Năng lượng trong thế kỹ XXI đang là vấn đề nóng hổi trên tồn cầu. Khi nguồn nhiên liệu dầu và khí đốt dự báo sẽ cạn kiệt trong vòng 50 đến 60 năm tới, dẫn đến giá dầu, khí ngày một tăng cao và do đó nó làm cho nhiều ngành sản xuất phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu này phải lao đao đặc biệt là ở những quốc gia nhập khẩu dầu, khí.
Các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, năng lượng biển… trong những năm gần đây người ta đã nghiên cứu ứng dụng khá nhiều, nhưng hiệu suất của các thiết bị này còn rất thấp, chưa thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng hiện nay.
Trong khi đó nguồn nhiên liệu hố thạch than đá với trữ lượng cịn rất lớn và phân bố rộng khắp trên tồn cầu. Vì vậy, để giải quyết vấn đề năng lượng hiện nay và vài trăm năm tới thì việc sử dụng than đá vẫn là giải pháp có ưu thế nhất.
Nhưng vấn đề là nguồn nhiên liệu này nếu sử dụng theo lối truyền thống thì nó phát thải rất lớn điều này là khơng thể được trong thời đại ngày này.
Trong những năm gần đây, người ta đã ứng dụng nhiều phương pháp đốt và chuyển nhiên liệu than thành các dạng nhiên liệu khác rất có hiệu quả, nó giảm thiểu được nguồn khí thải gây ơ nhiểm mơi trường, như chuyển than đá thành nhiên liệu lỏng, rửa than...và đặc biệt là khí hố than đá. Khí hố than đá là một phương pháp để chuyển than đá thành khí đốt hoặc dùng làm nguyên liệu tổng hợp hóa chất. Phương pháp này đã được ứng dụng nhiều trong những năm gần đây.
Đặc biệt ở Việt Nam với việc phát hiện ra mỏ than dưới lịng Đồng bằng Sơng Hồng (ĐBSH) với trữ lượng rất lớn gần 210 tỉ tấn, vỉa dầy 4-20m, nằm sâu 120-220m, khơng có nước ngầm, sẽ là một nguồn tài nguyên khổng lồ cho ngành năng lượng và các ngành cơng nghiệp khác.Tuy nhiên điều khó khăn ở đây là mỏ than này nằm sâu dưới lịng đất và có cấu
tạo địa chất khơng ổn định, lớp đất đá và vách trụ rất mềm nên không thể khai thác theo phương pháp thơng thường như hầm lị và lộ thiên.
Hình1: Ngun lý khí hóa than ngầm
Người phát minh ra công nghệ UCG (underground coal gasification) được cho là Carl Wilhelm Siemens, 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 Châu Âu, Mỹ và Australia.
UCG cho phép tiếp cận các nguồn tài nguyên than không thể khai thác một cách kinh tế bằng các cơng nghệ khác, ví dụ như các khống sản than q sâu, chất lượng than quá thấp hoặc vỉa than quá mỏng. Đây cũng chính là nguyên nhân khiến cho công nghệ UCG phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Ngày càng nhiều công ty sản xuất năng lượng đầu tư thử nghiệm và phát triển công nghệ này. Nhằm thỏa mãn các nhu cầu về năng lượng, Trung Quốc hiện là một trong quốc gia đi đầu trong việc triển khai thác công nghệ UCG với khoảng trên 30 dự án lớn đang được xây dựng. Ấn Độ cũng đã xây dựng các kế hoạch áp dụng công nghệ UCG trong việc tiếp cận 350 tỷ tấn than khó có thể khai thác. Tại Nam Phi, hai Tập đoàn Sasol và Eskom cũng đã tiến hành xây dựng thử nghiệm các trạm
khí hóa than ngầm nhằm trang bị các cơ sở vật chất và đào tạo chuyên gia, nâng cao kiến thức trong lĩnh vực này.
Tới nay, đã có những nghiên cứu và dự án mang tính trình diễn thử nghiệm được tiến hành tại Mỹ, châu Âu, Nhật Bản, Việt Nam, Ấn Độ, Australia và Trung Quốc trên quy mô thử nghiệm và công nghiệp. Trong bối cảnh phải hạn chế phát thải khí cacbon, cơng nghệ UCG kết hợp với công nghệ thu giữ khí cacbon CCS (carbon capture and storage) hiện đang được xem là một giải pháp sử dụng than hiệu quả, lượng phát thải thấp, đặc biệt là đối với các nhà máy điện sử dụng than. Nga vẫn được các nước khác trên thế giới đánh giá là có nhiều kinh nghiệm, nhiều cơ sở lý thuyết, nhiều tài liệu tham khảo nhất về UCG. Ngoài ra, gần đây Tổng cơng ty Khí cơng nghiệp (Promgaz) của Tập đồn khí đốt quốc gia Nga (GazProm) cũng tham gia phát triển UCG , có tới 7 bằng sáng chế về UCG.
Các giải pháp sử dụng than truyền thống và phi truyền thống, như cơng nghệ UCG, đều đóng một vai trị quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, đáp ứng nhu cầu năng lượng trong xã hội ngày càng tăng. Trong quá trình thử nghiệm cơng nghệ UCG, đã có những phản đối trong dư luận xã hội liên quan đến những hậu quả ô nhiễm nguồn nước ngầm do công nghệ này gây ra và đây cũng là một trong những nguyên nhân khiến cho một dự án áp dụng công nghệ UCG tại Queensland, Australia năm 2010 phải dừng lại. Tuy nhiên, tại hội nghị chuyên đề về UCG tại London đầu năm 2011, nhiều báo cáo đã đề cập đến những giải pháp nhằm hồn thiện cơng nghệ UCG cả về kinh tế lẫn tác động mơi trường, đồng thời kêu gọi chính phủ các nước cũng như các ngành công nghiệp ủng hộ việc áp dụng công nghệ UCG trên phạm vi rộng lớn.
UCG có nhiều ưu thế, cả về tài chính và mơi trường, hơn hẳn so với các phương pháp khai thác than truyền thống hoặc khai thác bằng khí hóa thơng thường (trên mặt đất).
* Lợi ích tài chính: Nguồn vốn và chi phí cho UCG thấp hơn so với phương pháp khai thác truyền thống, giảm chi phí xây dựng nhà máy - Khơng áp dụng cơng nghệ khí hóa trên mặt đất (nên khơng thải CO2 ra môi trường), các phụ phẩm được dẫn vào đường ống trực
tiếp, giảm chi phí xây dựng hạ tầng như đường xá..., chi phí hồn thổ thấp hơn do chất thải rắn được giữ lại trong lòng đất.
* Lợi ích đối với mơi trường: UCG hạn chế giải phóng khí thải ra mơi trường, vì khí hóa trong UCG được thực hiện trong lịng đất, theo đó sẽ giảm thiểu chi phí quản lý mơi trường, vấn đề tro xỉ được giải quyết vì chúng được giữ lại trong lòng đất, tránh được nhiều tác động lên bề mặt như bụi, tiếng ồn và cảnh quan, ít nguy cơ ơ nhiễm nguồn nước trên bề mặt, hạn chế giải phóng khí mêtan - khí tại các vỉa than được thu lại trong quá trình khai thác, nên khơng bị lẫn vào khơng khí như trong các cơng nghệ khai thác thông thường, khu vực khai thác không bị bẩn, không phải đãi than tại khu vực khai thác.
Theo tài liệu nghiên cứu sơ bộ, trữ lượng bể than nâu ở ĐBSH là 210 tỉ tấn (90% nằm ở địa phận tỉnh Thái Bình), tầng than từ khoảng -150 (sâu 150m so với mặt đất) xuống - 2.000m. Trong khi đó, khu vực Miền võng Hà Nội (thuộc các tỉnh Hưng Yên, Hà Nội, Hà Nam, Thái Bình, Nam Định, Hải Dương, Thanh Hóa, Hải Phịng) trong đó có bể than ĐBSH đã được Tập đoàn Petrovietnam (PV) chia thành 3 phân khu để ký các hợp đồng phân chia sản phẩm: KT1, KT2, và KT3. Cả 3 phân khu này đã bao trùm hết tồn bộ diện tích của bể than ĐBSH. Trong đó, khoảng 50% diện tích của bể than ĐBSH nằm trong KT1 và gần 50% nằm trong KT2. Khu vực này được các chun gia về dầu khí nước ngồi đánh giá có tiềm năng ít nhất khoảng 43 tỷ m3 khí.
2. Đối tượng và pham vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt, truyền chất trong q trình khí hóa than ngầm. - Cải Thiện mơ hình khí hóa than ngầm.
- Tiến hành thu thập số liệu thực tế trên mơ hình thực nghiệm.
- Xây dựng q trình mơ phỏng UCG trên phần mềm ComSol, dự đoán thành phần và chất lượng khí thu được.
3. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn của đề tài:
Hiện tại, ở Việt Nam ứng dụng khí hóa than cịn rất hạn chế, trong khi chúng ta có nguồn than rất dồi dào, trữ lượng lớn. Ngồi ra, q trình sử dụng than tại các cơ sở trong nước chủ yếu là theo kiểu truyền thống nên ảnh hưởng rất nhiều đến mơi trường nói chung và hiệu suất sử dụng năng lượng nói riêng. Đề tài Nghiên cứu mơ phỏng và thực nghiệm q trình khí hố than ngầm sẽ mở ra một hướng đi cho q trình khai thác than trong lịng đất tại ĐBSH, nơi mà các vỉa than tập trung tại các nơi có cấu tạo địa chất khơng ổn định, lớp đất đá và vách trụ rất mềm, quá sâu, chất lượng than quá thấp hoặc vỉa than quá mỏng, trên cơ sở các số liệu nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mơ hình khí hóa cụ thể.
