Than đá là gì? Ứng dụng và quá trình than hóa

Than đá là gì?

Than đá là một loại đá trầm tích dễ cháy, màu đen hoặc nâu đen, được hình thành dưới dạng các lớp đá gọi là vỉa than. Than đá chủ yếu là cacbon với một lượng nhỏ các nguyên tố khác, chủ yếu là hydro, lưu huỳnh, oxy và nitơ. Nó là một loại nhiên liệu hóa thạch, được hình thành khi xác thực vật chết phân hủy thành than bùn, sau đó được chuyển hóa thành than đá dưới tác động của nhiệt độ và áp suất chôn sâu trong hàng triệu năm.

Các mỏ than đá rộng lớn bắt nguồn từ các vùng đất ngập nước trước đây được gọi là rừng than, bao phủ phần lớn các vùng đất nhiệt đới của Trái Đất vào cuối kỷ Than đá (Pennsylvania) và kỷ Permi.

Sự hình thành than đá

Quá trình chuyển đổi thực vật chết thành than được gọi là quá trình than hóa. Vào những thời điểm khác nhau trong quá khứ địa chất, Trái Đất từng có những khu rừng rậm rạp ở những vùng trũng thấp. Tại những vùng đất ngập nước này, quá trình than hóa bắt đầu khi xác thực vật chết được bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa, thường là nhờ bùn hoặc nước có tính axit, và được chuyển hóa thành than bùn. Các bãi than bùn hình thành, vốn giữ lại một lượng lớn carbon, cuối cùng bị chôn vùi sâu dưới các trầm tích.

Sau đó, qua hàng triệu năm, nhiệt độ và áp suất của quá trình chôn vùi sâu đã làm mất nước, mêtan và carbon dioxide, đồng thời làm tăng tỷ lệ carbon. Chất lượng than được sản xuất phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ tối đa đạt được, với than non (còn gọi là “than nâu”) được sản xuất trong điều kiện tương đối ôn hòa, và than bán bitum, than bitum hoặc than anthracite (còn gọi là “than cứng” hoặc “than đen”) được sản xuất lần lượt với nhiệt độ và áp suất tăng dần.

Trong số các yếu tố liên quan đến quá trình than hóa, nhiệt độ quan trọng hơn nhiều so với áp suất hoặc thời gian chôn lấp. Than đá subbitum có thể hình thành ở nhiệt độ thấp tới 35 đến 80 °C (95 đến 176 °F), trong khi than anthracite cần nhiệt độ ít nhất từ ​​180 đến 245 °C (356 đến 473 °F).

Phản ứng Hóa học của quá trình than hóa

Quá trình cacbon hóa diễn ra chủ yếu bằng cách tách nước, khử cacboxyl và khử metan. Quá trình tách nước loại bỏ các phân tử nước khỏi than đang chín thông qua các phản ứng như:

2 R–OH → R–O–R + H2O

Quá trình khử cacboxyl loại bỏ carbon dioxide khỏi than đang chín:

RCOOH → RH + CO2

Quá trình khử metan diễn ra theo phản ứng như:

2 R-CH3 → R-CH2-R + CH4

R-CH2-CH2-CH2-R → R-CH=CH-R + CH4

Trong các công thức này, R biểu thị phần còn lại của phân tử cellulose hoặc lignin mà các nhóm phản ứng được gắn vào.

Quá trình tách nước và khử cacboxyl diễn ra sớm trong quá trình than hóa, trong khi quá trình khử metan chỉ bắt đầu sau khi than đã đạt đến cấp bitum. Tác dụng của quá trình khử cacboxyl là làm giảm tỷ lệ oxy, trong khi quá trình khử metan làm giảm tỷ lệ hydro.

Quá trình mất nước thực hiện cả hai chức năng, và (cùng với quá trình tách metan) làm giảm độ bão hòa của mạch cacbon (làm tăng số lượng liên kết đôi giữa các cacbon).

