CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2. Tổng quan về các loại than tại Việt Nam
Điểm qua tình hình tài nguyên than ở Việt Nam có 5 loại chính: - Than antraxit
- Than mỡ - Than bùn
- Than ngọn lửa dài - Than nâu.
1.2.1. Than antraxit (than đá)
Trữ lượng than đá được đánh giá là 3,5 tỷ tấn trong đó ở vùng Quảng Ninh trên 3,3 tỷ tấn (tính đến độ sâu 300 m); còn lại gần 200 triệu tấn là nằm rải rác ở các tỉnh: Thái Nguyên, Hải Dương, Bắc Giang,...
1.2.2. Than mỡ
Trữ lượng tiềm năng được đánh giá sơ bộ là 27 triệu tấn, trong đó trữ lượng địa chất là 17,6 triệu tấn, chủ yếu tập trung ở 2 mỏ Làng Cẩm (Thái Nguyên) và mỏ Khe Bố (Nghệ An). Ngồi ra, than mỡ cịn có ở các tỉnh: Sơn La, Lai Châu, Hồ Bình song với trữ lượng nhỏ.
1.2.3. Than bùn
Than bùn ở Việt Nam nằm rải rác từ Bắc đến Nam, nhưng chủ yếu tập trung ở đồng bằng sông Cửu Long (với hai mỏ than lớn là U-Minh-Thượng và U-Minh-Hạ).
- Ven biển Miền Trung: 490 triệu m3 - Đồng bằng Nam Bộ: 5.000 triệu m3
Từ trước tới nay than bùn được khai thác chủ yếu dùng làm chất đốt sinh hoạt (pha trộn với than antraxit của Quảng Ninh) và làm phân bón ruộng với quy mơ nhỏ, khai thác thủ cơng là chính, sản lượng khai thác hiện nay được đánh giá là chưa đến 10 vạn tấn/năm. Khai thác than bùn làm chất đốt hay làm phân bón đều khơng có hiệu quả cao, mặt khác việc khai thác than sẽ ảnh hưởng đến môi trường, môi sinh trong vùng, nhất là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, bên cạnh đó điều kiện khai thác, vận chuyển tiêu thụ, chế biến sử dụng than bùn cũng gặp khơng ít khó khăn.
1.2.4. Than ngọn lửa dài
Chủ yếu tập trung ở mỏ NamDương (Lạng Sơn), với trữ lượng địa chất trên 100 triệu tấn. Hiện nay khai thác được thực hiện bằng phương pháp lộ thiên, than khai thác chủ yếu phục vụ sản xuất xi măng ở Hải Phòng và Bỉm Sơn với sản lượng trên dưới 100 nghìn tấn/năm. Nhưng do nhà máy Xi măng Hải Phòng sẽ ngừng hoạt động, nhà máy xi măng Bỉm Sơn được cải tạo với công nghệ mới, nên không dùng than Na dương từ 1999 trở đi. Than Na dương là loại than có hàm lượng lưu huỳnh cao, có tính tự cháy, nên việc khai thác, vận chuyển, chế biến sử dụng rất khó khăn và hạn chế. Do đó, Tổng Cơng ty Than Việt Nam đang nghiên cứu hợp tác với nước ngoài xây dựng nhà máy điện trong vùng mỏ, để sử dụng loại than này. Vì nếu khơng khai thác, than sẽ tự cháy và phá huỷ nguồn tài nguyên đồng thời gây tác động xấu hơn đến môi trường.
1.2.5. Than nâu
Tập trung chủ yếu ở đồng bằng Bắc Bộ, trữ lượng dự báo 100 tỷ tấn. Theo đánh giá sơ bộ, than có chất lượng tốt, có thể sử dụng cho sản xuất điện, xi măng và cơng nghiệp hố học.
Chất Bốc của than (V): Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường
phân huỷ nhiệt. Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là "Chất bốc" và kí hiệu là VC %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, Cacbonoxit, Cacbonic.
