Báo cáo tổng quan về UCG

BÁO CÁO TỔNG QUAN
VỀ CÔNG NGHỆ KHÍ HOÁ THAN
(Tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu khả thi dự án phát triển bể than
ĐBBB, kèm theo Tờ trình số
/TGĐ-TTr ngày tháng
năm 2007)
1

Tầm quan trọng của công nghệ khí hoá than

Dân số thế giới hiện khoảng 6 tỷ. Nhu cầu tiêu dùng năng lượng hàng năm khoảng
13 tỷ tấn NLTC, tức bình quân 2,1 tấn NLTC/người.
Để đáp ứng nhu cầu trên, đồng thời để đáp ứng những yêu cầu về bảo vệ môi
trường cuộc cách mạng công nghệ hiện nay đang phải tập chung giải quyết các
vấn đề về hoá học, năng lượng, và khai khoáng.
Một trong những vấn đề đó là khí hoá các nhiên liệu rắn. Mặc dù hiện nay trong
công nghiệp và trong lĩnh vực năng lượng, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang
chiếm vai trò chủ đạo và quyết định, theo các dự báo, sản lượng dầu mỏ và khí
thiên nhiên sẽ đạt mức tối đa sau 20-30 năm nữa, sau đó sẽ giảm nhanh chóng. Ở
một số nền kinh tế, đã và đang xuất hiện việc giảm sản lượng khai thác. Chẳng
hạn, sản lượng khí thiên nhiên của Mỹ năm 1975 là 558 tỷ m3, đến năm 1986
giảm còn 473 tỷ m3. Các nhà khoa học đã dự tính trữ lượng thực tế trong lòng
đất của dầu mỏ đủ dùng cho toàn nhân loại thêm 40-50 năm nữa, của khí đốt30-40 năm, của than 200-250 năm.
Tổng trữ lượng than của một số nước được đánh giá như sau:
Nước
Bitum/An
thracite
Australia
38500
T.Quốc
63000

Indonesia
750
Nga
48700
Canada
3500
Mỹ
111000
Nam Phi
48800
Ấn Độ
89700
Columbia
6200
Tổng trữ lượng khả khai
478800
%`
53%
Trữ lượng được chứng minh
805000
Tài nguyên dự đoán
807400

Tổng trữ lượng (triệu tấn)
thời gian
SubThan
tổng trữ tổng sản tồn tại
(năm)
bitum
nâu

lượng
lượng
2400
37600
78500
340
231
33200
18300
114500
1393
82
1350
2900
5000
103
48
97300
11000
157000
253
620
900
2200
6600
67
99
101100
34500
246600

993
249
0
0
48800
215
227
0
2800
92500
359
258
400
0
6600
40
167
272300 158000
909100
4823
188
30%
17%
100%
355400 213900 1374400
398600 847700 2053700

Cân đối về sản phẩm dầu mỏ của một số nước như sau:
Nước

Trữ
lượng
(tr.tấn)

Tỷ lệ
(%)

Nhu cầu
dầu
(tr.thùng/n

Trang 1 / 49

Sản
lượng
dầu

Cân
bằng
cung-


gày
Mỹ
Nga
TQ
Ấn độ
Australia
Nam Phi
Ukraine

Kazakhstan
Balan
Brazil
Tổng

246000
157000
114500
92500
78500
48800
34000
31000
14000
10000
826000

27.1
17.3
12.6
10.2
8.6
5.4
3.8
3.4
1.5
1.1
91.0

20.7

2.8
7.0
2.5
0.9
0.5
0.3
0.2
0.5
1.8

(tr.thùng
ngày)
6.9
9.6
3.6
0.8
0.6
0.3
0.1
1.4
0.1
1.7

cầu
- 13.8
+ 6.8
- 3.4
- 1.7
- 0.3
- 0.2

- 0.2
+ 1.2
- 0.4
-0.1

Thực tế đối với than, số liệu có thể lạc quan hơn. Tổng trữ lượng than có thể
khai thác được của toàn thế giới dự báo khoảng 2500-3000 tỷ tấn. Mức khai thác
hiện nay khoảng 3 tỷ tấn/năm, như vậy than còn có thể đủ cho thời gian 1000
năm. Nếu tính đến nhu cầu về năng lượng của các nền kinh tế và tiềm năng phát
triển mạnh công nghệ khí hoá than trong lòng đất, tổng sản lượng than của thế
giới có thể đạt mức 6 tỷ tấn/năm. Như vậy kỷ nguyên của than còn kéo dài thêm
khoảng 500 năm nữa.
Nếu tính đến cả khả năng bổ sung trữ lượng nhờ công tác thăm dò và hoàn thiện
công nghệ khai thác, các chuyên gia đã xác định trong tiềm năng về nhiên liệu
hoá thạch có nguồn gốc cacbon của trái đất, tỷ trọng của than là 90-97%, trong
khi đó, tỷ trọng của dầu mỏ và khí đốt chỉ chiếm 3-10%. Chính vì vậy vấn đề
hoá lỏng và khí hoá nhiên liệu rắn (điều chế từ than thành dầu và khí) là một lĩnh
vực được cả thế giới quan tâm.
“Than là bánh mỳ của công nghiệp”- như Lê Nin đã ví vào đầu thế kỷ 20. Nhưng
việc sử dụng than theo các công nghệ truyền thống như một nguồn năng lượng
hoá thạch sơ cấp đến nay đã và đang đặt ra những vấn đề có liên quan tới môi
trường. Ngay cả khi các nhà máy nhiệt điện chạy than được trang bị hệ thống lọc
bụi có hiệu suất tới 98,5-99% (điều này chỉ có thể đạt ở các dự án điện mới), thì
mức độ ô nhiễm do phát thải của các nhà máy nhiệt điện chạy than vẫn cao hơn
tới 5-40 lần so với của các nhà máy điện nguyên tử có công suất tương đương.
Để có thể khẳng định công nghệ UCG là một công nghệ sạch về môi trường, ta
có thể tham khảo các thông số đã được các nhà khoa học Nga xác định như sau:
+ Trong giai đoạn khai thác than bằng các công nghệ bình thường, lượng chất
thải rắn hình thành tính bình quân cho 1 tấn NLTC là 5-6tấn/tấn NLTC; diện tích
mặt đất bị ảnh hưởng trực tiếp 15-20ha/triệu tấn NLTC; lượng phát thải bụi than

vào không khí 3-6 kg/tấn NLTC;
+ Trong khâu sử dụng (đốt) than: lượng chất thải xỉ 130-170 kg/tấn NLTC; phát
thải khí NOx 2-5 kg/tấn NLTC.
Trang 2 / 49


2

Bản chất và phân loại khí hoá than

Việc sử dụng than như một nguồn năng lượng để thu nhiệt, hay phát điện nhưng
không gây nguy hại cho môi trường, an toàn về mặt phát thải chính là đề xuất
của Mendeleép và Ramjai về khí hoá than và làm sạch khí trong các lò khí hoá.
Ý tưởng khí hoá than thuộc về Mendeleép từ năm 1888 và nhà hoá học người
Anh Uliam Ramjai (1912).
Quá trình chuyển hoá than từ dạng rắn sang dạng khí đã được quan tâm nghiên
cứu cách đây gần 200 năm. Ứng dụng đầu tiên về khí thu được từ việc khí hoá
than (đã khai thác- khí hoá trên mặt đất) đã được thể hiện lần đầu tại hệ thống
chiếu sáng trên các phố của Luân Đôn vào năm 1807. Từ năm 1812 công ty
chuyên doanh về than coke và khí đốt làm ánh sáng đã được thành lập tại Luân
Đôn. Đến giữa thế kỷ 19, việc khí hoá than trên mặt đất (than đã khai thác) đã
trở thành một ngành công nghiệp phát triển mạnh của Anh.
Bản chất của khí hoá than là biến than từ nhiên liệu dạng rắn thành nhiên liệu
dạng khí. Ở các dạng rắn hoặc khí, nhiên liệu than đều chứa các thành phần cháy
được. Các thành phần cháy được này sẽ thay đổi trong quá trình chuyển hoá
nhiên liệu than từ dạng rắn sang dạng khí. Về nguyên tắc, tất cả các loại than đều
có thể được khí hoá.
Sự khí hoá than (chuyển biến của than từ rắn sang khí) được xẩy ra trong lò, hay
còn được gọi là lò khí hoá than. Về bản chất, lò khí hoá than là một lò phản ứng
hoá học, trong đó sẽ xẩy ra các quá trình lý hoá, có thể được mô tả bằng các

phương trình phản ứng hoá học cụ thể.
Trong các tài liệu kỹ thuật, người ta thường phân khí hoá than thành hai dạng
công nghệ cơ bản khác nhau theo bản chất của nguyên liệu than được đưa vào
khí hoá và theo bản chất của lò khí hoá là:
(i) khí hoá than trong vỉa dưới lòng đất (Underground Coal Gasification, được
viết tắt là UCG);
(ii) khí hoá than đã khai thác trên mặt đất (Surface Coal Gasification, được viết
tắt là SCG).
Công nghệ UCG: có nguyên liệu đầu vào của là than còn nằm trong vỉa dưới
lòng đất, và có lò khí hoá là khoảng không tự nhiên được tạo ra ngay trong vỉa
than.
Công nghệ SCG: có nguyên liệu đầu vào là than đã được khai thác lấy ra khỏi
lòng đất, và có lò khí hoá là thiết bị được chế tạo theo các thiết kế nhất định phụ
thuộc vào từng qui trình được sử dụng.

