5.1. Cơ sở của công nghệ khí hóa than ngầm
5.1.4. Kênh phản ứng và khu vực khí hoá
Vấn ủề phức tạp trong lĩnh vực khớ hoỏ là cỏc nguồn nhiệt hoỏ học làm biến ủổi nhiờn liệu cứng thành dạng khớ, trong ủú sự chỏy và sự khớ hoỏ than ủựoc hiểu là một quỏ trỡnh biến ủổi hoỏ học.
Quỏ trỡnh khớ hoỏ than (trờn bề mặt hay trong kờnh phản ứng) ủược chia làm hai giai ủoạn. Giai ủoạn một là giai ủoạn phõn huỷ dạng nhiệt, qua ủú từ than giải phúng hơi nước và cỏc loại khớ ga và ủể lại than dạng cốc, với hàm lượng cỏcbon cao. Giai ủoạn hai là giai ủoạn khớ hoỏ, than dạng cốc dưới sự trợ giỳp của ụxy tự do và cỏc liờn kết
ụxy biến ủổi thành khớ núng, khớ này ủồng thời cũng tỏc dụng cựng hơi nước, ủõy là giai ủoạn quan trọng nhất, xỏc ủịnh chất lượng, thành phần của khớ thu hồi.
Theo lý thuyết, nhiệt năng của khí thu hồi không thể vượt quá 4,4 MJ/m3 khi sử dụng khớ ủầu vào là khụng khớ tự nhiờn; nhưng nếu trong quỏ trỡnh phản ứng cú sự tham gia của hơi nước, nhiệt năng của khớ sản phẩm cú thể ủạt tới 4,6 – 5,0 MJ/m3; nếu khớ thổi vào chứa trờn 65% oxy, nhiệt năng của khớ sản phẩm cú thể ủạt 6,3 – 6,7 MJ/m3. Tỷ lệ CO/CO2 trong khớ sản phẩm phụ thuộc vào cỏc ủiều kiện ủộng lực và thuỷ ủộng lực của sự cháy carbon, và có giá trị hiện thực không chỉ với quá trình tạo khí, mà còn với cường ủộ sử dụng oxy, và khoảng cỏch vựng phõn bố oxy.
5.1.5. Quy luật của khu vực toả nhiệt và khu vực thu nhiệt
Theo hình thức và trình tự diễn ra của các phản ứng dọc theo kênh phản ứng, có thể chia kờnh phản ứng thành hai phần. Ở phần ủầu, trong thành phần của luồng khớ lưu vẫn chứa một tỷ lệ nào ủú khớ ụxy (vào khoảng 1%) do ủú tại ủõy xảy ra cỏc phản ứng toả nhiệt – ủược gọi là khu vực toả nhiệt; ở phần thứ hai của kờnh phản ứng xảy ra chủ yếu là cỏc phản ứng thu nhiệt – ủược gọi là khu vực thu nhiệt.
Cỏc phản ứng phức hợp và ủồng nhất trong khu vực toả nhiệt giải phúng nhiệt năng và làm tăng nhiệt ủộ dũng khớ. Nhiệt lượng cú trong dũng khớ sau ủú cung cấp ủiều kiện cho cỏc phản ứng thu nhiệt xảy ra, và do ủú cú ảnh hưởng căn bản ủến thành phần khí sản phẩm.
Hỡnh 5.5. Sơ ủồ cỏc khu vực phản ứng trong kờnh phản ứng.
Như vậy, khoảng cách cần thiết tối thiểu giữa hai lỗ khoan (thổi khí và thu hồi khí) phụ thuộc căn bản bởi chiều dài khu vực toả nhiệt và nhiệt ủộ khớ khi ra khỏi khu vực.
Cỏc yếu tố này cũng ảnh hưởng trực tiếp ủến mức ủộ biến ủổi của phản ứng và tỷ lệ của cỏc thành phần khớ ủốt (CO, H2, CH4).
Phõn tớch quy luật của khu vực toả nhiệt trong kờnh phản ứng ủũi hỏi khỏ nhiều cụng sức. Trong phần lớn cỏc trường hợp, tại ủõy xảy ra cỏc phản ứng dưới dạng phức hợp. Tính toán chiều dài khu vực toả nhiệt bằng mô hình thường cho kết quả dài hơn thực tế, thường gấp hàng trăm lần ủường kớnh kờnh phản ứng. Những tớnh toỏn chớnh xác hoá mô hình dẫn tới việc rút ngắn chiều dài khu vực toả nhiệt, mặt khác tính chất của ủường cong suy giảm lượng ụxy cũng cú sự khỏc biệt với thực tế.
