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.
chu trình công nghệ khí hóa than
2. 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.
3. 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.
Cơ quan Nghiên cứu Năng lượng hóa thạch (Mỹ) hiện cũng đang nghiên cứu các phương pháp kiểm soát và làm sạch khí tổng hợp tiên tiến, hiệu quả cao trong việc loại bỏ phát thải từ các lò khí hóa than.
Ngoài ra, công nghệ khí hóa than còn giải quyết được vấn đề hiệu ứng khí nhà kính do các phát thải cacbon đioxit gây lên. Nếu trong quá trình khí hóa, người ta sử dụng oxy thay cho không khí thì cacbon đioxit phát thải sẽ dưới dạng một dòng khí đậm đặc ở nhiệt độ cao, dễ dàng thu giữ với chi phí thấp. Trái lại, nếu than được đốt, thì với 79% là khí ni tơ, lượng khí cacbon đioxit bị làm loãng, cần chi phí cao để tách chiết.
4. Hiệu quả của công nghệ
Hiệu quả sử dụng là một trong những lợi ích của công nghệ khí hóa than. Tại một nhà máy điện sử dụng than, than được đốt để làm sôi nước, tạo hơi chạy máy phát điện tuabin. Tuy nhiên, trong nhiều trư ờng hợp, chỉ một phần ba giá trị năng lượng của than được chuyển hóa thành điện.
Tại nhà máy điện khí hóa than, than đư ợc khí hóa, loại bỏ các tạp chất và sau đó đốt trong tuabin khí để tạo ra nguồn điện. Đây là một phương pháp đạt hiệu suất cao trong việc chuyển hóa năng lượng của than thành điện. Hiệu suất chất đốt (hiệu suất nhiên liệu) tại một nhà máy điện áp dụng công nghệ chu trình hỗn hợp khí hóa phát điện có thể đạt mức 50% hoặc cao hơn.
Một số đánh giá lạc quan cho rằng việc sử dụng tổ hợp tuabin pin nhiên liệu (fuel cell) hoặc pin nhiên liệu khí (fuel cell gas) có khả năng đạt hiệu suất gấp hai lần so với các nhà máy điện sử dụng than như hiện nay. Ngoài ra, nếu lượng nhiệt dư được sử dụng cho các nhà máy hoặc trung tâm cấp nhiệt tại địa phương thì hiệu suất sử dụng nhiên liệu toàn phần tại các nhà máy khí hóa có thể đạt 70 – 80%.
Mặt khác, một nhà máy có hiệu suất cao đồng nghĩa với việc sử dụng ít nhiên liệu hơn, lượng phát thải khí cacbon đioxit sẽ ít hơn. Theo tính toán của Bộ Năng lượng Mỹ thì tại các nhà máy điện áp dụng công nghệ chu trình khí hóa, lượng phát thải này có thể cắt giảm tới 40% hoặc hơn, so với một nhà máy điện chạy bằng than thông thường.
Khả năng sản xuất điện, khí hydro, hóa chất và các hợp chất khác đồng thời giúp giảm thiểu gần như toàn bộ chất gây ô nhiễm không khí và những phát thải khí nhà kính tiềm ẩn đã khiến cho công nghệ khí hóa than là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất đối với các nhà máy năng lượng trong tương lai.
