1.2.1.1. Khái niệm
UCG là một loại hình khí hóa than tại chỗ, trong các vỉa than nằm sâu dưới bề mặt đất [4].
Các giai đoạn chính của quá trình khí hoá than bao gồm: khoan những mũi khoan từ trên mặt đất đến vỉa than; tại vỉa than, những lỗ khoan được kết nối qua các kênh (lỗ khoan ngang); thổi dòng không khí hoặc khí ôxy vào một trong những lỗ khoan và nhận lại khí đốt ở các lỗ còn lại, quá trình khí hoá than được thực hiện trong các kênh nối. Sự tạo thành khí đốt tại các kênh xảy ra do phản ứng hoá học giữa ôxy và các-bon trong quá trình nhiệt phân than [4].
UCG vừa được xem là một quá trình khai thác (như khai thác than) vừa được xem là một quá trình chuyển đổi (khí hóa) nhằm tạo ra một loại khí tổng hợp. Loại khí này được xử lý để sản xuất ra nhiên liệu cho nhà máy điện, dầu điêzen, nhiên liệu phản lực, khí hydro, phân bón, hóa chất …[4].
29
Hình 1.8. Mô hình UCG-CSS
Nguồn: Linc Energy, 2014
Thể tích, thành phần và nhiệt lượng của khí thu nhận được phụ thuộc vào thành phần của luồng khí lưu thổi vào lỗ khoan (không khí, khí ôxy, hơi nước), phẩm cấp than và thành phần của chúng, điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn, điều kiện thế nằm của vỉa, bề dày vỉa và cấu trúc vỉa, đồng thời phụ thuộc cả ở vấn đề nước ngầm tại khu vức khí hoá than [4].
Kinh nghiệm của một số nước trong lĩnh vực UCG
Phát minh ra công nghệ UCG được cho là của ông Carl Wilhelm Siemens (Đức), người đầu tiên trình bày ý tưởng về vấn đề này tại một hội nghị quốc tế ở London vào năm 1868. Mặc dù công nghệ UCG đã được triển khai tại Nga vào những năm đầu của thập kỷ 60, thế kỷ 20, nhưng do nguồn tài nguyên khí đốt tại đây rất lớn nên công nghệ này không được quan tâm phát triển. Tới nay, những thử nghiệm về công nghệ này đã được tiến hành tại nhiều nước trên thế giới [24].
30
Theo Hiệp hội UCG thế giới, hiện có trên 70 dự án UCG đang nghiên cứu tiềm năng, lập kế hoạch và thực hiện tại 31 quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam [24].
Hình 1.9. Bản đồ phân bố dự án UCG tại các quốc gia
Nguồn: Hiệp hội UCG thế giới
Những thử nghiệm độc đáo của ngài Willam Ramsey về khí hóa than ngầm tại vùng than Dutham Coal Field đã tiến hành đầu tiên năm 1912 và kế hoạch khai thác thương mại mới chỉ dừng lại ở một số ứng dụng cụ thể sau đó. Liên Xô cũ đã khai thác khí hóa than ngầm rộng lớn tại mỏ để cung cấp khí cho các nhà máy nhiệt điện, nhà máy amoniac và một số nhà máy sử dụng khí đốt khác. Chương trình khí hóa than ngầm ở Mỹ đã triển khai trước những năm 1990, nhưng sau đó đã triển khai chậm lại do khí thiên nhiên quá rẻ.
Đến năm 2005, châu Âu, Australia đã trở lại quan tâm đến khí hóa than ngầm tại phía Bắc Tây Ban Nha và Queenland, nhiều nghiên cứu khả thi hỗ trợ đã được thực hiện, các nhà cầm quyền đã chấp nhận lợi ích từ khí hóa than ngầm như một công nghệ than sạch trước nguy cơ nóng lên toàn cầu.