Những liên kết có nhiều Oxy là những liên kết ít bền vững dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ cao, vì vậy than càng non tuổi bao nhiêu thì chất bốc càng nhiều bấy nhiêu, than bùn (V= 70%), than đá (V= 10 - 45)%, than antraxit (V= 2 - 9) %.
Nhiệt độ bắt đầu sinh ra chất bốc phụ thuộc vào tuổi hình thành của than, than càng non tuổi thì nhiệt độ bắt đầu sinh chất bốc càng thấp. Lượng chất bốc sinh ra còn phụ thuộc vào thời gian phân huỷ nhiệt.
Theo tiêu chuẩn ASTMD 388 thì chất bốc của than thành phần bay hơi của than đã trừ đi độ ẩm khi mẫu than được đốt nóng trong chén có nắp đậy kín (khơng đưa khơng khí vào), ở nhiệt độ 8000-8200C trong thời gian 7 phút, và được kí hiệu là V (%).
Chất bốc của than có ảnh hưởng rất lớn đến q trình cháy than, chất bốc càng nhiều bao nhiêu thì than càng xốp, dễ bắt lửa và cháy kiệt bấy nhiêu. Vì vậy khi cháy than ít chất bốc như than Antraxit của Việt nam thì cần phải có biện pháp kĩ thuật thích hợp.
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.3.1 Trong nước:
Nhiều đối tác nước ngoài và Việt Nam đã và đang đề xuất với Chính Phủ để triển khai các dự án khí than tại ĐBSH. Quốc Hội Việt Nam đã bổ sung vào Luật Dầu khí điều khoản về cho phép khai thác khí than . Ngày 8/1/2008, Thủ tướng Chính phủ đã chấp nhận cho một cơng ty nước ngồi cùng với PV ký hợp đồng phân chia sản phẩm để triển khai nghiên cứu thăm dị khai thác khí than tại vùng KT1 của miền võng Hà Nội thuộc ĐBSH.
Công Thương - Theo thông báo của Văn phịng Chính phủ, Phó Thủ tướng Hồng Trung Hải giao các Bộ: Công Thương, Tài nguyên và Môi trường chỉ đạo các đơn vị có dự án hồn chỉnh thủ tục và cấp giấy phép thăm dị mỏ than, trình Thủ tướng Chính phủ xem xét, quyết định. Phó Thủ tướng yêu cầu các đơn vị được cấp phép thăm dò mỏ than phải báo cáo kết quả và được Hội đồng đánh giá trữ lượng khoáng sản phê duyệt. Việc khai thác than
để thử nghiệm công nghệ chỉ được thực hiện sau khi trữ lượng được duyệt. Nhưng đến nay, dự án này tại Việt Nam vẫn chưa được thực hiện vì những lý do về kinh tế, kỹ thuật, đội ngũ cán bộ...
Việc thăm dò địa chất bổ sung và nghiên cứu công nghệ phục vụ phát triển bể than Đồng Bằng Sông Hồng đang là những trọng tâm hoạt động của Công ty Năng lượng Sông Hồng (SHE) thuộc tập đồn Than khống sản Việt Nam (TKV). SHE đang chủ động triển khai hợp tác nghiên cứu, chuyển giao cơng nghệ khí hóa than ngầm trong khn khổ thực hiện đề án “Hợp tác nghiên cứu, chuyển giao cơng nghệ khí hóa than phục vụ các dự án than ĐBSH” với các đối tác CMC (Trung Quốc), MC-LNC (Nhật-úc), BBV (Mỹ). Tuy nhiên, dự án này chưa được thực hiện do vấn đề đã được nêu ở trên: kinh tế, kỹ thuật, đội ngũ cán bộ... (theo TS. Nguyễn Thành Sơn, KS. Lê Đức Nguyên - Công ty Năng lượng sông Hồng- Thông tin KHCN Mỏ).
