Giới thiệu dự án

Khủng hoảng năng lượng toàn cầu trong thế kỷ 21 đang đặt ra thách thức cấp bách khi trữ lượng dầu mỏ và khí đốt tự nhiên dự báo sẽ suy giảm nghiêm trọng trong 50–60 năm tới. Trong bối cảnh năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) có hiệu suất vận hành phụ thuộc thời tiết và chi phí lưu trữ cao, than đá vẫn giữ vai trò nền tảng với trữ lượng dồi dào trên toàn cầu. Tuy nhiên, phương pháp đốt than truyền thống phát thải trung bình 0.9–1.1 kg CO₂/kWh, gây ô nhiễm trầm trọng và đối mặt với áp lực thuế carbon quốc tế.

Tại Việt Nam, Bể than Đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) sở hữu trữ lượng dự báo khổng lồ đạt gần 210 tỷ tấn (chiếm 90% tại Thái Bình), vỉa than dày từ 4–20 m, phân bố ở độ sâu 120–220 m đến hơn 1.000 m. Do đặc thù địa chất mềm yếu, vách trụ không ổn định và nguy cơ bục nước, việc áp dụng công nghệ khai thác truyền thống như lộ thiên hay hầm lò là bất khả thi về mặt kỹ thuật lẫn an toàn kinh tế.

                                  BỂ THAN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| Trữ lượng tiềm năng: ~210 Tỷ tấn | Độ sâu vỉa: 120 - 1000m | Bề dày vỉa than: 4 - 20m  |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
                                              |
                     +------------------------+------------------------+
                     | Thách thức địa chất mềm yếu & nguy cơ ngập lụt  |
                     +------------------------+------------------------+
                                              |
                                              v
               +-------------------------------------------------------------+
               |  GIẢI PHÁP: KHÍ HÓA THAN NGẦM (UCG - In-situ Gasification)  |
               +-------------------------------------------------------------+

Đề tài "Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình khí hoá than ngầm" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán khai thác nguồn tài nguyên này tại chỗ thông qua công nghệ khí hóa than ngầm (Underground Coal Gasification – UCG).

Project Objectives (Mục tiêu dự án)

  1. Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng 2D/3D đa vật lý: Ứng dụng phần mềm COMSOL Multiphysics v5.6 để mô phỏng chính xác quá trình tương tác truyền nhiệt, truyền chất và động học dòng chảy đa pha trong môi trường xốp vỉa than.
  2. Thiết kế và chế tạo hệ thống module thực nghiệm UCG: Chế tạo mô hình phản ứng khí hóa than ngầm kiểm soát được lưu lượng tác nhân Oxy/không khí, nhiệt độ buồng phản ứng và áp suất làm việc.
  3. Phân tích định tính và định lượng sản phẩm khí: Đo đạc nồng độ các khí cháy ($CO$, $H_2$, $CH_4$) và khí trơ/khí thải ($CO_2$, $O_2$, $N_2$), xác định nhiệt trị khí tổng hợp (Syngas) qua từng giai đoạn phản ứng.
  4. Kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình số: Đối chiếu dữ liệu thực nghiệm nhiệt độ và thành phần khí với kết quả mô phỏng CFD nhằm tối ưu hóa các thông số vận hành.

Scope & Limitations (Phạm vi và giới hạn)

  • Phạm vi: Khí hóa mẫu than thực nghiệm trong buồng phản ứng kiểm soát với tác nhân Oxy kỹ thuật và không khí gia nhiệt; mô phỏng trường nhiệt độ 2D đối xứng trục và biên động học biến thiên theo thời gian $t = 0 \div 3600\text{ s}$.
  • Giới hạn: Nghiên cứu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm (Bench-scale); chưa tích hợp hệ thống thu hồi và cô lập Carbon (CCS) thương mại; kích thước khối than thực nghiệm được chuẩn hóa nhằm phù hợp công suất module thí nghiệm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khí hóa than truyền thống trên mặt đất đòi hỏi chuỗi quy trình phức tạp: đào than, nghiền nhỏ, vận chuyển, đưa vào lò phản ứng chịu áp và xử lý bã xỉ lộ thiên. Ngược lại, công nghệ UCG biến chính vỉa than dưới lòng đất thành lò phản ứng, giúp loại bỏ hoàn toàn khâu khai thác mỏ truyền thống.

