Khí hóa than ngầm – phương pháp khai thác triệt để từ sâu trong lòng đất
Theo tạp chí Thống kê của Anh, than vẫn là nhiên liệu khoáng đang tăng trưởng nhanh cho nhu cầu năng lượng trong khi trữ lượng than trên thế giới vẫn còn lớn. Vì vậy than sẽ còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng 100 năm hoặc lâu hơn nữa. tuy nhiên cần hoàn thiện công nghệ đốt than nhằm đạt hiệu quả và giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của phát thải các khí độc hại vào bầu khí quyển.
Nhiệm vụ quan trọng đó có thể giải quyết được phần lớn nhờ sử dụng khí hóa than ngầm (KTN) khi kết hợp việc thu hồi và cất giữ carbon (TCC). Với những lo lắng hiện tại về an ninh năng lượng KTN là một cứu cánh, cống hiến phụ tải đáy cho sản xuất điện năng và một dải rộng những sản phẩm khí thứ sinh: khí hóa lỏng. Đối với Scotland điều đó sẽ có nghĩa là tự cung cấp năng lượng ít nhất là 150 năm. Scotland có trữ lượng than khá dồi dào, nhưng những mỏ than ở sâu nên việc khai thác thương mại là không khả thi – dù đây không nhất thiết là trường hợp để cốc hóa các nguồn than.
Khí hóa than không phải là mới. Trước đây khí đốt được cung cấp từ mỏ Bắc Hải “khí thành phố” (sản phẩm thứ sinh từ than, một hỗn hợp của oxit carbon (CO) và hydrogen – khí tổng hợp (“syngas”) đã được sử dụng cung cấp cho nội địa. Trong những năm 60 và 70 khí methane đã thay thế “khí thành phố” nhưng ở Nam Phi khí tổng hợp vẫn còn quan trọng cho việc sản xuất nguyên liệu thô tổng hợp như ở Đức vào những năm 40. Nguồn gốc của KTN gắn liền với một nhà hóa học Scotland – William Ramsey nhưng đã được lựa chọn ở Liên Xô trước đây. Tuy nhiên, dầu khí truyền thống đã dồi dào trên 100 năm qua, còn KTN vẫn chưa được đặt “đúng chỗ” của nó cho đến ngày nay.
Than dồi dào và về địa – chính trị ít căng thẳng hơn so với dầu mỏ và khí đốt. Không phải tất cả các loại than thích hợp cho khí hóa, nói chung các loại than xấu và non là phù hợp cho quá trình và sản phẩm khí hóa. Những than nâu có xu thế kết hợp với những môi trường thủy địa chất khó khăn hơn trong khi các than anthrocite nói chung là khó cháy, với tỷ lệ hydrogen/ carbon thấp nhất nên kém phù hợp nhất cho khí hóa mặc dầu những than này lại có xu thế chứa nhiều khí methane và đôi khi chúng thích hợp để tách methane trong lò phản ứng than thương mại.
Quá trình khí hóa
Hai công nghệ khí hóa đang được triển khai. Khí hóa (than) liên kết chu trình hỗn hợp (Integrated Gasification combined Cycle – IGCC), trong đó than từ mỏ khai thác được khí hóa trên mặt đất trong lò phản ứng Lurgi. Công nghệ thứ hai là khí hóa ngầm tại mỏ than. Cả hai công nghệ đều có ưu điểm và nhược điểm. Khí hóa liên kết chu trình hỗn hợp (KLCH) đòi hỏi khai thác từ mỏ và vận chuyển nhưng quá trình có thể được điều khiển và giám sát dễ dàng hơn.
KTN thông thường là khai thác năng lượng trong than chứ không phải khai thác bản thân than. Việc biến hoán than ở dưới ngầm tránh được sự cần thiết triển khai các cơ sở hạ tầng khai thác than ở dưới sâu, không phải bốc dỡ tro, không phải mở kho chứa…
Các giếng được khoan từ mặt đất thẳng xuống vỉa than và bằng việc bơm không khí và hơi nước, than được biến hoán tại chỗ thành khí tổng hợp. Khí này chủ yếu gồm hydrogen và oxit các bon (CO) với lượng nhỏ khí methane, nitơ, CO2 và hydrogen sulfide. Với việc KTN khoang lò phản ứng có thể rất sâu và ở một khoảng cách với điểm sản phẩm, vì vậy việc mô hình hóa là cốt yếu để hiểu thấu đáo những quá trình trên mặt đất.