Trong quá trình cacbon hóa, các hợp chất mạch thẳng chuyển thành hợp chất thơm. Tương tự, các vòng thơm hợp nhất thành các hợp chất đa thơm (các vòng liên kết của các nguyên tử cacbon). Cấu trúc này ngày càng giống với graphene – thành phần cấu trúc của than chì.

Những thay đổi về mặt hóa học đi kèm với những thay đổi về mặt vật lý, chẳng hạn như giảm kích thước lỗ rỗng trung bình.

Lịch sử

Việc sử dụng than đen có chủ đích sớm nhất được ghi nhận tại Ostrava, Petřkovice, trong một khu định cư từ thời kỳ đồ đá cũ trên đỉnh đồi Landek. Theo phương pháp định tuổi bằng carbon phóng xạ, địa điểm này nằm trong khoảng thời gian 25.000–23.000 năm trước Công nguyên.

Ở Trung Quốc, việc sử dụng than đen được ghi nhận sớm nhất là ở Thẩm Dương, nơi vào năm 4000 trước Công nguyên, cư dân thời kỳ đồ đá mới đã bắt đầu chạm khắc đồ trang trí từ than non đen. Than từ mỏ Phủ Thuận ở đông bắc Trung Quốc đã được sử dụng để nấu chảy đồng từ năm 1000 trước Công nguyên. Marco Polo, người Ý đã đến Trung Quốc vào thế kỷ 13, đã mô tả than là “đá đen … cháy như gỗ”, và nói rằng than rất dồi dào, người ta có thể tắm nước nóng ba lần một tuần. Ở châu Âu, tài liệu tham khảo sớm nhất về việc sử dụng than làm nhiên liệu là từ chuyên luận địa chất “On Stones” (khoảng năm 371–287 TCN):

Than lộ thiên được sử dụng ở Anh trong thời kỳ đồ đồng (3000–2000 TCN), nơi nó là một phần của các giàn hỏa táng. Ở Anh thời La Mã, “người La Mã đã khai thác than ở tất cả các mỏ than lớn ở Anh và xứ Wales vào cuối thế kỷ thứ hai sau Công nguyên”. Than từ vùng Midlands được vận chuyển qua Car Dyke để sử dụng trong việc sấy ngũ cốc. Tro than đã được tìm thấy trong lò sưởi của các biệt thự và pháo đài La Mã, đặc biệt là ở Northumberland, có niên đại khoảng năm 400 SCN. Ở miền tây nước Anh, các nhà văn đương thời đã mô tả sự kỳ diệu của một lò than cố định trên bàn thờ Minerva tại Aquae Sulis (ngày nay là Bath), mặc dù trên thực tế, than lộ thiên dễ tiếp cận từ nơi sau này trở thành mỏ than Somerset đã được sử dụng phổ biến trong các ngôi nhà khá thấp ở địa phương. Bằng chứng về việc sử dụng than để luyện sắt trong thành phố trong thời kỳ La Mã đã được tìm thấy. Ở Eschweiler, Rhineland, các mỏ than bitum được người La Mã sử ​​dụng để nấu chảy quặng sắt.

Thành phần

Than là hỗn hợp của nhiều hợp chất hữu cơ và polyme khác nhau. Có nhiều loại than với màu sắc và thành phần sẫm khác nhau. Than non (than nâu, than non) không hoàn toàn đen. Hai loại than đen chính là than bitum, loại có nhiều hơn, và than antraxit. Loại than có tỷ lệ cacbon cao nhất trong thành phần hóa học là than antraxit, tiếp theo là than bitum, than non và cuối cùng là than nâu.

Giá trị nhiên liệu của than cũng thay đổi theo thứ tự tương tự. Một số mỏ than antraxit chứa cacbon nguyên chất dưới dạng than chì.

Đối với than bitum, thành phần nguyên tố ở dạng khô, không tro là 84,4% cacbon, 5,4% hydro, 6,7% oxy, 1,7% nitơ và 1,8% lưu huỳnh theo trọng lượng. Thành phần này phản ánh một phần thành phần của các loại cây tiền thân.