Tiêu chí so sánh Khí hóa áp suất khí quyển (ACG) Khí hóa tầng cố định (Lurgi/Shell) Khí hóa than ngầm (UCG - Đề tài)
Chi phí đầu tư mỏ (Capex) Rất cao (yêu cầu hạ tầng mỏ hầm lò) Rất cao (nhà máy khí hóa phức tạp) Thấp hơn 40–50% (không cần đào lò)
Tác động cảnh quan & bụi Ô nhiễm bụi than và bãi thải xỉ lớn Cần xử lý tro bay và xỉ đáy lò Không phát tán tro xỉ (giữ lại lòng đất)
Rủi ro an toàn lao động Tai nạn sập hầm, cháy nổ khí metan Nguy cơ rò rỉ khí độc áp suất cao Tự động hóa hoàn toàn trên mặt đất
Khả năng khai thác vỉa sâu Giới hạn dưới 300 m Chỉ xử lý than đã khai thác Tiếp cận vỉa sâu 150–1.200 m
Hiệu suất năng lượng 50–60% 70–78% 65–75% (nhiệt trị 11.5–14 MJ/m³)

User Requirements (Yêu cầu kỹ thuật theo MoSCoW)

  • Must-have (Bắt buộc): Hệ thống buồng khí hóa kín khí áp suất 1.0–2.5 bar; module đo nhiệt đa điểm thermocouple Type-K; thiết bị phân tích khí chuẩn xác; mô hình giải đồng thời phương trình Brinkman và bảo toàn năng lượng/khối lượng.
  • Should-have (Cần có): Cơ cấu sấy điện trở gia nhiệt khí đầu vào lên 150–200°C; camera nhiệt Fluke Ti9 giám sát vỏ buồng; mô phỏng chuyển vị khoang khí hóa (cavity growth).
  • Could-have (Có thể có): Hệ thống phun hơi nước quá nhiệt nhằm kích hoạt phản ứng Water-gas shift tăng hàm lượng $H_2$.
  • Won't-have (Chưa thực hiện đợt này): Lắp đặt giếng khoan mở rộng quy mô đa điểm CRIP (Controlled Retraction Injection Point) ngoài hiện trường thực địa.

Thiết kế hệ thống và Cấu trúc mô hình

Technology Stack & Version Numbers

  • Phần mềm mô phỏng: COMSOL Multiphysics v5.6 (Physics interfaces: Brinkman Equations, Heat Transfer in Porous Media, Transport of Diluted Species in Porous Media, Reaction Engineering).
  • Thuật toán giải số: Finite Element Method (FEM) kết hợp phương pháp thể tích kiểm soát (Finite Volume Method - FVM) với bộ giải phi tuyến PARDISO / MUMPS.
  • Phần cứng đo đạc: Máy phân tích khí chuyên dụng Testo 350-XL (cảm biến điện hóa và hồng ngoại đo $CO, CO_2, NO_x, SO_2, H_2$); Camera nhiệt hồng ngoại Fluke Ti9 (dải đo -20°C đến +250°C, độ nhạy nhiệt $\le 0.1^\circ\text{C}$).

Implementation và kết quả

Development Process & Key Governing Equations

Quá trình khí hóa trong vỉa than được mô hình hóa toán học qua hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng (PDE) phi tuyến kết hợp:

+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                               HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐA VẬT LÝ UCG                             |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thủy động lực học môi trường xốp (Brinkman):                                         |
|    (ρ/ε_p) ∂u/∂t + (ρ/ε_p²)(u·∇)u = ∇·[-pI + (μ/ε_p)(∇u + (∇u)ᵀ)] - (μ/κ + β_F|u|)u + F|
|                                                                                         |
| 2. Truyền nhiệt trong khối vật liệu xốp:                                                |
|    (ρ C_p)_eff ∂T/∂t + ρ C_p u·∇T = ∇·(k_eff ∇T) + ∑(R_i · ΔH_i) + Q_vd                 |
|                                                                                         |
| 3. Truyền chất và động học phản ứng:                                                   |
|    ε_p ∂c_i/∂t + u·∇c_i = ∇·(D_i ∇c_i) + R_i + S_i                                      |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+

# Cấu hình chuỗi phản ứng khí hóa trong COMSOL Reaction Engineering Module
reactions = {
    "R1_Combustion": "C + O2 -> CO2",             # dH = -399.499 kJ/mol (Toả nhiệt mạnh)
    "R2_Partial_Oxidation": "2C + O2 -> 2CO",     # dH = -232.384 kJ/mol
    "R3_Boudouard": "C + CO2 <=> 2CO",            # dH = +167.023 kJ/mol (Thu nhiệt)
    "R4_Water_Gas": "C + H2O <=> CO + H2",        # dH = +125.788 kJ/mol (Thu nhiệt)
    "R5_Water_Gas_Shift": "CO + H2O <=> CO2 + H2" # dH = -41.235 kJ/mol (Toả nhiệt nhẹ)
}

Mô hình dòng chảy rối trong kênh dẫn tự do sử dụng mô hình $k-\varepsilon$ tiêu chuẩn với các hằng số thực nghiệm: $C_\mu = 0.09, C_{\varepsilon 1} = 1.44, C_{\varepsilon 2} = 1.92, \sigma_k = 1.0, \sigma_\varepsilon = 1.3$.

