Giải pháp kiểm soát phát thải khí mê tan trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò ở Việt Nam

1. Đặt vấn đề

Việt Nam là một trong những nước có lượng phát thải khí nhà kính (KNK) liên tục tăng, từ mức hơn 21 triệu tấn khí thải CO2 năm 1990 lên 150 triệu tấn CO2 năm 2000; dự tính lượng khí thải CO2 tăng lên 300 triệu tấn vào năm 2020. Trong khuôn khổ Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu, đến năm 2030, Việt Nam cam kết sẽ cắt giảm 8% lượng phát thải KNK so với năm 2010 bằng nguồn lực trong nước. Mức cắt giảm có thể tăng lên 25% nếu nhận được hỗ trợ hiệu quả từ cộng đồng quốc tế. Để đạt được mục tiêu trên thì việc tiến hành nghiên cứu, phân tích đánh giá các cơ hội giảm thải khí nhà kính tại tất cả những ngành, lĩnh vực phát thải khí lớn như: nông nghiệp, rác thải, sử dụng đất, lâm nghiệp và công nghiệp…trong đó, với ngành công nghiệp khai thác than, lượng phát thải khí mê tan (có tiềm năng nóng lên toàn cầu gấp 21 lần khí CO2) cũng đóng góp phần không nhỏ.

2. Phát thải khí mê tan trong ngành công nghiệp khai thác than thế giới

Theo ước tính của Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA), ngành công nghiệp khai thác than trên toàn thế giới hàng năm đóng góp khoảng 8 ÷ 10% lượng phát thải khí mêtan do con người tạo ra (than+dầu mỏ: 19%), tương đương 1,2 ÷ 1,5% tổng lượng phát thải khí nhà kính trên toàn cầu. Còn theo Tổ chức sáng kiến mê tan toàn cầu, năm 2010 ngành than thế giới phát thải khoảng 400 triệu tCO2-e, tương đương 6% tổng lượng phát thải khí mêtan trên toàn thế giới (hình 1).

Hình 1: Ước tính toàn cầu về tỷ lệ phát thải khí mê tan trong các lĩnh vực

Các nước dẫn đầu thế giới về phát thải khí nhà kính trong ngành than là Trung Quốc, Mỹ, Ukraina, Nga, Úc và Ấn Độ. Tổng lượng phát thải khí CH4 từ ngành than các nước này năm 2005 khoảng 284,8 triệu T.CO2-e, chiếm khoảng 70% phát thải khí CH4 từ ngành than thế giới. Để chung tay góp phần vào mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính toàn cầu, bảo vệ bầu khí quyển và môi trường sống trên trái đất, thì việc kiểm soát phát thải khí mê tan trong ngành than hiện nay là việc làm cần thiết.

3. Các biện pháp kiểm soát phát thải khí mê tan trong ngành than thế giới

Kinh nghiệm áp dụng các biện pháp kiểm soát phát thải khí mê tan trên thế giới cho thấy, có hai nhóm giải pháp chính được áp dụng ở các nước trên thế giới là: giải pháp kỹ thuật - công nghệ và giải pháp phi công nghệ.

- Giải pháp kỹ thuật - công nghệ

Các giải pháp kỹ thuật - công nghệ bao gồm: cải tiến, đổi mới kỹ thuật, công nghệ, dây chuyền thiết bị để nâng cao hiệu quả sản xuất, áp dụng các giải pháp kiểm soát, tiết kiệm năng lượng đối với các dây chuyền, thiết bị mỏ; thực hiện các công trình tháo khí, thu hồi và sử dụng khí mêtan trước, trong và sau quá trình khai thác than.

+ Khoan tháo khí mêtan trước khi khai thác vỉa than: Phương pháp khoan tháo khí mêtan trước khi khai thác vỉa than (CBM) là sử dụng các lỗ khoan từ bề mặt đất đến các vỉa than chưa khai thác. Sau đó sử dụng thiết bị chuyên dụng lắp đặt tại miệng lỗ khoan tạo áp lực hút để hút khí mêtan từ các vỉa than, hoặc sử dụng các phương pháp tạo áp lực đẩy để đẩy khí mêtan thoát ra từ vỉa than. Khí mêtan được thu hồi tại miệng lỗ khoan và đưa vào các hệ thống lưu giữ.

