Khí hóa than ngầm trong lòng đất

KTN tuy chưa trở thành ngành sản xuất thương mại ổn định rộng rãi, nhưng cũng không phải là một công nghệ mới. KTN đã được triển khai nhiều năm trước ở Liên Xô cũ (một địa điểm hiện vẫn đang khai thác thương mại) và đã từng là đối tượng của nhiều thí nghiệm, thử nghiệm, công trình triển khai bước đầu ở nhiều nước. Ngày nay công nghệ KTN đang có cơ hội chuyển mạnh mẽ từ giai đoạn quá độ sang sản xuất thương mại.

Khi mà ngành công nghiệp KTN tồn tại ở dạng thương mại, nó có thể tác động đẩy nhanh công tác thăm dò, tìm kiếm những trữ lượng than ngầm lớn, khó tiếp cận hơn do công nghệ KTN cho phép sử dụng các nguồn đó một cách kinh tế. Kết hợp với quá trình Fischer-Tropsch, KTN có tiềm năng lớn về sản xuất dầu đieden tổng hợp và các nhiên liệu lỏng khác. Thực tế cho thấy KTN có thể giảm thiểu ảnh hưởng của việc khai thác và sử dụng than đối với môi trường và nếu kết hợp với các công nghệ khác, có thể có những hiệu quả tích cực trong việc cắt giảm phát thải cacbon.

Một số dữ liệu về KTN

• Từ những năm 1930, đã có trên 50 thử nghiệm về KTN hoặc khai thác đầu tiên trên thế giới.

• Đến nay đã có các thử nghiệm cho thấy có thể kiểm soát việc mồi và dập lửa, kiểm soát phản ứng cháy, kiểm soát chất lượng khí, xử lý các vấn đề về môi trường có thể xảy ra.

• Tình hình cho thấy công nghệ này đã đủ phát triển, các điều kiện kinh tế có khả năng là đủ phù hợp để tạo thuận lợi cho sự phát triển thương mại của ngành công nghiệp KTN.

• Đối với những mỏ than khó tiếp cận hoặc không thể tiếp cận được, hoặc chất lượng than xấu thì công nghệ KTN giúp tăng đáng kể trữ lượng năng lượng toàn cầu.

• Trữ lượng than toàn thế giới đã được chứng thực là 909 tỉ tấn, trong khi đó theo đánh giá, tổng trữ lượng than nằm rải rác trên trái đất lên tới khoảng 6.000 tỉ tấn, có nghĩa là chỉ có 15% tổng trữ lượng than là tiếp cận được.

• Theo đánh giá của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermor (Mỹ), trữ lượng than có thể thu hồi được sẽ tăng lên ít nhất 300 đến 400 %, và 1.600 tỉ tấn than không khai thác được theo cách truyền thống ở Mỹ có thể thu hồi được bằng công nghệ KTN.

• Ấn Độ có trữ lượng 467 tỉ tấn than, nhưng 66% trong trữ lượng đó chỉ có thể khai thác được bằng KTN.

• Tình hình tương tự như vậy đang tồn tại ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Ôxtrâylia, Anh, Nam Phi, Trung Quốc, Việt Nam, v.v.

Khí hóa than ngầm trong lòng đất

Qui trình KTN đã có từ trên một trăm năm nay, hiện vẫn được tăng cường nghiên cứu, thử nghiệm ở nhiều viện, tổ chức trên thế giới trong đó có Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermor ở Mỹ và CSIRO ở Ôxtrâylia, và được vận hành ở quy mô công nghiệp từ nhiều năm nay ở Liên Xô cũ và Nga. Tuy nhiên qui trình KTN vẫn chưa đạt được mức thương mại hóa.

Mặc dầu vẫn còn một số trở ngại về công nghệ và môi trường cần phải vượt qua để phát triển công nghệ này, tuy nhiên giá năng lượng thấp đã kìm hãm công nghệ KTN vượt qua ngưỡng của các công trình thí điểm.

Trong những năm gần đây, giá dầu và khí đốt trên thế giới tăng vọt, thế giới ngày càng quan ngại vấn đề phát thải khí nhà kính và tiêu thụ năng lượng gia tăng chóng mặt ở nhiều nước đã khơi dậy sự quan tâm tới KTN và các công nghệ than hóa lỏng (THL) và khí hóa lỏng (KHL).

Tổng quan về qui trình

Khí hóa là quá trình biến đổi nhiên liệu rắn hoặc lỏng (ví dụ như than, dầu mỏ hoặc sinh khối) thành khí đốt, thường được gọi là khí tổng hợp (synthesis gas, hoặc syngas).

Khí tổng hợp có thể được sử dụng để sản xuất điện, nhiệt, khí hóa lỏng, nhiên liệu tổng hợp và nhiều sản phẩm hóa chất. Khí hóa là công nghệ khá phát triển, trong đó có ít nhất 160 nhà máy khí hóa đang vận hành trên toàn thế giới, sử dụng than để sản xuất ra trên 50.000 MW (nhiệt) bằng khí tổng hợp.