Việc khoan thăm dò trong ngành công nghiệp dầu mỏ là sự bổ sung then chốt cho những thử nghiệm KTN của Anh thực hiện trong những năm 40 và 50 thế kỷ trước. Kỹ thuật độc đáo là khoan 2 giếng thẳng đứng - một giếng để trích không khí (cùng với nguồn bốc lửa) giếng thứ 2 sản xuất khí. Sự hình thành một mặt đầu (front) của khí hóa nhờ tính thấm xuyên của than (cùng với khe nứt do nhiệt độ quá mức gây ra) tạođiều kiện cho khí thoát ra giếng cung cấp khí. Điều này không phải bao giờ cũng thành công do khó kiểm soát phản ứng ở độ sâu đất pha cát (phần lớn các giếng như vậy) và đòi hỏi làm bền không gian của các giếng khoan tức là tăng chi phí khoan giếng.
Do vậy, phương pháp được ưa thích ngày nay do phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ở California đặt nền móng là khoan 1 giếng thẳng đừng như “giếng sản xuất”, tiếp đó cắt ngang giếng này với một giếng nằm ngang (-500m) được khoan trong vỉa, giếng này có công dụng như một giếng tiêm (phun). Một đường ống xoắn được đưa vào giếng nằm ngang và bắt đầu đánh tia lửa (điện). Than biến hoán thành khí và khí được nạp vào ống xoắn, ống này mang theo oxygen và hơi nước và quay trở về điểm vỏ chắn cuối cùng. Điểm này chính là điểm đánh lửa có điều khiển được đưa vào – đưa ra (ĐĐĐ). Khí được sản xuất ra được di chuyển đến giếng sản phẩm bằng áp suất khác nhau do khí hóa và oxy, hơi nước trích vào tạo nên. Nhờ sử dụng oxy quá trình hiệu quả và điều khiển được. Tùy thuộc vào địa chất, một cấu hình giếng sử dụng phương pháp ĐĐĐ có thể giống như hình 1.
Hình 2 cho thấy rằng về một số khía cạnh cấu hình của giếng giống như khai thác mỏ kiểu truyền thống (hầm lò) với tiết diện gương lò được xác định bởi thể tích than theo chiều dài và chiều rộng, địa chất của khu vực khai thác và địa hóa học.
Để giảm chi phí cho việc khoan cần tối ưu hóa tiết diện gương hầm lò bằng mô hình trước khi khoan.
Than bão hòa nước ở độ sâu khó có thể khí hóa, do đó cần đưa hơi nước và oxy xuống nhằm đạt được mức khí hóa tốt nhất. Ở độ sâu có thể sử dụng áp suất như một bộ phận của quá trình kiểm soát, hạn chế nước xâm nhập lò phản ứng khí. Áp suất cũng có thể được sử dụng như một phương pháp dập tắt phản ứng để ngừng khí hóa.
KTN tại Firth of Forth (FOF)
Mỏ than ở khu vực Fife đã được thành lập trên 200 năm trước đây. Những mỏ này đã được mở rộng từ những khai trường than lộ thiên ở Fife và Lothians với gần vùng Firth of Forth (FOF), thuộc Scotland. Với sự sụt giảm của ngành công nghiệp khai thác kiểu truyền thống, đặc biệt là những năm 1980, những khối lượng than lớn với những vỉa thải dài vẫn chưa được khai thác. Phần lớn của những khối lượng than đó nằm ở độ sâu không kinh tế cho việc khai thác than kiểu truyền thống.