Thành phần chính thứ hai của than là tro, một hỗn hợp khoáng chất vô cơ không mong muốn và không cháy. Thành phần tro thường được thảo luận dựa trên các oxit thu được sau khi đốt trong không khí:

Điều đáng quan tâm đặc biệt là hàm lượng lưu huỳnh trong than, có thể thay đổi từ dưới 1% đến tối đa 4%. Phần lớn lưu huỳnh và phần lớn nitơ được đưa vào phần hữu cơ dưới dạng các hợp chất organosulfur và các hợp chất organonitrogen. Lưu huỳnh và nitơ này liên kết chặt chẽ trong ma trận hydrocarbon. Các nguyên tố này được giải phóng dưới dạng SO2 và NOx khi đốt cháy. Nếu không, chúng không thể được loại bỏ, ít nhất là về mặt kinh tế.

Một số loại than chứa lưu huỳnh vô cơ, chủ yếu ở dạng pyrit sắt (FeS2). Là một khoáng chất đặc, pyrit sắt có thể được loại bỏ khỏi than bằng phương pháp cơ học, ví dụ như tuyển nổi bọt. Một lượng nhỏ sunfat có trong than, đặc biệt là các mẫu than bị phong hóa. Sunfat không bay hơi và có thể được loại bỏ bằng cách rửa.

Các thành phần phụ bao gồm:

Các khoáng chất Hg, As và Se không gây hại cho môi trường, đặc biệt là vì chúng chỉ là các thành phần vết. Tuy nhiên, chúng trở nên linh động (dễ bay hơi hoặc tan trong nước) khi các khoáng chất này bị đốt cháy.

Công dụng

Hầu hết than đá được sử dụng làm nhiên liệu. Năm 2017, than đá cung cấp 27,6% năng lượng thế giới, và châu Á sử dụng gần ba phần tư lượng than đá này. Các ứng dụng quy mô lớn khác cũng tồn tại. Mật độ năng lượng của than đá là khoảng 24 megajoule trên kilogam (khoảng 6,7 kilowatt-giờ trên kg).

Đối với một nhà máy điện than có hiệu suất 40%, ước tính cần 325 kg (717 lb) than đá để cung cấp năng lượng cho một bóng đèn 100 W trong một năm.

Sản xuất điện

Năm 2022, 68% lượng than đá sử dụng trên toàn cầu được sử dụng để sản xuất điện. Than đá được đốt trong các nhà máy điện than để tạo ra điện được gọi là than nhiệt. Than đá thường được nghiền thành bột và sau đó được đốt trong lò nung có lò hơi. Nhiệt từ lò nung chuyển đổi nước trong lò hơi thành hơi nước, sau đó được sử dụng để quay tua-bin, làm quay máy phát điện và tạo ra điện.

Hiệu suất nhiệt động lực học của quá trình này dao động từ khoảng 25% đến 50% tùy thuộc vào quá trình xử lý trước khi đốt, công nghệ tuabin (ví dụ: máy phát hơi nước siêu tới hạn) và tuổi thọ của nhà máy.

Một số nhà máy điện chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (IGCC) đã được xây dựng, đốt than hiệu quả hơn. Thay vì nghiền than và đốt trực tiếp làm nhiên liệu trong lò hơi, than được khí hóa để tạo ra khí tổng hợp, được đốt trong tuabin khí để sản xuất điện (giống như khí đốt tự nhiên được đốt trong tuabin). Khí thải nóng từ tuabin được sử dụng để tạo hơi nước trong máy phát hơi thu hồi nhiệt, cung cấp năng lượng cho tuabin hơi bổ sung.

Hiệu suất tổng thể của nhà máy khi được sử dụng để cung cấp nhiệt và điện kết hợp có thể đạt tới 94%. Các nhà máy điện IGCC thải ra ít ô nhiễm cục bộ hơn so với các nhà máy điện than nghiền thông thường.