KTN là công nghệ chuyển hoá than thành khí đốt thực hiện ngầm trong lòng đất, việc khai thác than và biến đổi than thành khí được kết hợp làm một.

Nói một cách đơn giản, để tiến hành KTN, người ta khoan các giếng nạp và giếng khai thác cho tới vỉa than. Chất oxi hóa được bơm vào giếng nạp để kích thích sự cháy và than cháy một phần trong vỉa. Chất oxi hóa có thể là không khí, ôxi, hơi nước hoặc tổng hợp các chất này, tùy thuộc vào thiết kế cho địa điểm và các yêu cầu của sản phẩm khí.

Sản phẩm khí nhiên liệu tạo ra là khí tổng hợp (syngas) bao gồm những tỉ lệ khác nhau của các khí hyđro, mêtan, oxit cacbon (CO) và khí carbonic (CO2). Syngas đi qua vỉa than xốp và được đưa lên qua các giếng khai thác, tiếp đó được làm sạch theo các yêu cầu kỹ thuật của khí sản phẩm.

Sau khi làm sạch, syngas có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho các lò hơi hoặc để phát điện. Singas cũng có thể sử dụng để sản xuất ra dầu hỏa siêu sạch hoặc dầu đieden, các hóa chất bao gồm cả phân bón, nhựa khoáng và dầu bôi trơn.

Ngày nay 96% năng lượng sử dụng trong vận tải là từ dầu mỏ, và vận tải là yếu tố chính trong tăng trưởng nhu cầu dầu mỏ. Kết quả là giá dầu tăng mạnh và chưa có dấu hiệu nào cho thấy sẽ giảm.

Quá trình Fischer-Tropsch (FT) là phản ứng hóa học có chất xúc tác, trong đó CO và hyđro được biến đổi thành hyđrocacbon lỏng ở các dạng khác nhau. Mục tiêu của quá trình này chủ yếu là để sản xuất dầu mỏ tổng hợp thay thế, dùng làm dầu bôi trơn tổng hợp hoặc nhiên liệu hóa lỏng tổng hợp. Ngày nay, nhiên liệu tổng hợp này mới chỉ được sử dụng làm dầu đieden và nhiên liệu cho một số động cơ máy bay. Các công trình nghiên cứu triển khai đang tiếp tục ở Nam Phi để sản xuất xăng không pha chì. Không lực Mỹ đang có mục tiêu đạt 50% nhiên liệu tổng hợp vào năm 2016. Nhiên liệu sản xuất từ than có ưu điểm vượt trội là không chứa lưu huỳnh, hàm lượng NOX rất thấp, không bụi, hàm lượng các hyđrocacbon thơm thấp và có thể phân huỷ sinh học. Ngoài ra công nghệ nói trên không đòi hỏi mặt bằng rộng và tài nguyên nước nên không cạnh tranh với sản xuất lương thực.

Kinh nghiệm của một số nước trong lĩnh vực KTN

Trung Quốc đang có xu thế đa dạng hóa nguồn cung cấp và phát triển khả năng nội địa trong việc thay thế dầu vì các lý do kinh tế, môi trường và an ninh. Trung Quốc hiện có chương trình KTN lớn nhất thế giới với 16 công trình thử nghiệm đã hoặc đang vận hành trong 20 năm qua. Đặc biệt họ đang tập trung sử dụng hàng trăm mỏ than đã cạn kiệt và khai thác không an toàn để thực hiện các dự án KTN.

Các dự án sản xuất nhiên liệu tổng hợp từ KTN trên thế giới.

Ấn Độ có trữ lượng than khổng lồ, phần lớn là than nâu với hàm lượng tro cao, nhiệt trị thấp, khai thác kiểu truyền thống là không kinh tế. Ấn Độ đang rất quan tâm tới phát triển ngành công nghiệp KTN.

Nga và Liên Xô cũ có lịch sử lâu năm về KTN, thử nghiệm tại hiện trường và một số dự án thương mại. KTN quy mô công nghiệp đã cung cấp cho công nghiệp địa phương một nhà máy nhiệt điện (đến nay vẫn đang vận hành).

Trong những năm 1960 đã có 5 nhà máy nhiệt điện thử nghiệm, nhưng đến những năm 1990 chỉ còn hai nhà máy nhiệt điện đốt khí từ KTN do nguồn khí thiên nhiên ở Xibia dồi dào và rẻ.

Mỹ bắt đầu nghiên cứu và phát triển KTN từ những năm 1940. KTN phát triển mạnh vào giai đoạn 1972-1989 với 30 địa điểm thử nghiệm sau khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970.

Những năm gần đây, giá năng lượng tăng cao và sự lo lắng về an ninh năng lượng đã kích thích việc phát triển trở lại KTN. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore là lực lượng tiên phong.