Trang 3 / 49


3

Khí hoá than dưới lòng đất (UCG)

3.1 Tính ưu việt của UCG
Ưu điểm của khí hoá than dưới lòng đất có rất nhiều: không cần đến lao động
nặng nhọc độc hại của thợ lò; nhiều công đoạn phức tạp, có chi phí lớn, gây ô
nhiễm cho môi trường (như vận tải, bốc rót, nghiền than) sẽ được thay thế hoặc
không cần thực hiện. Về mặt môi trường, khí hoá than dưới lòng đất còn ưu việt
hơn phương pháp khai thác than bằng công nghệ lộ thiên do không có bãi thải,
không làm biến đổi môi trường đất. Ngoài ra, khí hoá còn cho phép tự động hoá
ở mức cao.

Phương pháp khí hoá than dưới lòng đất cho phép khai thác các vỉa than nằm
sâu, có chiều dầy nhỏ. Điều này cho phép tăng đáng kể trữ lượng khả khai của
than trong tổng tiềm năng được đánh giá. Ví dụ, Đức có tổng tiềm năng than
được đánh giá tới 230 tỷ tấn, trong khi đó, với công nghệ và trình độ kỹ thuật
hiện tại, trữ lượng khả khai của than chỉ có 24 tỷ tấn. Như vậy tới gần 90% trữ
lượng than sẽ nằm lại trong lòng đất không được khai thác sử dụng nếu không
phát triển công nghệ khí hoá than dưới lòng đất. Hay ở Ucraina, các nhà khoa
học đã xác định 78% trữ lượng than đá và 34% trữ lượng than nâu có thể khí hoá
theo công nghệ UCG.
Về mặt kinh tế, các tính toán của Mỹ cho thấy giá khí thu được nhờ khí hoá than
dưới lòng đất rẻ hơn 1,3-3,9 lần so với giá khí thiên nhiên khai thác ở Alaska và
rẻ hơn 1,45 lần so với khí thu được trong các lò khí hoá trên mặt đất.
Tuy nhiên, hiện còn nhiều vấn đề có liên quan cần được giải quyết để phát triển
có hiệu quả công nghệ khí hoá than dưới lòng đất. UCG phụ thuộc rất cơ bản
vào điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn của vỉa than.
3.2 Sơ đồ nguyên lý của công nghệ UCG như trong hình vẽ sau:
Người ta khoan thẳng đứng một cặp (hai) lỗ khoan 1 từ mặt đất xuống tới vỉa
than 5. Sau đó khoan nghiêng-ngang lỗ khoan 4 nối thông hai lỗ khoan 1 với
nhau. Sau khi có thể thổi không khí/ôxy xuống vỉa than qua một lỗ khoan 1 và
hút lên qua lỗ khoan 1 thứ hai, người ta đốt cháy vỉa than để tạo ra lò phản ứng 3
ngay trong vỉa than. Lò phản ứng 3 này được bao bọc ban đầu bằng than chưa
cháy trong vỉa 5, sau đó bằng đất đá 2 bao quanh vỉa than.

Trang 4 / 49


Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của UCG
1. lỗ khoan từ mặt đất;
2. đất đá bao quanh vỉa than;
3. lò khí hoá than (nơi than được

đốt cháy);

4. lỗ khoan ngang/nghiêng nối
thông hai lỗ khoan đứng;
5. vỉa than

Sơ đồ công nghệ UCG này có thể được kết hợp với các qui trình sử dụng sản
phẩm khí sau khi đã được khí hoá như trong sơ đồ sau:

Trang 5 / 49


Sơ đồ nguyên lý của một tổ hợp mỏ-năng lượng trên cơ sở UCG
1- Lò khí hoá dưới lòng đất;
10- Tuabin khí;
2- Không khí nén thổi vào vỉa than;
11- Ống khói hút;
3- Khí có nhiệt lượng thấp thu được
12- Bộ hâm nước;
từ lò khí hoá trong vỉa;
13- Máy phát điện xoay chiều;
4- Thiết bị lọc khí;
14- Lưới điện;
5- Khí trời;
15- Tuabin hơi;
6- Máy nén;
16- Bình ngưng;
7- Buồng đốt;
17- Bơm;
8- Máy sấy hơi;

18- Hơi nóng 250oC;
9- Khí trong khói;
19- Nước.
3.3 Các công đoạn chính của UCG
UCG có thể tạm phân thành 4 công đoạn:
1. Khoan các lỗ khoan nghiêng-ngang theo vỉa để thổi không khí từ mặt đất
vào đốt vỉa than và dẫn khí cháy của than từ trong vỉa lên mặt đất;
2. Thiết lập trong vỉa than giữa các lỗ khoan này các kênh khí hoá bằng cách
đốt cháy vỉa than.
Trang 6 / 49


3. Khí hoá vỉa than bằng cách thổi không khí từ bên ngoài theo lỗ khoan vào
kênh khí hoá để duy trì sự cháy của vỉa than và thu các sản phẩm khí của
đám cháy than trong vỉa.
4. Làm sạch khí.
Quá trình hoá khí của than xẩy ra nhờ tác dụng hoá học của cacbon với ôxy và
sự phân hoá vì nhiệt của than. Nhược điểm cơ bản của UCG là sản phẩm khí
có nhiệt năng thấp, quá trình khí hoá của than trong vỉa xẩy ra không ổn định,
khó điều khiển, không thể thu hồi triệt để các sản phẩm cháy của than, khối
lượng khoan và khối lượng chuẩn bị lớn, có thể chiếm tới 30-35% giá thành
sản phẩm. Mặc dù vậy, phương pháp UCG truyền thống vẫn là cơ sở vững
chắc cho các nghiên cứu hoàn thiện tiếp.
3.4 Các nghiên cứu và phát triển về UCG
Ở Liên xô cũ, công tác nghiên cứu về UCG đã được bắt đầu từ năm 1930. Đến
giai doạn 1945-1948 đã xây dựng được các sơ đồ công nghệ UCG trên cơ sở
các lỗ khoan, tạo ra trong vỉa than các kênh khí hoá không cần mỏ.
Sau Thế chiến lần 2, kinh nghiệm của Nga đã được sử dụng ở Mỹ, Anh, Pháp,
Đức, Bỉ và các nước khác.
Ở Liên Xô cũ có trạm khí hoá than Nam Apinskaia ở Cudơbát được đưa vào

vận hành từ 1955 đến 1996; Công suất cao nhất của trạm này đã đạt vào năm
1966 là 488 triệu m3 khí với giá thành 1,98 rúp/1000m3 hay tương đương với
giá 14 rúp/tấn NLTC. Trong giai đoạn 1967-1977 công suất của trạm giao
động khoảng 300-420 tr.m3/năm, cung cấp cho 7 hộ dùng khí ổn định.
Ở Uzơbếc có trạm Angren hoạt động từ 1963 đến nay.
Trong các năm 1970-1980, hầu hết các cường quốc về công nghiệp than trên
thế giới đã mua bản quyền công nghệ khí hoá than dưới lòng đất của Liên Xô.
Nga là nước có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và đạt được các kết quả
thực tế về công nghệ UCG lớn nhất thế giới. Hiện nay các nhà khoa học Nga
cũng đã và đang tiếp tục hoàn thiện các phương án công nghệ của UCG.
Các nước có nền công nghiệp than phát triển đều rất quan tâm đến UCG. Tại
Trung Quốc, công tác nghiên cứu về UCG mang tính thực tiễn cao và rất phát
triển. Các năm qua đã có tới 10 trạm UCG được xây dựng ở Trung Quốc. Tại
Áo năm 2003 cũng xây dựng xong một cơ sở UCG lớn. Các nước khác như
Ấn độ, Triều Tiên, Hàn Quốc cũng rất quan tâm đến UCG.
Giai đoạn trước năm 1970-1980, các lò khí hoá than được thiết lập theo
phương pháp hỗn hợp, phải sử dụng các công việc hầm mỏ. Sau giai đoạn
1980, các lò khí hoá đã không cần tiến hành các công việc hầm mỏ. Trong giai
đoạn này đã hoàn thiện công nghệ nối hai lỗ khoan bằng kênh đốt than, công
nghệ khoan theo vỉa, công nghệ thuỷ lực hoá vỉa than, công nghệ khoan
Trang 7 / 49


nghiêng-ngang bằng các mũi khoan nhanh tốc độ lớn, đặc biệt có trang bị thiết
bị dẫn hướng.
Mỹ và các nước Tây Âu đã từ lâu triển khai các nghiên cứu ứng dụng công
nghệ UCG. Ở Mỹ, UCG được nghiên cứu rầm rộ từ những năm 1972 (gắn với
thời kỹ khủng hoảng năng lượng). Trong giai đoạn 1972-1989 đã tiến hành 30
dự án thử nghiệm trong các điều kiện mỏ-địa chất khác nhau. Thử nghiệm trên
hiện trường đầu tiên được tiến hành với phương pháp thổi không khí, và thu