Nghiờn cứu cũng ủó cho thấy, trong thực tế, ụxy sẽ bị ủốt chỏy hết trong khoảng cách 10 – 15m. Cho nên khoảng cách giữa hai lỗ khoan của một hệ thống khí hoá có thể chỉ là 20 – 25m.
ðối với vấn ủề khớ hoỏ than dưới lũng ủất, mục tiờu ủú là từ cụng suất cho trước của hệ thống khí hoá, chất lượng vỉa than và thành phần khí thổi vào kênh phản ứng, xác ủịnh thành phần khớ sản phẩm, nhiệt năng của chỳng, và ủồng thời xỏc ủịnh số lượng lỗ khoan (thổi và hỳt khớ) cần thiết, lượng khớ thổi vào, lượng than sẽ ủốt chỏy.
Nhiệt năng chỏy của khớ ủốt sẽ giảm khi bề dày của vỉa than giảm. Ngoài ra cỏc mạch nước ngầm cũng ảnh hưởng xấu ủến kết quả của cụng nghệ khớ hoỏ than dưới lũng ủất. Tại tại hệ thống khớ húa ủầu tiờn nhiệt lượng nhận ủược khi ủốt khớ là 4,6 MJ/m3. Càng sõu xuống thỡ càng nhiều nước ngầm nờn nhiệt năng cũng theo ủú giảm ủi.
Khụng khớ ủược thổi vào ở một ủầu của kờnh phản ứng, ủốt chỏy carbon và cỏc thành phần chất bốc của than, tạo nên sản phẩm cháy, tức CO2 và hơi nước (H2O) mà sau ủú chỳng tiếp tục phản ứng với carbon của phần than bị cốc húa, chuyển húa thành cỏc thành phần khớ chỏy(CO, H2, CH4). Khớ sản phẩm sẽ ủi ra ở ủầu kia của kờnh phản ứng và ủược ủưa lờn mặt ủất bằng cỏc lỗ khoan (xem hỡnh 5.5).
Ở những nơi cú ủiều kiện ủịa chất thuỷ văn tương ủối phức tạp (ỏp suất thuỷ tĩnh của tầng nước ngầm trên vỉa lớn hơn 10m, áp suất của tầng nước ngầm dưới vỉa lớn hơn 20m) người ta ủó thực hiện 6 hệ thống khớ húa. Trong ủiều kiện phức tạp ủú, người ta ủó
giảm áp lực nước ngầm tại các tầng chứa nước gần vỉa than bằng cách sử dụng các lỗ khoan tháo nước chuyên dụng.
Thành phần và nhiệt lượng của khí thu hồi phụ thuộc vào thành phần của luồng khớ lưu thổi vào kờnh phản ứng và chất lượng than, ủồng thời phụ thuộc vào ủiều kiện ủịa chất và thế nằm của vỉa than.
Hình 5.6. ðường cong sự suy giảm khí ôxy trong kênh phản ứng (C02 – 21%; d = 0,8m; Re = 105): 1 – 5 ;2 – 8 ; 3 – 7 .
Nhiệt năng của khớ thu nhận ủược cú thể ủạt tới 4,6 ủến 5 MJ/m3. Trong trường hợp sử dụng luồng khớ lưu ủầu vào chứa trờn 65% O2, nhiệt năng của khớ sản phẩm ủạt 6,7MJ/m3, cũn sử dụng khớ ụxy tinh khiết (98% O2), nhiệt năng ủạt tới 10 – 11 MJ/m3.
ða số hệ thống khớ hoỏ ủều ủược ủặt ở những vị trớ ủịa chất thuỷ văn thuận lợi:
hoặc vỉa than không chứa nước, hoặc có lớp cát bao quanh.
Một vài hệ thống ủược ủặt tại khu vực cú ủiều kiện ủịa chất thuỷ văn khỏ phức tạp (áp lực thuỷ tĩnh của nước ngầm tìm thấy ở phía trên vỉa than hơn 10 m, áp lực nước tại vỉa hơn 20m). Trong ủiều kiện ủú người ta ủó thỏo khụ nước tại tầng chứa nước phớa dưới vỉa than qua cỏc lỗ khoan rỳt nước ủặc biệt.