Ấn Độ, Trung Quốc và mới đây, Nam Phi đang đứng vào hàng ngũ ngày một đông đảo các nước nhận thức tiềm năng to lớn của khí hóa than ngầm trong phương án an ninh năng lượng quốc gia. Nhiều công trình nghiên cứu triển khai
31
về khí hóa than ngầm đã được nhiều nước đang phát triển áp dụng để phát điện theo các công nghệ IGCC và thu giữ - niêm cất cacbon (CCS), chi phí rất thấp.
Hình 1.10. Tình hình thực hiện các dự án UCG trên thế giới
Nguồn: The Global Status of CCS, 2014
Hội nghị khí hóa than ngầm năm 2008 tại London (nước Anh) đã thông báo về kết quả nghiên cứu khả thi (Feasibility Studies) về khí hóa than ngầm tại các mỏ than Gujurat Region của Ấn Độ, Firth of Forth ở Scotland, Majubga coal field ở Nam Phi… trong đó, ở một số mỏ đã đạt đến giai đoạn khoan thăm dò và khai thác khí đốt. Công trình đạt kết quả cao nhất, giá chào trên thị trường chứng khoán của Australia năm 2006 là 22 triệu đôla Úc của Tập đoàn năng lượng Australia nhằm mở rộng mỏ khí hóa than ngầm cung cấp khí cho các nhà máy nhiệt điệt chu trình hỗn hợp và các nhà máy khí hóa lỏng.
Một số lượng lớn các tập đoàn dầu khí trên thế giới đang theo dõi sự triển khai các mỏ than với khí hóa than ngầm, trong số đó có thể biết đến các tập đoàn như: Statoij, Tullow oil và cả ngân hàng ABN AMRO Bank… Những tập đoàn trên đã trở thành các thành viên đầu tiên hoặc sáng lập của Hiệp hội khí hóa than ngầm, hội viên của Hiệp hội này đã tăng lên tới con số 32 tổ chức, với các công
32
ty lớn như E.ON - công ty đứng đầu trong hội đồng quản trị của Hiệp hội, Hiệp hội đã trở thành trung tâm của các hội viên ưu tú nhất trong ngành khí hóa than ngầm, thúc đẩy việc triển khai mạnh mẽ công nghệ khí hóa than ngầm như một công nghệ than sạch, đảm bảo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhất về bảo vệ môi trường, sinh thái.
Công nghệ UCG hiện đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển và áp dụng khai thác các khoáng sàng than trong các điều kiện tương tự bể than ĐBSH không thể khai thác bằng các công nghệ truyền thống như lộ thiên và hầm lò. Việc phát triển và đưa vào áp dụng trong thực tế công nghệ UCG sẽ cho phép nâng tổng trữ lượng than đã được chứng minh (trữ lượng khả khai) của thế giới hiện nay từ 909 tỷ tấn lên tới 6.000 tỷ tấn. Như vậy, các công nghệ truyền thống như lộ thiên và hầm lò chỉ cho phép chúng ta khai thác được khoảng 15% trữ lượng than trong tương lai [4].
Hình 1.11. Phạm vị áp dụng công nghệ UCG theo độ sâu của vỉa than trên thế giới
Nguồn: Burton et al., 2007
Về mặt kỹ thuật, theo các báo cáo của các chuyên gia EC, độ sâu tối ưu để áp dụng UCG là từ 600-1.200m. Nếu áp dụng UCG: trữ lượng than của Mỹ có thể tăng lên từ 3-4 lần; 66% trong số 467 tỷ tấn trữ lượng than của Ấn Độ có thể
33
được đưa vào cân đối; 45% trữ lượng than của Úc, tương đương với 44 tỷ tấn sẽ được đưa vào cân đối [4]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sản phẩm của công nghệ UCG là “khí tổng hợp” có giá trị sử dụng cao hơn rất nhiều so với sản phẩm của các công nghệ khai thác lộ thiên, hầm lò truyền thống chỉ là “than nguyên khai”. Khí tổng hợp thu được từ UCG cho phép áp dụng các công nghệ phát điện hiện đại và tiên tiến nhất (kết hợp các chu trình khí hóa than và phát điện bằng các tuabin hơi và khí) như: ICFBC, HYCOL, IGCC, EAGLE, IGFC, A-IGCC/A-IGFC, Hyper coal v.v. với hiệu suất nhiệt cao hơn rất nhiều (gần gấp 2 lần so với công nghệ lò tầng sôi (CFB) và lò than phun (PC) hiện nay).