được khí có nhiệt trị thấp. Phần lớn các thử nghiệm sau này đã được tiến hành
với phương pháp thổi hơi ôxy và thu được khí có nhiệt trị trung bình. Kết quả
tốt nhất ở Mỹ thu được nhờ phương pháp thổi khí có định hướng tới bề mặt
đang cháy của vỉa than (phương pháp đã được kiểm chứng ở Nga trước đó).
Hiện nay, công ty Energy International của Mỹ đang thực hiện các nghiên cứu
ở trình độ cao về UCG một cách chi tiết.
Các kết luận đã được chủ tịch của Energy International rút ra về UCG như
sau:
1) Chi phí sản xuất của khí thu được trong UCG nhỏ hơn so với của khí hoá
than trên mặt đất (SCG).
2) Chi phí đầu tư các cơ sở sản xuất có cùng qui mô tương tự của UCG nhỏ
hơn;
3) Các chỉ tiêu về môi trường của UCG đạt tối đa khi công suất của xí nghiệp
thấp hơn;
4) Khí tổng hợp của UCG có thể cạnh tranh với khí thiên nhiên.
Các tiềm năng để nâng cao hiệu quả của UCG có thể liệt kê như sau:
- hoàn thiện sơ đồ khí hoá theo hướng thiết lập kết cấu lò khí hoá dưới vỉa
với mục đích tăng mức độ tác động qua lại và tác động có định hướng của
không khí với bề mặt đang cháy của vỉa than;
- giảm tổn thất nhiệt;
- khi chuyển sang độ sâu lớn hơn 700m, ưu việt của UCG sẽ tăng lên.
Các nhà nghiên cứu Mỹ đã so sánh các phương án khác nhau giữa khí hoá
than dưới lòng đất UCG và SCG (khí hoá than trên mặt đất). Kết quả đã khẳng
định chi phí sản xuất của khí tổng hợp theo UCG thấp hơn so với SCG.
Kết quả nghiên cứu ở tất cả các nước đều có một số điểm chung: (i) đã khẳng
định tính khả thi về kỹ thuật của UCG; (ii) đã chứng minh (tính khả thi về
kinh tế) thời điểm sản phẩm khí được sản xuất bằng các công nghệ UCG cạnh
tranh được với khí thiên nhiên đã tới; và (iii) đối với các khu vực có sẵn trữ
lượng than (bất kể loại than đá hay than nâu) đều đang có cơ hội tự đảm bảo
Trang 8 / 49

được nguồn cung cấp năng lượng tại chỗ trên cơ sở tiềm năng sẵn có của mình
nhờ sử dụng các công nghệ UCG phù hợp.

Kinh nghiệm của các chuyên gia Bỉ về UCG cũng được cả thế giới thừa nhận.
Đặc biệt trong lĩnh vực áp dụng UCG cho các vỉa than nằm rất sâu (từ 700m
đến hơn 1000m).
Các nhà kỹ thuật của Bỉ đã hợp tác với các kỹ sư Đức, Anh và Tây Ban Nha
triển khai thành công hai dự án mang tính trình diễn về công nghệ UCG. Dự án
UCG thứ nhất triển khai năm 1979-1988 tại thành phố Tulene (Eno, Bỉ) với độ
sâu 900m. Dự án UCG thứ hai (1991-1998) tại Alcoriza (Aragon, Tây Ba Nha)
có độ sâu 600m. Cả hai dự án đã từng gặp rất nhiều trở ngại và khó khăn do
những động thái về kiến tạo không nhìn thấy trước của các hoạt động trong
lòng đất sâu ở Tulene và do xuất hiện nước ngầm từ các vỉa than nằm bên trên
ở Alcoriza. Các nhà kỹ thuật đã thu được rất nhiều kinh nghiệm có ích qua xử
lý, khắc phục hay giảm thiểu ảnh hưởng xấu của các sự cố này.
Một trong những thành tựu đạt được mở ra nhiều triển vọng cho UCG là đã
chứng minh tiềm năng hoàn thiện phương pháp khoan nghiêng vào các vỉa nằm
sâu. Đồng thời cũng đã thu được nhiều thông tin về các vấn đề kỹ thuật có tính
quyết định như phương pháp đốt than ban đầu (phát hoả), phương pháp di
chuyển liên tục ống dẫn khí đặt trên các con lăn, điều khiển hình dạng và kích
thước của lò khí hoá trong vỉa than v.v.
Sự tham gia nói trên của các kỹ sư Bỉ đã được thực hiện thông qua một tổ chức
IDGS (Institution pour le Développement de la Gazéification Souterraine)- là
một hiệp hội phát triển UCG. Nhiệm vụ của IDGS là nghiên cứu xây dựng các
qui trình công nghệ về UCG để chuyển giao cho các công ty tư nhân khi cần
thiết.
Rất đáng tiếc, do không có các dự án tiếp theo, IDGS đã buộc phải giải thể và
chuyển giao toàn bộ tài liệu kỹ thuật thu được về UCG cho một tổ chức có tên

gọi là UNERBEL. Tổ chức này đang lưu giữ các tài liệu của IDGS tại phòng
lưu trữ của trường Đại học tổng hợp ở thành phố Lieza. UNERBEL hoạt động
dưới dạng một mạng lưới có ý nguyện củng cố các mối quan hệ hợp tác giữa
các trường đại học về lĩnh vực UCG.
Các uỷ viên điều hành của UNERBEL có thể liên hệ trao đổi thông tin qua địa
chỉ sau, gồm:
•

Jacques PATIGNY, председатель, professeur émérite Université catholique de
Louvain


•

Jean-Paul PIRARD, заместитель председателя, professeur Université de Liège

Trang 9 / 49



•

Léon BOLLE, секретарь, professeur Université catholique de Louvain


•

Roland DREESEN, VITO Expertisecentrum Energietechnologie

•

Philippe FIEVEZ, Diamant Boart sa


•

Marc MOSTADE


•

Jean-Pierre TSHIBANGU K., professeur Faculté Polytechnique de Mons


Những kinh nghiệm của các kỹ sư Bỉ về UCG còn có giá trị cho các lĩnh vực
công nghệ khác có liên quan như CBM (CBM – Coal Bed Methane), ECBM và
đặc biệt là công nghệ chôn cất (Sequestration) CO2 trong các hang động sâu
trong lòng đất. Công nghệ CBM có thể cho phép tiệm cận được tới các tài
nguyên than khổng lồ của nhân loại mà từ xưa đến nay chưa được tính đến
trong đó có các mỏ than nằm ngoài thềm lục địa. Công nghệ CBM có thể sử
dụng CO2 là loại khí có tính bền vững rất cao, để bơm vào các vỉa than có chứa
khí CH4 để đẩy khí CH4 này ra ngoài.
3.5 Việc chế biến và sử dụng sản phẩm khí sau khí hoá than
Về cơ bản, thành phần của khí thu được sẽ phụ thuộc vào công nghệ áp dụng là
thổi không khí hay thổi hơi ôxy vào vỉa than đang cháy. Thành phần này của
sản phẩm khí có thể được chế biến theo hướng làm giầu thành sản phẩm có thể
thay thế loại khí thiên nhiên để sử dụng hiệu quả hơn.
Các nghiên cứu thực tế tại các cơ sở UCG cho thấy thành phần của sản phẩm
khí thu được bằng các công nghệ UCG có thể thay đổi trong các khoảng lớn

như sau:
+ Khi áp dụng công nghệ thổi không khí:
СО2 - 12,0-15,3%; СmНn - 0,1-0,7%; О2 - 0,2%; СО - 10,0-14,0%;
Н2 - 12,1-16,2%; СН4 - 2,0-4,0%; N2 - 55,0-60,0%; Н2S - 0,01-0,06%.
Nhiệt năng của khí sẽ đạt khoảng 4 МJ/м3. Khí này có thể sử dụng cho các tổ
máy tuanbin khí để phát điện hoặc đốt trong các lò hơi của nhà máy nhiệt
điện.
+ Khi áp dụng công nghệ thổi hơi ôxy:
CO - 35,0%; H2 - 50,0%; CH4 - 7,5%; CmHn - 1,2%; O2 - 0,3%; N2 - 5,0%.
Nhiệt năng của sản phẩm khí có thể đạt 10-13 МJ/м3.
Trang 10 / 49