Hình 2. Khoan tháo khí mê tan trước khi khai thác vỉa than

Phương pháp này đã được áp dụng tại nhiều nước phát triển trên thế giới, khí mêtan CBM thậm chí còn được coi là một nguồn năng lượng quan trọng tại các nước này. Thí dụ: Tại Mỹ, sản lượng khí mêtan CBM năm 2011 đạt 1,76 TCF (49,84 tỷ m3); Tại Úc, sản lượng khí mêtan CBM năm 2003 là 538 triệu m3. Tại Trung Quốc, sản lượng năm 2008 đạt khoảng 1,4. tỷ m3/năm (theo Huang, 2010); Tại LB Nga, năm 2003, vùng than Nam Kuzbass có một dự án khai thác khí mêtan CBM với sản lượng lên tới 21 tỷ m3/năm giai đoạn đạt công suất thiết kế.

+ Khoan tháo khí mêtan trong quá trình khai thác và sau khi khai thác:

Các phương pháp khoan tháo khí mêtan từ vỉa than ở trong và sau giai đoạn khai thác (CMM) tương đối đa dạng, tùy thuộc vào từng điều kiện kỹ thuật mỏ. Tuy nhiên, về cơ bản, phương pháp này có thể được mô tả như sau: các lỗ khoan tháo khí được khoan từ khu vực đường lò gần nhất có thể vào khu vực dự kiến tháo khí (vỉa than, các lớp đất đá xung quanh vỉa than, vùng phá hỏa); sau khi thành và miệng lỗ khoan được gia cố (bằng xi măng hoặc keo tổng hợp), lắp đặt các hệ thống tách nước và thu hồi khí mêtan tại miệng lỗ khoan để thu hồi khí.

Hình 3. Khoan tháo khí mê tan trong và sau khai thác vỉa than

Ưu điểm của phương pháp CMM là chi phí mét khoan thấp, đầu tư đơn giản, cho phép tập trung khoan tháo khí tại những khu vực dự đoán tiểm ẩn chứa khí với độ chính xác cao, qua đó đem lại hiệu quả cao về đảm bảo an toàn cho công tác khai thác than, cũng như về hiệu suất thu hồi khí mêtan. Phương pháp CMM được áp dụng rộng rãi tại các nước có nền công nghiệp khai thác than phát triển như Mỹ, Úc, Nhật Bản, Trung Quốc, Nga.

+ Thu hồi khí mêtan từ luồng gió thải mỏ hầm lò: Nhằm giảm lượng khí mêtan phát thải vào bầu khí quyển thông qua hệ thống thông gió mỏ hầm lò. Từ năm 1990, tại Mỹ đã triển khai nghiên cứu và áp dụng thử nghiệm thu hồi khí mêtan từ luồng gió thải mỏ hầm lò. Trong giai đoạn từ năm 2007 - 2010, đã có 10 dự án thu hồi khí mêtan từ luồng gió thải triển khai tại Úc, Mỹ Anh và Trung Quốc. Trong đó, hầu hết các dự án dựa trên công nghệ oxy hóa nhiệt tái sinh (regenerative thermal oxidation - RTO), chỉ một dự án (tại Trung Quốc) sử dụng công nghệ oxy hóa bằng chất xúc tác (regenerative catalytic oxidizer - RCO). Sau khi được xử lý, nhiệt sinh ra từ quá trình oxy hóa khí mêtan trong luồng gió thải mỏ hầm lò có thể được sử dụng để cung cấp cho tuabin động cơ điện.

- Giải pháp phi công nghệ

Bên cạnh các nhóm giải pháp kỹ thuật – công nghệ, nhiều nước đã phát triển và áp dụng rất thành công các giải pháp mang tính phi công nghệ, bao gồm: việc tuyên truyền, giáo dục nâng cao nhận thức người dân các hành động giúp giảm phát thải khí nhà kính trong đó có khí mê tan; và việc áp dụng các cơ chế, chính sách đặc biệt đối với các tổ chức, doanh nghiệp (trong đó có ngành than) để thúc đẩy việc giảm phát thải khí nhà kính. Hai chính sách phổ biến hiện nay tại các nước trên thế giới nhằm giảm thiểu phát thải khí nhà kính là chính sách thương mại khí thải và chính sách thuế cacbon.