Khả năng tồn tại được của việc KTN xung quanh vùng FOF lần đầu tiên đã được chứng minh bởi một nhóm chuyên gia từ trường đại học Herior – Watt, Viện DECC và xí nghiệp Scotland. Việc nghiên cứu của nhóm này đã đưa ra kết luận bằng việc sử dụng các dữ liệu hiện hữu và bằng sự quan sát và phần mềm sẵn có về địa – cơ khí đối với ngành công nghiệp dầu mỏ, than cũng có thể được định rõ đặc tính theo cách tương tự như đối với các mỏ dầu và khí. Việc định rõ đặc tính đó tạo điều kiện dễ dàng để lập kế hoạch đúng đắn, bởi vì môn địa chất rất hay thay đổi. Những sự thay đổi chủ yếu bao gồm tính kế tiếp nhau của các chiều dầy vỉa than chấp nhận được, các số lượng và các cấp (bậc), những độ dốc đáy vốn có, những biến thái đáng kể về cấu trúc, những đặc tính đó ảnh hưởng tới việc thiết kế tối ưu giếng đứng và vận hành. Than phù hợp hơn cả cho KTN thuộc khu vực Leven Syncline có độ dốc tạo điều kiện cho KTN tối ưu và thuộc bậc phù hợp cho nguồn khí kinh tế.
Khu vực FOF có nhiều dữ liệu từ di sản quá khứ, bao gồm các dữ liệu về mỏ và trung tâm khoan thăm dò (dầu, khí) trước đây, chúng có thể được số hóa và liên kết lại để đưa ra một mô hình 3 chiều chính xác. Việc mô hình hóa những biến đổi độ lún sụt, các khe nứt, các điểm đứt gãy hoặc sự sắp xếp của các khối cát… phụ thuộc nhiều vào mối tương quan của lớp đáy chất lượng cao. Điều quan trọng là xác định tính chất của mối quan hệ thuộc về kiến tạo của khu vực FOF, điều này sẽ ảnh hưởng đến kế hoạch khí hóa tại mỏ. Việc xác định sai trên mô hình sẽ dẫn đến những hướng đi của các giếng không chính xác và hậu quả về môi trường. Sự kết hợp các bộ số liệu sẽ tạo ra mô hình địa chất tốt, có thể được sử dụng để lập kế hoạch thi công các giếng nằm ngang với chiều dài tới trên 1 km.
So với việc khai thác dầu, khí, việc khí hóa than được thực hiện ở áp suất thấp và nhiệt độ siêu cao đó là những thách thức đáng kể về mặt công nghệ. Nhiều dự án khí hóa hiện đại được thực hiện ở độ sâu dưới 500m, nơi mà việc điều khiển quá trình khí hóa là sự thách thức. Khí hóa than ở khu vực FOF sẽ ở độ sâu trên 1 km là những thách thức về công nghệ, nhưng sự khí hóa lại điều khiển tốt hơn.
Để có thể khí hóa tối ưu cần phải là độ thấm tốt của than. Do đó một sự liên hệ giữa các giếng nạp và sản phẩm cần thiết được thiết lập để kích thích khả năng thấm qua của dòng khí, khả năng này được tạo ra do chính quá trình khí hóa thông qua sự tăng trưởng (thể tích) của các hang (hốc). Quá trình đó đạt được nhờ sự cho phép buồng phản ứng hình thành dọc tuyến giếng nằm ngang như trên các hình 1 và 2.
Việc khai thác than trong vùng đa dạng sinh vật mang lại những kết quả mỹ mãn về môi trường – Một trong những giá trị nổi bật là việc KTN chứng tỏ rằng than có thể khai thác không ảnh hưởng đáng kể đến môi trường. FOF là một kiểu mẫu tốt cho các hoạt động của ngành công nghiệp, thuộc một trong số khu vực bảo vệ được hệ động vật đã được cải thiện trong những năm gần đây. Phần lớn đường bờ biển được dành làm địa điểm có tầm quan trọng đặt biệt và các khu vực bảo vệ đặc biệt, do đó việc lập kế hoạch triển khai công trình tại đây phải hết sức cẩn trọng để tránh xung đột với môi trường lịch sử dài về công nghiệp hóa với những mỏ than nâu thích hợp cho việc khai thác kiểu KTN.
