Đôi nét về công nghệ khí hóa than
Trong những năm gần đây, nhằm giảm thiểu những nhược điểm nói trên, các nước
tiên tiến trên thế giới đã và đang áp dụng những công nghệ hiện đại trong việc
chuyển hóa than thành dạng nhiên liệu khác như nhiên liệu lỏng (coal liquefation),
nhiên liệu khí ( coal gasification), sử dụng an toàn, hiệu quả, không gây ô nhiễm
môi trường, nâng cao hiệu suất sử dụng than, giảm tổn thất tài nguyên, đảm bảo
phát triển năng lượng bền vững.
1. Giới thiệu chung
Theo thống kê về năng lượng thế giới của BP (British Petroleum) và WEC (World
Energy Council) thì hiện nay, trong tổng số 633 tỷ tấn trữ lượng than trên thế giới,
khu vực châu Á - Thái Bình Dương có trữ lượng 63 tỷ tấn, đứng thứ 5 sau Bắc Mỹ
(178 tỷ tấn), Liên Xô (cũ) (159 tỷ tấn), Trung Quốc (80 tỷ tấn) và Ấn Độ (65 tỷ
tấn). Than là nguồn nhiên liệu hóa thạch quan trọng được sử dụng trong sản xuất
điện, luyện thép, chế tạo phân bón và các sản phẩm hóa học. Trong tương lai, than
tiếp tục duy trì vai trò chính trong cán cân năng lượng thế giới. Tuy nhiên, tới nay
việc khai thác, chế biến và sử dụng than lại là tác nhân chính, gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng. Phát thải khí CO2 trong các quá trình trên đã gây ra hiệu ứng
nhà kính, phá hủy tầng ôzôn. Ngoài ra, trong quá trình khai thác than, nhất là khai
thác bằng phương pháp hầm lò, thường xảy ra những vụ tai nạn nghiêm trọng do
nổ khí, bụi than, do bục nước, sập lò, trượt lở đất đá.... làm chết hoặc bị thương
nhiều người. So sánh với các ngành công nghiệp khác thì tỷ lệ các vụ tan nạn gây
chết người trong ngành khai thác than đặc biệt cao và nghiêm trọng.
Trong những năm gần đây, nhằm giảm thiểu những nhược điểm nói trên, các nước
tiên tiến trên thế giới đã và đang áp dụng những công nghệ hiện đại trong việc
chuyển hóa than thành dạng nhiên liệu khác như nhiên liệu lỏng (coal liquefation),
nhiên liệu khí ( coal gasification), sử dụng an toàn, hiệu quả, không gây ô nhiễm
môi trường, nâng cao hiệu suất sử dụng than, giảm tổn thất tài nguyên, đảm bảo
phát triển năng lượng bền vững.
Bằng phương pháp hóa lỏng, than được chuyển hóa thành các loại nhiên liệu lỏng
như dầu diesel, gazolin. Trong phương pháp Fischer -Tropsch, than có thể chuyển
hóa thành khí ga sau đó được hóa lỏng. Trong chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ
hai, người Đức đã tiến hành hóa lỏng than bằng phương pháp Bergius mà nguyên
tắc chính là trộn lẫn than với khí hydro và đốt nóng. Tới nay còn có một số
phương pháp hóa lỏng than khác trong đó phải kể đến các phương pháp SRC-I và
SRC-II (Solvent Refined Coal). Ngoài ra, còn có một phương pháp khác do Tập
đoàn NUS (Mỹ) triển khai và được cấp bằng sáng chế vào năm 1976. Theo
phương pháp này, than được nghiền khô và trộn với các chất xúc tác 1%
molypđen. Quá trình hiđro hóa xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao và
tạo ra khí tổng hợp. Sản phẩm cuối cùng của phương pháp này là một dạng nhiên
liệu lỏng, như dầu thô (napta), có chứa một lượng nhỏ NH3 và một lượng đáng kể
CO2.
Phương pháp cacbon hóa ở nhiệt độ thấp (LTC) cũng có khả năng chuyển hóa than
thành dạng nhiên liệu lỏng. Than được luyện trong khoảng nhiệt độ 450° đến
700°C, thấp hơn so với nhiệt độ cốc hóa luyện kim (800 – 1000°C). ở nhiệt độ
này, nhựa than được tạo ra nhiều hơn và sau đó được chế biến thành nhiên liệu
lỏng.