+ Chính sách thương mại khí thải: Chính sách thương mại khí thải (Cap And Trace) là một chính sách được đề cập và cho phép trong Nghị định thư Kyoto, nhằm tạo một cơ chế linh hoạt giúp các nước phát triển tham gia Nghị định thư Kyoto đạt được mục tiêu cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính, bằng cách cho phép các nước này mua lượng khí cắt giảm được từ những quốc gia khác. Điều này có thể đạt được dưới hình thức tài chính hay từ những chương trình hỗ trợ công nghệ cho các nước có tham gia vào Chương trình cơ chế phát triển sạch để các nước này hoàn thành mục tiêu đã ký kết trong Nghị định thư, trong đó chỉ có những thành viên được chứng nhận trong chương trình cơ chế phát triển sạch mới được phép tham gia. Trong thực tế, điều này có nghĩa là các nền kinh tế đang phát triển tham gia Nghị định thư Kyoto không bị bắt buộc phải giới hạn lượng khí thải gây ra, nhưng một khi chương trình cắt giảm khí thải được xúc tiến ở các quốc gia này, họ sẽ nhận được một lượng hạn ngạch carbon cho phép (Carbon Credit), và có thể bán cho các nước khác.

+ Chính sách thuế cacbon: Thuế carbon là một loại thuế thu gián tiếp, là một bộ phận cấu thành của giá cả các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, xăng, dầu, nhiên liệu hàng không và khí tự nhiên - tương ứng với hàm lượng carbon thải ra. Theo đó, bằng cách đẩy giá nhiên liệu hóa thạch tăng như một hệ quả tất yếu, thuế carbon vô tình đã làm tăng khả năng cạnh tranh của ngành công nghệ không cacbon với những ngành đốt nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Những năm gần đây, chính sách thuế cacbon đã được khá nhiều nước trên thế giới áp dụng, như Nam Phi (từ 2010), Ấn Độ (2010), Nhật Bản (2012), Hàn Quốc (2010), Úc (2011), New Zealand (2007), Liên minh Châu Âu (một số nước), Canada (2007) [3].

4. Kiểm soát lượng phát thải khí mê tan trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò ở Việt Nam hiện nay

Khí mê tan hình thành cùng với quá trình thành tạo than và được lưu giữ trong vỉa than và các tầng đất đá bao quanh. Quá trình khai thác than đã phá vỡ cấu trúc của vỉa than và các tầng đất đá bao quanh. Ngay sau khi than lộ ra và bị phá vỡ cấu trúc, khí mê tan lập tức thoát ra và khuếch tán vào môi trường mỏ. Theo Hướng dẫn của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), các nguồn phát thải khí mê tan bao gồm phát thải trong quá trình khai thác và phát thải sau khi khai thác. Phát thải trong các quá trình khai thác bao gồm: Phát thải từ hệ thống thông gió mỏ hầm lò, phát thải từ các hệ thống khoan tháo khí vỉa than.

Hướng dẫn của IPCC cũng đưa ra các lời khuyên để thực hiện các cuộc điều tra phát thải khí mê tan trong quá trình khai thác bằng đo đạc trực tiếp với mức độ chính xác cao (cấp độ chính xác 3). Với khuyến nghị đó, để có được số liệu chính xác, việc đo đạc trực tiếp tại các đơn vị khai thác than hầm lò để có các dữ liệu cho tính toán lượng phát thải khí mêtan tuy phức tạp nhưng hoàn toàn có thể thực hiện được. Phương thức đo đạc, tính toán được mô tả như sau:

- Phương thức đo đạc:

+ Đối với toàn mỏ: Đo đạc lưu lượng, thành phần luồng gió sạch vào mỏ hầm lò và bẩn ra khỏi mỏ hầm lò.

+ Đối với các sơ đồ công nghệ khai thác gương lò chợ dài: Đo đạc lưu lượng, thành phần luồng gió sạch vào khu vực lò chợ và gió bẩn ra khỏi khu vực lò chợ.

+ Đối với các sơ đồ công nghệ khai thác gương lò chợ ngắn và gương đào lò: Đo đạc lưu lượng, thành phần luồng gió sạch vào gương đào lò/khai thác và gió bẩn ra khỏi gương đào lò/khai thác.