Testing và Validation

  1. Kiểm tra độ kín khí (Leakage Test): Bơm khí $N_2$ áp suất 3.0 bar duy trì trong 60 phút; độ sụt áp $< 0.02\text{ bar}$ khẳng định hệ thống đạt tiêu chuẩn an toàn ngăn rò rỉ khí độc $CO$.
  2. Diễn biến nhiệt độ tâm phản ứng:
    • Giai đoạn sấy và mồi lửa ($t = 0 \div 10\text{ min}$): Nhiệt độ tăng từ 30°C lên 350°C.
    • Giai đoạn duy trì khí hóa ($t = 15 \div 30\text{ min}$): Tâm phản ứng đạt đỉnh 750°C – 1.150°C, tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng khử Boudouard sinh $CO$.
BẢNG ĐỐI CHIẾU NỒNG ĐỘ THÀNH PHẦN KHÍ (Thời điểm t = 30 phút, Cấp O2 = 1.0 mol/m³)
+---------------+-------------------+----------------------+--------------------+
| Khí sản phẩm  | Mô phỏng COMSOL   | Thực nghiệm Testo    | Độ lệch tuyệt đối  |
+---------------+-------------------+----------------------+--------------------+
| CO (% vol)    | 22.4 %            | 20.8 %               | -1.6 %             |
| H2 (% vol)    | 14.1 %            | 12.6 %               | -1.5 %             |
| CO2 (% vol)   | 11.5 %            | 13.2 %               | +1.7 %             |
| O2 dư (% vol) | 0.8 %             | 1.1 %                | +0.3 %             |
+---------------+-------------------+----------------------+--------------------+

Kết quả đạt được

  • Sản phẩm khí cháy: Khí đầu ra được dẫn qua ống thu có khả năng duy trì ngọn lửa tự cháy sáng liên tục, kiểm chứng bằng que đốm bùng cháy mãnh liệt tại đầu thu.
  • Nhiệt trị thể tích sản phẩm khí: Đạt 11.85 MJ/m³ (ở chế độ cấp Oxy giàu), tương thích hoàn toàn với tiêu chuẩn nạp cho turbine khí hỗn hợp hoặc lò đốt công nghiệp.
  • Hình thái khoang rỗng (Cavity Shape): Kết quả mô phỏng và thực tế mở buồng than sau khí hóa đều cho thấy khoang rỗng phát triển dạng giọt nước (oval/tear-drop) thuôn dài về phía giếng thu sản phẩm, trùng khớp với dữ liệu kinh điển Hanna II và LBK quốc tế.

Đổi mới và đóng góp

  1. Làm chủ quy trình mô phỏng liên kết đa vật lý (Multiphysics Coupling): Đồ án tích hợp thành công tương tác 4 chiều: Thủy động lực Brinkman $\leftrightarrow$ Truyền nhiệt môi trường xốp $\leftrightarrow$ Khuếch tán cấu tử hóa học $\leftrightarrow$ Động học phản ứng dị thể trong phần mềm COMSOL.
  2. Giải pháp gia nhiệt không khí/Oxy bằng điện trở sấy: Giúp hạ điểm mồi cháy ban đầu, rút ngắn thời gian chuyển tiếp từ phản ứng cháy hoàn toàn sang phản ứng khí hóa khử từ 45 phút xuống dưới 15 phút (cải thiện 66.7% thời gian khởi động).
  3. Cơ sở dữ liệu thực nghiệm đầu tiên cho bể than ĐBSH: Cung cấp thông số vận hành động học thực tế ($CO/H_2$ ratio, tốc độ xói mòn vỉa, phân bố đẳng nhiệt), tạo tiền đề khoa học vững chắc cho đề án cấp nhà nước tại Phân khu KT1/KT2 Thái Bình.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Real-world Use Cases

  • Nhà máy Nhiệt điện khí tổng hợp (IGCC): Sử dụng trực tiếp Syngas sinh ra từ lòng đất để chạy turbine khí, giảm 35% lượng phát thải bụi và lưu huỳnh so với nhiệt điện than đốt phun truyền thống.
  • Tổ hợp Hóa chất & Phân đạm: Tách chiết $H_2$ và $CO$ từ khí UCG làm nguyên liệu tổng hợp Amoniac ($NH_3$), Phân Urê tại khu vực miền Bắc thay thế nguồn than cục vận chuyển từ Quảng Ninh.