Những ưu việt về an toàn cung cấp khí đốt (bằng khí hóa than ngầm) được thừa nhận ở nhiều nước trên thế giới, nhưng những khác biệt chủ yếu là ở trong biến hoán năng lượng của quá trình phát điện. Cả 2 công nghệ tuabin khí chu trình hỗn hợp (GTCC) và khí hóa than trong chu trình tuabin khí chu trình hỗn hợp đều có khả năng đạt hiệu suất cao (60% trở lên, trong khi các nhà máy nhiệt điện đốt than theo công nghệ truyền thống hiện đại nhất với các tổ máy công suất lớn 600MW trở lên chỉ có thể đặt được hiệu suất cao nhất 38%) nhưng công nghệ IGCC có điều kiện thu giữ và niêm cất cacbondioxide từ khí hóa than bởi khí cacbondioxide có nồng độ cao trong quá trình khí hóa than ngầm. Tóm lại, UCG là một công nghệ năng lượng sạch tiềm năng, được nhiều quốc gia đánh giá cao hơn so với điện nguyên tử, là một “kho chứa cacbon khổng lồ” của thế giới, là định hướng chủ yếu của nhiều nước trong vấn đề an ninh năng lượng [4].
1.2.1.2. Quá trình khí hoá than ngầm
UCG thuộc lĩnh vực khai thác khoáng sản thông qua các lỗ khoan bằng các phương pháp dựa trên cơ sở của các quá trình lý-hóa-địa (chênh lệch áp suất, ô xy hóa, hòa tan, nung chảy, kết tủa, enzim...) [4].
Bản chất của UCG là biến than dưới lòng đất thành khí tổng hợp và sau đó khai thác khí tổng hợp như khí thiên nhiên.
34
Cơ sở của quá trình biến than dưới lòng đất thành khí tổng hợp là phản ứng ô xy hóa của nguyên tố các-bon (C).
Để ôxy hóa các-bon (đốt cháy than) dưới lòng đất ta phải đưa vào vỉa than ô xy và nhiệt độ (thường là không khí có chứa ô xy hoặc được làm giầu về ô xy và hơi nước nóng). Để quá trình ô xy hóa các-bon tạo ra được khí tổng hợp (syngas) có thành phần cháy được như khí thiên nhiên (CO, H2, CH4) cần điều chỉnh lượng O2 trong thành phần khí, nhiệt độ và áp suất của khí và hơi nước nóng đưa vào vỉa than.
Quá trình khí hoá than xảy ra các phản ứng sau:
- Phản ứng cháy (toả nhiệt) của than, hidro, ôxit cácbon và khí mê-tan: C + O2 = CO2 + 394 kJ/mol (1)
2C + O2 = 2CO + 221 kJ/mol (2) H2 + ½ O2 = H2O + 242 kJ/mol (3) CO + ½ O2 = CO2 + 286 kJ/mol (4) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 801 kJ/mol (5) - Phản ứng thu nhiệt của cácbonic và hơi nước:
CO2 + C = 2CO – 173 kJ/mol (6) H2O + C = CO + H2 – 130 kJ/mol (7) 2H2O + C = CO2 + 2H2 – 80,3 kJ/mol (8) - Các phản ứng trao đổi: CO + H2O = CO2 + H2 + 41,8 kJ/mol (9) CO + 3H2 = CH4 + H2O + 205 kJ/mol (10) C + 2H2 = CH4 + 75,3 kJ/mol (11) Qua các phương trình hóa học trên ta thấy:
- Có bảy phản ứng tạo ra các thành phần cháy được của khí tổng hợp (CO, H2, CH4) gồm các phản ứng (2), và từ (6) đến (11);
- Nhiệt lượng cần thiết cho khí hoá chủ yếu giải phóng từ các phản ứng (1), (3), (4), (5), (9) và (10);
35
- Nhiệt lượng cung cấp điều kiện cho các phản ứng và cho quá trình phân rã than từ các phản ứng (6) đến (8).