Hai dự án thương mại mới đang được thông qua ở Mỹ: Dự án Wyoming do một nhà đầu tư tư nhân phát triển, dựa trên nguồn than lớn với trữ lượng 14 tỉ tấn than ở vùng Powder River Basin, và dự án ở Bắc Dakota.

Nam Phi: Từ năm 1955, Nam Phi đã thực hiện việc khí hóa than trên mặt đất, nhưng nay đang mở rộng nghiên cứu sử dụng than chất lượng thấp và khó khai thác để phát điện và sản xuất nhiên liệu lỏng thông qua công nghệ KTN. Hiện nay, khoảng 30% nhu cầu xăng và dầu đieden của Nam Phi được sản xuất từ than trong nước.

Công ty điện lực Nam Phi (ESKOM) đã nghiên cứu triển khai nhà máy KTN đầu tiên năm 2007, sản xuất syngas tại Majuba để cung cấp cho nhà máy điện Majuba, bởi vì than á bitum rất khó khai thác theo phương pháp truyền thống do trong vỉa than có lẫn đá cứng nên thiết bị khai thác bị hỏng liên tục. Nhà máy nhiệt điện này công suất 4.200 MW, gồm 7 tổ máy (7x600 MW) và KTN sẽ cung cấp 30% điện năng sản xuất ra. Một nhà máy điện chu trình hỗn hợp đốt syngas công suất 2.100 MW đang được xây dựng gần ngay một dự án KTN quy mô thương mại.

Anh và châu Âu: Anh đã tăng cường nghiên cứu tiềm năng KTN như một phương pháp khai thác các trữ lượng than trên đất liền cũng như ngoài khơi.

Các nước châu Âu khác cũng đã bắt đầu quan tâm tới KTN từ những năm 90 của thế kỷ trước.

Ôxtrâylia: Nhiều nghiên cứu triển khai và chương trình KTN đầu tiên đang được tiến hành ở Ôxtrâylia. Một dự án thử nghiệm tại Chinchilla (bang Queensland), cách thanh phố Brisbane 350 km về phía Tây, do Công ty Linc Energy tiến hành. Từ năm 2003, dự án được tăng cường mở rộng KTN bao gồm cả sản xuất dầu đieden với mục tiêu sản lượng đạt 20.000 thùng mỗi ngày.

Tháng 3 năm 2007, công ty Cougar Energy khởi công dự án nhà máy nhiệt điện 40 MW sử dụng nhiên liệu từ KTN ở gần Kingaroy, dự kiến mở rộng từng bước để đạt tới 200 MW.

Dự án phát triển bể than đồng bằng Bắc Bộ (Việt Nam)

Theo báo cáo sơ bộ của Tập đoàn Than và Khoáng sản  Việt Nam (TKV) sau khi khảo sát vùng Khoái Châu trên diện tích 932 km2 đến độ sâu -1.700 m, trữ lượng than có thể đạt tới 30 tỉ tấn. Ở vùng Bình Minh , qua thăm dò sơ bộ trên diện tích 25 km2, đến độ sâu -600 m, trữ lượng than có thể đạt trên 450 triệu tấn. Mặc dù chỉ là những đánh giá sơ bộ, nhưng cũng có thể khẳng định rằng nước ta có trữ lượng than khổng lồ ở đồng bằng Bắc Bộ.

Trong suốt lịch sử nghiên cứu địa chất từ năm 1954 - 2003, đã có nhiều nhà địa chất Pháp, Nga, Trung Quốc, Việt Nam tham gia và có rất nhiều báo cáo kết quả khảo sát, có cả thỏa thuận hợp tác với NEDO về thăm dò than ở đồng bằng Bắc Bộ.

Các mẫu than ở khu vực này lấy lên có chất lượng khá cao: Nhiệt trị từ 6.022 đến 6.641 kcal/kg, tỉ lệ chất bốc rất cao (42 – 48 %), hàm lượng lưu huỳnh thấp (≈ 0,5 %), độ tro trung bình (≈ 11 %), v.v... Than chất lượng tốt có thể sử dụng để sản xuất điện theo nhiều phương pháp khác nhau: Đốt than phun, tầng sôi, huyền phù than-nước, khí hóa than trong chu trình tuabin khí hỗn hợp, v.v... Tuy nhiên những phương thức đó chủ yếu phù hợp với việc khai thác than kiểu truyền thống như ở các mỏ Hòn Gai, Cẩm Phả, Uông Bí, v.v...

Đối với bể than đồng bằng Bắc Bộ chắc chắn phải sử dụng phương pháp KTN như kinh nghiệm các nước nêu ở phần trên để sản xuất điện, chế biến các loại nhiên liệu lỏng (LPG, xăng, dầu lửa, đieden, v.v.) và hóa chất.

Với trữ lượng than khổng lồ và phương pháp khai thác KTN hiện đại, nước ta sẽ đảm bảo được an ninh năng lượng dài lâu và đảm bảo được môi trường trong sạch.