PHẦN 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THAN
2.1. Phương pháp vật lí
● Xác định thành ph n kích thước h t và ch s Hagro. ầ ạ ỉ ố
Xác định thành phần kích thước hạt: Tiến hành rây trên thiết bị rây tự động sau ó đ
cân và đánh giá phân bố kích thước hạt theo phần trăm trọng lượng. Đây là yếu tố quan trọng để phân loại than. Ngồi ra, nó cịn là yếu tố quan trọng trong q trình khí hóa. N u kích thế ước hạt than không đều trở lực trên tiết di n ngang khơng đều, ệ
gió phân ubố khơng u và khí hóa cđề ục bộ. Chỗ có trở lực bé (kích thước than l n) ớ
gió sẽ đ i qa nhiều hơn khí hóa mạnh hớn so với những vùng có kích thước hạt nhỏ.
Tại những chỗ q trình khí hóa xảy ra mạnh nhiệt độ sẽ cao gây hi n tượng ch y ệ ả
mềm và kết khối của xỉ. Ngược lại tại những vùng kích thước than bé lại gây hiện tượng mất C theo xỉ nhiều. Mỗi kích thước xác định sẽ được khí hóa theo chế độ k ỹ
thuật xác định.
Xác định chỉ số Hargo theo tiêu chuẩn ASTM D 409-2002: M u than sau khi ã ẫ đ
sấy khơ trong khơng khí và nghiền trong máy nghiền đĩa tới cỡ hạt nh hơỏ n ho c ặ
bằng 1,18mm và sàng cỡ hạt 0,6 – 1,18mm. Sau ó cân l y 50g than c hạt 0,6- đ ấ ỡ
1,18 mm , đã được sấy khơ trong khơng khí cho vào máy nghiền hardgrove để
nghiền 60 + - 0,25 vòng quay của máy nghiền. Chỉ số Hardgrove được xác nh đị
theo công thức
HGI = 13 + 6,93 W
W : Trọng lượng than tính bằng gam, phần dưới sàng 0,075 mm c a m u than, được ủ ẫ
xác định bằng cách lấy trọng lượng mẫu ban đầu trừ đ i trọng lượng trên sàng 0,075 mm của mẫu than thí nghiệm.
Chỉ số Hargo cho bi t độ cứế ng c a than, t ó người ta ch n thi t b nghi n phù ủ ừ đ ọ ế ị ề
hợp.
● Xác định kh i lượng riêng. ố
Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định khối lượng riêng của than
nh ng ư đều dùng phương pháp picnomet. Chất lỏng dùng trong các phương pháp này
này là cồn etylic, nhiệt độ xác định khối lượng riêng ở 20oC. Khối lượng riêng của than là thông số quan tr ng cho v n chuy n, tàng tr than. ọ ậ ể ữ
2.2. Các chỉ tiêu cơng nghệ:
● Xác định độ ẩm phân tích theo tiêu chu n ASTM D 3173-03. ẩ
Sấy than ở 105oC và xác định sự thay đổi về khố ượng. Trong tấ ả các loại i l t c nhiên liệu bất kể loại nào đều có chứa mộ ượng ẩm nhất định. Phần ẩm của than là t l lượng nước nằm trong than dưới nhiều hình thức khác nhau. Người ta cho rằng lượng ẩm trong than là gồm những phần ẩm sau đây:
• Phầ ẩn m được h p th trên b m t h t than. ấ ụ ề ặ ạ
• Phần ẩm dược ngưng tụ trong các mao quản của hạt than.
• Phầ ẩn m do tr n l n c h c v i than. ộ ẫ ơ ọ ớ
• Phầ ẩn m do nước k t tinh c a mộ ốế ủ t s mu i vô c trong ph n khống. ố ơ ầ
• Phầ ẩn m liên k t. ế
● Xác định hàm lượng tro theo tiêu chu n ASTM D 3172-89. ẩ
Mẫu được đốt trong lị nung khơng khí ở nhiệt độ 815± 15oC và duy trì ở
nhiệt độ này tới khi khối lượng không đổi. Phần trăm của tro được tính từ khối lượng phần trăm còn lại sau khi đốt mẫu.
