1.2. Khái quát về mặt hàng than đá
1.2.2.1. Thành phần hóa học của than
Trong than, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau: * Cacbon (C)
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 (H)
Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy toả ra nhiệt lượng 144.500 kj/kg. Nhưng lượng hyđrơ có trong thiên nhiên rất ít. Trong nhiên liệu lỏng hyđrơ có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn.
* Lưu huỳnh (S)
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 khống chất có thể tham gia q trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc. Cịn
29
lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4 , FeSO4 .., những liên kết này khơng tham gia q 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 SO2 hoặc SO3. Lúc gặp hơi nước SO3 dễ hoà tan tạo ra axit H2SO4 gây ăn mịn kim loại. Khí SO2 từ than đá thải ra ngồi là khí độc nguy hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu.
* Oxy (O) và Nitơ (N)
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 khơng tham gia q 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 + S + O + N + A + M = 100%.
1.2.2.2. Thành phần cơng nghệ của than
Ngồi thành phần hố học, người ta cịn 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.
30
* 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 1050C 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 1050C chưa đủ để thải hồn tồn độ ẩm ra khỏi nhiên liệu vì một số loại độ ẩm trong như ẩm tinh thể, thường phải ở nhiệt độ 500- 8000C mới thóat ra ngồi 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,…Ngồi 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- 8500C đối với nhiên liệu rắn, 5000C đối với nhiên liệu lỏng cho đến khi trọng lượng cịn lại khơng thay đổi. Phần trọng lượng khơng 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.
Một trong những đặc tính quan trọng làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc trong lị hơi là độ nóng chảy của tro.
* Chất Bốc của than (V )
Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện mơi trường khơng có Oxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân huỷ. Q 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
31
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 là thành phần bay hơi của than đã trừ đi độ ẩm khi mẫu than được đốt nóng trong chén có nắp đậy kín (khơng đưa khơng khí vào), ở nhiệt độ 800-8200C 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 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 khơng thiêu kết (than đá, than antraxit). Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xốp, than càng có khả năng phản ứng cao, Cacbon không những dễ bị Oxy hố mà cịn dễ bị hồn ngun khí CO2 thành khí CO. Than gầy và than Antraxit 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 khơng 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 hồn tồn 1 kg than, được kí hiệu bằng chữ Q (Kj/kg). Nhiệt trị của than được phân thành nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
32
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 đến 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 tốn 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.
1.2.3. Phân loại
Phụ thuộc vào khả năng sinh nhiệt, hàm lượng cácbon và độ tro, người ta phân thành nhiều loại than. Mỗi loại than có những ưu, nhược điểm riêng và nhìn chung, khơng thể thay thế cho nhau được.
1.2.3.1. Than bùn
Than bùn được hình thành do sự tích tụ và phân huỷ khơng hồn tồn tàn dư thực vật trong điều kiện yếm khí xảy ra liên tục. Q trình này diễn ra tại các vùng trũng ngập nước. Các vùng đất ngập nước là những vùng có năng suất sinh học cao, điều kiện phát triển của thực vật rất thuận lợi. Tuy nhiên, lớp thổ nhưỡng tại các vùng này ln trong điều kiện yếm khí; do đó, mặc dù sinh khối các loài cỏ sống trên mặt nước tăng nhanh, nhưng quá trình phân giải xác thực vật lại xảy ra chậm và không đạt tới giai đoạn vơ cơ hố dẫn đến tích luỹ hữu cơ. Tiếp theo cỏ là lau, lách, cây bụi, cây thân gỗ thay thế, kết hợp với quá trình kiến tạo địa chất, quá trình bồi tụ, lắng đọng phù sa đã chôn vùi kể cả cây thân gỗ, làm cho hữu cơ tích tụ thành các lớp và tạo thành than bùn.
33
Than bùn nằm ngay trên mặt đất hoặc sát mặt đất. Than bùn có nhiệt lượng cháy từ 1.500 đến 4.200kcal/kg. Than bùn làm chất đốt phục vụ nhu cầu địa phương, làm phân bón ruộng, nguyên liệu hóa chất, một số loại làm than hoạt tính.
