Than đá là nguồn nhiên liệu quan trọng để giải quyết thách thức mà thế giới hiện đại đang phải đối mặt - cụ thể là sự gia tăng nhanh chóng của việc tiêu thụ điện năng. Than có giá thành rẻ, dễ dàng tiếp cận hơn so với nhiên liệu hóa thạch khác và trữ lượng được phân bổ đều hơn trên khắp thế giới.

1. Than đá là gì?

Than đá là một loại đá trầm tích có màu nâu đen hoặc đen và thường xuất hiện ở các tầng đá gồm nhiều lớp hoặc mạch mỏ. Nó được đốt để lấy nhiệt và đây là nguồn năng lượng lớn nhất để sản xuất điện. Than đá thường sẽ hiếm hơn than nâu và có ánh mờ. Than đá có tính chất rất giòn và khi được nung nó sẽ có nhiệt độ từ 900-1100⁰C. Ở nhiệt độ này, than sẽ bị kết thành một loại rắn chắc và xốp. Thành phần chính của than đá là cacbon và một số nguyên tố khác như hydro, oxy, nito, lưu huỳnh.

* Đặc điểm của than đá: Màu sắc chính là đen, tuy nhiên, tùy theo mỏ than mà màu sắc sẽ có sự pha thêm như: nâu, ánh bạc, vàng, xỉn…Than đá có độ cứng cao và nặng, tỷ lệ cacbon lên đến 75 - 95% và đồng thời chúng chỉ có 5 - 6% độ ẩm. Nhiệt lượng cháy cao vào khoảng 5500 - 7500 kcal/kg. Hình dáng của than phụ thuộc vào tuổi than, ngày nay, hình dáng của than còn phụ thuộc vào cách chế biến, cách khai thác và máy móc mà con người sử dụng trong quá trình khai thác.

* Tính chất của than đá: Độ cứng: Tùy vào nguồn gốc xuất xứ mỏ than đá mà chúng có độ cứng khác nhau, than càng ít tạp chất thì độ cứng càng cao. Độ ẩm (%): Độ ẩm của than đá chính là hàm lượng nước còn sót lại trong nhiên liệu, độ ẩm càng cao thì giá trị sinh nhiệt càng thấp. Xỉ than: Tỉ lệ tro có trong than có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cháy của than có thể kể đến như: Làm giảm nhiệt trị của than, gây bám bẩn cho các bề mặt ống hấp thu nhiệt, bám bẩn làm giảm khả năng truyền nhiệt đi ra. Chất bốc: Là hiện tượng các chất khí trong than bị phân hủy nhiệt như: hydro, cacbuahydro, cacbonoxit, cacbonic… Tỷ lệ chất bốc trong than càng nhiều thì khi đốt sẽ càng hao than. Nhiệt trị Q (Cal/g): Là nhiệt lượng tỏa ra khi chúng ta đốt cháy hoàn toàn 1kg than; nhiệt trị càng cao than càng cháy tốt và ngược lại, nhiệt trị càng thấp khả năng cháy của than cũng giảm dần. Ngoài ra, than đá có tính chất hấp thụ được các chất độc và khả năng giữ trên bề mặt của các chất khí, chất tan trong dung dịch hay chất hơi.

2. Than đá được hình thành như thế nào?

Than đá nói chung là một dạng nhiên liệu hóa thạch được tạo nên bởi sự biến đổi của những thực vật bị chôn vùi dưới lòng đất trong các tầng đá. Nhiều nhà khoa học chỉ ra rằng, than đá chính là quá trình phân hủy của thực vật. Cây dương xỉ chính là một dấu tích của loại nhiên liệu này. Các loài thực vật này sẽ trải qua nhiều giai đoạn biến đổi để chuyển hóa từ than bùn sang than nâu (hay còn gọi là than non). Sau đó, than non sẽ trở thành than bán titan rồi thành than bitum hoàn chỉnh. Kết quả cuối cùng của quá trình này là than đá được hình thành.

Gần đây, than đá còn giúp tạo ra các sản phẩm như dược phẩm, chất dẻo, sợi nhân tạo. Than đá được sử dụng theo nhiều mục đích sử dụng. Ngoài ra, than đá cũng được chia theo mục đích sử dụng với hai loại chính là: i) Than luyện kim: Chủ yếu được dùng trong ngành sản xuất thép. ii) Than nhiệt: dùng năng lượng khi đốt cháy để phát điện hoặc sử dụng trong ngành sản xuất xi măng.