Tro là phần còn lại của khối than sau khi đã được đốt cháy hoàn toàn hoàn toàn
phần hữu cơ của than. Tro của than chủ yếu là do các thành ph n hóa nh : SiO2, ầ ư
Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, TiO2,…
● Xác định hi u su t ch t b c theo tiêu chuẩn ASTM D 3175-02. ệ ấ ấ ố
Khi nung nóng than trong đ ềi u kiện khơng có khơng khí ở nhiệt độ cao thì các phần khơng bền v ng cữ ủa phần h u cữ ơ của than s bịẽ phân h y, thốt ra ngồi ủ
dưới dạng khí, hơi gọi là chất bốc. Vì vậy hiệu suất chất bốc đặc trưng cho độ bền nhiệt, bền cơ của than và là thông s ch yếu ố ủ để phân loại than trong công nghi p. ệ
Chất bốc là thông s quan tr ng liên quan ố ọ đến sự biến tính than. Khi độ biến tính tăng thì cấu trúc than càng chặt chẽ, m ch nhánh gi m do ó hi u su t ch t b c ạ ả đ ệ ấ ấ ố
giảm. Khi độ biến tính thấp, cấu trúc than khơng ch t chẽ, mạnh nhánh nhiều do đó ặ
Nguyên lý: Mẫu được đốt 900ở oC trong mơi trường có khơng khí trong thời gian 7 phút. Tỷ lệ ph n tr m ch t b c c a than được tính b ng lượng m t kh i lượng của ầ ă ấ ố ủ ă ấ ố
mẫu sau khi trừ đi lượng mất khối lượng do hàm lượng ẩm gây ra.
● Xác định nhiệt trị theo tiêu chu n ISO 1928 : 1976. ẩ
Cân một lượng mẫu thử đ ã được đốt cháy với oxi trong bom nhiệt lượng ở
các đ ềi u kiện tiêu chuẩn. Trị số tỏa nhiệt tồn phần được tính do sự tăng nhi t độ ệ
của nước trong bình đo nhiệt lượng và nhiệt dung hữu hiệu trong bình của hệ thống, có tính đến phát nhiệt do mồi cháy, hiệu chỉnh nhiệt hóa và mất mát nhiệt từ nhiệt
lượng kế vào bầu nước xung quanh.
Trong thực tế nhiên liệu được đốt dưới áp suất không đổi ( của khí quyển )và nước khơng ngưng được mà dưới dạng hơi cùng với các chất khí của nhiên liệu.
Nhiệt trị là thông số quan trọng. Dựa vào Q có thể biết sơ bộ đ ánh giá ch t ấ
lượng của than, tính tốn nhiệt lượng quá trình sản xuất. Nhiệt lượng của than biến
đổi có quy luật theo độ bi n tính và nhi t lượng ế ệ được s dụử ng là thông s đểố phân
loại than.
2.3. Xác định thành ph n nguyên tầ ố
● Xác định hàm lượng cacbon và hydro theo phương pháp: TCVN 255:1995.
Mẫu được đốt cháy trong dòng oxi chuyển ng nhanh ởđộ nhi t ệ độ cao trong một ống khơng thấm khí. Tồn bộ hydro được chuyển hóa thành nước và tồn bộ cacbon thành khí cacbonic. Các sản phẩm được h p thu b i các thu c th thích h p ấ ở ố ử ợ
và được xác định theo phương pháp trọng lượng. Các oxit lưu huỳnh và clo được
giữ lại bởi một ống cuốn bạc tại đẩu ra của ống. a. Cacbon của than
Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất trong than, khi cháy tỏa ra một lượng nhiệt lượng lớn ( Q = 8140Kcal/KgC). Cacbon nằm trong than dưới dạng liên kết do
đó kh năả ng ph n ng kém. Trong quá trình nhi t phân ch mộả ứ ệ ỉ t lượng nh cacbon ỏ
thốt ra ở dạng h i và khí. Ch yếơ ủ u cacbon còn l i sảạ ở n ph m r n trong quá trình ẩ ắ
nhiệt phân.Khi độ biến tính tăng thì hàm lượng cacbon tăng và hàm lượng Cthơm cũng tăng.