Thành phần của sản phẩm khí thu được theo công nghệ thổi không khí, theo
công nghệ thổi hơi ôxy, và sau khi làm giầu được tổng hợp trong bảng sau:
Thành phần của sản phẩm Thổi không khí Thổi hơi ôxy**
khí %
*
СО2
4,6/13,0
28,03
СО
27,3/12,4
20,20
СН4
1,8/2,15
11,13
Н2
10,1/12,2
38,94

С2Н2
0,40
С2Н6
0,1/0,7
0,61
N2+O2
56,2/59,5
0,29
H2S
0,01/0,05
0,40
Tổng
100,0
100,0

Khí thay thế khí
thiên nhiên **
1,81
0,01
93,01
4,16
1,01
100,0

* thành phần thực tế thu được tại trạm Nam Apinskaia của Nga (tử số - điều
kiện thuỷ văn thuận lợi và vỉa có chiều dầy 9m; mẫu số- vỉa có nước ngầm
chiều dầy 2,2m)
** thành phần theo tính toán
Nhiệt năng của khí nếu dùng công nghệ thổi không khí 4-4,2MJ/m3; nếu dùng
công nghệ thổi hơi ôxy 10-10,5MJ/m3, và sau khi làm sạch (loại bỏ CO2)- 11,512,5 MJ/m3.

Sản phẩm khí để thay thế khí thiên nhiên là sản phẩm đã được làm giầu metan
trên mặt đất sau khi thu được từ lòng đất sẽ có nhiệt năng lên tới 34-35MJ/m3.
Quá trình làm giầu mêtan được xẩy ra theo hai phản ứng hoá học như sau:
СО+3Н2 ↔ СН4+Н2О + q (1)
СО2+4Н2 ↔ СН4+2Н2О+q (2)
Theo phản ứng (1) tỷ lệ Н2/СО cần không nhỏ hơn 3. Khí thu được ban đầu có tỷ
lệ này bằng 3,75 (СО2 – 3,1; СО – 16,92; СН4 – 14,93; Н2 – 63,51; С2Н4 – 0,45;
С2Н6 – 0,69; N2+O2 – 0,40%).
Việc điều chế khí thu được từ công nghệ UCG để thay thế khí thiên nhiên là
hoàn toàn khả thi và hiệu quả về mặt năng lượng. Theo tính toán của các chuyên
gia Mỹ và Nhật, sản phẩm thay thế khí thiên nhiên này có thể có giá tới 60-70
U$/1000m3. Và trong trường hợp này, sản phẩm có thể được vận chuyển đi xa.
Để giảm các chi phí, phương án tốt nhất vẫn là xây dựng các nhà máy nhiệt điện
đi kèm theo các trạm khí hoá than theo công ngệ UCG. Theo tính toán của các
chuyên gia Nga, để một nhà máy nhiệt điện công suất 300MW hoạt động bằng
khí UCG, cần phải đưa vào hoạt động một trạm UCG có 60 lỗ khoan khí hoá
dùng công nghệ thổi không khí hay 20 lỗ khoan thu hồi khí hoá dùng công nghệ
thổi hơi ôxy. Sản lượng khí mỗi lỗ khoan cần đạt 10.000m3/h, và hiệu suất năng
Trang 11 / 49


lượng của tổ hợp này sẽ là 50%. Công suất nhiệt tính cho mỗi cặp lỗ khoan là
10MW (thổi không khí) và 30MW (thổi hơi ôxy).

3.6 Dự án khí hoá than (UCG) kết hợp với nhà máy nhiệt điện (TPP)
Nhờ sự hoàn thiện trong lĩnh vực phát điện, bước phát triển tiếp theo của UCG là
tổ hợp công nghệ khí hoá than dưới lòng đất kết hợp với nhà máy nhiệt điện trên
mặt đất sử dụng ngay sản phẩm khí hoá để phát điện “UCG-TPP”. Mô hình công
nghệ tổ hợp này có thể được triển khai một cách linh động với qui mô công suất
phụ thuộc vào qui mô của khoáng sàng than dự kiến được khí hoá. Bằng mô hình

của tổ hợp công nghệ năng lượng UCG-TPP, trong tương lai than sẽ thay thế khí
thiên nhiên và dầu mỏ.
Dự án Angren, Uzbekistan

Dự án ở Angren đã bắt đầu hoạt động từ 1959 và liên tục cho đến nay cấp đủ khí
cho nhà máy điện trong vòng 48 năm. Hiện Ergo Exergy vẫn trợ giúp kỹ thuật
cho dự án này.
Trạm UCG tại Angren lớn nhất thế giới, hiện đang khí hoá than nâu để thu khí
nhiên liệu cung cấp cho nhà máy nhiệt điện tại chỗ. Trạm khí hoá than này đang
hoạt động trên phần trữ lượng than của khoáng sàng than nâu Angren. Phần trữ
lượng này được đánh giá theo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và theo các điều kiện
mỏ - địa chất là không hiệu quả nếu khai thác bằng công nghệ mỏ lộ thiên và
hầm lò. Bên cạnh trạm UCG, tại khoáng sàng than này còn có và đã từng hoạt
động một mỏ lộ thiên và một mỏ hầm lò. Trong tương lai, công nghệ UCG tại
Angren sẽ còn tiếp tục được phát triển do đã có các dự án cải tạo mở rộng nhà
Trang 12 / 49


máy nhiệt điện hiện có và xây dựng mới một nhà máy điện khác cũng chạy khí
của UCG.
Hiện nay ở Nga, các chuyên gia của Viện ИУУ СО РАН đã xây dựng xong dự
án đầu tư sử dụng công nghệ UCG để xây dựng 6 tổ hợp năng lượng với tổng
công suất 850MW, tổng mức đầu tư 15,5 tỷ Rúp, có thời gian hoàn vốn gần 3
năm.
Mô hình công nghệ năng lượng UCG-TPP được triển khai ở Áo có các thông số
sau:
+ công suất phát điện của TPP là 67MW, sử dụng công nghệ IGCC;
+ công suất khí hoá UCG 100.000Nm3/h;
+ nhiệt năng của sản phẩm khí cấp cho TPP: khoảng 5,5MJ/m3 (tương đương
1300kcal.m3)

+ quá trình khí hoá sử dụng phương pháp thổi không khí ở áp suất 10,5pa.
+ các công việc có liên quan đến UCG đã được hoàn thành từ 1999, và theo kế
hoạch, dự án sẽ đạt 100% công suất điện vào năm 2003.
Dự án thương mại này của Áo có sự tham gia của các chuyên gia của Uzơbek,
Mỹ và Canada.
Dự án Majuba, South Africa - Eskom

(theo nguồn tham khảo: Mpumalanga, South Africa, 10:50 p.m. (GMT 20:50),
Saturday, January 20, 2007) Đây là dự án UCG đầu tiên ở Châu Phi đã bắt đầu
hoạt động thành công. Dự án Majuba nằm tại Mpumalanga, Nam Phi, đang sản
xuất loại khí chất lượng cao từ than đá để sử dụng cho nhà máy nhiệt điện công
suất 4200MW. Dự án được triển khai theo công nghệ của Ergo Exergy's
εUCG™ do Eskom Holdings Ltd. Làm chủ. Dự án Majuba UCG là một dự án
có một không hai (unprecedented) về quy mô, địa chất và điều kiện tự nhiên.
Từ năm 2002, với công nghệ co-firing εUCG™ do Ergo Exergy cung cấp nhà
máy nhiệt điện này ở Nam Phi đã được chủ đầu tư là Eskom Holdings Ltd triển
khai. Ban đầu, than cấp cho nhà máy có công suất thiết kế 4200MW này (bằng
1/3 tổng công suất các nhà máy phát trong hệ thống điện của VN hiện nay) dự
kiến sẽ được khai thác bằng mỏ hầm lò công suất 15 tr.t/năm (tương đương với
qui mô giai đoạn 1 của dự án ĐBBB của VN), với vỉa than dầy 3,5 m, nằm dưới
độ sâu 300m.
Việc khai thác than bằng hầm lò đa phải đóng cửa và bỏ (abandoned) do dolerite
(loại đá rắn thường là feldsparr và pyroxene) thường xuyên gặp trong than.

