Than đá là loại nhiên liệu

được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là sử dụng cho Nồi hơi. Than hay các loại nhiên liệu rắn khác có những đặc tính cần thiết để có thể phân biệt thành các loại than tốt, than xấu, than dễ cháy, khó cháy, có nhiệt lượng cao, nhiệt lượng thấp v.v. Để có thể hiểu được đặc điểm của than ta có các đặc tính sau

Thành phần hoá học của than đá.

Trong than, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau:

Cacbon . 

Cacbon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn , nhiệt lượng phát ra khi cháy của 1 kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon, khoảng 34.150 kj/kg. Vì vậy lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao. Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần cacbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy.

Hyđrô . 

Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy toả ra nhiệt lượng 144.500 kj/kg. Nhưng lượng hyđrô có trong thiên nhiên rất ít. Trong nhiên liệu lỏng hyđrô có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn.

Lưu huỳnh . 

Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu. Trong than lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ S_hc, khoáng chất S_k, liên kết sunfat S_s.Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy S_c. 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 của nhiên liệu.

Vì vậy: S = S_hc + S_k + S_s , % 

= S_c + S_s , %

Lưu huỳnh nằm trong nhiên liệu rắn ít hơn trong nhiên liệu lỏng.

Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon. Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO₂ hoặc SO₃ . Lúc gặp hơi nước SO₃ dễ hoà tan tạo ra axit H₂SO₄ gây ăn mòn kim loại. Khí SO₂ từ than đá thải ra ngoài là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu.

Oxy và Nitơ . 

Oxy và Nitơ là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng. Sự có mặt của oxyvà nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống. Nhiên liệu càng non thì oxy càng nhiều. Khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy chuyển thành dạng tự do ở trong khói.

Tro, xỉ (A): 

Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháy kiệt.

Độ ẩm (M): Là thành phần nước có trong nhiên liệu thường được bốc hơi vào giai đoạn đầu của quá trình cháy.

Như vậy, về thành phần hoá học của nhiên liệu thì ta có các thành phần sau: C, H, O, N, S, A, M và có thể được thể hiện bằng thành phần phần trăm

C+ H + O + N + S + A + M = 100%.

Thành phần công nghệ của than.

Ngoài thành phần hoá học, người ta còn đánh giá đặc tính của than dựa trên thành phần công nghệ. Các thành phần công nghệ sử dụng để đánh giá than bao gồm độ ẩm, hàm lượng cốc, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, nhiệt trị nhiên liệu.

Độ ẩm trong than “M”

Độ ẩm của than là hàm lượng nước chứa trong than. Độ ẩm toàn phần của than được xác định bằng cách sấy nhiên liệu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105⁰ C cho đến khi trọng lượng nhiên liệu không thay đổi. Phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm nhiên liệu. Thực ra ở nhiệt độ 105⁰ C chưa đủ để thải hoàn toàn độ ẩm ra khỏi nhiên liệu vì một số loại độ ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt độ 500- 800⁰ C mới thóat ra ngoài được.

Độ tro trong than “A”

Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro, Sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy nghĩa là làm giảm nhiệt trị của than. Tỷ lệ tro trong than ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy của than như: giảm nhiệt trị của than,gây nên 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 nữa của tro ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của thiết bị cháy là độ nóng chảy của tro.

Độ tro của nhiên liệu được xác định bằng cách đem mẫu nhiên liệu đốt đến 800- 850⁰ C đối với nhiên liệu rắn, 500⁰ C đối với nhiên liệu lỏng cho đến khi trọng lượng còn lại không thay đổi. Phần trọng lượng không thay đổi đó tính bằng phần trăm gọi là độ tro của nhiên liệu. Độ tro của madut vào khoảng 0,2- 0,3%, của gỗ vào khoảng 0,5 – 1%, của than antraxitcó thể lên tới 15 – 30% hoặc cao hơn nữa.

Một trong những đặc tính quan trọng làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc trong lò hơi là độ nóng chảy của tro.

