp thấp hơn; 4) Khí tổng hợp UCG cạnh tranh với khí thiên nhiên Các tiềm để nâng cao hiệu UCG liệt kê sau: - hoàn thiện sơ đồ khí hoá theo hướng thiết lập kết cấu lò khí hoá vỉa với mục đích tăng mức độ tác động qua lại tác động có định hướng không khí với bề mặt cháy vỉa than; - giảm tổn thất nhiệt; - chuyển sang độ sâu lớn 700m, ưu việt UCG tăng lên Các nhà nghiên cứu Mỹ so sánh phương án khác khí hoá than lòng đất UCG SCG (khí hoá than mặt đất) Kết khẳng định chi phí sản xuất khí tổng hợp theo UCG thấp so với SCG Kết nghiên cứu tất nước có số điểm chung: (i) khẳng định tính khả thi kỹ thuật UCG; (ii) chứng minh (tính khả thi kinh tế) thời điểm sản phẩm khí sản xuất công nghệ UCG cạnh tranh với khí thiên nhiên tới; (iii) khu vực có sẵn trữ lượng than (bất kể loại than đá hay than nâu) có hội tự đảm bảo Trang / 49 nguồn cung cấp lượng chỗ sở tiềm sẵn có nhờ sử dụng công nghệ UCG phù hợp Kinh nghiệm chuyên gia Bỉ UCG giới thừa nhận Đặc biệt lĩnh vực áp dụng UCG cho vỉa than nằm sâu (từ 700m đến 1000m) Các nhà kỹ thuật Bỉ hợp tác với kỹ sư Đức, Anh Tây Ban Nha triển khai thành công hai dự án mang tính trình diễn công nghệ UCG Dự án UCG thứ triển khai năm 1979-1988 thành phố Tulene (Eno, Bỉ) với độ sâu 900m Dự án UCG thứ hai (1991-1998) Alcoriza (Aragon, Tây Ba Nha) có độ sâu 600m Cả hai dự án gặp nhiều trở ngại khó khăn động thái kiến tạo không nhìn thấy trước hoạt động lòng đất sâu Tulene xuất nước ngầm từ vỉa than nằm bên Alcoriza Các nhà kỹ thuật thu nhiều kinh nghiệm có ích qua xử lý, khắc phục hay giảm thiểu ảnh hưởng xấu cố Một thành tựu đạt mở nhiều triển vọng cho UCG chứng minh tiềm hoàn thiện phương pháp khoan nghiêng vào vỉa nằm sâu Đồng thời thu nhiều thông tin vấn đề kỹ thuật có tính định phương pháp đốt than ban đầu (phát hoả), phương pháp di chuyển liên tục ống dẫn khí đặt lăn, điều khiển hình dạng kích thước lò khí hoá vỉa than v.v Sự tham gia nói kỹ sư Bỉ thực thông qua tổ chức IDGS (Institution pour le Développement de la Gazéification Souterraine)- hiệp hội phát triển UCG Nhiệm vụ IDGS nghiên cứu xây dựng qui trình công nghệ UCG để chuyển giao cho công ty tư nhân cần thiết Rất đáng tiếc, dự án tiếp theo, IDGS buộc phải giải thể chuyển giao toàn tài liệu kỹ thuật thu UCG cho tổ chức có tên gọi UNERBEL Tổ chức lưu giữ tài liệu IDGS phòng lưu trữ trường Đại học tổng hợp thành phố Lieza UNERBEL hoạt động dạng mạng lưới có ý nguyện củng cố mối quan hệ hợp tác trường đại học lĩnh vực UCG Các uỷ viên điều hành UNERBEL liên hệ trao đổi thông tin qua địa sau, gồm: • Jacques PATIGNY, председатель, professeur émérite Université catholique de Louvain Jacq.patigny@belgacom.net • Jean-Paul PIRARD, заместитель председателя, professeur Université de Liège Trang / 49 Jean-Paul.Pirard@ulg.ac.be • Léon BOLLE, секретарь, professeur Université catholique de Louvain bolle@term.ucl.ac.be • Roland DREESEN, VITO Expertisecentrum Energietechnologie roland.dreesen@vito.be • Philippe FIEVEZ, Diamant Boart sa pfievez@diamant-boart.com • Marc MOSTADE