Triển khai & Phân tích kinh tế

  • Chi phí khai thác (OPEX): Ước tính giảm 28–32 USD/tấn than quy đổi do triệt tiêu hoàn toàn chi phí bốc xúc đất đá, vận chuyển hầm lò và hoàn nguyên môi trường mặt đất.
  • Lộ trình thương mại hóa:
    1. Giai đoạn 1 (2026–2028): Thí điểm giếng đơn quy mô Pilot tại mỏ than Khoái Châu I (Hưng Yên/Thái Bình).
    2. Giai đoạn 2 (2028–2032): Cụm giếng công nghiệp công suất $50.000\text{ m}^3\text{ Syngas/giờ}$ tích hợp trạm phát điện 50 MW.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Buồng thực nghiệm chưa khảo sát được áp lực địa tầng siêu sâu ($> 50\text{ bar}$ tương đương độ sâu $> 500\text{ m}$); hiện tượng co ngót lòng than và xói mòn thành khoang chưa thể quan sát quang học liên tục theo thời gian thực.
  • Hướng nâng cấp:
    1. Tích hợp module mô phỏng cơ học đá (Geomechanics) để dự báo độ lún sụt bề mặt địa hình phía trên vỉa khí hóa.
    2. Ứng dụng công nghệ giếng khoan điều khiển CRIP kết hợp tác nhân khí hóa hơi nước áp suất cao nhằm nâng nhiệt trị khí Syngas lên ngưỡng $> 15\text{ MJ/m³}$.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên cao học ngành Kỹ thuật Nhiệt / Năng lượng: Nguồn học liệu trực quan chuyên sâu về phương pháp giải phương trình vi phân đạo hàm riêng ứng dụng trong quá trình biến đổi năng lượng hóa thạch.
  • Kỹ sư R&D và Doanh nghiệp Năng lượng (TKV, PVN): Bản thiết kế tham chiếu chi tiết về công nghệ khí hóa ngầm, hỗ trợ định hình chiến lược khai thác bể than ĐBSH 210 tỷ tấn an toàn, hiệu quả kinh tế cao.
  • Cơ quan Quản lý Nhà nước: Dữ liệu kỹ thuật phục vụ xây dựng khung pháp lý, quy chuẩn môi trường và tiêu chuẩn an toàn cho công nghệ khai thác năng lượng mới tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất để triển khai UCG ngoài thực địa là gì?

Yêu cầu khảo sát địa chất thủy văn chi tiết nhằm đảm bảo vỉa than được bao bọc bởi tầng đá chắn sét/bùn kết bất thấm dày, ngăn chặn tuyệt đối nguy cơ rò rỉ khí tổng hợp sang các tầng chứa nước ngầm sinh hoạt.

2. Khí UCG có thể thay thế hoàn toàn khí tự nhiên (LNG) được không?

Khí tổng hợp UCG sau khi qua hệ thống làm sạch và nâng cấp Methanation (chuyển đổi $CO + 3H_2 \rightarrow CH_4 + H_2O$) có thể đạt chất lượng tương đương khí tự nhiên SNG (Synthetic Natural Gas) với nhiệt trị $> 30\text{ MJ/m³}$.

3. Làm thế nào để kiểm soát hình dạng và tốc độ cháy của khoang ngầm?

Thông qua việc điều chỉnh lưu lượng tác nhân Oxy/hơi nước tại giếng bơm và áp dụng kỹ thuật rút điểm bơm có kiểm soát (CRIP), kỹ sư vận hành có thể chủ động điều hướng vùng phản ứng di chuyển dọc theo chiều dài vỉa than.

4. Hệ thống thực nghiệm trong đề tài đảm bảo an toàn cháy nổ như thế nào?

Module thực nghiệm được trang bị van một chiều chống cháy ngược (Flame arrestor), hệ thống xả áp tự động qua đĩa nổ an toàn và cảm biến cảnh báo rò rỉ khí độc $CO/H_2$ đa điểm liên tục.

5. Thời gian thu hồi vốn (ROI) dự kiến cho một dự án UCG quy mô công nghiệp là bao lâu?

Nhờ cắt giảm tới 50% chi phí Capex xây dựng mỏ so với khai thác hầm lò truyền thống, dự án UCG quy mô phát điện 100 MW ước tính thời gian hoàn vốn từ 4.5 – 6 năm tùy thuộc vào giá bán điện và thị trường tín chỉ carbon.

Kết luận

Đề tài "Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình khí hoá than ngầm" đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ cơ sở lý thuyết truyền nhiệt – truyền chất, mô phỏng số nâng cao trên COMSOL Multiphysics đến chế tạo và vận hành thành công module thực nghiệm UCG. Kết quả nghiên cứu không chỉ chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội trong việc tạo ra nguồn khí cháy có nhiệt trị cao (11.85 MJ/m³) mà còn mở ra hướng đi chiến lược để đánh thức tiềm năng năng lượng khổng lồ 210 tỷ tấn than tại Bể than Đồng bằng Sông Hồng, đóng góp thiết thực vào an ninh năng lượng quốc gia và lộ trình chuyển dịch năng lượng bền vững.