Trang 13 / 49


Công nghệ εUCG đang sản xuất khí từ than trong mỏ không thể khai thác được
này để cấp cho nhà máy nhiệt điện Majuba. Đá dolerite đã không làm hạn chế
các qui trình khí hoá than bằng công nghệ εUCG.

Một trạm pilot ban đầu sẽ cung cấp đủ khí để phát 6Mwe điện bằng công nghệ
tương tự như của nhà máy nhiệt điện 4200MW. Phụ thuộc vào thành công của
pilot này, qui mô khí hoá sẽ được nâng lên để đủ cung cấp 30% nhu cầu về nhiên
liệu cho nhà máy điện này. Khi đó, nhà máy εUCG sẽ sản xuất một lượng khí
tương đương với hơn 100PJ/năm đủ để phát điện với công suất 1200 MWe.
Dự án Laurus, Canada

Kết quả khảo sát của Laurus Energy Inc (Montréal) cho thấy hiện nay ở Canada
có khoảng 2000 tỷ tấn trữ lượng than có thể áp dụng công nghệ khí hoá.
Nhu cầu khí hoá than ở Canada ngày càng bức thiết do phải thực hiện hiệp định
hạn chế phát thải Kyoto.
Hiện nay Laurus Energy đang chuẩn bị một số dự án UCG ở Alberta và Nova
Scotia. Sản phẩm khí hoá than εUCG từ trong mỏ nằm giữa hai nhà máy điện ở
Nova Scotia sẽ được cung cấp cho hai nhà máy điện này để thay thế nhiên liệu
hiện đang sử dụng là than nhập khẩu và dầu cặn với mục đích giảm phát thải khí
SOx và tiết kiệm chi phí nhiên liệu cho nhà máy điện.
Một nhà máy điện khác đang chạy bằng khí tự nhiên ở Alberta công suất
1000Mwe cũng sẽ được thay thế bằng khí thu được do khí hoá than theo công
nghệ εUCG từ mỏ than nằm gần nhà máy điện với mục đích giảm thiểu phát thải
và giảm giá thành điện năng. Theo tính toán, với giá khí tự nhiên là C$12/GJ, thì
công nghệ εUCG cho phép nhà máy điện 1000MW này chạy bằng khí hoá than
có giá thành điện cạnh tranh và khả thi về kinh tế.
Laurus cũng đang có kế hoạch triển khai các dự án UCG khác để cung cấp khí
cho điều chế nhỉên liệu hoá lỏng và cho các mục đích công nghiệp khác.
Dự án GAIL, India

Năm 1999, GAIL (India) Ltd đã hợp tác với chính quyền địa phương bắt đầu
triển khai dự án khí hoá than kết hợp với nhà máy điện theo chu trình hỗn hợp
εUCG-IGCC tại Rajasthan. Ergo Exergy cung cấp công nghệ khí hoá εUCG™
cho dự án.

Việc khai thác các vỉa than lignite ở nằm sâu 230- 900m ở vùng này bằng công
nghệ hầm lò không khả thi về kinh tế.
Mỏ than có 3 vỉa với tổng chiều dầy 22m, than có độ tro (26%) và độ ẩm (40%)
cao.
Trang 14 / 49


Nhà máy nhiệt điện có công suất đợt 1 là 175Mwe được xây dựng với công nghệ
chu trình hỗn hợp, sử dụng tubin khí loại 9E của General Electric. Tổng công
suất nhà máy điện khoảng 700 MWe, trong đó, công suất phát điện bằng chu
trình hỗn hợp với tubin khí loại 9FA GE là 400MWe.
Dự án Chinchilla, Australia

Dự án là mô hình kết hợp giữa khí hoá than dưới lòng đất với nhà máy nhiệt điện
chu trình hỗn hợp UCG+IGCC do công ty Linc Energy Ltd triển khai. Công ty
Ergo Exergy đã cung cấp công nghệ εUCG™ cho dự án và thiết kế vận hành
nhà máy hoá khí. Khí hoá than được bắt đầu từ 26/12/1999, và từ đó nhà máy đã
hoạt động được 30 tháng, với công suất khí tối đa đạt khoảng 80.000 Nm3/h.
Khoảng 35.000 tấn than đã được khí hoá.
Dự án εUCG ở Chinchilla đã sử dụng phương pháp thổi không khí, sản phẩm khí
thu được đạt yêu cầu về số lượng cũng như chất lượng, có nhiệt trị thấp khoảng
5.0 MJ/Nm3 LHV ở áp suất 110 kPa và nhiệt độ 300oC. Dự án có 9 lỗ khoan hoạt
động. Vỉa than dầy 10m nằm ở độ sâu 140m. Giá thành khí có thể cạnh tranh
được với loại than năng lượng có giá thấp trên thị trường của Úc.
Chất lượng nước ngầm ở Chinchilla được kiểm soát bằng các lỗ khoan quan trắc.
Công nghệ εUCG đã đáp ứng được các yêu cầu về môi trường theo qui định.
Dự án dừng năm 2003. Sau đó, vào 6/2006, Ergo Exergy đã ký hợp đồng chuyển
giao công nghệ εUCG™ cho công ty Linc Energy Ltd để tập chung vào các dự
án đang hoạt động thương mại trên thế giới.
Công nghệ UCG được Linc Energy hợp tác với Viện Mỏ mang tên A.A

Skochinsky của Nga (IGD) là viện đầu ngành thế giới về khí hoá than. Viện Mỏ
của Nga đã thực hiện chức năng tư vấn kỹ thuật cho Linc Energy, bao gồm cả
việc chuyển giao công nghệ UCG và cung cấp các chuyên gia làm việc trực tiếp
tại Chinchilla.

Trang 15 / 49


Trong ảnh trên từ trái sang phải: Giám đốc điều hành của Linc Energy Peter
Bond; Giáo sư Kuzơnhetsop, Oleg Krzyzanowski của Viện Mỏ IGD Nga, và
Justyn Peter của Linc.
Viện IGD của Nga được thành lập từ 1927, là viện đầu ngành của Nga về lĩnh
vực khai khoáng.
Theo Linc, sơ đồ nguyên lý cơ bản của UCG như trình bầy trong hình vẽ sau.

Trang 16 / 49


Việc phát triển công nghệ UCG tại Úc đã được giáo sư Ian Stewart của đại học
tổng hợp Newcastle rất quan tâm triển khai. Giao sư này đã quản lý chương trình
của hệ thống các phòng thí nghiệm được chính phủ cấp vốn nghiên cứu khả thi
về UCG tại mỏ than Leigh Creek, nam Úc năm 1983.
Dự án này đã đánh giá khả năng sử dụng sản phẩm khí hoá than cho tuabin khí.
Kết quả của dự án đã khẳng định chi phí của sản phẩm khí hoá than có thể cạnh
tranh được với các nguồn năng lượng khác.
Trên các cơ sở đó, Linc Energy đã được thành lập để nghiên cứu, phát triển và
thương mại hoá công nghệ UCG ở Australia.
Tính đến trước khi Linc Energy được thành lập, việc ứng dụng UCG ở phương
tây đã được 6 năm. Chính vì vậy Linc Energy đã ngay lập tức hợp tác với viện
Mỏ (IGD-SIM) và Hội khoa học kỹ thuật Mỏ (STMA) của Nga trong lĩnh vực