marc.mostade@swing.be • Jean-Pierre TSHIBANGU K., professeur Faculté Polytechnique de Mons tshibangu@fpms.ac.be Những kinh nghiệm kỹ sư Bỉ UCG có giá trị cho lĩnh vực công nghệ khác có liên quan CBM (CBM – Coal Bed Methane), ECBM đặc biệt công nghệ chôn cất (Sequestration) CO2 hang động sâu lòng đất Công nghệ CBM cho phép tiệm cận tới tài nguyên than khổng lồ nhân loại mà từ xưa đến chưa tính đến có mỏ than nằm thềm lục địa Công nghệ CBM sử dụng CO2 loại khí có tính bền vững cao, để bơm vào vỉa than có chứa khí CH4 để đẩy khí CH4 3.5 Việc chế biến sử dụng sản phẩm khí sau khí hoá than Về bản, thành phần khí thu phụ thuộc vào công nghệ áp dụng thổi không khí hay thổi ôxy vào vỉa than cháy Thành phần sản phẩm khí chế biến theo hướng làm giầu thành sản phẩm thay loại khí thiên nhiên để sử dụng hiệu Các nghiên cứu thực tế sở UCG cho thấy thành phần sản phẩm khí thu công nghệ UCG thay đổi khoảng lớn sau: + Khi áp dụng công nghệ thổi không khí: СО2 - 12,0-15,3%; СmНn - 0,1-0,7%; О2 - 0,2%; СО - 10,0-14,0%; Н2 - 12,1-16,2%; СН4 - 2,0-4,0%; N2 - 55,0-60,0%; Н2S - 0,01-0,06% Nhiệt khí đạt khoảng МJ/м3 Khí sử dụng cho tổ máy tuanbin khí để phát điện đốt lò nhà máy nhiệt điện + Khi áp dụng công nghệ thổi ôxy: CO - 35,0%; H2 - 50,0%; CH4 - 7,5%; CmHn - 1,2%; O2 - 0,3%; N2 - 5,0% Nhiệt sản phẩm khí đạt 10-13 МJ/м3 Trang 10 / 49 Đây qui trình khí hoá than nhờ sử dụng nhiệt lò phản ứng nguyên tử Nhiệt cung cấp cho trình khí hoá cung cấp nhiều phương pháp khác nhau, nung nóng vật truyền nhiệt (có thể Geli) nhiệt lò phản ứng nguyên tử đến nhiệt độ 850o-900oC Geli nung nóng đưa vào trao đổi nhiệt có sử dụng vật truyền nhiệt geli Than đưa vào lò khí hoá nước, khí hoá nhiệt độ thấp Lò khí hoá than nước nóng từ lò phản ứng nguyên tử Ngoài ra, việc khí hoá than tiến hành nhờ sử dụng plazma nhiệt độ thấp (3000o-3500oC) Quá trình khí hoá nhiệt độ xẩy mạnh, gấp 10 lần bình thường Lò khí hoá than theo phương pháp Kellog (trái) Coalcon (phải) Trang 35 / 49 Thành phần khí thu qui trình tổng hợp bảng sau; Qui trình СО2 Qui trình nhiệt tự ngẫu Khí hoá tầng sôi lò Vincler Khí hoá bụi than lò Kopper-Totseca Qui trình nhiệt ngoại sinh Khí hoá nhiệt lò phản ứng nguyên tử Khí hoá nhiệt plazma Thành phần khí (%) СО Н2 СН4 N2 19,0 12,0 38,0 56,0 40,0 29,4 2,0 0,6 1,0 2,0 0,9 1,5 4,3 41,8 62,9 64,6 31,9 0,1 -2,0 6.4 Các công nghệ lò khí hoá than SCG Mọi nhiên liệu rắn từ than bùn đến anthracite khí hoá Các nguyên tố có ảnh hưởng xúc tác tương đối đến vi cấu tạo than trình khí hoá Mn>Ba>>B, Pb, Be>>Y, Co>Ga>Cr>Ni>V>Cu Các yếu tố/thông số đặc trưng cho trình khí hoá than là: loại chất dùng để khí hoá (không khí, ôxy, nước); nhiệt độ (850-2000oC), áp suất (0,1-10,0mPa) trình; phương pháp tạo loại bỏ thành phần chất thải (lỏng, khô); phương pháp cung cấp chất khí hoá; phương pháp truyền dẫn nhiệt Việc khí hoá than áp suất thường áp dụng sản phẩm khí thu sử dụng cho công đoạn tổng hợp khác (cũng thực áp suất cao) Các lò khí hoá có thải xỉ lỏng làm việc nhiệt độ cao nhiệt độ nóng chảy