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 thông 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, q 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
32
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 đá, và long não và so sánh kết quả.Trong tất cả các trường hợp, hình dạng khoang rỗng được hình thành với một hình dạng ở lưu lượng thấp hơn.Một trong những thách thức lớn cho ứng dụng của UCG trong các vỉa than dốc là nhiệt trị thấp của khí được sản xuất. Yang và các cộng sự. (2003) đã nghiên cứu UCG trong một 6,8 m * 0,25 m * 1,1 m khối than với một góc nghiêng 65° với oxy tinh khiết hoặc hỗn hợp khí oxy và hơi nước. Trong trường hợp của hỗn hợp oxy / hơi nước, tốc độ dòng chảy của khí sản xuất giảm sau 41 giờ. Hongato et al. (2011) đã nghiên cứu khí hóa hai giai đoạn trong khối than non và nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ oxy trong giai đoạn q trình oxy hóa của q trình.Họ đã kết luận rằng nồng độ cao hơn của oxy trong giai đoạn đầu vào sẽ rút ngắn q trình oxy hóa và kéo dài thời gian của giai đoạn thứ hai.
Từ những bài báo và nghiên cứu trên, ta thấy, trên thế giới hiện đã có rất nhiều nghiên cứu về UCG, nhưng tại Việt Nam thì rất hạn chế.
1.5. Một số cơng nghệ khí hóa khí than được áp dụng trên thế giới hiện nay
Gần 20 năm nay, nghiên cứu khí hóa than của thế giới đã đạt được những thành tựu đáng chú ý và đã đưa ra được một số cơng nghệ khí hóa than có hiệu quả như:
1.5.1. Khí hóa than ở áp suất khí quyển (ACG)
Đây là cơng nghệ được sử dụng trong đa số các nhà máy khí hóa than cũ, cỡ nhỏ của Trung Quốc từ những năm 1950. Thiết bị khí hóa sử dụng than cục có kích thước 25 ÷ 27
33
mm và độ bền nhiệt tốt, như antraxit hay cốc, để đảm bảo lượng hyđrocacbon thấp trong khí than. Thiết bị hoạt động ở áp suất khí quyển và than được khí hóa bằng khơng khí và hơi nước trong tầng cố định. Nhiệt sinh ra từ phản ứng tỏa nhiệt giữa than và khơng khí được lưu giữ trong tầng phản ứng để cung cấp nhiệt cho phản ứng giữa than và hơi nước, đó là giai đoạn mấu chốt trong q trình khí hóa.
Khí hóa than đá ở áp suất khí quyển là một q trình ổn định và sử dụng khơng khí ở áp suất khí quyển, khơng cần cơng đoạn tách khí, trang thiết bị tương đối rẻ - rẻ hơn khoảng 30% so với những cơng nghệ khác (tính theo tấn sản phẩm). Tuy nhiên, tiêu hao năng lượng cao, khoảng 57 kJ/tấn amoniac và quá trình cũng thải ra nhiều cacbon monoxit và hyđro sunfua, nên cần công đoạn xử lý khí đi. Cơng nghệ này khơng thích hợp với các dây chuyền công suất lớn.
1.5.2. Công nghệ Koppers Totzek
Đây là công nghệ được sử dụng trong những nhà máy ở Nam Phi, Ấn Độ và Trung Quốc. Trong thiết bị khí hóa, than được nghiền thành hạt mịn và cấp cho lò đốt.
Oxy được dẫn vào trực tiếp từ phía trước của thiết bị khí hóa và cùng với lượng nhỏ hơi nước, hỗn hợp đi vào vùng phản ứng qua miệng của lò đốt với tốc độ cao. Nhiệt độ ở giữa ngọn lửa có thể đạt 200 0C. Khí tổng hợp đi ra qua đỉnh của thiết bị sinh khí ở nhiệt độ 150 ÷ 160 0C và qua nồi hơi được đốt nóng bằng nhiệt thải. Phần lớn tro thải ra khỏi thiết bị phản ứng ở dạng lỏng và được hóa rắn thành hạt nhờ làm nguội nhanh bằng nước.
1.5.3. Cơng nghệ của Shell
Quy trình khí hóa than theo công nghệ của Shell hiện nay chưa được sử dụng trong nhà máy amoniăc nào, nhưng là một cơng nghệ khí hóa than hiện đại và điển hình. Quy trình này đang được dùng ở Hà Lan trong tổ hợp khí hóa than và phát điện 250 MW.
Trung Quốc cũng đang xây dựng một số nhà máy sản xuất phân đạm urê ở Hồ Nam, Hồ Bắc, An Huy..., trong đó phần khí hóa than sẽ áp dụng cơng nghệ của Shell với cơng suất khí hóa 1000 ÷ 2000 tấn than/ngày và đi vào hoạt động từ năm 2005.