Chất Bốc của than (V )

Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có Ôxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân huỷ. Quá trình đó gọi là quá trình phân huỷ nhiệt. Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là “Chất bốc” và kí hiệu là VC %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, Cacbonoxit, Cacbonic.

Những liên kết có nhiều Oxy là những liên kết ít bền vững dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ cao, vì vậy than càng non tuổi bao nhiêu thì chất bốc càng nhiều bấy nhiêu, than bùn (V=70%), than đá (V=10-45)%, than antraxit (V=2-9) %.

Nhiệt độ bắt đầu sinh ra chất bốc phụ thuộc vào tuổi hình thành của than, than 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.

Theo tiêu chuẩn ASTMD388 thì Chất bốc của than thành phần bay hơi của than đã trừ đi độ ẩm khi mẫu than được đốt nóng trong chén có nắp đậy kín (không đưa không khí vào) ,ở nhiệt độ 800-820^OC trong thời gian 7 phút, và được kí hiệu là V (%).

Chất bốc của than có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy than, chất bốc càng nhiều bao nhiêu thì than càng xốp, dễ bắt lửa và cháy kiệt bấy nhiêu. Vì vậy khi cháy than ít chất bốc như than Antraxit của Việt nam thì cần phải có biện pháp kĩ thuật thích hợp.

Thành phần cốc trong than (FC )

Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi là cốc của than. Cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than. Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần chaý. Nếu cốc ở dạng cục thì gọi là than thiêu kết ( than mỡ, than béo ), nếu cốc ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá ,than antraxit ). Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xồp,thancàng có khả năng phẩn ứng cao, Các bon không những dễ bị Oxy hoá mà còn dễ bị hoàn nguyên khí CO₂ thành khí CO. Than gầy và than Antrxit không không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó chaý. Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than mà than có màu sắc khác nhau. Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết có màu ánh kim loại.

Độ cứng của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp thì độ bền càng bé than càng dễ nghiền.

Nhiệt trị của than.

Nhiệt trị của than là nhiệt lượng phát ra khi cháy hoàn toàn 1 kg than đựoc kí hiệu bằng chữ Q (Kj/kg). Nhiệt trị của than được phân thành Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.

Xác đinh nhiệt trị bằng thực nghiệm được tiến hành bằng cách đo trực tiếp lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy một lượng nhiên liệu nhất định trong “ Bom nhiệt lượng kế”. Bom nhiệt lượng kế là một bình bằng thép trong chứa oxy ở áp suất 2,5 – 3,0 MN/m². Bom được đặt trong một thùng nhỏ chứa nước ngập đền toàn bộ bom gọi là “bình nhiệt lượng kế”. Nhiệt lượng toả ra khi cháy nhiên liệu dùng để đun nóng khối lượng nước này. Người ta đo được nhiệt độ của nước nóng và suy ra nhiệt trị của nhiên liệu. Để hạn chế ảnh hưởng do toả nhiệt ra môi trường xung quanh, người ta thường đặt bình nhiệt lượng kế vào một thùng khác có hai vỏ và chứa đầy nước, đảm bảo cho không gian xung quanh nhiệt lượng kế có nhiệt độ đồng đều. Phương pháp xác định nhiệt trị bằng tính toán dựa trên cơ sở tính nhiệt lượng toả ra khi cháy từng thành phần nguyên tố của nhiên liệu. Như vậy để tính chính xác nhiệt trị cần phải xác định chính xác, cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt sinh ra kèm theo các phản ứng cháy.

Song trong sản phẩm cháy có hơi nước nếu như hơi nước đó ngưng đọng lại thành nước thì nó còn toả thêm một lượng nhiệt nữa. Nhiệt trị cao của nhiên liệu chính là nhiệt trị có kể đến phần lượng nhiệt thêm đó.

Các bảng dưới đây trình bày đặc tính công nghệ của một số loại than phổ biến ở Việt Nam.

Chất lượng thương phẩm than Hòn Gai – Cẩm Phả

Chất lượng than đá Mạo Khê

Chất lượng than Vàng Danh – Nam Mẫu

Chất lượng than thương phẩm than đá Núi Hồng

Chất lượng than thương phẩm Khánh Hòa