UCG.
Theo đánh giá của Linc Energy, viện Mỏ IGD- SIM của Nga là đơn vị sáng tạo
và phát triển công nghệ UCG trong hơn 40 năm qua tại 5 cơ sở của Nga từ
những năm 1960, bao gồm 3 dự án khí hoá than nâu và 2 dự án khí hoá than đá,
trong đó có dự án khí hoá than tại Angren, Uzbekistan có công suất 30.000 m3/h.
Năm 1975, Mỹ cũng đa mua bản quyền công nghệ UCG của Viện Mỏ Nga, và
đã triển khai thành công tại Mỹ.
Dự án Chinchilla đã được đánh giá cao tại Úc và trên thế giới. Nhiều kết luận
được rút ra từ kết quả của dự án này. Kết luận quan trọng nhất và có ý nghĩa
tham khảo nhất đối với Việt Nam được Golder Associates, trong Báo cáo tháng
12/2005 rút ra từ dự án này là: “Dự án UCG ở Chinchilla đã chứng minh rằng
qui trình UCG có thể được vận hành không gây ra những ảnh hưởng không kiểm
soát được đối với nước ngầm”; “Dự án Chinchilla là dự án lớn nhất và kéo dài
nhất của phương tây (ngoài Nga-ND). Các qui trình đã chứng minh được hiệu
suất cao, có khả năng cung cấp ổn định về khối lượng và chất lượng khí đốt, và
chi phí của sản phẩm khí được sản xuất bằng công nghệ UCG đã chứng minh có
thể cạnh tranh với chi phí rất thấp của than năng lượng trên thị trường Úc”.
Kết quả cụ thể thu được về công nghệ UCG tại Chinchilla như sau:
- 35.000 tấn than đã được khí hoá; (nhiều hơn dự án Rocky Moutain ở Mỹ đã
khí hoá 10.000 tấn);
- đã thu được 80 triệu m3 khí có nhiệt năng 4,5-5,7MJ/m3;
- công suất khí tối đa là 80.000m3/h, hay 675 tấn than/ngày (dự án nói trên
của Mỹ chỉ đạt 200t/ngày);
- thời gian hoạt động kéo dài 30 tháng;
- tỷ lệ than được tận dụng để khí hoá lên tới 95%;
- tỷ lệ năng lượng được sử dụng là 75%;
- tổng số lỗ khoan hoạt động (thổi khí/thu khí) là 9;
- tổng số lõ khoan quan trắc là 19;
- chiều sâu bình quân 140m;
- chất lượng khí thu được tương đối cao;

Trang 17 / 49


-

không thấy có chứa nước ngầm;
không có các sự cố;
không có ảnh hưởng tới bề mặt đất;
không có xẩy ra các vấn đề về môi trường.
4

Sự kết hợp khí hoá mỏ than với nhà máy nhiệt điện

Tư duy công nghệ mới và hướng cải tổ một cách cơ bản về ngành than- như một
ngành kỹ thuật năng lượng của thế giới là: thay việc lấy than ra từ trong lòng đất
bằng việc đưa các lò đốt than vào lòng đất. Các mỏ than sẽ được thiết kế khai
thác gắn một cách hữu cơ với nhà máy phát điện. Lò chợ khấu than sẽ được thiết
kế vận hành như một lò hơi. Khái niệm quen thuộc “lò chợ” là nơi trực tiếp khấu
than dưới lòng đất sẽ được thay thể bằng khái niệm “lò lửa”- nơi trực tiếp đốt
than trong vỉa dưới lòng đất. Công nghệ khấu than sẽ được thay bằng công nghệ
đốt than. Trong mỏ than (theo khái niệm truyền thống) sẽ không có thợ lò chợ,
không có giàn chống, không có máy khấu than liên hợp v.v.
Việc thay đổi cơ bản này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế khổng lồ, không đòi hỏi
các chi phí lớn từ trước đến nay như: chi phí cho thiết bị khai thác, vận chuyển
than, lương công nhân hầm lò v.v. Đồng thời nâng cao độ an toàn lao động. Vấn
đề đặt ra là khả năng của con người điều khiển được các quá trình cháy của than
trong lòng đất.
Một dạng cơ bản đầu tiên của công nghệ này là khí hoá than trong lòng đất.
Cùng với việc khai thác năng lượng của than bằng công nghệ khí hoá trong lòng
đất, các tổ hợp các nhà máy nhiệt điện chạy than hiện nay của chúng ta với mô

hình tổng quát: mỏ than => nhà máy sàng tuyển => vận chuyển (bến cảng,
đường sắt đường bộ, băng tải) => nhà máy điện v.v. sẽ được thay thế bằng mô
hình tổ hợp nhà máy nhiệt điện thế hệ mới “tại chỗ” dạng “than ngầm dưới mặt
đất => điện nổi trên mặt đất”. Sẽ không còn các nhà máy sàng tuyển than, không
còn các bãi thải tro xỉ trên mặt đất gần các nhà máy nhiệt điện. Sẽ không còn các
ống khói phát thải gây ô nhiễm của các nhà máy nhiệt điện. Nguyên lý cơ bản
của mô hình tổ hợp công nghệ mới này như sau:
+ đốt cháy tuần tự các blốc than đã được cách ly với phần than khác còn lại trong
vỉa bằng các vật liệu chịu lửa dưới lòng đất;
+ thu hồi năng lượng nhiệt được hình thành từ các lò đốt than
+ chuyển lên mặt đất hơi nóng thông qua hệ thống đường ống dẫn hơi di chuyển
theo các lò đốt than trong vỉa để phát điện trên mặt đất;
Để triển khai công nghệ trên, ta cần chuẩn bị ruộng mỏ thành các blốc kích
thước 600-1000 mét theo góc dốc, và 30-60 mét theo phương. Công suất nhiệt
được xác định phụ thuộc vào kích thước của blốc, chiều dầy vỉa, nhiệt năng của
Trang 18 / 49


than v.v. Các đường lò khống chế kích thước các blốc được xây dựng bằng gạch
hoặc bê tông, hoặc các vật liệu chống cháy khác.
Dọc theo trục các đường lò dốc, người ta xây tường chịu lửa chia không gian
thành hai phần. Hai bên tường chịu lửa, dọc theo đường lò người ta đặt ray để di
chuyển các lò hơi dọc theo đường lò dốc xuống tới vị trí tiếp xúc được với quá
trình cháy của than trong vỉa. Các lò hơi được chế tạo theo kiểu ống xi lanh, đặt
trên giá đỡ toa xe, được thả từ mặt đất xuống bằng tời và được nối với các bao
hơi, máy phát điện đặt trên mặt đất bằng hệ thống ống dẫn nhiệt. Các thiết bị lò
hơi, ống đẫn, ray, cáp thép v.v. đều được chế tạo phù hợp với điều kiện nhiệt độ
cao dưới lòng đất.
Năng lượng nhiệt của than cháy dưới lòng đất có thể được thu hồi theo hai vòng.
Vòng đầu tiên, dưới lòng đất, nhiệt được thu hồi bằng các máy trao đổi nhiệt có

sử dụng chất lỏng loại nặng (kali lỏng hay glicol lỏng) có nhiệt độ sôi khoảng
600oC và có khả năng trao đổi nhiệt một cách an toàn với các bộ trao đổi nhiệt
khác có sử dụng nước làm vật mang nhiệt.
Để điều khiển quá trình cháy của than trong vỉa, từ mặt đất người ta khoan vào
blốc các lỗ khoan để đưa không khí vào lò. Để duy trì được chế độ nhiệt cho các
máy trao đổi nhiệt, trên các khoảng cách 100-150m của đường lò nghiêng người
ta trang bị các cửa gió một chiều được điều khiển từ mặt đất. Để theo dõi và điều
khiển quá trình cháy của than, ở phía không cháy của lò nghiêng người ta đặt các
cảm biến nhiệt độ và các thiết bị điều khiển phù hợp khác. Việc điều khiển do
các máy tính thực hiện trên cơ sở xử lý các thông tin về nhiệt độ áp suất tại nhiều
điểm của đám cháy trong vỉa than, cùng với các thông số làm việc của lò hơi.
Sau khi chuẩn bị xong các blốc trong tầng của một vỉa than, từ đường lò nối
thông hai lò nghiêng người ta tiến hành phát hoả đốt than trong vỉa. Việc điều
chỉnh lưu lượng và chất lượng không khí thổi vào vỉa qua các lỗ khoan từ mặt
đất khác nhau, việc điều khiển di chuyển của lò hơi theo gương than đang cháy
(tường lửa) trong vỉa, điều chỉnh lưu lượng nước cấp cho lò hơi, hay việc đóng
các cửa gió v.v. cũng do các máy tính đặt trên mặt đất tại trung tâm điều khiển
đảm nhận.
Điện năng do các máy phát điện sản xuất được truyền tải đến nới tiêu thụ giống
như của các nhà máy điện bình thường. Các máy phát điện trên mặt đất được
dịch chuyển (lắp đặt lại các đường ống dẫn) theo phương phát triển của các blốc
than cháy trong vỉa.
Căn cứ vào tiến độ kết thúc của các blốc, người ta chuẩn bị các blốc mới.
Công nghệ này cho phép không cần dùng thợ lò chợ (là dạng lao động nặng nhọc
và có tỷ lệ tai nạn chết người cao nhất trong ngành mỏ) trong lòng đất. Các thợ
dưới lòng đất cần sử dụng chỉ bao gồm thợ đào lò, và thợ xây các tường chịu lửa
và thợ cơ điện lắp đặt hệ thống lò hơi di động. Các lao động khác làm việc trên
mặt đất.
Trang 19 / 49