34
1.5.4. Công nghệ Texaco
Công nghệ này đạt thành cơng lớn ở Trung Quốc thay thế cho quy trình khí hóa than ở áp suất khí quyển, và trong một số trường hợp thay thế cho cả quy trình đốt napta.
Hãng Lurgi đưa ra một số cơng nghệ khí hóa, trong đó thiết bị khí hóa với tầng cố định, đáy khô của Lurgi hiện được sử dụng nhiều nhất. Q trình khí hóa được thực hiện bằng hơi nước và oxy. Than di chuyển xuống phía dưới rất chậm, cịn tro được tháo ra qua đáy. Nhiệt độ khí hóa tương đối thấp so với các q trình khác. Trong khí thu được có những tạp chất như phenol và hyđrocacbon. Hàm lượng metan trong khí có thể lên đến khoảng 10%. Chính vì thế khí khơng đủ sạch.
35
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nguyên lý và Đặc điểm Quá trình khí hóa than a. khí hố than trong lị khí hố
Khí hóa than trong lị khí hố là phương pháp tồn diện và sạch nhất để chuyển hóa than, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có với trữ lượng khổng lồ ở nhiều nơi trên thế giới, hoặc các vật liệu có chứa cacbon (kể cả sinh khối, rác thải sinh hoạt và phế thải công nghiệp) thành các nguyên liệu hoá chất quan trọng như CO, H2, và các dạng năng lượng như nhiệt năng, điện năng.
Khác với việc đốt than trực tiếp, cơng nghệ khí hóa chuyển hóa than - thực tế là nguyên liệu cacbon - thành các thành phần hoá chất cơ bản. Trong thiết bị khí hóa hiện đại, than được tiếp xúc với khơng khí (hoặc oxy) và hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao được kiểm soát chặt chẽ. Trong những điều kiện đó, các phân tử cacbon trong than sẽ tham gia các phản ứng hoá học tạo ra hỗn hợp CO, H2 và các khí thành phần khác.
Hydro và các loại khí khác có trong khí than có thể được sử dụng làm ngun liệu để sản xuất nhiều sản phẩm hoá chất quan trọng như amoniăc, phân urê, các sản phẩm hữu cơ,... hoặc dùng làm nhiên liệu cho các tuabin phát điện. Khí hóa than cũng là phương pháp tốt nhất để sản xuất nhiên liệu hydro sạch cho xe ôtô của tương lai và cho pin nhiên liệu dùng để phát điện.
Cơng nghệ khí hóa than cịn mang lại ích lợi lớn về mặt môi trường trong việc sử dụng than, nhờ khả năng làm sạch đến 99% các tạp chất gây ô nhiễm trong khí than. Ví dụ, lưu huỳnh trong than có thể được chuyển thành dạng H2S và được thu giữ hoặc chuyển hóa thành lưu huỳnh thương phẩm. Tương tự, nitơ có trong khí than sẽ được chuyển hóa thành amoniăc và chất này có thể được dùng để sản xuất phân bón hoặc các hố chất khác.
Khi sản xuất khí than trong các lị khí hố, người ta phải cân nhắc hai yếu tố: - Thể loại và chất lượng than sử dụng làm ngun liệu khí hóa.
- Mục tiêu sử dụng các sản phẩm khí thu được.
Mỗi loại than có thể sử dụng làm ngun liệu cho nhiều phương pháp khí hóa than khác nhau. Tùy thuộc kích cỡ của than đưa vào lị khí hóa mà có thể áp dụng một trong ba kiểu cơng nghệ khí hóa phổ biến hiện nay là: khí hóa than tầng cố định; khí hóa than tầng sơi và khí hóa than dịng cuốn.
- Than cục to, đường kính 10 - 100mm: thích hợp kiểu cơng nghệ khí hóa than tầng cố định.
36
- Than cục nhỏ, đường kính 0 - 10mm: thích hợp cơng nghệ khí hóa than tầng sơi. - Than cám, đường kính 0 - 2mm: thích hợp cơng nghệ khí hóa than dịng cuốn (khơ và ướt).
Cả ba cơng nghệ khí hóa than nói trên đều có thể cho ra các sản phẩm khí, đó là: khí than khơ; khí hỗn hợp; khí than ướt; khí than giàu oxy, v.v... Ngược lại, một phương pháp khí hóa nhất định cũng có thể khí hóa được nhiều loại than khác nhau, ví dụ phương pháp khí hóa tầng cố định có thể dùng các loại nhiên liệu khác nhau như than gỗ, gỗ, than nâu, than antraxit, v.v...
b. Khí hố than ngầm
Cơng nghệ khí hóa than ngầm (UCG) đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm, áp dụng để khai thác các khoáng sản 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 thực tế cơng nghệ khí hóa than sẽ cho phép nâng tổng trữ lượng than của thế giới 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.