Khí hóa là phương pháp chuyển hóa các loại vật liệu chứa cacbon như than, dầu
mỏ, nhiên liệu sinh học, sinh khối thành cacbon monoxit và hydro thông qua các
phản ứng với oxy và hơi nước ở nhiệt độ cao. Sản phẩm khí sau phản ứng được
gọi là khí tổng hợp và là một dạng nhiên liệu. Khí hóa là một phương pháp tạo ra
năng lượng từ các dạng vật liệu hữu cơ khác nhau.
Ưu điểm của phương pháp khí hóa là sử dụng khí tổng hợp hiệu quả hơn nhiều so
với việc đốt trực tiếp các nguồn nhiên liệu ban đầu do có thể đốt ở nhiệt độ cao
hơn. Khí tổng hợp có thể đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, sử dụng để sản
xuất methanol và hydro hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu tổng hợp nhờ phương
pháp Fischer-Tropsch. Phương pháp khí hóa cũng có thể áp dụng với các loại
nhiên liệu không có ích khác như các phế thải hữu cơ hay sinh khối. Quá trình đốt
ở nhiệt độ cao giúploại bỏ các thành phần tro ăn mòn như clorua, kali tạo thành
sản phẩm khí sạch.
Công nghệ khí hóa tích hợp-Intergrated gasification combined cycle (IGCC)
Hiện nay, khí hóa các nhiên liệu hóa thạch là một phương pháp được áp dụng rộng
rãi trên quy mô công nghiệp để sản xuất điện. Hầu như bất kỳ vật liệu hữu cơ nào
như gỗ, sinh khối, hay phế liệu chất dẻo đều có thể sử dụng làm nhiên liệu khí hóa.
Quá trình khí hóa dựa trên các phản ứng hóa học ở nhiệt độ trên 700°C. Trong lò
khí hóa, vật chất chứa cacbon trải qua các phản ứng khác nhau:
1. Quá trình nhiệt phân xảy ra khi các hạt cacbon bị nung nóng. Hơi thoát ra, còn
lại than (30%). Phản ứng này dựa trên các đặc tính vật liệu chứa cacbon và xác
định cấu trúc và hợp phần của than sẽ tham gia các phản ứng khí hóa.
2. Quá trình đốt xảy ra khi các chất dễ bay hơi và một ít than phản ứng với oxi tạo
thành cacbon đioxit và cacbon monoxit cung cấp nhiệt cho các phản ứng khí hóa
tiếp theo. Gọi C là hợp chất hữu cơ chứa cacbon và phản ứng cơ bản xảy ra như
sau:
3. Quá trình khí hóa xảy ra khi than phản ứng với cacbon đioxit và hơi nước để tạo
ra cacbon monoxit và hyđro thông qua phản ứng:
Ngoài ra, giai đoạn hồi khí trong phản ứng chuyển dịch khí – nước ( water gas
shift reaction) đạt sự cân bằng rất nhanh trong môi trường nhiệt độ lò khí hóa.
Điều này đã làm cân bằng nồng độ của cacbon monoxit, hơi nước, cacbon đioxit
và hydro:
Về cơ bản, một lượng giới hạn oxy hoặc không khí tham gia trong lò phản ứng đã
khiến cho một lượng chất hữu cơ bị cháy, tạo ra cacbon monoxit và năng lượng,
tiếp tục làm cho phản ứng tiếp theo xảy ra, chuyển hóa chất hữu cơ thành hyđro và
cacbon đioxit.
2. Những lợi ích về môi trường
Những lợi ích về môi trường của quá trình khí hóa chủ yếu là do khả năng giảm
đáng kể những phát thải SOx, NOx và các hạt vật chất trong khi đốt nhiên liệu khí
chuyển hóa từ than. Lượng lưu huỳnh có trong than đã được chuyển hóa thành
sunfua hydro và được thu giữ lại. Trong nhiều phương pháp, khí lưu huỳnh có thể
tách ra dưới dạng chất lỏng hoặc rắn có khả năng thương mại. Trong một nhà máy
sử dụng công nghệ chu trình hỗn hợp khí hóa phát điện (IGCC), khí tổng hợp sản
xuất ra chủ yếu dưới dạng ni-tơ nhiên liệu. Lượng NOx phát thải từ tuabin chạy
bằng khí đốt ngang bằng lượng NOx phát thải từ nhiệt. Làm loãng khí tổng hợp
khiến cho lượng phát thải khí NOx chỉ ở mức 15 phần triệu (ppm). Sử dụng chất
xúc tác có chọn lọc (SCR) có thể đạt hiệu suất cháy ngang với khí tự nhiên. Một
số phương pháp kiểm soát phát thải khí tiên tiến khác hiện đang được triển khai có
khả năng giảm thiểu phát thải NOx xuống mức 2 phần triệu (ppm) từ các tua bin sử
dụng khí hydro