Các cách khác để sử dụng than là làm nhiên liệu bùn than-nước (CWS), được phát triển ở Liên Xô, hoặc trong chu trình nạp liệu MHD. Tuy nhiên, những cách này không được sử dụng rộng rãi do thiếu lợi nhuận.

Than cốc

Than cốc là một loại cặn cacbon rắn được sử dụng trong sản xuất thép và các sản phẩm chứa sắt khác. Than cốc được tạo ra khi than luyện kim (còn gọi là than cốc) được nung trong lò không có oxy ở nhiệt độ lên tới 1.000 °C, loại bỏ các thành phần dễ bay hơi và kết hợp cacbon cố định và tro còn lại.

Than cốc luyện kim được sử dụng làm nhiên liệu và chất khử trong quá trình nấu chảy quặng sắt trong lò cao. Cacbon monoxit sinh ra từ quá trình đốt cháy nó khử hematit (một oxit sắt) thành sắt.

2 Fe2O3 + 6 CO → 4 Fe + 6 CO 2

Gang, vốn quá giàu cacbon hòa tan, cũng được tạo ra.

Than cốc phải đủ bền để chịu được trọng lượng của vật liệu phủ trong lò cao, đó là lý do tại sao than cốc lại quan trọng trong sản xuất thép theo phương pháp thông thường. Than cốc từ than có màu xám, cứng và xốp, có nhiệt trị 29,6 MJ/kg. Một số quy trình sản xuất than cốc tạo ra các sản phẩm phụ, bao gồm nhựa than đá, amoniac, dầu nhẹ và khí than.

Hóa lỏng

Than có thể được chuyển đổi trực tiếp thành nhiên liệu tổng hợp tương đương với xăng hoặc dầu diesel bằng phương pháp hydro hóa hoặc cacbon hóa. Hóa lỏng than thải ra nhiều carbon dioxide hơn so với sản xuất nhiên liệu lỏng từ dầu thô. Việc trộn sinh khối và sử dụng công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) sẽ thải ra ít hơn một chút so với quy trình sản xuất dầu nhưng chi phí cao.

Khí hóa

Khí hóa than, là một phần của nhà máy điện đốt than chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (IGCC), được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, hỗn hợp khí carbon monoxide (CO) và hydro (H2) để đốt các tua bin khí nhằm sản xuất điện. Khí tổng hợp cũng có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu vận tải, chẳng hạn như xăng và dầu diesel, thông qua quy trình Fischer-Tropsch; hoặc khí tổng hợp có thể được chuyển đổi thành metanol, có thể được pha trộn trực tiếp vào nhiên liệu hoặc chuyển đổi thành xăng thông qua quy trình metanol thành xăng. Công ty hóa chất Sasol của Nam Phi đã sử dụng công nghệ khí hóa kết hợp với công nghệ Fischer-Tropsch để sản xuất hóa chất và nhiên liệu cho xe cơ giới từ than.

Trong quá trình khí hóa, than được trộn với oxy và hơi nước, đồng thời được nung nóng và nén chặt. Trong phản ứng, các phân tử oxy và nước oxy hóa than thành carbon monoxide (CO), đồng thời giải phóng khí hydro (H2). Quá trình này từng được thực hiện trong các mỏ than ngầm, và cũng được sử dụng để sản xuất khí gas, được dẫn đến khách hàng để đốt cho mục đích chiếu sáng, sưởi ấm và nấu ăn.

3C (dạng Than) + O2 + H2O → H2 + 3CO

Nếu nhà máy lọc dầu muốn sản xuất xăng, khí tổng hợp sẽ được đưa vào phản ứng Fischer-Tropsch. Quá trình này được gọi là hóa lỏng than gián tiếp. Tuy nhiên, nếu hydro là sản phẩm cuối mong muốn, khí tổng hợp sẽ được đưa vào phản ứng chuyển dịch khí nước, tại đó hydro được giải phóng nhiều hơn:

CO + H2O → CO2 + H2