Dưới đây là mơ hình UCG mà các q trình nghiên cứu sử dụng:
Hình3: Phương pháp CRIP (Controlled Retraction Injection Point)
Tại Việt Nam, hiện nay vẫn chưa có tổ chức hay cá nhân nào thực sự nghiên cứu về UCG tại ĐBSH. Những dự thảo của SHE vẫn chưa thực hiện được vì cịn phụ thuộc quá nhiều vào các chuyên gia nước ngồi và chưa nắm bắt được cơng nghệ.
Chính vì vậy, đề tài này mở ra một hướng đi cho quá trình khai thác than trong lòng đất tại ĐBSH, nơi mà các vỉa than tập trung tại các nơi có cấu tạo địa chất khơng ổn định, lớp đất đá và vách trụ rất mềm, quá sâu, chất lượng than quá thấp hoặc vỉa than quá mỏng. Đồng thời, tác giả sẽ đưa ra mơ hình UCG, phục vụ quá trình nghiên cứu, phần mềm dự đoán thành phần sản phẩm thu được.
4. Mục tiêu nghiên cứu:
Mơ phỏng được q trình truyền nhiệt và truyền chất của q trình khí hố than ngầm bằng phần mềm Comsol multyphysis.
Nghiên cứu trên mơ hình thực nghiệm, thu thập giá trị thực tế và xác định chế độ tối ưu cho q trình khí hóa ngầm.
Xác định thành phần sản phẩm khí, là hỗn hợp các khí đốt cơng nghiệp gồm CO, H2, CH4...
Kiểm nghiệm quá trình trên phần mềm mơ phỏng.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu:
Hiện tại, ở Việt Nam ứng dụng khí hóa than cịn rất hạn chế, trong khi chúng ta có nguồn than rất dồi dào, trữ lượng lớn, đặc biệt tại ĐBSH. Ngồi ra, q trình sử dụng than tại các cơ sở trong nước chủ yếu là theo kiểu truyền thống nên ảnh hưởng rất nhiều đến mơi trường nói chung và hiệu suất sử dụng năng lượng nói riêng. Đề tài ‘Nghiên cứu mơ phỏng
và thực nghiệm q trình khí hố than ngầm ’sẽ đưa ra giải pháp nhằm đánh giá cụ thể
việc khí hóa than ngầm tại ĐBSH trên cơ sở các số liệu nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mơ hình khí hóa cụ thể.
Tính tốn lí thuyết than sử dụng làm thực nghiệm
Mơ phỏng q trình khí hố than ngầm trên phần mềm Comsol Multiphysics. Thực nghiệm q trình khí hố than ngầm trên mơ hình thực nghiệm.
Đánh giá, phân tích kết quả thu được của các q trình mơ phỏng và thực nghiệm.
6. Giới hạn nghiên cứu: +) Trong thực nghiệm: +) Trong thực nghiệm:
- Thiết bị khí hóa cịn lạc hậu, thiếu các thiết bị an tồn, và khó kiểm sốt lượng khí thốt ra.
- Chưa có hệ thống thu khí, và khử khí lên ảnh hưởng các khí độc hại đến mơi
trường.
- Kích thước than sử dụng chưa đúng với thực tế +) Trong mô phỏng:
- hạn chế thiết lập các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình mơ phỏng - chưa đáp ứng được phần cứng máy tính tối đa để chạy mơ phỏng.
7. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lí thuyết:
Xây dựng q trình mơ phỏng khí hố than ngầm. - Nghiên cứu thực nghiệm:
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm và tiến hành khí hố xác định thành phần khí hóa từ các sản phẩm khí thu được.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình năng lượng tại Việt Nam: 1.1 Tình hình năng lượng tại Việt Nam:
Trước đây, khi các loại nhiên liệu nhập ngoại (xăng, dầu…) có giá cịn thấp thì phần nhiều chúng ta sử dụng các loại nhiên liệu nhập ngoại đó. Hiện nay, với việc tăng giá nhiên liệu dầu trên thế giới, sức ép về chi phí nhiên liệu của các cơ sở sản xuất đang tăng mạnh và các cơ sở sản xuất đang có xu hướng thay thế các nhiên liệu nhập ngoại bằng các nguồn nhiên liệu sẳn có trong nước và nhất là các nhiên liệu rẻ tiền.
Một trong những nguồn nhiên liệu sẵn có đó thì than đá đang được xem là nguồn nhiên liệu mang tính chiến lược của quốc gia. Bảng dưới đây sẽ cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về chi phí than đá so với các loại nhiên liệu khác.
* Tóm lại nếu sử dụng một cách hiệu quả các loại nhiên liệu hố thạch trong nước thì giảm được rất nhiều chi phí cho các cơ sở sản xuất.
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