Than là một loại nhiên liệu hóa thạch cứng được hình thành từ các chất hữu cơ thực vật và là một nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng. Về thành phần hóa học, than là một hỗn hợp phức tạp của các chất hữu cơ bao gồm cacbon, hydro, ôxy với một lượng nitơ, sulphur và một số các quặng vô cơ nhỏ. Các thành phần hữu cơ của than là chủ yếu để tạo khả năng có thể đốt cháy được. Có thể nói, than là một hóa thạch hoặc đá trầm tích hữu cơ, được hình thành do tác động của nhiệt độ và áp suất trên các mảnh vụn thực vật, có lượng hơi ẩm và quặng khác nhau. Các tính chất và đặc tính của than được mô tả liên quan đến sự phân loại của than trong quy trình đốt cháy và chuẩn bị than.
a. Thành phần hóa học của than
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 tỏa ra nhiệt lượng 144.500 kj/kg, nhưng lượng hyđrô có trong thiên nhiên rất ít còn 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 Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss. Lưu huỳnh hữu cơ và khóang chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc.
Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO
4, MgSO
4, FeSO
4 .., những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu.
VÌ vậy: S = Shc + Sk + Ss, % = Sc + Ss, %
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 SO
2 hoặc SO
3. Lúc gặp hơi nước SO
3 dễ h.a tan tạo ra axit H
2SO
4 gây ăn mòn kim loại. Khí SO
2 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 oxy và 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 hóa 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%.
b. Thành phần công nghệ của than
Ngoài thành phần hóa 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 lượngchất 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 105
oC 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 105
oC chưa đủ để tách 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- 800
oC mới thoát ra ngoài được.
Độ tro trong than -A
Các vật chất ở dạng khóang chất trong than khi cháy biến thành tro, sự có mặt của tro 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 m.n 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 - 850
oC đối với nhiên liệu rắn, 500
oC 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 antraxit có thể lên tới 15 – 30% hoặc cao hơn nữa.
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 hủy. Quá trình đó gọi là quá trình phân hủy nhiệt, sản phẩm của phân hủy nhiệt là những chất khí được gọi là “Chất bốc” và k. 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 hủy nhiệt.
Theo tiêu chuẩn ASTMD388 thì Chất bốc của than là 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 ký 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 kỹ thuật thích hợp.
Các mỏ than của Việt Nam đang dần cạn kiệt.
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 cháy. 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 xốp, than càng có khả năng phản ứng cao, Các bon không những dễ bị Oxy hóa mà còn dễ bị hoàn nguyên khí CO
2 thành khí CO. Than gầy và than Antrxit không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó cháy. 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, đựơc kí hiệu bằng chữ Q (Kj/ kg), nhiệt trị của than được phân thành Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
Xác định 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 ôxy ở áp suất 2,5 – 3,0 MN/m
2.
Bom được đặt trong một thùng nhỏ chứa nước ngập đền toàn bộ bom gọi là “bình nhiệt lượng kế”. Nhiệt lượng tỏa 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 tỏa 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 tỏa 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 tỏa thêm một lượng nhiệt nữa. Nhiệt trị cao của nhiên liệu chính là nhiệt trị có kể đến phần lượng nhiệt thêm đó.
Để đưa than vào sử dụng, người ta cần phân tích các thành phần chính của nó nhiệt trị, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, độ ẩm và tạp chất. Tùy theo đặc tính sử dụng, than được phân chia thành các cấp loại khác nhau và được đưa vào hệ thống các tiêu chuẩn. Tại Việt Nam, hiện đang có các loại than Hòn Gai – Cẩm Phả TCVN 1790:1999; than Mạo Khê TCVN 2273:1999; than Vàng Danh – Nam Mẫu TCVN 2279:1999; than Na Dương TCVN 4684:1999; than Núi Hồng TCVN 5333:1999; than Khánh H.a TCVN 6559:1999. Than được sử dụng chủ yếu vào các ngành công nghiệp giấy, chế tạo phân bón, xi măng, gốm sứ, nhiệt điện.
Các bảng dưới đây trình bày đặc tính của một số loại than phổ biến ở Việt Nam.