Phương pháp xác định hàm lượng cacbon : Đốt mẫu than trong dòng oxy ở 800-900oC. Than sẽ cháy hoàn toàn sinh ra CO2 (sản phẩm cháy của C với O2) và H2O (sản phẩm cháy của H2 và O2). Sau đó dùng amiang tẩm xút để hấp thụ CO2 và
dùng pecloratmagie để hấp thu nước. D a vào ó s tính tốn ự đ ẽ được hàm lượng C
và H .
b. Hydro của than
Hydro là nguyên tố quan trọng trong than, khi cháy toả lượng nhiệ ớt l n ( Q=34.320Kcal/Kg). Hydro là nguyên tố rất ho t động, khi nhi t phân thì thốt ra ở ạ ệ
dạng khí và cịn lại rất ít trong sản phẩm rắn.Xác định hàm lượng hydro thường tiến hành song song với xác định hàm lượng cacbon. Khi đốt cháy hoàn toàn mẫu than, hydro cháy tạo thành nước ở thể hơi h p thu lượng h i nước này bằng ấ ơ
pecloratmagie ta tình được hàm lượng hydro. Khi độ biết tính của than tăng thì hàm lượng hydro giảm đi.
● Xác định hàm lượng l u hu nh theo tiêu chuẩn: ASTM D 3177-02. ư ỳ
Nung than cùng với h n h p eska( MgO + Na2CO3) ở 900oc cho phản ứng ỗ ợ
oxy hóa x y ra hồn toàn. Hàm lả ượng sumphat tạo thành và kết tủa ion sumphat
bằng BaCl2 ở ạ d ng BaSO4 rồi xác định bằng phương pháp trọng lượng. Shuou co + O2 → SO2
4FeS2 + 11 O2 → 2Fe2O3 + 8 SO2 SO2 + Na2CO3 → Na2SO3 + CO2
Na2SO3 + 1/2 O2 → Na2SO4 SO2 + MgO → MgSO3 MgSO3 + 1/2 O2 → MgSO4
CaSO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + CaO + CO2 CaSO4 + MgO → MgSO4 + CaO
Lọc dung dịch, sau đó dùng bari clorua để kết tủa bari sumfat: Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4 ↓ + 2NaCl
MgSO4 + BaCl2 → BaSO4 ↓ + MgCl2
Lọc, nung, cân kết tủa từ đ ó xác định được lưu huỳnh chung của mẫu phân tích. Lưu huỳnh chứa trong than là tạp chất độc hại nhất, trong quá trình hình
thành than khác nhau hàm lượng lưu huỳnh sẽ khác nhau. Thông thường lưu huỳnh
chứa trong than chỉ kho ng 0.5- 3% . H u h t l u hu nh dạả ầ ế ư ỳ ở ng qu ng s t ch a ặ ắ ứ
trong than. Khi đốt cháy nó có thể trở thành thể khí như SO2, SO3 bay ra làm ăn
mịn thiết bị, đường ống, ơ nhiễm khơng khí. Trong cơng ngh khí hóa, lưu huỳnh ệ
có trong khí than dưới dạng H2S sẽ làm cho thiết bị, đường ng bị ăố n mòn nghiêm trọng. Trong q trình gột rửa khí than cịn một số dạng H2SO4 đi vào nước làm bào mòn hệ thống gột rửa. Than dùng hóa khí cần hạn chế lượng lưu huỳnh khơng vượt
q 1,5%.