ðể tạo ra phản ứng húa khớ trong cỏc kờnh, dựng cỏch sau: mũi khoan ủiểm hoả lọc; ngăn cỏch vỉa than với nước và khụng khớ; ủiểm hoả tại cỏc kờnh (lũ) xuyờn vỉa.
* Khớ hoỏ dưới lũng ủất mang những ủặc ủiểm sau:
- Khụng cú sự dịch chuyển của chất ủốt; sự chỏy của than xảy ra theo sự chuyển ủổi vựng chỏy(từ dưới lờn), cựng với nú là sự chuyển ủổi của cỏc khu vực khớ hoỏ (khu vực phản ứng trùng lặp, khu vực chưng khô, khu vực di chuyển của khí). Trong quá trỡnh chỏy của vỉa than, dưới tỏc dụng của ỏp lực ủất ủỏ bao quanh, tại khu vực ủất ủỏ vách sẽ xảy ra dịch chuyển, sạt lở, tạo khoảng trống về phía gương lò. Vì vậy, kích cỡ và cấu trỳc của kờnh phản ứng luụn luụn ủược ủảm bảo.
- Không có các vách ngăn khí, vì thế trong quá trình cháy có sự tham gia của cả hơi nước ủược giải phúng từ than, hơi nước từ ủất ủỏ bao quanh và nước ngầm.
- Kờnh phản ứng tiếp xỳc trực tiếp với vỉa than, nhờ ủú tạo ủiều kiện cho quỏ trỡnh nhiệt phân rã than xảy ra.
+ Ưu ủiểm:
- Ưu ủiểm của khớ hoỏ than dưới lũng ủất cú rất nhiều ủú là: khụng cần ủến lao ủộng nặng nhọc ủộc hại của thợ lũ; cắt giảm nhiều cụng ủoạn phức tạp chi phớ lớn, gõy ô nhiễm cho môi trường(như vận tải, bốc rót, nghiền than); về mặt môi trường, khí hoá than ngầm dưới lũng ủất cũn ưu việt hơn phương phỏp khai thỏc than bằng cụng nghệ lộ thiờn do khụng cú bói thải, khụng làm biến ủổi mụi trường ủất; ngoài ra, khớ hoỏ cũn cho phộp tự ủộng hoỏ ở mức cao.
- Cho phộp khai thỏc cỏc vỉa than nằm sõu, chiều dầy nhỏ làm tăng ủỏng kể trữ lượng khả khai của than trong tổng tiềm năng ủược ủỏnh giỏ. Vớ dụ, ðức cú tổng tiềm năng than ủược ủỏnh giỏ tới 230 tỷ tấn, trong khi ủú, với cụng nghệ và trỡnh ủộ kỹ thuật hiện tại, trữ lượng khả khai chỉ có 24 tỷ tấn, như vậy tới gần 90% trữ lượng than sẽ nằm lại trong lũng ủất khụng ủược khai thỏc sử dụng nếu khụng phỏt triển cụng nghệ khớ hoỏ than dưới lũng ủất. Ở Ucraina cỏc nhà khoa học ủó xỏc ủịnh 78% trữ lượng than ủỏ và 34% trữ lượng than nâu có thể khí hoá theo công nghệ UCG.
- Về mặt kinh tế, cỏc tớnh toỏn của Mỹ cho thấy giỏ khớ thu ủược nhờ khớ hoỏ than dưới lũng ủất rẻ hơn 1,3-3,9 lần so với giỏ khớ thiờn nhiờn khai thỏc ở Alaska và rẻ hơn 1,45 lần so với khớ thu ủược trong cỏc lũ khớ hoỏ trờn mặt ủất.
- Ưu ủiểm trước hết của cụng nghệ khớ hoỏ than dưới lũng ủất là ủó bói bỏ hoàn toàn việc sử dụng sức lao ủộng nặng nhọc và nguy hiểm dưới lũng ủất trong quỏ trỡnh khai thác vỉa than;
Bảng 5.1. ðặc ủiểm của một số vỉa than ủó ủược khớ hoỏ trờn thế giới Thông số kĩ thuật của
than(%) Trạm khí hóa và
vỉa than
Bề dày vỉa(m)
ðộ sâu khai
thác(m) ðộ ẩm(WP)
Tro than khô(AC)
Chất bốc(Vg)
Nhiệt năng thấp nhất của than, Qtmin (MJ/kg) Trạm Lixitransk
(than ủỏ)
K8 1,8 – 2 150 14,5 7,9 39,0 22,6
L4 1,21 200 – 250 12,1 8,0 40,0 22,8
L7 0,44 60 15,0 10,4 40,0 21,4
L8 0,88 75 15,0 17,0 39,5 20,1
L6 0,6 150 15,5 7,6 39,0 22,3
L5 0,8 200 4,5 9,8 40,0 23,0
Trạm Nam Abinsk(than ủỏ)
IV 8 – 9 50 – 300 6,0 5,2 32,3 29,1
VIII 2,2 130 – 140 8,0 2,3 32,0 28,9
VII 2,06 210 6,0 2,3 32,0 30,6
Than cháy 3,8 200 – 230 4,3 4,3 27,0 30,7
TrạmPodmoscovsk
(than nâu) 2,5 30 – 80 30,0 34,3 44,5 11,8
Trạm Angrensk
(than nâu) 3 – 20 120 – 200 35,0 12,2 33,0 15,1 Trạm Shatsk
(than nâu) 2,6 30 – 60 30,0 26,0 38,1 11,0
Trạm Xinelnikovsk
(than nâu)
3,5 – 6 80 35,0 23,8 64,5 8,0
- Khớ sản phẩm của cụng nghệ khớ hoỏ than cú thể ủược dựng làm nhiờn liệu ủốt mà không cần qua bất kì một khâu chế biến sâu nào.
Việc sử dụng khớ ủốt tại cỏc nhà mỏy cho phộp cải thiện nõng cao ủiều kiện lao ủộng của cụng nhõn, giữ sạch mụi trường khụng khớ; sản phẩm sau khi ủốt khụng chứa hoặc hàm lượng thấp các chất cứng, CO; oxit nitơ (NOx); hoàn toàn không chứa anhydride lưu huỳnh do trong quá trình khí hoá, lưu huỳnh trong than chuyển hoá thành H2S và có thể dễ dàng loại bỏ;
- Trong quá trình khai thác vỉa than bằng phương pháp khí hóa không gây ra những biến dạng lớn trên bề mặt. Các biến dạng gần như rất nhỏ, khó nhận biết, có tính mềm dẻo cao (khụng xảy ra cỏc ủứt vỡ bề mặt);
- Khai thỏc bằng cụng nghệ khớ hoỏ khụng giải phúng cỏc chất ủộc hại, cũng như bụi than ra ngoài môi trường.
+ Nhược ủiểm:
- Nhiệt năng của khớ sản phẩm chưa thực sự cao và thất thoỏt tương ủối lớn lượng khớ và than dưới lũng ủất (khoảng 20%). Nhiệt lượng chứa trong khớ sản phẩm ủến tay cỏc hộ tiờu dựng chỉ chiếm khoảng 35 – 40 % nhiệt lượng của than ủược khớ hoỏ;
- Sự khú khăn trong việc ủiều khiển quỏ trỡnh chuẩn bị cho kờnh khớ hoỏ cũng như bản thân quá trình khí hoá;
- Khớ sản phẩm thu ủược từ khớ hoỏ sử dụng dũng khụng khớ thổi vào kờnh phản ứng thực sự thua kộm khớ tự nhiờn về cả nhiệt năng cũng như nhiệt ủộ chỏy. Vỡ vậy thường chỉ ủược sử dụng trong cỏc nhà mỏy phỏt ủiện, cỏc lũ tầng sụi cụng nghiệp và một vài loại hình nhà máy công nghiệp khác. Cách sử dụng khí sản phẩm có lợi nhất là cung cấp nhiờn liệu cho cỏc nhà mỏy ủịa phương trong phạm vị khụng quỏ 30 km.
- Nhược ủiểm quan trọng của cụng nghệ khớ hoỏ la sự thất thoỏt khớ trong quỏ trỡnh khai thỏc cỏc vỉa than nằm khụng sõu dươi lũng ủất. Khi ủú khớ sản phẩm cú thể xuyờn qua cỏc tầng ủất ủỏ mặt và thoỏt ra ngoài. ðể giảm sự thất thoỏt ủú trong hệ thống khớ hoỏ cần giữ ỏp suất ở mức ủộ thấp nhất cú thể ủược.