Ngoài ra, TS. Nguyễn Thành Sơn (Giám đốc BQL các dự án Than ĐBSH- Vinacomin) cũng đã có cơng trình nghiên cứu khoa học đang tại tạp chí Năng lượng Nhiệt số 105 về UCG tại ĐBSH, tác giả đã đưa ra mơ hình tốn học của UCG và ước lượng sản phẩm thu được, phương án chế biến và sử dụng than tại ĐBSH. Nhưng trong nghiên cứu này vẫn chưa đưa ra được mơ hình tính tốn cụ thể.
1.3.2 Nước ngồi:
Hơn 50 nhà máy UCG thí điểm đã được thực hiện trên toàn thế giới kể từ năm 1930. Những phát triển này đã được tập trung ở Liên Xô, Châu Âu, Mỹ và Trung Quốc. Liên Xơ có thể được coi là quốc gia đầu tiên tham gia rất nhiều trong UCG. Tuy nhiên, thông tin chi tiết về các thử nghiệm UCG ở Liên Xơ là hiếm có. Những thử nghiệm này được tiến hành trong các vỉa than khác nhau với các độ sâu và độ dày khác nhau. So sánh thử nghiệm Mỹ và Liên Xô, hầu hết các thử nghiệm châu Âu đã được thực hiện trong các vỉa than sâu hơn (sâu> 300 m). [9]
Hình 1.1 tóm tắt tất cả các thử nghiệm UCG thực hiện trên toàn thế giới trong giới hạn về chiều sâu và độ dày của họ về các vỉa than. Như có thể thấy trên hình vẽ, tất cả các thử
nghiệm đã được tiến hành trong các vỉa tương đối sâu áp suất vận hành cao và làm tăng khả năng rị rỉ.
Hình 1.1: Độ dày so với độ sâu của các thử nghiệm được tiến hành trên toàn thế giới
(C.Pana, 2009)
1.3.1 Nga
Các nhà máy thí điểm đầu tiên của UCG được xây dựng ở Liên Xô cũ. Hầu hết các hoạt động được thực hiện trong than vỉa nông và mỏng độ sâu < 100 m và độ dày 0,6 - 2,1 m và áp suất vận hành thấp. Do độ sâu nông của vỉa than, rị rỉ khí đốt rộng khoảng 5 - 30%. Trong các thử nghiệm, quá trình đốt cháy ngược đã được nghiên cứu vì thuận lợi về mặt kinh tế và khoan định hướng.
1.3.2 Châu Âu
Thử nghiệm đầu tiên ở châu Âu được thực hiện ở Anh 1949 - 1959. Trong các thử nghiệm khơng thành cơng do liên kết Chỉ có sản phẩm khí chất lượng thấp được sản xuất. Sau khi kết thúc thí nghiệm Vương quốc Anh vào năm 1959, một số nước khác ở Tây Âu tiến hành thử nghiệm ở độ sâu hơn 300 m. Những thử nghiệm đã được tập trung vào việc
thiết lập các phương pháp kết nối hiệu quả cho các vỉa than sâu. Loạt đầu tiên của các xét nghiệm này được thực hiện trong Bruayen Artois ở Pháp trong một vỉa than antraxit (dày 1,2 m, chiều sâu: 1170 m) để điều tra tác động của phản ứng than và liên kết giữa hai giếng thủy lực.
1.3.3 Mỹ
Tổng cộng có 31 thử nghiệm đã được tiến hành tại Hoa Kỳ giữa năm 1973 và năm 1989, hầu hết trong số đó được tài trợ bởi Bộ Năng lượng và thực hiện ở Wyoming vỉa than bitum non. Một số thử nghiệm cũng được tài trợ tư nhân thực hiện ở Texas tại các vỉa than non. Những thử nghiệm này cũng như các tài liệu và kết quả đã được công bố trong báo cáo và bài báo khác nhau. Bảng 2-1 giới thiệu những thử nghiệm quan trọng nhất trong lĩnh vực này. Như có thể thấy, tất cả các thử nghiệm ngoại trừ Pricetown đã được thực hiện trong các vỉa than bitum non [14].