Sử dụng máy đo di động cầm tay hoặc lấy số liệu từ trạm quan trắc khí tự động (nếu có). Các thông số cần xác định gồm: lưu lượng gió tại điểm đo, hàm lượng CH4 tại điểm đo. Số liệu đo đạc lưu lượng, thành phần khí mỏ tại cấc luồng gió thải của mỏ cần thu thập đối với thời gian điều tra 1 năm. Số liệu được lấy mỗi tháng 01 lần (bằng giá trị bình quân của tháng đó). Công tác đo lưu lượng, lấy mẫu phân tích được tiến hành tuân theo hướng dẫn trong Phụ lục 2 và 3 của “Quy chuẩn quốc gia về an toàn trong khai thác hầm lò”, ban hành theo Thông tư số 03/2011/TT-BCT ngày 15/02/2011 của Bộ Công Thương.

Phương thức tính toán được thực hiện như sau:

Tổng lượng phát thải khí mê tan trong mỏ hầm lò được tính như sau:

E_HL.CH4 = EF_GP,KTCH4 + EF_GP,SKTCH4

Trong đó:

EF_GP,KTCH4: Lượng phát thải khí Mêtan trong quá trình khai thác, tCO₂-e quy đổi;

EF_GP,SKTCH: Lượng phát thải khí Mêtan sau khai thác , tCO₂-e quy đổi;

* Lượng phát thải khí Mêtan trong quá trình khai thác được tính như sau:

E_GP.KTCH4 = EF_GP.KTCH4 x A_T

Trong đó:

EF_GP,KTCH4 - Hệ số phát thải khí mê tan trong quá trình khai thác;

A_T - Sản lượng than nguyên khai toàn mỏ hầm lò (hoặc khu vực mỏ) trong thời gian điều tra T, tấn.

Hệ số phát thải của từng đơn vị khai thác than được lấy theo nhiệm vụ điều tra do Bộ Công Thương giao cho Viện KHCN mỏ thực hiện năm 2014.

* Lượng phát thải do thoát khí vỉa than trong các công đoạn sau khai thác được tính toán theo công thức sau:

Trong đó:

A_T - Sản lượng than nguyên khai trong thời gian điều tra, tấn;

EF_GP,SKTCH4 - Hệ số phát thải khí CH4 trong các công đoạn sau khai thác, m³/tấn;

Hệ số phát thải khí mê tan trong công đoạn sau khi khai thác của các mỏ hầm lò được xác định bằng bằng 30% độ chứa khí tự nhiên của vỉa than theo Hướng dẫn của IPCC (Williams và Saghafi, 1993).

EF_GP,SKT,X = 30% x M_T

Trong đó: M_T - độ chứa khí tự nhiên của than, m³/T_KC.

CF_CH4 - Hệ số chuyển đổi đơn vị thể tích khí sang đơn vị khối lượng khí. Trong điều kiện nhiệt độ 20^oC và áp suất khí quyển 1,0 atm, CF_CH4 = 0,67´10^-3 tấn/m³;

GWP_CH4: Hệ số tiềm năng nóng lên toàn cầu của khí CH₄, theo Nghị định thư Kyoto, GWP_CH4 = 21 với khoảng thời gian đánh giá 100 năm.

- Kết quả tính toán:

Việc tính toán lượng phát thải khí mêtan dựa trên hướng dẫn của IPCC.. Theo đó, tổng lượng phát thải khí mê tan của các mỏ hầm lò năm 2018 được sơ bộ tính toán và tổng hợp tại bảng dưới đây.

Bảng tổng hợp lượng phát thải khí mêtan trong công đoạn khai thác và sau khai thác năm 2018

Kết quả tổng hợp cho thấy, tổng lượng phát thải khí mêtan quy đổi (tCO2-e) của các mỏ than hầm lò năm 2018 đạt 814.238,6 tCO2-e. Trong đó, mỏ Mạo Khê có tổng lượng phát thải khí mêtan trong công đoạn khai thác và sau khai thác cao nhất (tương ứng là 155.178 tCO2-e), tiếp theo là mỏ Khe Chàm (100.418,5). Nguyên nhân do than tại các mỏ này có độ chứa khí tự nhiên khá cao (2,13 m3/TKC và 1,15 m3/TKC). Mỏ Quang Hanh cũng có độ chứa khí tự nhiên cao (2,05 m3/TKC), nhưng tổng lượng phát thải chỉ ở mức trung bình do sản lượng khai thác than không lớn.

Các mỏ có tổng lượng phát thải trong công đoạn khai thác và sau khai thác thấp nhất là Nam Mẫu (1.032), Vàng Danh (2.893), và Thăng Long (2.596). Đây cũng là các mỏ có độ chứa khí tự nhiên của than thấp (tương ứng là 0,12; 0,20 và 0,27 m3/TKC).