tro (1300-1400oC) Các lò khí hoá thải xỉ khô làm việc nhiệt độ thấp tro thải dạng rắn Trang 36 / 49 Các qui trình khí hoá thuộc hệ gồm Lurgi, Winkler, KoppersTotzeka nghiên cứu tương đối tốt ứng dụng công nghiệp nhiều nước để điều chế khí tổng hợp thay cho khí thiên nhiên Công nghệ Lurgi Phần lớn lò khí hoá công suất lớn làm việc theo qui trình trực tiếp, khí hoá lớp nhiên liệu rắn chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động khí thổi Theo sơ đồ này, khí thổi vào lò qua vùng đệm để làm nóng, sau đưa vào để đốt than điều kiện thiếu ô xy Ô xy phản ứng với cácbon tạo thành CO CO2 đồng thời Qui trình Lurgi khí hoá than với thải xỉ khô có nhược điểm tốc độ phân tách nước dòng thổi chậm, phải dùng nước vật hạ nhiệt để tránh nóng chảy kết dính tro, khí sản phẩm có chứa cácbon hydro phenol cao phân tử Qui trình khí hoá than với thải xỉ lỏng hãng British gas dựa nguyên lý Lurgi có tăng nhiệt độ lên cao dùng để khí hoá loại than kốc than có hoạt tính thấp với thành phần cỡ hạt rộng Bụi mùn tro thoát từ khí đưa quay trở lại lò, lượng tro đưa quay trở lại lên tới 15% tính theo than Công nghệ dược kiểm chứng thành công trạm Ukhfinder có công suất 350 tấn/ngày hoàn thiện nâng cấp Mỹ Sơ đồ khí hoá than tầng chặt theo công nghệ Lurgi: А- sản xuất khí; Б- đốt thu CO; В- làm khí; Г- tách phenol từ nước thải Trang 37 / 49 Biểu đồ tương quan thành phần khí thu nhiệt độ khí hoá than coke khác nước:a- 600oC; б- 700oC; в-800oC; г900oC Hình dưới: bên trái- lò khí hoá diệp thạch; bên phải- lò khí hoá than theo công nghệ Trang 38 / 49 Lurgi Công nghệ Winkler Qui trình Vinkler dựa sở sử dụng tầng giả sôi nhiên liệu Nguyên lý khí hoá nhiên liệu dạng hạt tầng sôi với tốc độ định luồng không khí thổi vào cỡ hạt định nhiên liệu nằm lưới, lớp nhiên liệu chuyển động Qui trình Vinkler đảm bảo công suất cao, khả khí hoá nhiều loại than quản lý thành phần sản phẩm cuối Mặc dù qui trình này, tổn thất than (không tham gia phản ứng) bị đưa khỏi lò khí hoá lớn tới 20-30% (tính theo khối lượng) dẫn đến tổn thất nhiệt làm giảm hiệu suất qui trình Qui trình tầng giả sôi có điểm đặc biệt nhậy cảm với thay đổi chế độ hoạt động áp suất thấp hạn chế suất lò khí hoá Theo qui trình Vinkler hiẹn có 16 nhà máy hoạt động nước Tây Ba Nha, Nhật, Đức v.v Lò khí hoá Vinkler có đường kính tới 5,5m, chiều cao tới 23m, công suất đơn lớn số lò hoạt động lên tới 33.000 m3/giờ Sơ đồ khí hoá than tầng giả cháy theo công nghệ Winkler: 1- Bunke than; 2lò khí hoá; 3- lò đốt; 4- Bộ hâm nước; 5- Bộ phân ly đa cấp; 6- Bình ngưng-bộ làm lạnh; 7máy thổi khí; 8- Túi lọc bụi; 9- Bình xả; 10- Bình chứa bụi Trang 39 / 49 Công nghệ_V Ở Mỹ xây dựng qui trình công nghệ gọi qui trình công nghệ_V khí hoá than lò phản ứng có phân hạt tro để sản xuất khí có nhiệt thấp dùng nguyên liệu để điều chế hydro, amonia metanol làm nhiên liệu Quá trình khí hoá tiến hành điều kiện: oxy nước, tầng sôi có áp suất 5,7-7mpa, nhiệt độ 980-1100oC Bụi than thu vào siclon, đó, từ siclon bụi than quay trở lại lò khí hoá Sản phẩm