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 q 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
- Khơng 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 toàn 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 khô. 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 quá 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.
Khí than khơ có nhiều nhược điểm, chủ yếu là khả năng sinh nhiệt thấp, tổng hàm lượng CO, H2 thấp. Tổn thất nhiệt trong quá trình sản xuất cao do nhiệt độ của sản phẩm khí ra khỏi lị khá cao (8000C ÷ 900 0C), hiệu suất khí thấp. Trong lị khí hóa, nhiệt độ ở khu vực cháy rất cao nên vật liệu lót lị chóng bị hư hỏng, phải sửa chữa thường xuyên và phải sử dụng vật liệu đắt tiền. Tuy vậy cũng có một số ưu điểm. Do nhiệt độ lị rất cao nên cho phép tháo xỉ lỏng và do đó có thể dùng những loại nhiên liệu nhiều tro, nhất là tro có nhiệt độ chảy mềm thấp, để khí hóa. Có thể cho vào than các vật liệu có khả năng làm giảm nhiệt độ chảy lỏng của tro (như CaO).
Do nhiệt độ trong lị cao nên có cường độ khí hóa cao và vấn đề về tách tro, xỉ không bị hạn chế như ở các phương pháp khác.
Do thành phần khí than khơ có hàm lượng CO và H2 thấp, nên giá trị sử dụng và giá trị kinh tế thấp. Trong trường hợp khí có hàm lượng H2 thấp và CO cao hơn thì có thể ứng dụng để tổng hợp hóa học.
B. Khí than ướt dùng hơi nước
Khí than ướt là sản phẩm nhận được của q trình khí hóa than nếu tác nhân khí hóa là hơi nước. Trong vùng ơxy hóa sẽ tiến hành các phản ứng sau:
C + H2O = CO + H2 - 125788 kJ/mol (5)
C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 84594 kJ/mol (6)
CO + H2O = CO2 + H2 + 41235 kJ/mol (7)
C + CO2 = 2CO - 167023 kJ/mol (8)
Phản ứng phân hủy hơi nước kèm theo thu nhiệt, cho nên nhiệt độ càng cao thì phản ứng phân hủy hơi nước càng mảnh liệt và chủ yếu là theo phản ứng (5). Sự phân hủy này
40
cịn phụ thuộc vào hoạt tính của nhiên liệu. Khí CO2 thu được ở các phản ứng (6) và (7) sẽ tác dụng với than cốc nung đỏ ở vùng khử nằm phía trên vùng khí hóa để tạo thành khí CO.
Do phản ứng khí hóa bằng hơi nước là phản ứng thu nhiệt mạnh nên hơi nước đưa vào lị cần phải có nhiệt độ cao.
Khí than ướt chủ yếu để tổng hợp hóa học. Vì là ngun liệu có nhiều H2 nên khí than ướt được dùng để tổng hợp NH3, hoặc làm nhiên liệu. Để tiến hành tổng hợp NH3 phải loại bỏ CO theo phương pháp dùng nước hấp thu ở 20 atm.
Ngồi ra khí than ướt cũng là loại nhiên liệu khí cao cấp.Nhược điểm của phương pháp là làm việc gián đoạn là hiệu suất thấp (η = 50 ÷60%), nhiệt độ và thành phần khí thay đổi theo thời gian, dễ gây hỗn hợp nổ trong lòvà đường ống.
Ở nước ta sản phẩm khí than ướt được dùng để sản xuất phân bón tại Cơng ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc
C. Khí than ướt dùng hơi nước và oxy
Đó là phương pháp sản xuất mà gió là hỗn hợp của oxy và hơi nước. Sở dĩ trong công nghiệp đi đến phương pháp sản xuất này vì hai lý do:
- Nhiệt cháy của sản phẩm khí lẫn (chứa nhiều nitơ khi dùng khơng khí để khí hóa) khơng cao 1200 ÷ 1400 kcal/m3 và không đáp ứng được trong một số trường hợp cần nhiệt độ cao. Nếu dùng khí lẫn để đốt trong sinh hoạt thì khơng đạt u cầu kinh tế vì phải vận chuyển một lượng lớn nitơ theo đường ống. Trong trường hợp này dùng khí than ướt thì thể tích khí giảm đi nhiều.
- Nếu khí sản phẩm để tổng hợp hóa học mà khơng cần dùng nitơ thì khơng nên dùng khí lẫn vì việc loại bỏ nitơ ra khỏi hỗn hợp khí là một vấn đề rất khó khăn.
Các phản ứng chủ yếu xảy ra trong q trình khí hóa với gió gồm hơi nước và oxy là: C + O2 = CO2 + 399499 kJ/mol
41
C + H2O = CO + H2 - 125788 kJ/mol Lượng oxy cần là 0,1 m3 O2 /kg C hoặc 0,38 kg O2/kg C
2.2.2. Quá trình truyền nhiệt- truyền chất
A. Phương trình bảo tồn thành phần các chất pha khí
Các q trình cháy và khí hóa dưới lịng đất trong các lớp than, rất phức tạp về mặt vật lý và các phản ứng hóa học với các quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa các pha rắn- khí. Để dễ dàng trong q trình tính tốn, ta có các điều kiện sau:
1. Kênh khí hóa làm việc ổn định, các thơng số vật lý, nhiệt động như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số trao đổi nhiệt không thay đổi theo thời gian.
2. Bỏ qua quá trình khuếch tán nhiệt và áp suất. 3. Bỏ qua trở nhiệt và lực liên kết.
4. Bỏ qua sự thay đổi khối lượng của dịng khí trong phản ứng hóa học vùng oxy hóa. 5. Lớp than trong khoang khí hóa là liên tục.