Phát triển công nghệ khí hóa than: Sản xuất syngas hiệu quả cao

Than, với nguồn cung dồi dào trên toàn cầu, từ lâu đã được sử dụng như một nguồn năng lượng quan trọng. Tuy nhiên, việc đốt than trực tiếp không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn là một nguồn phát thải khí nhà kính lớn. Do đó, công nghệ khí hóa than, với khả năng chuyển đổi than thành syngas, mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng hiệu quả và sạch hơn nguồn năng lượng này. Syngas là hỗn hợp chủ yếu của hydro và monoxit carbon, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng: từ sản xuất điện, tổng hợp hóa chất, tới làm nhiên liệu cho động cơ. Điều này làm tăng tiềm năng sử dụng của syngas so với việc chỉ sử dụng than dưới dạng nguyên liệu thô.

lịch sử phát triển

Quá trình khí hóa than, chuyển đổi than đá thành khí tổng hợp (syngas), có lịch sử lâu dài, bắt đầu từ những năm 1800. Sự phát triển này gắn liền với cách mạng công nghiệp và nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng và hóa chất.

Ban đầu, khí hóa than được sử dụng chủ yếu để sản xuất khí đô thị - một nguồn sáng quan trọng trước khi bóng đèn điện trở nên phổ biến. Quá trình này dựa trên việc nung nóng than đá trong môi trường thiếu oxy, tạo ra một hỗn hợp khí chứa hydro, monoxit carbon, và một lượng nhỏ khí độc như sulfua. Khí đô thị đã đóng một vai trò quan trọng trong việc chiếu sáng các đô thị lớn trên thế giới trong suốt thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20.

Sau đó, với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu về năng lượng tăng cao, các nhà khoa học và kỹ sư đã tìm cách cải tiến quá trình khí hóa than để tạo ra syngas với hiệu quả cao hơn và ít ô nhiễm hơn. Trong thế kỷ 20, công nghệ này bắt đầu được áp dụng rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp hóa chất, sản xuất điện và tổng hợp nhiên liệu lỏng từ than.

Một trong những bước tiến quan trọng trong lịch sử phát triển công nghệ khí hóa than là sự ra đời của quy trình gasification với sự hỗ trợ của catalyst, giúp tăng tốc độ phản ứng và cải thiện tỉ lệ chuyển đổi than thành syngas. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm đáng kể lượng khí thải CO2 và các khí nhà kính khác.

Trong những thập kỷ gần đây, với nhận thức ngày càng tăng về biến đổi khí hậu và tác động của nó đối với môi trường, nhu cầu về việc phát triển công nghệ khí hóa than sạch hơn, hiệu quả hơn đã trở thành ưu tiên hàng đầu. Các nghiên cứu và phát triển không ngừng nhằm tối ưu hóa quy trình, tăng cường khả năng bắt giữ và lưu trữ carbon, cũng như khai thác syngas làm nguồn năng lượng tái tạo, đã mở ra những hướng đi mới cho ngành năng lượng toàn cầu.

Quá trình chuyển đổi

than đá thành syngas

Cơ sở lý thuyết của quá trình này nằm ở việc áp dụng kiến thức về hóa học và kỹ thuật nhiệt để chuyển đổi cấu trúc phức tạp của than thành các sản phẩm khí có giá trị cao.

Quá trình khí hóa than bao gồm ba phản ứng chính:

Phản ứng khử oxy hóa (Oxidation): Than được phơi nhiễm với một lượng nhỏ oxy, dẫn đến phản ứng khử oxy hóa, tạo ra nhiệt và chuyển một phần than thành CO2 và nước.

Phản ứng Boudouard: Trong điều kiện thiếu oxy, CO2 tác dụng với than còn lại, tạo ra CO (monoxit carbon), một thành phần chính của syngas.

Phản ứng khí hóa nước (Water-gas Shift): Phản ứng này tạo ra hydrogen (H2) từ nước và monoxit carbon, tăng lượng H2 trong syngas.

Trong những thập kỷ gần đây, với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, các phương pháp khí hóa than tiên tiến đã được nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu tăng hiệu quả sản xuất syngas và giảm thiểu tác động môi trường. Các công nghệ khí hóa than tiên tiến tận dụng sự tiến bộ trong vật liệu, kỹ thuật nhiệt và hóa học, cũng như kiểm soát quy trình chính xác hơn để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của quá trình khí hóa.

Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) là một quy trình tạo ra điện từ than, dầu mỏ hoặc sinh khối, đồng thời giảm lượng khí thải carbon dioxide và các khí thải khác. IGCC kết hợp công nghệ bắt và lưu trữ carbon với phát điện chu trình kết hợp để tối đa hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu, đồng thời giảm lượng ô nhiễm phát thải.