khí qui trình không chứa chất thải dạng lỏng, dễ làm Do trình khí hoá có nhiệt độ cao, tất loại than dùng làm nguyên liệu để khí hoá sản phẩm khí có chất metanol không chứa hydrocabon dạng tích tụ Nhược điểm qui trình_V xẩy điều kiện áp suất thấp, tiêu hao ôxy nhiều phải nghiền nhỏ than Lò khí hoá công nghiệp theo qui trình_V có công suất 4.000 m3/h khí tổng hợp đưa vào vận hành từ năm 1954 Lò khí hoá than theo công nghệ_ V Hình trái- lò khí hoá theo công nghệ Bi-khí: 1- vùng khí hoá cấp 2; 2- vòi đốt; 3- vùng khí hoá cấp 1; 4- vùng làm nguội xỉ; Hình phải- lò khí hoá theo công nghệ Synthane: 1- phân ly; 2,3- van Trang 40 / 49 Công nghệ Koppers-Totzek Theo qui trình công nghệ Koppers-Totzek giới có 16 nhà máy hoạt động (Nhật, Đức v.v.) Lò khí hoá với hai vòi phun có đường kính 3-3,5m, dài 7,5m có khối tích tới 28m3/h Cũng ghi nhận có qui trình công nghệ thử nghiệm không thành công Vì dụ, việc khí hoá than dòng cháy vòi phun than trực tiếp có thải xỉ khô không mang lại kết mong đợi Hiện nay, bụi than khí hoá qui trình có thải xỉ lỏng Lò khí hoá loại có dạng đứng (bề nhìn tương tự thiết bị đốt than bụi Babcoke-Wilcoke) hay dạng nằm ngang (Koppers-Totzek) Lò khí hoá than theo công nghệ Koppers-Totzek phương pháp thổi ôxy+hơi nước: 1- phiễu than; 2- vít xoắn cấp than; 3- đầu vòi đốt; 4- Ngăn phản ứng; 5- Ngăn làm lạnh đóng xỉ; 6- Dẫn khí thu hoạch Trang 41 / 49 Công nghệ Texaco (Mỹ) Hãng Texaco Mỹ chế tạo lò để khí hoá loại than dạng bụi áp suất cao, có thải xỉ lỏng Loại lò coi hoàn hảo để khí hoá huyền phù than-nước Người ta đưa huyền phù than-nước có độ đậm đặc tới 70% (theokhối lượng) vào lò để khí hoá Điều giúp đơn giản nhiều giải pháp kỹ thuật khác cho phép tự động hoá qui trình Năm 1984, hãng Ube Industry đưa vào hoạt động lò khí hoá than lớn giới theo công nghệ Texaco công suất 1500tấn than/ngày đêm để thu khí phục vụ cho sản xuất amonia Tại nhà máy Ioil (Nhật) năm 1987 xây dựng xong thiết bị pilot công suất than/ngày để khí hoá huyền phù than nước theo công nghệ coi tiên tiến Texaco Theo thiết kế, trình khí hoá than thực điều kiện áp suất 1,96-2,94mpa, nhiệt độ 1400oC, sản phẩm hỗn hợp khí CO, CO2 H Các nghiên cứu tiến hành trước năm 1991 với công ty Tokyo Electric Power thực chuyển hoá 533 than Trang 42 / 49 Mức độ thu hồi cacbon đạt 100% Trong khí có chứa đến 52,3% CO, 33,2% H, 12,7% CO2 Khi thổi không khí để nung nóng huyền phù tới 150oC đạt tỷ lệ thu hồi cacbon 72% Nhược điểm phương pháp tiêu hao nhiệt cao phải cấp nhiệt cho trình hoá nước lò phản ứng, than lại không đòi hỏi phải làm khô không cần cấp vào lò Ngoài ra, trình vận hành thường gặp khó khăn việc chống mài mòn dỉ thiết bị bơm, van, đường ống Qui trình Texaco có đặc trưng tiêu hao ôxy lớn, cần tới 400-450m3 ôxy cho 1000m3 khí tổng hợp Tỷ lệ than/nước huyền phù giao động lớn từ 70/30 đến 45/55 Huyền phù than nước khí hoá lò Pi2ec áp suất 10mpa Các thông số phương pháp khí hoá than theo qui trình Lurgi Winkler KoppersTotzek Năng suất khí hoá tính theo than (t/h) 40-75 20-35