MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng trong thế kỹ XXI đang là vấn đề nóng hổi trên toàn 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 hoá thạch than đá với trữ lượng còn rất lớn và phân bố rộng khắp trên toàn 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 không 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 ô nhiểm môi trường, như chuyển than đá thành nhiên liệu lỏng, rửa than.và đặc biệt là khí hoá than đá.
Khí hoá 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 lòng Đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) với trữ lượng rất lớn gần 210 tỉ tấn, vỉa dầy 4-20m, nằm sâu 120-220m, không có nước ngầm, sẽ là một nguồn tài nguyên khổng lồ cho ngành năng lượng và các ngành công nghiệp khác.Tuy nhiên điều khó khăn ở đây là mỏ than này nằm sâu dưới lòng đất và có cấu 14 tạo địa chất không ổn định, lớp đất đá và vách trụ rất mềm nên không thể khai thác theo phương pháp thông thường như hầm lò và lộ thiên. Hình1: Nguyên 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 công nghệ khác, ví dụ như các khoáng sản than quá 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 15 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, công 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 công ty Khí công nghiệp (Promgaz) của Tập đoàn 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 công nghệ UCG, đều đóng một vai trò 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 công 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 hoàn thiện công nghệ UCG cả về kinh tế lẫn tác động môi 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 môi trường, hơn hẳn so với các phương pháp khai thác than truyền thống hoặc khai thác bằng khí hóa thông 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 - Không áp dụng công nghệ khí hóa trên mặt đất (nên không thải CO2 ra môi trường), các phụ phẩm được dẫn vào đường ống trực 16 tiếp, giảm chi phí xây dựng hạ tầng như đường xá., chi phí hoàn thổ thấp hơn do chất thải rắn được giữ lại trong lòng đất. * Lợi ích đối với môi trường: UCG hạn chế giải phóng khí thải ra môi trường, vì khí hóa trong UCG được thực hiện trong lòng đất, theo đó sẽ giảm thiểu chi phí quản lý môi 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 ô 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 không bị lẫn vào không khí như trong các công 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. 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 Phòng) 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 toàn 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 chuyên gia về dầu khí nước ngoài đánh giá có tiềm năng ít nhất khoảng 43 tỷ m3 khí. Đối tượng và pham vi nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình khí hóa than ngầm.
- Cải Thiện mô hình khí hóa than ngầm. - Tiến hành thu thập số liệu thực tế trên mô hình thực nghiệm. - Xây dựng quá trình mô phỏng UCG trên phần mềm ComSol, dự đoán thành phần và chất lượng khí thu được. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn của đề tài: Hiện tại, ở Việt Nam ứng dụng khí hóa than còn rất hạn chế, trong khi chúng ta có nguồn than rất dồi dào, trữ lượng lớn.
Ngoài ra, quá trình sử dụng than tại các cơ sở trong nước chủ yếu là theo kiểu truyền thống nên ảnh hưởng rất nhiều đến môi trường nói chung và hiệu suất sử dụng năng lượng nói riêng. Đề tài Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình khí hoá than ngầm sẽ 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 không 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 mô hình khí hóa cụ thể. Dưới đây là mô hình UCG mà các quá trình nghiên cứu sử dụng: Hình 2: Quá trình khí hóa than ngầm 18 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 còn phụ thuộc quá nhiều vào các chuyên gia nước ngoài và chưa nắm bắt được công 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 không 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 mô hình UCG, phục vụ quá trình nghiên cứu, phần mềm dự đoán thành phần sản phẩm thu được. Mục tiêu nghiên cứu: Mô phỏng được quá trình truyền nhiệt và truyền chất của quá trình khí hoá than ngầm bằng phần mềm Comsol multyphysis. Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm, thu thập giá trị thực tế và xác định chế độ tối ưu cho quá trình khí hóa ngầm.
19 Xác định thành phần sản phẩm khí, là hỗn hợp các khí đốt công nghiệp gồm CO, H2, CH4. Kiểm nghiệm quá trình trên phần mềm mô phỏng. Nhiệm vụ nghiên cứu: Hiện tại, ở Việt Nam ứng dụng khí hóa than còn rất hạn chế, trong khi chúng ta có nguồn than rất dồi dào, trữ lượng lớn, đặc biệt tại ĐBSH.