● Tính tốn hàm lượng nito trong than theo tiêu chuẩn: ASTM D3179-02
Mẫu được đốt nóng, nito được chuyển thành muối amoni nhở hỗn h p xúc ợ
tác nóng, xúc tác là hỗn h p c a axit sumfuric đặc và kali sunfuric. Muối này được ợ ủ
phân hủy bởi kiềm nóng từ đ ó amoniac được tạo ra và nito sẽ được xác định bằng
phương pháp chuẩn độ. Sự có mặt của nito trong than h u nh không nh hưởng t i ầ ư ả ớ
tính chất của than. Khi cháy nó khơng tỏa nhiệ Đt. ây là nguyên tố vơ ích. Nhưng khi nhiệt phân than trong cơng nghiệp nó lại là ngun tố quan tr ng tọ ạo amoniac,
bazopirindin hoặc hợp chất cyan
Theo tiêu chuẩn này nito được xác định bằng phương pháp Kjeldajl. Ph ng ươ
pháp này khá hiện đại và có th dùng trong mọi trường hợp. Mẫu được chuyển vào ể
bình kjeldahl đáy trịn cổ dài làm bằng thủy tinh đặc biệt, cho thêm axit sunfuric vào và các hóa chất khác r i vừ đồ a un vừ ắa l c nh cho đến khi ph n ng x y ra mãnh ẹ ả ứ ả
liệt. Sau khi qua đầ đủy các bước ta tiến hành cất rồi chuẩn độ bằng axitsunfuric, t ừ đó suy ra hàm lượng nito
● Tính tốn hàm lượng oxi trong than.
Vai trị của oxi trong than đặc biệt quan trọng mặc dù đứng về phương diện
năng lượng khi đốt chúng không tỏa ra nhiệt lượng. Nó là ngun tố có hoạt tính
hóa học lớn nhất. Trong phân tử than oxy thường nằm phần nhánh bên mạch ở
thẳng. Hàm lượng oxy càng l n thì m i liên kếớ ố t gi a nhánh bên và ph n nhân càng ữ ầ
yếu, do đó khi nhiệt phân sản phân hủy càng nhiều.
Để xác định hàm lượng oxi trong than ta dùng ph ng pháp tính tốn. Than ươ
Opt = 100 – ( Vpt + Wpt+ Cpt + Hpt + Npt + Spt)
● Xác định hàm lượng oxit kim lo i trong tro và oxit kim lo i độc h i trong ạ ạ ạ
tro bằng phương pháp phân tích phổ phát xạ nguyên tử trên máy ICP. [7]
Để phân tích hàm lượng oxit kim loại hàm lượng nhỏ trong tro ta sử dụng phương pháp quang phổ phát xạ trên máy ICP. Các nguyên tố được cung cấp năng lượng và chuyển lên trạng thái bị kích thích, sau đó chúng được chuyển về trạng thái cơ ả b n và phát ra bức xạ đ ệ i n từ.
Khi cung cấp năng lượng cho nguyên tử thì các đ ệ ửi n t hoá tr sẽị chuy n lên ể
mức năng lượng cao hơn và chúng ở trạng thái kích thích. Nguyên tử ch lư ạ ởỉ u l i trạng thái này cỡ 10-8 giây sau đó trở về ạ tr ng thái b n v ng ban đầu. Chúng s gi i ề ữ ẽ ả
phóng năng lượng mà chúng đã hấp thụ được của quá trình trên dưới dạng các bức xạ quang học. Bức xạ này được ghi lại, chính là phổ phát xạ nguyên tử.
Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử dựa trên nguyên t c o ắ đ
cường độ vạch phổ phát xạ của các nguyên t có trong m u nghiên c u khi b kích ố ẫ ứ ị
thích bằng ngu n n ng lượng cao. Cường ồ ă độ bức x ( còn g i là cường ạ ọ độ vạch
phổ) phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên t ch a trong m u. Chúng được ghi lại ố ứ ẫ
bằng các máy đo chuyên dụng, sau khi được khuyếch đại và xử lý. Biết được cường
độ vạch ph là có th xác định được hàm lượng nguyên t c n phân tích. ổ ể ố ầ
● Xác định nhi t độ ch y m m c a troệ ả ề ủ theo tiêu chuẩn: ASTM D 1857-87
Phương pháp thử nghiệm gồm việc quan sát m u có hình kim tự tháp qua các ẫ
nhiệt độ mà ở đ ó ta quan sát hình dạng của tro. Người ta ép tro thành hình tháp cao 20mm, đáy vng có cạnh 7mm. Sau đó cho mẫu vào lị nung. Nhi t ệ độ mà hình tháp bắt đầu biến dạng gọi là nhiệt độ bắt đầu bi n d ng t1. Khi tháp tro bắt đầu ế ạ
mềm gọi là nhiệt độ bắt đầu ch y m m tả ề 2. Khi tháp tro chảy và chuyển thành lỏng gọi là nhiệt độ b t đầu chảy mềm t3, t4 là nhiệt độ chảy của tro. ắ
Hình 4: : Nhiệt độ chảy mềm c a troủ .
T3 > 1425oC là tro khó chảy.
T3 = 1200 – 1400oC là tro có độ chảy trung bình. T3 > 1200oC là tro dễ chảy.
Đặc tính nóng chảy c a tro ph thu c vào thành ph n hóa h c c a tro. ủ ụ ộ ầ ọ ủ
2.4. Các phương pháp khác ● Phương pháp FTIR [4], [5]
Phổ hồng ngo i (hay còn g i là ph dao ạ ọ ổ động) óng vai trị quan tr ng trong vi c đ ọ ệ
nghiên cứu vật chất. Phổ hồng ngo i có th ng d ng cho quá trình đồng nh t các ạ ể ứ ụ ấ
chất, xác định cấu trúc phân tử một cách định tính, phân tích nh lượng. Khi chi u đị ế
một chùm tia đơn sắc có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại qua mẫu phân tích, một phần năng lượng bị hấp th làm gi m cường ụ ả độ tia t i. S hấớ ự p th này tuân ụ
theo định luật Lambert-Beer
A=lgIo/I = ε.l.C
Trong đó A : Mật độ quang; ε : hệ số hấp th ; c : n ng độ ch t nghiên c u; Iụ ồ ấ ứ o/I là
độ truyền qua; l:chiều dày cuvet .
Đường cong biểu di n s ph thu c c a mậễ ự ụ ộ ủ t độ quang vào chi u dài bước ề
sóng kích thích gọi là phổ. Một số phân tử khi dao động có gây ra sự thay đỏi
momen lưỡng cự đ ệc i n, có khả năng h p th bứấ ụ c x hồạ ng ngo i đểạ cho hi u ng ệ ứ
phổ hồng ngoại hay còn gọi là phổ dao động. Khi tần số dao động của nhóm nguyên
tử nào đó mà trong phân t ít ph thu c vào các thành phần cịn lại của phân tử thì ử ụ ộ
tần số dao động đó được gọi là tần số đặc trưng cho nhóm đó. Dựa vào tần s pic ố
đặc trưng, cường độ pic trong phổ hồng ngo i có th phán ốn v sựạ ể đ ề có m t c a ặ ủ
các nhóm chức, các liên k t xác định trong phân t nghiên c u. T ó xác ế ử ứ ừ đ định
được cấu trúc c a m u nghiên c u. ủ ẫ ứ
● Phương pháp phân tích nhiệt. [4], [5], [25]
A là bộ ph n lậ ập chương trình làm việc cho lò nung B, gồm chọn lọc tốc độ
đốt nóng bOC/ph, nhiệt độ tố đi a, khí quyển của lò nung. Chén I đựng mẫu nghiên
cứu đặt trong lò nung B, cùng với chất so sánh ở trong chén II. Chất so sánh thường dùng là Al O hoặc MgO. Khi đun nóng lị B theo một chương trình định sẵn, thiết
bị C sẽ ghi các thơng số từ lị B và bi u di n dưới d ng m t hàm Y = f(t) gọi là giản ể ễ ạ ộ