Hình 1.2. Hình chiếu của khoang ở Hanna II 1.3.4 ÚC
Úc có một số lượng đáng kể than xếp hạng trong độ sâu 150 - 400 m, thích hợp cho q trình UCG. Ba cơng ty bao gồm Linc Energy, Cougar Energy và Carbon Energy đang
làm việc hướng tới thương mại hóa UCG tại Úc và các nhà máy thí điểm trên tồn thế giới. Linc Energy Ltd đã tiến hành một loạt các thử nghiệm 1999 - 2002 tại Chinchilla là một vỉa than miền Nam Úc.
1.3.5 Các nước khác
Nam Phi: Cùng với Úc, Nam Phi cũng đang làm việc về phát triển thương mại của q trình UCG. Hiện nay, có hai phát triển UCG tại Nam Phi: một của Eskom và khác bởi Sasol. Eskom phát triển nằm gần một 4110 MW nhà máy điện đốt than tại Majuba. Eskom sử dụng công nghệ UCG được cấp phép từ Ergo Exergy Inc. Vỉa than là sâu 250 - 380 m và dày 1,8 - 4,5 m. Một nhà máy trình diễn dẫn đến việc sản xuất khí tổng hợp 3 - 5000 m3/giờ được sử dụng để tạo ra 100 Kwh điện. Dự án thí điểm đã được chạy liên tục kể từ năm 2007.Họ đã công bố giai đoạn phát triển tiếp theo của họ là đồng bắn khí UCG trong các nhà máy điện nồi hơi, thiết kế và hoạt động của một nhà máy trình bày 100 - 140 MW và cũng thiết kế và vận hành một nhà máy thương mại (Couch, 2009). Sasol gần đây đã bắt đầu thử nghiệm UCG trong một vỉa than bitum non có độ dày 3 m và sâu 160 m. Họ đã không phát hành bất kỳ thông tin liên quan đến hoạt động UCG của họ (trang web Sasol).
Trung Quốc: Nghiên cứu Trung Quốc chủ yếu tập trung vào việc sản xuất khí tổng hợp hydro giàu từ các mỏ than bị bỏ rơi nông (độ sâu < 150 m). Họ theo một cách tiếp cận bằng cách nào đó khác nhau để đạt được nồng độ cao của hydro. Trong phương pháp này, họ chuyển giữa hơi nước và oxy một cách tuần hoàn. Sắp xếp đường giếng hầm dài được thành lập như một kết quả của các thử nghiệm này (Couch, 2009). Nó cho thấy rằng phương pháp này là khả năng sản xuất khí tổng hợp chất lượng cao với một giá trị nhiệt từ 12 - 14 MJ/m3.
Ấn Độ: Trong những năm gần đây, Ấn Độ đã thể hiện một mối quan tâm lớn trong UCG. Khadse et al. (2007) công bố một nghiên cứu khả thi chi tiết của UCG đối với các vỉa than với Ấn Độ và kết luận rằng UCG tại Ấn Độ nên nhắm mục tiêu các loại than thấp thứ hạng ở độ sâu từ 300 - 1200 m. Dựa trên các nghiên cứu trước đây, Gujarat, Rajasthan và Tamil Nadu đã được đề xuất là ứng viên tốt nhất cho các hoạt động UCG.
1.4. Các thí nghiệm liên quan đến UCG
Một số thí nghiệm tiến hành trên những vỉa than giả định, dùng hỗn hợp khí propan mồi lửa, để thấy được sự hình thành các khoang rỗng và hình dáng của nó (Hill và Thorsness, 1982). Đồng thời, thí nghiệm này cũng đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ hơi/oxy lên sản phẩm khí. Một số kết quả của thí nghiệm trên: mặt cắt ngang của khoang rỗng hình oval, tỉ lệ giữa chiều sâu/chiều rộng của khoang rỗng là lớn nhất tại tâm
Hình 1.3. Mặt cắt ngang của khoang trong thí nghiệm LBK (sửa đổi bởi Hill và
Thorsness 1982)
Do sự khác biệt trong quá trình hình thành khoang rỗng ở các thí nghiệm và thử nghiệm nên các kết quả thử nghiệm dựa trên khí hóa có thể khơng được trực tiếp áp dụng cho thử nghiệm UCG. Như vậy, thí nghiệm UCG có liên quan phải được thực hiện trong các kích cỡ khối than khác nhau. Dữ liệu khái quát từ những thí nghiệm này vẫn cần được thực hiện cẩn thận vì tồn bộ q trình có thể khơng được đại diện đúng đắn trong phịng thí nghiệm.
Bảng 1.3: đại diện cho các nghiên cứu trong phịng thí nghiệm trên UCG
Một loạt các thí nghiệm được tiến hành ở Liên minh châu Âu, chủ yếu là Ba Lan, để điều tra UCG trong vỉa than non. Mục tiêu chính của dự án này đang diễn ra là để nghiên cứu tác động của các thơng số khác nhau lên sản phẩm khí hydro. Thí nghiệm đã được tiến hành trong một khối than 2.5* 0,7 * 0,7 m. Ba giai đoạn riêng biệt cho quá trình UCG được quan sát trong tất cả các thí nghiệm: mồi lửa, đốt cháy và khí hóa dùng hơi nước. Theo nghiên cứu của Stańczyk et al. (2010), trong khoảng 1 giờ đầu, quá trình khí hóa diễn ra nhưng sau đó dừng lại vì nhiệt độ giảm nhanh do độ ẩm của than quá cao(53%). Do vậy, thí nghiệm được tiếp tục nhưng lần này bơm oxy vào (Stańczyk et al, 2011) [10] và q trình khí hóa diễn ra liên tục. Do đó, khơng khí giàu oxy được sử dụng và tỷ lệ ơxy / khơng khí tối ưu cho than non đã được đề xuất cho phù hợp. Khi tăng lượng oxy và giữ nhiệt độ khoảng 1100 - 1200oC , rồi cho hơi nước vào, lúc này, nhiệt trị của sản phẩm khí tăng lên khoảng 11,5 MJ/m3. Khí đầu vào (oxy hoặc hơi nước) được thay đổi để bất cứ khi nào nhiệt độ giảm xuống 700 - 800 °C.
Trong các thí nghiệm thực hiện trong IIT Bombay, Ấn Độ, sự phát triển khoang, hình dạng khoang, và thành phần khí sản phẩm liên quan đến điều kiện hoạt động khác nhau đã được nghiên cứu với (Daggubati et al., 2010). Những thí nghiệm này được thực hiện trong một khối than non 30 * 20 * 25 cm. Một lỗ khoan đường kính 3 mm đã được khoan để kết nối các lỗ bơm khí và thu sản phẩm.Trong thí nghiệm, q trình hình thành và hình dạng
cuối cùng của khoang là mối quan tâm lớn. Quá trình mồi lửa được sử dụng LPG 5 phút và khí được chuyển sang oxy tinh khiết để đốt cháy than. Thí nghiệm được tiếp tục trong khoảng 8 giờ với tỷ lệ khí bơm khác nhau. Sau khi kết thúc thí nghiệm, khối than đã được mở ra để nghiên cứu hình dạng khoang.Tương tự như các thử nghiệm thí điểm, khoang rỗng là hình giọt nước, nhỏ dần về phía lỗ thu sản phẩm khí và đối xứng xung quanh các điểm bơm, nhiệt độ trung bình trong khoang khoảng 950 - 1.000oC. Hình dạng khoang là như nhau nhưng lớn hơn trong trường hợp tăng lưu lượng hơi nước/oxy và nhiệt trị cao nhất khí tỷ lệ trên là 2,5.
Prabu và Jaynati (2011) [15] đã nghiên cứu sự hình thành khoang trong khối gỗ, than