5. Đề xuất một số giải pháp kiểm soát phát thải khí mê tan trong ngành công nghiệp khai thác than Việt Nam trong thời gian tới.

- Áp dụng công nghệ khai thác tiên tiến: Hiện nay chưa thể giảm phát thải bằng cách giảm sản lượng khai thác do than vẫn là nguồn năng lượng quan trọng của Quốc gia. Việc cần thiết là phải thay đổi công nghệ theo hướng tập trung hóa sản xuất, đồng thời áp dụng công nghệ khai thác và đào lò tiên tiến, hiện đại hơn…nhẳm giảm tổn thất, tận thu tối đa tài nguyên. Ngoài ra, cần tiếp tục nâng cao mức độ cơ giới hóa, tăng hiệu quả trong công tác xúc bốc, vận tải than, giảm thời gian lưu kho và vận chuyển.

- Áp dụng các công nghệ tháo, thu hồi và sử dụng khí mê tan: Cần triển khai áp dụng công nghệ tháo – thu hồi khí trước, trong và sau quá trình khai thác. Nghiên cứu phương án thu hồi và sử dụng khí mê tan trong luồng gió thải phù hợp nhằm tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu này để không thải trực tiếp vào bầu khí quyển.

- Áp dụng thu hồi khí mêtan hàm lượng cao: Đối với khí mê tan thu hồi có hàm lượng cao, có thể đầu tư các dự án khai thác tương tự như khí gas ngành dầu khí. Khí được thu hồi, sau khi xử lý có thể cung cấp cho các hộ tiêu thụ công nghiệp và khu đông dân cư qua các đường ống dẫn khí, hoặc các hộ tiêu thụ nhỏ lẻ qua các bình lưu giữ (bình gas, chai khí). Phương án này không những làm giảm mức độ phát thải khí mê tan, nâng cao mức độ an toàn trước khi khai thác mà còn làm tăng giá trị kinh tế của các vỉa than.

- Áp dụng thu hồi khí mêtan hàm lượng thấp: Đối với khí mê tan thu hồi có hàm lượng thấp, qua các khâu xử lý có thể tăng hàm lượng khí lên. Do lượng khí thu hồi không lớn, khó có khả năng cung cấp với sản lượng cao, vì vậy có thể kết hợp với các hộ tiêu thụ tại chỗ như nhà máy điện công suất nhỏ sử dụng nhiên liệu là khí mê tan thu hồi, năng lượng điện được cung cấp ngược lại cho mỏ than sử dụng. Một cách đơn giản hơn trong việc xử lý khí mê tan thu hồi là đốt cháy, chuyển hóa thành khí CO2 và nhiệt năng, nhiệt năng có thể được sử dụng trong các bộ phận phục vụ mỏ than khai thác như nhà bếp, tắm giặt, hệ thống sưởi ấm.

6. Kết luận

Với vai trò là một trong những trụ cột an ninh năng lượng quốc gia, việc nghiên cứu, xác định mức độ phát thải và đề ra các giải pháp kiểm soát phát thải khí nhà kính nói chung và kiểm soát phát thải khí mê tan nói riêng trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò Việt Nam là cần thiết, phù hợp với các mục tiêu, chương trình, kế hoạch quốc gia và quốc tế về ứng phó với biến đổi khí hậu tại Việt Nam. Đây cũng là một yêu cầu cấp thiết mà ngành than có trách nhiệm và nghĩa vụ tham gia để góp phần giảm ô nhiễm môi trường không khí và đóng góp nhằm giảm phát thải khí nhà kính trong ngành công nghiệp khai khoáng của đất nước. Các số liệu tính toán sơ bộ về tổng lượng phát thải khí mê tan trong công đoạn khai thác và sau khai thác cho chúng ta cái nhìn ban đầu về hiện trạng phát thải khí mê tan trong ngành than Việt Nam để từ đó có thể định hướng, xây dựng lộ trình và đề ra các giải pháp giảm thiểu phát thải khí mê tan phù hợp hơn trong tương lai.

Hoàng Văn Khanh - tổng hợp

TS. Nhữ Việt Tuấn, TS. Bùi Việt Hưng, TS. Nguyễn Minh Phiên

Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin