Tìm hiểu các loại than đá làm nhiên liệu đốt lò hơi

Mỗi kiểu lò hơi sẽ có thiết kế tương thích với một số loại nhiên liệu nhất định. Đối với các hệ thống lò hơi đốt nhiên liệu rắn, than đá được xem là loại nhiên liệu lý tưởng nhờ khả năng gây cháy mạnh mẽ và thời gian giữ lửa lâu dài. Mặc dù là loại nhiên liệu phổ biến trên thị trường, tính ứng dụng cao, góp mặt trong nhiều lĩnh vực sản xuất, nhưng không phải loại than đá nào cũng phù hợp để sử dụng cho thiết bị lò hơi.

1. Đặc tính của than đá đốt lò hơi

- Thành phần hóa học

• Carbon: Là thành phần cháy chủ yếu trong than đá, tuổi hình thành than đá càng dài thì thành phần carbon càng cao, độ liên kết của than càng lớn nên sẽ càng khó cháy.
• Hydro: Là thành phần cháy quan trọng của than đá, nhiệt trị của hydro khoảng 144.500kj/kg, hàm lượng hydro trong nhiên liệu lõng sẽ nhiều hơn trong nhiên liệu rắn.
• Lưu huỳnh: Trong than đá đốt lò lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ (SHC), khoáng chất (SK), liên kết sunfat (SS). Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia vào quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy (SC), còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4,… Những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro xỉ. Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của carbon, khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO2 hoặc SO3, gặp hơi nước trong buồng đốt SO3 dễ hoà tan tạo ra axit H2SO4 gây ăn mòn kim loại, hư hỏng hệ thống lò, khí SO2 thải ra ngoài môi trường là khí độc nguy hiểm.
• Oxy và Nitơ: Là những chất trơ trong than đá. Sự có mặt của oxy và nitơ làm giảm thành phần cháy của than đá, dẫn đến nhiệt trị thấp. Khi đốt, nitơ không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành dạng tự do có ở trong khói. Than đá càng non thì oxy càng nhiều.

- Tính chất vật lý

• Nhiệt trị: Nhiệt trị của than đá là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1kg than, nhiệt trị của than được phân loại từ cao đến thấp. Than đá có gốc carbon, nhiệt lượng phát ra khi cháy của 1kg carbon khoảng 34.150kj/kg, vì vậy hàm lượng carbon càng nhiều thì nhiệt trị của than đá càng cao.
• Độ ẩm: Là hàm lượng nước chứa trong than đá. Độ ẩm toàn phần của than đá được xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy ở nhiệt độ 1050 độ C cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi. Phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm. Thực tế, ở nhiệt độ này vẫn chưa đủ để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm ra khỏi than đá, vì một số loại ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt độ 500-8000 độ C nước mới bốc hơi ra ngoài hết được.
• Độ tro xỉ: Là phần còn lại sau khi than đá cháy kiệt. Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro. Sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy của than. Tỉ lệ tro trong than ảnh hưởng rất lớn đến khả năng cháy của than như: giảm nhiệt trị, gây mài mòn bề mặt ống hấp thụ nhiệt, bám bẩn làm giảm hệ số truyền nhiệt qua vách ống. Ngoài ra, một đặc tính quan trọng của tro xỉ ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng chảy của tro.
• Chất bốc: Khi đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có oxy, mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phá huỷ. Quá trình này gọi là quá trình phân huỷ nhiệt, các chất khí bị phân hủy nhiệt bao gồm Hydro, Cacbuahydro, Cacbonoxit, Cacbonic. Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là “chất bốc”. Những liên kết có nhiều oxy là những liên kết ít bền vững, dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ cao. Chất bốc phụ thuộc vào tuổi hình thành của than đá, than đá càng non tuổi, thì nhiệt độ bắt đầu sinh chất bốc càng thấp. Lượng chất bốc sinh ra còn phụ thuộc vào thời gian phân huỷ nhiệt, than đá càng non tuổi thời gian phân hủy nhiệt càng ngắn, chất bốc sinh ra càng nhiều, khi đốt càng hao nhiên liệu.

2. Phân loại than đá đốt lò hơi

- Than khí (gas): Khí hóa than là quá trình dùng chất khí hóa (oxy, không khí, không khí giàu oxy, hơi nước, hydro) phản ứng với than đá ở nhiệt độ cao chuyển nhiên liệu từ dạng rắn sang dạng khí với thành phần cháy được chủ yếu là CO, H2, CH4...

- Than non (than bùn, than nâu, than lignite): đây là loại than có nhiệt năng thấp nhất, thành phần carbon chỉ từ 25-35%, độ ẩm cao khoảng 66% và hàm lượng tro dao động từ 6-19%. Than non thường ở dạng nhỏ vụn, chủ yếu được sử dụng để sản xuất điện năng, là loại than đầu tiên được khí hóa.

- Than gầy (than á bitum, than subbitum, than lignite đen): Xét về góc độ địa chất thì than gầy là loại than trẻ, được hình thành cách đây hơn 200 triệu năm. Ở trạng thái khô và không có tro, than gầy chứa 35% – 45% carbon. Loại than này thường có hình dạng thớ gỗ chứ không phải là kết cấu chắc bóng, có màu từ nâu sẫm đến đen. Than gầy có độ ẩm thấp hơn than non, nên có độ cứng nhỉnh hơn, dễ vận chuyển và lưu trữ. Nhiều nhà máy điện đã chuyển sang sử dụng than gầy vì hàm lượng hưu huỳnh thấp hơn 1%, hạn chế ô nhiễm môi trường.

- Than mỡ (than bitum): Than mỡ là loại than đá chứa nhiều chất bốc, cháy có ngọn lửa dài, có thể tự tạo ra chất kết dính khi được nung ở môi trường yếm khí. Than bitum chứa độ ẩm khoảng 17%, hàm lượng nitơ từ 0,5-2%, hàm lượng carbon cố định chiếm 85%, hàm lượng tro lên tới 12% trọng lượng. Có hai loại than mỡ là than nhiệt và than luyện kim.

• Than nhiệt (than hơi): được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các nhà máy sản xuất công nghiệp.
• Than luyện kim (than cốc): được sử dụng trong quá trình luyện kim, sản xuất sắt thép. Than cốc là một loại đá carbon đậm đặc được tạo ra bằng cách nung than mỡ đến nhiệt độ cực cao mà không cần yếm khí. Quá trình nấu chảy than cốc trong trường hợp không có oxy để loại bỏ tạp chất được gọi là nhiệt phân.

- Than antraxit: Là loại than có giá trị nhiệt lượng tạo ra cao nhất trong tất cả các cấp than, chứa 86% - 97% carbon, ít tạp chất, có màu ánh bán kim loại. Than antraxit được dùng trong phát điện lĩnh vực luyện kim. Ngoài ra, nhờ độ cứng cao, kết cấu bền chặt, than antraxit có khả năng chịu được hóa chất tốt, ổn định ngay cả trong các môi trường axit và bazơ nên được ứng dụng rất nhiều trong các trạm xử lý nước sạch, các nhà máy lọc nước công nghiệp và dân dụng có công suất lớn để xử lý kim loại nặng, khử màu, các chất gây mùi khó chịu, chất hữu cơ hòa tan, chất ô nhiễm vi lượng.

Kết luận

Lựa chọn than đá đốt lò hơi cần chọn loại có chất bốc thấp, độ bền lửa cao nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Ngoài ra, than đá đốt lò hơi cần có khả năng tiêu xỉ cao, ít khói để tăng hiệu quả hoạt động của lò cũng như giảm bớt lượng khí thải độc hại ra môi trường.

Quá trình lựa chọn loại than đá đặc biệt cần tập trung vào sự phù hợp về kích thước hạt than và nhiệt trị đối với từng loại lò hơi. Sự phù hợp về nhiệt trị không chỉ nâng cao khả năng đốt cháy mà còn đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, kích thước hạt than đá là yếu tố quan trọng để quá trình đốt cháy diễn ra một cách hiệu quả và ổn định, giúp tối ưu hóa chuyển đổi nhiệt và năng suất của lò.

Theo dòng phát triển của ngành công nghiệp, nhu cầu sử dụng than đá làm nhiên liệu đốt lò hơi sẽ còn gia tăng. Tuy nhiên, việc đốt than đá cũng đặt ra nhiều thách thức cho môi trường, do đó các doanh nghiệp nên ưu tiên sử dụng các loại than đá chất lượng cao, đã trải qua tinh chế, đồng thời áp dụng những công nghệ xử lý khí thải tiên tiến trong vận hành lò hơi đốt than đá nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.