1.2.3.2. Than nâu (lignite)
Than nâu hay còn gọi là than non (lignite) là loại đá trầm tích có màu nâu có thể đốt cháy được, được hình thành chủ yếu từ vật chất mùn (humit), một lượng nhỏ bitum và chất axit hữu cơ, thường có màu nâu hoặc đen.
Than nâu có hàm lượng cacbon khoảng 25-35%, độ ẩm cao khoảng 66%, và hàm lượng tro dao động từ 6% đến 19%. Suất sinh nhiệt của than nâu trong khoảng 10 – 20 MJ/kg khi ẩm. Than nâu có hàm lượng vật chất dễ bay hơi cao nên nó dễ dàng chuyển sang các sản phẩm dạng khí và lỏng so với các loại than đá cao cấp khác. Tuy nhiên, do độ ẩm cao và nhạy cháy có thể gây ra các rủi ro trong vận chuyển và lưu trữ. Than nâu chủ yếu được dùng làm nhiên liệu năng lượng, dùng luyện than nửa cốc, than khí hóa và thủy hóa.
1.2.3.3. Than bán bitum
Than bán bitum hay còn gọi là than gầy, cũng được biết đến là than lignite đen, loại than giữa than lignite và than bitum theo hệ thống phân loại ở Mỹ và Canada. Xét về giác độ địa chất thì than bán bitum là than trẻ, được hình thành cách đây 251 triệu năm. Ở trạng thái khơ và khơng có tro, than á bitum chứa 42-52% cacbon, nhiệt lượng riêng trong phạm vi từ 19 đến 26 megajoules/kg. Than này có màu từ nâu xẫm đến đen, và sáng hơn than lignite, than bán bitum thường có một cấu trúc thớ gỗ hơn là cấu trúc chắc bóng. Vài loại than bán bitum trơng rất giống than bitum.
Một tính ưu việt của than bán bitum là than này chứa ít nước hơn so với than lignite và vì vậy cứng hơn, một tính chất làm cho than này thích hợp hơn cho vận chuyển và lưu bãi. Tuy nhiên, hàm lượng hưu huỳnh của than bán bitum đôi khi thấp hơn 1%, thấp dưới mức lưu huỳnh trong than bitum. Điều này cho thấy phải đốt than bán bitum hiều hơn than bitum để sản sinh ra cùng lượng năng lượng như nhau. Nhiều nhà máy điện đã chuyển sang than bán bitum vì hàm lượng lưu huỳnh
34
trong than bitum cao làm tổn hại đến môi trường. Than bán bitum được dùng chủ yếu làm nhiên liệu nồi hơi và cho các nhà máy nhiệt điện.
1.2.3.4. Than bitum hoàn chỉnh (bituminous coal)
Than bitum hồn chỉnh (bituminous coal) hay cịn gọi là than mỡ là một loại đá trầm tích được hình thành từ q trình thành đá và nén ép nửa biến chất của vật liệu than bùn ban đầu. Thành phần chủ yếu của nó là các maceral: vitrinit, và liptinit. Than bitum tương đối mềm, chứa chất giống như hắc ín hay nhựa đường. Loại than này có chất lượng cao hơn than nâu nhưng thấp hơn than antraxit. Chúng được hình thành từ q trình bị nén ép của than nâu. Nó có thể có màu đen hoặc nâu đen.
Hàm lượng cacbon trong than bitum thường giao động trong khoảng 60-80%; phần còn lại là nước, hydro, và lưu huỳnh..., chúng chưa được tách khỏi các maceral. Bank density trong khoảng 1346 kg/m³. Dung trọng tự nhiên khoảng 833 kg/m³ (52 lb/ft³). Nhiệt cung cấp từ than mỡ dao động trong khoảng 24-35 MJ/kg (21 triệu đến 30 triệu BTU/tấn) ở trạng thái ẩm, khơng có vật liệu khống. Trong cơng nghiệp khai khống than, đây là loại than cung cấp một lượng lớn khí metan, một khí nguy hiểm có thể gây ra các vụ nổ trong hầm lò. Tuy nhiên, than bitum vẫn được sử dụng rộng rãi, nhất là làm nhiên liệu cho các nhà máy điện vì nó sinh ra nhiệt lượng cao.