Hình 1.12. Sơ đồ các khu vực phản ứng khi UCG
Nguồn: Dự án thử nghiệm khí hoá than ngầm dưới lòng đất UCG, Công ty Năng lượng Sông Hồng, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam
Khác với khí hoá trong các thiết bị trên mặt đất, khí hoá dưới lòng đất mang những đặc điểm sau:
Không có sự dịch chuyển của chất đốt; sự cháy của than xảy ra theo sự chuyển đổi vung cháy (tứ dưới lên), cùng với nó là sự chuyển đổi của các khu vực khí hoá (khu vực phản ứng trùng lặp, khu vực chưng khô, khu vực di chuyển của khí). Trong quá trình cháy của vỉa than, dưới tác dụng của áp lực đất đá bao quanh, tại khu vực đất đá vách sẽ xảy ra dịch chuyển, sạt lở, tạo khoảng trống về phía gương lò. Vì vậy, kích cỡ và cấu trúc của kênh phản ứng luôn luôn được đảm bảo.
Không có các vách ngăn khí, vì thế trong quá trình cháy có sự tham gia không chỉ của hơi nước được giải phóng từ than, mà còn hơi nước từ đất đá bao quanh và cả nước ngầm.
36
Kênh phản ứng tiếp xúc trực tiếp với vỉa than, nhờ đó tạo điều kiện cho quá trình nhiệt phân rã than xảy ra.
Khoảng cách giữa các lỗ khoan trong thực tế dài hơn nhiều lần khoảng cách cho phép của khu vực phản ứng.
Thành phần và nhiệt lượng của khí thu hồi phụ thuộc vào thành phần của luồng khí lưu thổi vào kênh phản ứng và chất lượng than, đồng thời phụ thuộc vào điều kiện địa chất và thế nằm của vỉa than [4].
1.2.2. Công nghệ Thu hồi và lƣu trữ các-bon
1.2.2.1. Khái niệm
Thuật ngữ “thu hồi và lưu trữ các-bon” (CCS) dùng để chỉ nhóm các công nghệ giúp giảm lượng khí thải CO2 từ các nguồn phát sinh chủ yếu, qua đó làm giảm tác động tới quá trình biến đổi khí hậu. Thay vì thải vào bầu khí quyển để lượng CO2 tích tụ mỗi ngày, công nghệ CCS thực hiện thu hồi và sau đó lưu trữ khí này trong các “kho chứa”. Lĩnh vực then chốt nghiên cứu trong tương lai là công tác nghiên cứu khí hóa than ngầm với việc thu giữ và niêm cất khí CO2 tại chỗ [21].
Với quá trình đốt cháy khí hy-đrô-các-bon, UCG sản sinh ra lượng CO2. Nhưng, tương ứng với các khu vực có khả năng triển khai công nghệ này là những địa điểm có có thể cô lập được một lượng vô cùng lớn khí CO2 trong quá trình hình thành địa chất dưới lòng đất. UCG cũng tăng khả năng lưu trữ các lượng khí CO2 trong các chính các vỉa than. Lượng khí thoát ra cùng lúc đó có thể được hút ra khỏi lòng đất và những phụ phẩm sẽ được tách ra. Khí CO2 sau đó có thể được đưa lại xuống các lỗ trống lòng đất gần đó [21].
1.2.2.2. Quá trình thu hồi, lưu trữ các-bon (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quy trình CCS hoàn chỉnh bao gồm bốn bước cơ bản: 1) thu CO2 từ nhà máy điện hoặc các nguồn tập trung khác; 2) vận chuyển CO2 đến địa điểm lưu trữ thích hợp; 3) bơm CO2 vào các kho chứa ngầm; 4) giám sát quá trình bơm khí CO2 và đảm bảo CO2 được cô lập hoàn toàn [21].
37
Hình 1.13. Quy trình thu hồi các-bon phát thải từ UCG và lưu trữ
Công nghệ khí hóa than ngầm có thể ngăn ngừa phát thải CO2 vào bầu khí quyển. Phần lớn các quá trình khí hóa than ngầm được cung cấp oxy, điều đó có nghĩa là chỉ sinh ra khí CO2 và nước sau khi cháy, vì vậy điều kiện tách riêng khí CO2 đơn giản hơn và rẻ hơn.
Hạn chế giải phóng khí thải ra môi trường, vì khí hóa trong UCG được thực hiện trong lòng đất, theo đó sẽ giảm thiểu chi phí quản lý môi trường. Đặc biệt là các khí KNK như tại các vỉa than được thu lại trong quá trình khai thác, nên không bị lẫn vào không khí như trong các công nghệ khai thác thông thường.
Theo Báo cáo đặc biệt của IPCC về CCS năm 2005, ước tính tiềm năng giảm phát thải CO2 từ việc áp dụng CCS có thể đạt từ 220 - 2.200 tỷ tấn CO2
(chiếm từ 15 - 55% tổng lượng CO2 cần giảm góp phần ứng phó với BĐKH và nhằm giữ nhiệt độ Trái đất không tăng quá 2oC cho đến năm 2100).
Dự án CCS đã hoạt động thành công trên toàn thế giới kể từ giữa những năm 1990. Một số dự án lớn đang được thực hiện là: Dự án Sleipner, ở Na Uy, đã thu hồi gần một triệu tấn CO2 mỗi năm từ năm 1996 từ việc sản xuất khí đốt và bơm xuống tầng nước mặn sâu dưới Biển Bắc; Dự án Great Plains Synfuels
38
Weyburn-Midale, từ năm 2000, khoảng 2,8 triệu tấn CO2 một năm được thu hồi từ Great Plains, Mỹ và vận chuyển cho các hoạt động tăng cường thu hồi dầu tại Weyburn-Midale, Canada [21].
Hình 1.14. Thu hồi, vận chuyển và lưu trữ các-bon
Nguồn: IPCC, Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, 2005
Theo số liệu thống kê của Viện CCS Toàn cầu, hiện có tổng cộng khoảng 56 dự án đang thực hiện hoặc đang trong giai đoạn lập kế hoạch với tổng tiềm năng thu hồi khoảng 85 triệu tấn CO2/năm. Các dự án này được thực hiện tại các nước Mỹ (20), Canada (7), Braxin (1), Anh (5), Hà Lan (1), Na Uy (2), Úc (3), Trung Quốc (12), Hàn Quốc (2), Ả Rập Sauri (1), Các tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất (1), Algeria (1).
Thu hồi các-bon
Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí tự nhiên được tạo trong quá trình đốt cháy. Khí CO2 là một sản phẩm phụ của quá trình này. Công nghệ thu hồi có thể được áp dụng cho bất kỳ quá trình thải quy mô lớn
39
nào, bao gồm nhiệt điện than, sản xuất dầu mỏ, khí đốt cũng như vật liệu công nghiệp như xi măng, sắt, thép, bột giấy. Trong thực tế, trên thế giới, các ngành công nghiệp phát thải CO2 lớn đã áp dụng công nghệ thu hồi trong nhiều thập kỷ nay. Giai đoạn đầu tiên của CCS là thu hồi CO2. Muốn thu hồi CO2, phải tách