Quy trình bắt đầu bằng việc chuyển đổi nhiên liệu thành khí tổng hợp (syngas) trong buồng khí hóa, tạo ra hơi nước. Khí syngas nóng sau đó được làm sạch, loại bỏ đáng kể lượng lưu huỳnh, thủy ngân và chất rắn lơ lửng. Carbon dioxide cũng được loại bỏ thông qua bắt carbon, và có thể được lưu trữ dưới lòng đất hoặc nơi khác. Nhiên liệu sau khi làm sạch được gửi đến tua-bin khí và máy phát điện để sản xuất điện. Nhiệt thừa từ khí xả được sử dụng để tạo thêm hơi nước, được thêm vào cùng với lô hơi nước ban đầu vào tua-bin hơi, tạo ra điện​​​​.

IGCC có khả năng xử lý các loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm than, rác thải, coke, dầu mỏ, sinh khối hoặc hỗn hợp của chúng. Ngoài ra, nhà máy có thể sử dụng nhiệt thải từ quy trình của mình để cung cấp sưởi ấm khu vực (cogeneration). Các nhà máy cũng có thể được tối ưu hóa để sản xuất các sản phẩm hữu ích khác như khí tự nhiên tổng hợp, hydro, và hơn thế nữa. Carbon dioxide bắt được từ quá trình làm sạch cũng có thể được sử dụng cho các mục đích khác.

công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh

Công nghệ khí hóa than ngầm (Underground Coal Gasification - UCG) là một công nghệ cho phép chuyển đổi than đá chưa khai thác thành khí tổng hợp (syngas). Syngas này có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc như một nguyên liệu trong các quá trình công nghiệp khác nhau. Phương pháp này bao gồm việc tạo ra một phản ứng khí hóa ngay tại vị trí có than đá, thường là ở độ sâu lớn dưới bề mặt đất, mà không cần phải khai thác than đá lên mặt đất.

Công nghệ UCG hoạt động bằng cách khoan hai lỗ xuống mỏ than: một lỗ để bơm không khí hoặc oxy và hơi nước vào trong mỏ, và một lỗ khác để thu hồi syngas tạo ra từ phản ứng khí hóa. Nhiệt độ cao từ phản ứng này khiến cho than đá phân hủy và tạo ra syngas, một hỗn hợp chủ yếu gồm hydrogen, monoxide carbon, methane và các khí khác. Syngas sau đó có thể được dẫn lên bề mặt và sử dụng hoặc xử lý thêm tùy theo mục đích.

Một trong những lợi ích chính của UCG là khả năng khai thác nguồn than đá mà không cần phải mở mỏ truyền thống, giảm thiểu ảnh hưởng môi trường liên quan đến việc khai thác mỏ như sụt lún đất và ô nhiễm nguồn nước.

Hiện nay, một loại công nghệ UCG mới đang được nghiên cứu thử nghiệm là công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh (Underground Coal Bio-Gasification UCBG). Công nghệ này được đề xuất bởi nhà sinh vật học người Mỹ Kreig Venter dựa trên việc sử dụng các loại vi sinh vật có khả năng chuyển hóa than thành khí. Theo đó, vi sinh vật và dưỡng chất sẽ được đưa trực tiếp vào các vỉa than thông qua các lỗ khoan. Các vi sinh vật này sau đó sẽ xâm nhập sâu vào vỉa than, chuyển hóa cacbon thành dạng lỏng và sau đó thành dạng khí vi sinh (biogas). Công nghệ UCBG hiện đang được nghiên cứu và thử nghiệm bởi nhiều viện nghiên cứu, tập đoàn lớn trên thế giới.

Một số dự án đang được nghiên cứu trên thế giới

Dự án Bio-UGC (Anh): do Đại học Newcastle dẫn đầu, đang nghiên cứu sử dụng vi sinh vật để khí hóa than ngầm trong một mỏ than ở Anh. Mục tiêu của dự án là phát triển một quy trình khí hóa than ngầm sạch và hiệu quả hơn các phương pháp truyền thống.

Dự án DEMETER (Úc): do CSIRO dẫn đầu nhằm phát triển một quy trình khí hóa than ngầm có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, hydro và các sản phẩm hóa chất khác.

Dự án MICROCARB (Canada): do Đại học Alberta dẫn đầu phát triển một quy trình khí hóa than ngầm có thể được sử dụng để thu hồi và lưu trữ carbon.

[PetroTimesMedia] Tín chỉ carbon và nguồn tài nguyên nghìn tỷ của Việt Nam

EOR - Kỹ thuật thu hồi dầu nâng cao tăng tỷ lệ khai thác từ các mỏ cạn kiệt

Ứng dụng công nghệ CRISPR trong sản xuất Biofuel: Tiềm năng và thách thức