Những sản phẩm KTN
Khí tổng hợp (chủ yếu là khí hydrogen và oxyt carbon) có thể được sử dụng trực tiếp để sản xuất năng lượng. Khí tổng hợp từ KTN có nhiệt trị thấp hơn khí thiên nhiên nhưng có thể sử dụng trực tiếp như nhiên liệu cho các tuabin khí. Hơn nữa, khí này có thể chế biến thành khí hydrogen, hoặc các chế phẩn hóa học như methanol hoặc ammonia (amoniac), hoặc các chất phái sinh (thứ sinh) như dầu diesel tổng hợp siêu sạch, dầu lửa (dầu tây) và nhiên liệu máy bay nhờ quá trình Fischer – Tropsch, một công nghệ đã được biết rộng rãi và trở thành công nghệ thương mại. Tính đa dạng của khí tổng hợp đã làm cho nó trở thành vật liệu thô hấp dẫn cho ngành công nghiệp.
Việc sản xuất khí hydrogen từ than sẽ kinh tế hơn nhiều so với chế biến hydrogen từ khí thiên nhiên nhờ thiết bị biến đổi bằng hơi nước. Sự phát triển nhanh chóng về công nghệ pin nhiên liệu hydrogen sẽ giảm đáng kể chi phí trong việc xây dựng các trạm phát điện không có khí carbon.
Các khí methanol và ammonia là những nguyên liệu chủ yếu cho các ngành công nghiệp chất dẻo và phân bón tương ứng. Khí tổng hợp có thể cung cấp cho các ngành với giá rẻ, lâu dài tránh được những dao động về giá cả trên thế giới gây ra bởi sự phụ thuộc hiện nay vào dầu khỏa và khí thiên nhiên.
Dầu diesel tổng hợp siêu sạch với rất ít hoặc không có sulphur, cũng có những ưu việt độc đáo, có thể bảo quản lâu trong kho, quá trình cháy rất sạch (không ô nhiễm). Đốt cháy dầu diesel tổng hợp trong động cơ ô tô cũng vẫn sinh ra CO2, những sự phát thải bụi và hydrocarbon không cháy kiệt (chủ yếu các hydrocarbon thơm) là rất ít. Sử dụng diesel tổng hợp cho vận chuyển công cộng sẽ giảm mạnh những chất độc hại trong các thành phố.
KTN cộng với thu hồi, cất giữ carbon (TCC)
Một chiến lược than sạch đòi hỏi việc thu hồi, vận chuyển và cất giữ carbon gắn liền với KTN. KTN bản thân nó thích hợp với phương pháp thu hồi khi đốt cháy sơ bộ, khí phải sạch để sản xuất oxide carbon (CO) tinh khiết cho vận tải.
Hiện nay không có cơ sở hạ tầng nào cất giữ carbon nên việc TCC không thể thực hiện được ngoài việc sử dụng carbon dioxide (CO2) để tăng cường việc thu hồi dầu mỏ. Những công việc khai thác ngầm ở vùng Forth có thể sẽ tham gia vào một dự án TCC đầu tiên ở ngay khu vực liền kề với vùng mỏ than. Một sự trình diễn thành công của cả hai KTN và TCC sẽ thúc đẩy việc ra đời đạo luật tạo điều kiện triển khai mạnh mẽ KTN và TCC.
Với việc áp dụng công nghệ mới, than có thể khai thác để sản xuất nhiều năng lượng và hydrocarbon hơn cho Scotland và phần còn lại của Anh trong nhiều thế kỷ tới.
Có một sự hoài nghi nào đó về việc sử dụng không hạn chế các nhiên liệu khoáng sẽ góp phần tăng nồng độ khí CO2 trong bầu khí quyển. Bởi vậy KTN có thể có vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng thải ít khí carbon. Dự án FOF là dự án đầu tiên ở Anh để ban tặng một giấy phép hết sức cá biệt cho việc KTN. Hy vọng rằng dự án này sẽ cho thấy rằng những tài nguyên than chưa đụng đến đó sẽ có thể được khai thác và ảnh hưởng đến môi trường có thể được giảm thiểu đáng kể.