Định nghĩa mỏ than tương lai sẽ không còn là một hệ thống đưa than (vật mang
năng lượng cácbon) từ trong lòng đất lên mặt đất, mà là một hệ thống chuyển
hoá than ngay trong lòng đất thành hơi nóng vật mang năng lượng để cung cấp
cho các máy phát tuanbin hơi đặt trên mặt đất.
Các hướng hoàn thiện của công nghệ mỏ than-nhà máy phát điện này có thể bao
gồm:
+ các lò hơi có thể được đặt trong đường lò nghiêng trung tâm của blốc (thay vì
đặt trong hai đường lò cánh như phương án mô tả trên) để nâng cao hiệu suất
trao đổi nhiệt và sinh hơi do được tiếp xúc nhiều hơi với quá trình cháy của than;
+ bổ sung thêm các lỗ khoan và tổ chức thu hồi các khí nóng (có nhiệt năng thấp
nhưng có nhiệt độ cao) được hình thành từ quá trình cháy của vỉa than trong các
blốc để sử dụng cho các quá trình công nghệ khác (ngoài phát điện), hoặc để chế
tạo ra các loại sản phẩm công nghệ khác (như dầu nhờn) trên mặt đất;
+ tận dụng đốt cháy được cả các lớp than kẹp trong đất đá vách, trụ vỉa;
+ hoàn thiện các vật liệu chịu lửa để xây dựng các đường lò;
+ hoàn thiện lò hơi, và máy phát điện, thiết bị đo lường điều khiển
+ .v.v
Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho các hướng nghiên cứu hoàn thiện công nghệ này
chắc chắn sẽ nhỏ hơn rất nhiều và hoàn toàn có thể bù đắp được so với các chi
phí chúng ta tiết kiệm được do mô hình mỏ than-nhà máy điện trong tương lai
này sẽ không cần đầu tư cho các công đoạn như:
+ khai thác than (không cần đầu tư chế tạo các thiết bị liên quan đến khâu khấu
than như các máy khấu than, đào lò, vận chuyển, thông gió v.v.);
+ chế biến sàng tuyển than;
+ vận xuất than (bến cảng, kho than, thiết bị bốc rót than, thiết bị vận chuyển
than đến nhà máy điện);
+ thiết bị nghiền than tại các nhà máy điện;
+ các bãi thải xỉ than;
+ xử lý các phát thải than do đốt than trên mặt đất, v.v.

Về hiệu quả kinh tế cuối cùng:
Hiện nay giá thành nhiệt điện chạy than nhìn chung còn cao hơn giá thành thuỷ
điện. Trong gía thành điện, chi phí nhiên liệu chiếm khoảng 35%. Với mô hình
công nghệ mới này, sẽ cho phép giảm 30-50% giá thành nhiệt điện. Như vậy, hy
vọng nhiệt điện chạy than có thể cạnh tranh được với thuỷ điện.

Trang 20 / 49


Cơ cấu chi phí đầu tư của mô hình này như sau: 75% chi phí cho xây dựng các
công trình trên mặt đất (bao gồm cả trạm máy phát điện tuanbin khí); 25% chi
phí đầu tư để tạo ra các lò khí hoá dưới lòng đất;
5

UCG ở Trung Quốc

Hiện nay, tại Trung Quốc có 8 trạm khí hoá than dưới lòng đất đang hoạt động,
trong đó, tại Sơn Đông 6, Sơn Tây 1, Nội Mông 1.
Trung Quốc đang tiến hành khí hoá các vỉa than đá có chiều dầy từ 2-6m với góc
dốc 10-40 độ. Các trạm khí hoá than được xây dựng theo phương pháp hỗn hợp
mỏ hầm lò và khoan. Các đường lò phục vụ cho khí hoá có tiết diện khoảng
4m2, đào trong đá được chống bằng vì neo hoặc xây gạch. Trước khi đốt vỉa
than, một phần không gian các đường lò được chất than để phát hoả dễ. Để các
vỉa than dễ cháy trong quá trình vận hành, người ta đã áp dụng việc làm tơi vỉa
bằng phương pháp khoan và nổ mìn lỗ khoan sâu được khoan vuông góc với các
lò thổi và dẫn khí. Nhờ vậy, mức độ điều khiển quá trình cháy đã được nâng cao.
Tiến độ của lò lửa đối với vỉa than có chiều dầy 5-6m đã đạt 0,4m/ngày đêm.
Phương pháp thổi gió vào buồng đốt được sử dụng hiện nay ở Trung Quốc chủ
yếu là thổi không khí và thổi hơi-không khí có chi phí thấp và phù hợp với các
thông số khí. Các chuyên gia Trung Quốc có kinh nghiệm và khả năng thu được

khí có nhiệt năng tới 3800 kcal/m3 mà không cần tăng ôxy trong gió thổi vào
buồng đốt. Nếu công nghệ hiện nay của Trung Quốc kết hợp với sử dụng lò hơi
di động như mô tả phần trên, hiệu suất của tổ hợp sẽ cao hơn nhiều và tính cạnh
tranh của sản phẩm cũng cao hơn.
Hiện nay các trạm khí hoá than của Trung Quốc đang sản xuất được 150.000240.000 m3 khí/ngày đêm. Từ 1 tấn than các chuyên gia Trung Quốc có thể thu
được 3-5 ngìn m3 khí với công nghệ thổi không khí, 2-2,5 ngìn m3 khí với công
nghệ thổi hơi. Trong thưòi gian tới, Trung Quốc dự tính sẽ đưa sản lượng khí lên
đạt mức 2 triệu m3/ngày đêm. Để thực thi, Chính phủ đã chi cho dự án này 100
triệu tệ (khoảng 8,25 triệu U$).
Thành phần và chất lượng khí thu được từ trạm khí hoá than Thanh Đảo của
Trung Quốc như sau:
Thành phần khí (%)
Н2
СО
СН4
СО2
N2
Nhiệt năng (MJ/м3)

Khi sử dụng
phương pháp thổi
không khí
12,8-15,9
2,96-5,67
4,83-5,86
16,11-15,7
51-60
3,9-4,8

Trang 21 / 49

Khi sử dụng
phương pháp thổi
hơi
35,1-45
6,15-9,8
6,3-9,2
34-38
1,7-11
8,2-11,6


Mặc dù nhiệt năng thấp hơn so với khí thiên nhiên, sản phẩm khí thu được của
các trạm khí hoá than có thể sử dụng tốt cho các lò/bếp dùng khí với giá bán
chỉ 0,3 tệ/m3 rẻ hơn giá bán khí thiên nhiên 3 lần. Mặt khác, khí thu được từ
khí hoá than đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn về môi trường. Ở tỉnh Sơn Đông,
các trạm khí hoá than đã đảm nhận việc cung cấp khí đốt cho 6000 gia đình ở
các xóm thợ mỏ Tây An nằm gần trạm khí hoá than.
Sản phẩm khí từ khí hoá than trong lòng đất còn được sử dụng như nhiên liệu
để sản xuất điện tại các trạm khí hoá hiện có của Trung Quốc. Khí được đốt
trong các lò hơi dạng dốt dầu của các trạm phát điện. Tại Quảng Tây, gần
trạm phát điện người ta còn xây dựng thêm một tổ hợp sản xuất ammônia sử
dụng nguyên liệu do trạm khí hoá than cung cấp.
Các chuyên gia Trung Quốc đã phát triển công nghệ khí hoá than trong lòng
đất trên cơ sở nghiên cứu các trạm khí hoá than tại Liên Xô (cũ). Kết quả thu
được của các chuyên gia Trung Quốc đã chúng minh tính khả thi và tính tiên
tiến của công nghệ này.
6

Công nghệ khí hoá than trên mặt đất (SCG)

Dưới đây, xin tổng hợp giới thiệu về công nghệ khí hoá than đã được khai
thác. Bản chất là chuyển hoá than sau khi khai thác từ nhiên liệu dạng rắn
sang thành nhiên liệu dạng khí (dùng cho các nhu cầu phát điện, sản xuất
nhiệt), hoặc khí nguyên liệu (dùng cho các nhu cầu công nghệ trong công
nghiệp hoá học).
6.1 Sự khác biệt giữa đốt than và khí hoá than
Trong các lò đốt nhiên liệu công nghiệp hay trong các lò hơi của các nhà máy
nhiệt điện người ta đốt dầu, hoặc khí, hoặc nhiên liệu rắn (than, củi, dăm gỗ,
mùn v.v.) để thu được khí khói nóng. Tiềm năng nhiệt của loại khí này cần
được sử dụng ngay lập tức và tại chỗ (vì không thể bảo quản và cũng không
thể vận chuyển đi xa), ví dụ, để đốt nóng nước thành hơi nước, để nung nóng
kim loại hay dùng cho các chu trình nhiệt khác. Sau khi được tận dụng các
nhiệt năng, loại khí này bị thải ra môi trường thông qua các hệ thống ống
khói.
Công nghệ đốt than không truyền thống
Trong thế kỷ 21, các công nghệ đốt than sẽ được thay đổi đáng kể. Công nghệ
than sạch (CCT) sẽ phát triển. Một trong những phương án của CCT là đốt
bằng vòi phun các hạt bụi than có kích cỡ siêu nhỏ (10-20µm) và đốt than
trong môi trường ôxy khí quyển.
Loại than có kích thước siêu mịn được chế biến bằng các công nghệ nghiền
mới bằng các máy nghiền thế hệ mới (máy nghiền rung-ly tâm; máy nghiền
dây-rotor) cho phép nghiền than đến cỡ hạt bằng ½ bán kính sợi tóc.
Trang 22 / 49


Ưu thế về mặt nhiệt động học của công nghệ đốt than này là (i) diện tích tiếp
xúc (xẩy ra phản ứng) của nhiên liệu tăng lên 3 lần; (ii) hệ số tổng hợp đặc
trưng cho phản ứng (quá trình cháy) của than tăng tỷ lệ nghịch với cỡ hạt
than; và (iii) tốc độ trao đổi chất (chuyển hoá của than) tăng gấp 5-6 lần. Vòi

đốt than siêu mịn này có các đặc tính tương tự vòi đốt dầu và giống với vòi
đốt khí. Trong trường hợp này, lượng khí SOx và NOx độc hại cho môi
trường sẽ giảm 2-3 lần và phát thải bụi cũng giảm đáng kể. Đồng thời, tiêu
hao năng lượng để nghiền than cũng giảm. Máy nghiền than kiểu dây-rotor có
mức tiêu hao điện 40kWh/tấn (so với các loại máy nghiền bình thường có
mức là 700kWh/t).
Việc nghiên cứu công nghệ đốt than siêu mịn do viện nhiệt vật lý thuộc viện
hàn lâm khoa học Nga ở Novosipirsk đảm nhiệm. Trên cơ sở nghiên cứu của
viện này, từ năm 2003 đã có đề xuất chuyển một trong những lò hơi đốt dầu
sang đốt than ở công ty điện của Sipiri.
Một hướng thứ hai rất quan trọng của việc hoàn thiện công nghệ đốt than là đốt
than trong môi trường giầu ôxy. Công nghệ này có bản chất là sử dụng loại ôxy
kỹ thuật (nhân tạo) để làm chất ôxy hoá và để giảm CO2. Thiết bị đốt than theo
công nghệ này do “Eco-En” chế tạo cho phép không những giảm lượng phát
thải NOx và CO2, mà còn có thể thu dược các sản phẩm có giá trị hàng hoá
khác là N2 và CO2. Hỗn hợp (О2+СО2) có thể đốt cháy tiếp dựa theo nguyên lý
đặc thù của chất khí CO2 là dễ chuyển hoá thành dạng lỏng ngay cả trong điều
kiện nhiệt độ dương và áp suất nhỏ (+20°С; 5,85 МPа). (xem hình vẽ sau

Hình. 5: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ đốt СО2 : 1- bộ trao đổi nhiệt theo kiểu tiếp xúc;
2- buồng nung hay buồng phân ly; 3-máy nén khí; 4- bình chứa khí СО2 đã được đốt cháy.

Than có thể được khí hoá, chế biến thành nhiên liệu khí. Loại nhiên liệu này
có thể được tích trữ, vận chuyển đi xa, làm sạch (loại bỏ các hợp chất rắn chứa
lưu huỳnh) và sử dụng không những như một dạng nhiên liệu năng lượng, mà
còn có thể là nguyên liệu tổng hợp cho các ngành công nghiệp hoá chất.
Trang 23 / 49


Thành phần của tro hình thành trong quá trình đốt các nhiên liệu khác nhau

Nhiên liệu

Thành phần (% theo khối lượng)
SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Fe2O3

FeO

chất kiềm

Than đá

30-65

15-40

3-20

0-5

5-35

0-35

0-5

Than nâu

20-60

10-30

5-40

0-10

10-30

0-30

0-15

Than bùn

20-50

10-30

5-40

0-10

5-30

0-30

0-10

Diệp thạch

20-50

10-20

15-40

0-4

5-10

-

0-2

Về bản chất lý hoá, quá trình đốt than và quá trình khí hoá than có sự khác
biệt cơ bản như sau:
Quá trình đốt than

Quá trình khí hoá than

Điều kiện: cần có dư thừa ô xy

cần thiếu ô xy

Toàn bộ cácbon sẽ chuyển hoá sang thành
CO2 dạng khí khói nóng.

Thành phần khí thu được sẽ rất đa dạng, phụ
thuộc vào công nghệ (áp suất, nhiệt độ,
phương pháp thổi khí v.v.)

Nhìn chung, thành phần của khói nóng này Thành phần của khí thu được có thể thay đổi
tương đối ổn định.
theo nhiều phương án
Do thừa ô xy, khói nóng thu được này có thể Do thiếu ô xy trong quá trình khí hoá, thành
còn chứa cả SO2, hay ô xy và nitơ (từ không phần lưu huỳnh (S) của nhiên liệu sẽ chuyển
hoá thành hydroxit lưu huỳnh (H2S).
khí được thổi vào buồng đốt).
Ngoài ra, khói nóng này có chứa các chất
phát thải độc hại NOx và SOx

Khí thu được hầu như không có chứa thành
phần khí độc hại NOx

Các chất độc hại khó làm sạch (tiêu hao
nhiều năng lượng và chất hấp phụ khác).

Chất độc hại dễ làm sạch (không tiêu hao
nhiều năng lượng và chất hấp phụ khác)

Các chất phát thải SOx do đốt than sẽ gây ra Quá trình làm sạch khí còn thu được lưu
các cơn mưa axit
huỳnh cần cho các nhu cầu khác

Không sạch về môi trường sinh thái

Sạch về môi trường sinh thái

chỉ áp dụng cho loại nhiên liệu có nhiệt năng có thể áp dụng cho mọi loại nhiên liệu rắn
cao
như: than bùn, than nâu, than đá và anthracite
phụ thuộc vào thành phần hoá học, không
phụ thuộc vào thành phần của tro xỉ

không phụ thuộc vào thành phần hoá học,
không phụ thuộc vào thành phần của tro xỉ

Phụ thuộc rất nhiều vào cỡ hạt của nhiên liệuKhông phụ thuộc vào cỡ hạt của nhiên liệu
Phụ thuộc vào độ ẩm

Ít phụ thuộc vào độ ẩm

Phụ thuộc vào các thành phần khác trong
nhiên liệu

Ít phụ thuộc vào các thành phần khác trong
nhiên liệu

Trang 24 / 49


Sản phẩm cháy chỉ dùng cho phát điện

Sản phẩm có thể còn được sử dụng điều chế

thành các sản phẩm khác amônia, metanol, khí
thu được có thể dùng cho phát điện hay cho
các ứng dụng khác

Qui mô đốt than hiện còn hạn chế bởi công Qui mô khí hoá than không hạn chế, có thể
suất tối đa của lò hơi và sản phẩm chỉ có cung cấp khí đồng thời cho nhiều mục đích sử
thể cung cấp cho mục đích phát điện và cấp dụng (điện, nhiệt, giao thông vận tải, luyện
nhiệt
kim, hoá chất, phân bón, chế tạo máy)

6.2 Cơ sở hoá lý của qui trình khí hoá than trên mặt đất (SCG)
Lò khí hoá than thực chất là lò phản ứng hoá học, có dạng đứng vỏ thép, có
lớp lót bên trong bằng vật liệu chịu nhiệt. Phía trên, có miệng cấp liệu, có
cánh. Phía dưới của lò có lưới chắn. Than được đưa vào lò từ phía trên, qua
cửa. Không khí/ôxy/hơi nóng được thổi vào lò qua lưới từ bên dưới. Ngay sát
phía trên của lưới là vùng đốt của lò (còn gọi là vùng ôxy hoá hay vùng cháy
của than). Ngay sát trên vùng ôxy hoá là vùng khử. Cả hai vùng này được gọi
chung là vùng khí hoá của lò.
Sơ đồ nguyên lý của lò khí hoá than

Trang 25 / 49