Hiện nay, than đá được phân thành ba loại chính là than bùn, than cám và than cục. Trong mỗi loại này lại có sự phân chia khác nhau, cụ thể như sau:

Than cục: than cục chính là một dạng của than đá. Đúng như cái tên, chúng có hình hạng một cục, cứng và có màu đen nhánh. Than cục có than cục xô, than cục hai, than cục ba, than cục bốn, than cục năm, than cục sáu, than cục bảy, than cục tám và một số loại khác nữa.

Than bùn: chủ yếu là than bùn mà không có loại khác.

Than cám: gồm than cám 2a, than cám 3a, than cám 4a, than cám 5a, than cám 32, than cám 3c, than cám 4b và một số loại than cám khác. Tương tự như than đá thông thường, than cám được sử dụng thường xuyên trong việc vận hành đầu máy hơi nước, đầu xe lửa. Về sau, loại than này còn được làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện, ngành luyện kim. Giống như than đá thông thường, than cám được sử dụng thường xuyên trong sản xuất và đời sống. Tùy vào nhu cầu sử dụng mà người dùng lựa chọn loại than phù hợp.

* Ứng dụng của than đá:

- Dùng trong công nghệ hóa khí: khí hóa than đá được dùng để sản xuất khí tổng hợp, bao gồm khí cacbin mono oxit và khí hydro. Nguồn khí này chủ yếu sử dụng để đốt tuabin sản xuất điện và một phần nhỏ được chuyển đổi thành nhiên liệu xăng, dầu diesel hoặc sản xuất một số loại phân bón, sản phẩm hóa học khác như metanol, hydro, olefin, axit axetic, fomaldehyde, amoniac,…

- Dùng trong luyện kim: Khi kim loại nóng chảy ở trong khuôn, than đá được đốt cháy từ từ để giải phóng khí nhằm làm giảm áp suất. Điều này sẽ ngăn không cho kim loại xâm nhập vào những khoảng trống của cát. Than đá được chế biến thành than cốc: 70% lượng thép trên thế giới được sản xuất từ than cốc. Ngoài ra, một số loại kim loại khác như đồng, nhôm,… cũng được làm ra từ than cốc.

- Than đá được dùng làm nhiên liệu đốt, năng lượng. Trước đây, than đá chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho đầu máy hơi nước, đầu máy xe lửa. Ngày nay, sản lượng than đá khai thác được sử dụng để làm nhiên liệu rắn cho quá trình sản xuất điện và đốt cháy. Than đá sau khi thai thác từ các mỏ than sẽ được nghiền thành bột và đốt trong lò hơi. Nhiệt lượng tỏa ra từ lò nung sẽ chuyển đổi nước trong lò hơi thành hơi nước để làm quay các tuabin. Nhờ đó, máy phát điện hoạt đồng và sinh ra điện.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, chu trình hỗn hợp của khí hóa tích hợp (IGCC) được sử dụng để sản xuất điện năng. Than đá sẽ được khí hóa để tạo ra khí tổng hợp, sau đó được đốt trong tuabin khí để sinh ra điện. Với phương pháp này, hiệu suất tạo ra điện năng cao hơn.

- Than tinh chế: Than tinh chế là than đá đã được loại bỏ độ ẩm và các chất gây ô nhiễm môi trường phát sinh khi cháy sau khi trải qua một số quá trình thích hợp. Loại than này có khả năng cháy hiệu quả cao hơn và lượng phát thải khi cháy cũng được giảm đi khá nhiều.

Một số ứng dụng khác: Than đá tạo ra nguồn năng lượng chính để sản xuất xi măng. Các sản phẩm phụ từ quá trình đốt cháy than đá như tro bay cũng đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp xi măng, bê tông và ngành xây dựng nói chung. Than đá có khả năng hấp thụ các chất độc nên nó được dùng nhiều trong các máy lọc nước, mặt nạ phòng độc…Than đá còn được ứng dụng trong ngành hóa học để tạo ra các sản phẩm dược phẩm, chất dẻo và sợi nhân tạo. Thậm chí, than đá còn được dùng trong điêu khắc và vẽ tranh mỹ nghệ.

* Lợi ích sử dụng than đá:

Than đá là nguồn năng lượng linh hoạt nhất. Nó không chỉ dùng để tạo ra điện mà còn là một trong những thành phần để nấu chảy sắt thép, điện phân nhôm, sản xuất giấy và các sản phẩm hóa chất. So với các nhiên liệu hóa thạch khác dễ cháy và khó vận chuyển như dầu mỏ thì than đá an toàn, dễ vận chuyển và lưu trữ hơn. Việc vận chuyển than đá không đòi hỏi phải có hệ thống đường ống áp lực cao hơn mà chỉ cần có xe tải, tàu hỏa, tàu biển… là có thể mang đi mọi nơi./.