Hình 2.1. Ngun lí khí hố than ngầm
Khí hóa than ngầm (UCG) là một loại hình khí hóa than tại chỗ, trong các vỉa than nằm sâu dưới bề mặt đất. Qua các lỗ khoan, khơng khí, oxy hoặc hơi nước được bơm vào trong vỉa than, đốt cháy và cung cấp nhiên liệu cho quá trình cháy ngầm. Một giếng riêng biệt được sử dụng để đưa sản phẩm khí tạo ra trong quá trình đốt lên mặt đất. 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…
37
- Không sử dụng lao động chịu độc hại và nặng nhọc của cơng nhân trong lịng đất. - Giảm các cơng đoạn phức tạp, có chi phí lớn, gây ơ nhiễm mơi trường.
- Cơng nghệ UCG cịn cho phép tự động hoá ở mức độ cao.
- Sản phẩm có thể vận chuyển đi xa cung cấp cho các hộ tiêu thụ một cách đơn giản bằng đường ống.
Vì vậy, cơng nghệ khí hóa than ngầm UCG có tầm quan trọng đặc biệt đối với việc phát triển tồn bộ cơng nghệ khai thác than ở Việt Nam. Nếu áp dụng thành công UCG tại dự án thử nghiệm Khối Châu I, có thể đưa vào cân đối khoảng 20-30 tỷ tấn trữ lượng than, tăng 5-6 lần so với trữ lượng hiện có. Khí hóa than ngầm UCG là một công nghệ năng lượng sạch tiềm năng, thân thiện với môi trường, 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.
Tuy nhiên, việc ứng dụng cơng nghệ khí hố than ngầm tại Việt Nam cịn gặp nhiều khó khăn kể cả trong sản xuất khai thác và nghiên cứu:
- Nghiên cứu, lựa chọn các khống sàng than để khí hóa - Dự báo các dịch động bề mặt đất trong quá trình UCG
- Nghiên cứu về địa chất thủy văn và các nguy cơ ảnh hưởng ô nhiễm đến nguồn nước ngầm
- Thiết kế các lỗ khoan khí hóa và cơng nghệ khoan khí hóa
- Nghiên cứu về các q trình lý hóa của UCG, dự báo thành phần và chất lượng khí thương phẩm
- Lựa chọn thiết bị công nghệ của UCG - Các vấn đề về sinh thái và kinh tế của UCG
- Trợ giúp kỹ thuật trong triển khai thực tế trên hiện trường - Phân tích đánh giá kết quả UCG
2.2. Cơ sở lý thuyết
Khí hóa than là q trình dùng Oxi (hoặc khơng khí, hơi nước hoặc Hydro) phản ứng với than ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng nhiên liệu khí. Nhiên liệu này được gọi chung là khí than với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4... dùng làm nhiên liệu khí dân dụng, trong cơng nghiệp hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp NH3, tổng hợp CH3OH....
38
2.2.1 Các loại khí than
A. Khí than khơ
Khí than khơ là khí than nhận được khi tác nhân khí hóa là khơng khí. Tại vùng khí hóa sẽ xảy ra các 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) và (2) tiến hành đến tận cùng, còn phản ứng (3) và (4) tiến hành thuận nghịch. Đa số những phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, nên nhiệt độ trong vùng khí hóa sẽ tăng, kết quả làm cho các mẫu than mềm ra và nóng chảy thành những cục xỉ lớn. Vì vậy, việc phân bố khơng khí theo tồn bộ lớp nhiên liệu bị phá vỡ làm q trình khí hóa trở nên xấu đi. Ở phía dưới vùng khí hóa trong phạm vi oxy hóa, nồng độ oxi hóa cao hơn, nên tiến hành các phản ứng oxi hóa hồn tồn và một phần oxi hóa khơng hồn tồn. Khí CO tạo thành gặp oxy tự do sẽ chuyển hóa thành CO2. Đến vùng khử, CO2 tác dụng với than cốc nung đỏ để tạo thành khí CO. Khí CO là thành phần chính của khí than khơ. Nếu khả năng phản ứng của than cốc càng cao thì sự phân hủy CO2 càng mạnh và khí càng giàu CO.
Kết luận:
Khí CO là thành phần chính của khí than khơ. Nếu khả năng phản ứng của than cốc càng cao thì sự phân hủy CO2 càng mạnh và khí càng giàu CO, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ vùng khử hạ thấp xuống dưới 1000oC.
Đặc trưng lớn nhất của q trình sản xuất khí than khơ là nhiệt độ trong các khu vực đều cao, đặc biệt là trong khu vực cháy nhiệt độ có thể lên đến 1000 ÷ 1700 0C.
39
Trong điều kiện như vậy tro xỉ đều bị chảy lỏng, các lớp lót trong lị bị ăn mịn rất mạnh vì xỉ lỏng nóng tác dụng rất mạnh với các vật liệu chịu lửa. Do vậy, vật liệu lót lị thường phải là các loại cao cấp, như gạch chịu lửa manhêzit. Tháo xỉ ở dạng lỏng.