1.2.3.5. Than antraxit
Than antraxit có màu đen, ánh kim, đơi khi có ánh ngũ sắc. Đây là loại than khơng có ngọn lửa, cháy khó và cần thơng gió mạnh mới cháy được. Nó có khả năng sinh nhiệt lớn hơn mọi loại than khác nên được dùng chủ yếu làm nhiên liệu nhiệt lượng cao. Than khơng tự bốc cháy nên có thể để chất đống lâu ngày, có độ bền cơ học cao, không bị vỡ vụn trong khi chuyên chở.
1.3. Vài nét về thị trường kinh doanh than đá nhập khẩu của Việt Nam
Việt Nam chỉ mới bắt đầu nhập khẩu than từ năm 2013 nhưng đã tăng hơn 6,5 lần sau 4 năm. Khối lượng than nhập khẩu của Việt Nam từ 2014 đến tháng 9/2018 được thể hiện trong biểu đồ dưới đây:
35
Biểu đồ 1.1 – Sản lượng và kim ngạch nhập khẩu than của Việt Nam giai đoạn 2013 –tháng 9/2018
“Nguồn: Tổng cục Hải quan”
Nhu cầu tiêu dùng than gia tăng đã kéo theo lượng than nhập khẩu không ngừng gia tăng. Trước năm 2014, thống kê hải quan không xếp than vào danh mục 50 mặt hàng nhập khẩu lớn, nhưng sang năm 2014, đã có 3,096 triệu tấn than được nhập khẩu, với trị giá 364,1 triệu USD. Năm 2016, nhập khẩu than đã tăng vọt lên 13,3 triệu tấn, kim ngạch đạt 927 triệu USD. So với năm 2015, tăng 92,4% về lượng và 69,4% về giá trị. Kết thúc năm 2017, Việt Nam đã nhập khẩu 14,5 triệu tấn than đá, tăng 9,8% so với năm 2016. Trị giá nhập khẩu đạt khoảng 1,52 tỷ USD, tăng 58,4% so với năm trước. Giá nhập khẩu than bình quân năm 2017 là 105 USD/tấn, tăng 44,2% so với năm 2016. Mặc dù lượng than cung cấp cho các hộ tiêu thụ trong nước và xuất khẩu đều đạt ở mức cao so với kế hoạch năm và vượt so với cùng kỳ năm 2017 do nhu cầu than của các nhà máy nhiệt điện và các hộ tiêu thụ đều ở mức cao so với dự kiến đầu năm. Theo số liệu thống kê mới nhất của Tổng cục Hải quan, nhập khẩu than đá vào Việt Nam sau khi sụt giảm liên tục từ tháng 6 đến tháng 8/2018, thì bắt đầu từ tháng 9/2018 tăng trở lại 31,9% về lượng và tăng 36,9% về kim ngạch; tháng 10/2018 tăng tiếp 8,5% về lượng và tăng 13,3% về kim ngạch, đạt 2,17 triệu tấn, tương đương 268,56 triệu USD. Tổng cộng 10 tháng đầu năm 2018, cả nước đã nhập khẩu 17,34 triệu tấn than đá, trị giá 2,05 tỷ USD, tăng 48,8% về lượng và tăng 71,4% về trị giá so với cùng kỳ năm 2017. Ước tính chỉ nhập khẩu 11 tháng đã vượt 2,2 tỷ USD với gần 20 triệu tấn. Theo Quy hoạch điện 7, đến năm
36
2020, Việt Nam dự kiến phải nhập đến 50 triệu tấn than đá và năm 2030 là 80 triệu tấn.
Vì vậy, trước tình hình Việt Nam vẫn cịn rất yếu và rất thiếu về cơ sở hạ tầng như cảng nước sâu, hệ thống kho bãi trung chuyển, khả năng vận chuyển quốc