Than đá cháy là một quá trình quen thuộc, cung cấp năng lượng chính cho phần lớn nền văn minh nhân loại trong hàng trăm năm. Nhưng bạn đã thực sự hiểu rõ quy trình cháy của than đá diễn ra như thế nào, vì sao nó cháy, và quan trọng nhất, đốt than đá sinh ra khí gì? Bài viết này sẽ phân tích chi tiết, chính xác để bạn hiểu rõ hơn về than đá cháy nhé.
Contents
1. Than Đá Là Gì?
Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch dạng đá trầm tích, có màu đen hoặc nâu đen. Nó được hình thành từ xác thực vật bị vùi lấp và biến đổi dưới áp suất, nhiệt độ cao trong hàng triệu năm. Thành phần chính của than đá là Carbon (C), ngoài ra còn có Hydro (H), Lưu huỳnh (S), Oxy (O), và Nitơ (N).
Có 4 loại than đá chính, được phân loại dựa trên hàm lượng carbon và nhiệt trị (lượng nhiệt sinh ra khi cháy):
- Than Anthracite (Than Antraxit): Loại than “già” nhất, có hàm lượng Carbon cao nhất (trên 90%). Than Anthracite cháy với ngọn lửa xanh, không khói, sinh nhiệt rất cao.
- Than Bituminous (Than Bitum): Loại than phổ biến nhất, dùng trong công nghiệp và phát điện. Hàm lượng Carbon thấp hơn (45-86%), sinh nhiều nhiệt và có khói khi than đá cháy.
- Than Sub-bituminous (Than Á-bitum): Có hàm lượng Carbon thấp hơn và độ ẩm cao hơn than Bitum.
- Than Lignite (Than Nâu): Loại than “non” nhất, hàm lượng Carbon thấp (25-35%) và độ ẩm rất cao. Khi cháy sinh ít nhiệt và rất nhiều khói.
2. Than Đá Cháy Sinh Ra Khí Gì?
Đây là phần quan trọng nhất mà mọi người cần phải nắm rõ, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và tính mạng. Quá trình than đá cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các khí cực độc.
2.1 Các khí thải chính khi đốt than
- Carbon Monoxide (CO): “Kẻ giết người thầm lặng”. Đây là khí không màu, không mùi, cực độc, sinh ra khi than đá cháy trong điều kiện thiếu Oxy (cháy không hoàn toàn).
- Carbon Dioxide (CO2): Khí nhà kính chính, sinh ra khi than cháy hoàn toàn. Dù không độc như CO, nồng độ CO2 quá cao cũng gây ngạt thở.
- Sulfur Dioxide (SO2): Sinh ra từ lưu huỳnh có trong than. SO2 là khí độc, có mùi hắc, gây kích ứng mạnh đường hô hấp và là nguyên nhân chính gây mưa axit.
- Nitrogen Oxides (NOx): Các oxit của Nitơ, sinh ra ở nhiệt độ cao. NOx góp phần gây mưa axit và các vấn đề về hô hấp.
- Bụi mịn (PM2.5) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs): Gây ô nhiễm không khí và các bệnh lý về phổi.
2.2 Tại sao ngộ độc khí than (CO) lại nguy hiểm chết người?
Khi hít phải khí CO, nó sẽ đi vào máu và liên kết với Hemoglobin (chất vận chuyển oxy trong hồng cầu) mạnh gấp 200-250 lần so với Oxy. Điều này làm cho máu không thể vận chuyển Oxy đến các tế bào, đặc biệt là não và tim.
Hậu quả là nạn nhân sẽ bị ngạt tế bào, lịm dần đi, hôn mê và tử vong một cách “êm ái” mà không hề hay biết. Đây chính là lý do các vụ ngộ độc khí than khi sưởi ấm trong phòng kín thường gây tử vong hàng loạt.
2.3 Quy tắc an toàn VÀNG khi sử dụng than (Sưởi ấm, nướng)
- TUYỆT ĐỐI KHÔNG đốt than (than củi, than tổ ong, than đá) để sưởi ấm hoặc nấu nướng trong phòng kín, không gian kín, nhà tắm, gara, hoặc trong lều.
- LUÔN LUÔN đảm bảo thông gió. Nếu phải sử dụng, phải mở hé cửa sổ hoặc cửa chính để không khí (Oxy) được lưu thông liên tục.
- Không bao giờ để lò than đang cháy qua đêm khi ngủ.
- Cách tốt nhất là chỉ sử dụng than ở ngoài trời hoặc nơi có ống khói dẫn khí thải ra bên ngoài đúng tiêu chuẩn.
3. Vì Sao Than Đá Cháy?
Câu trả lời nằm ở thành phần hóa học của nó. Than đá cháy vì hai lý do chính:
- Hàm lượng Carbon cao: Than đá là một nhiên liệu hóa thạch giàu Carbon. Carbon là một chất cháy rất tốt.
- Phản ứng với Oxy: Khi được cung cấp nhiệt độ mồi đủ cao (nung nóng) và có sự hiện diện của Oxy (O2) trong không khí, Carbon trong than sẽ phản ứng hóa học với Oxy. Đây là một phản ứng oxy hóa-khử tỏa nhiệt mạnh, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng, chính là thứ chúng ta gọi là “cháy”.
Phương trình hóa học cơ bản của sự than đá cháy hoàn toàn: C (rắn) + O2 (khí) → CO2 (khí) + Nhiệt lượng
4. Quy Trình Cháy Của Than Đá Diễn Ra Như Thế Nào?
Quy trình cháy của than đá không diễn ra ngay lập tức mà trải qua nhiều giai đoạn phức tạp, liên tiếp nhau khi nhiệt độ tăng dần. Dựa trên các phân tích khoa học, quá trình này bao gồm 4 giai đoạn chính:
- Sấy khô (100 – 150°C): Khi than bắt đầu được nung nóng, nhiệt lượng sẽ làm bay hơi nước tự do và nước liên kết có trong than. Giai đoạn này tiêu thụ nhiệt nhưng chưa sinh nhiệt.
- Phân hủy nhiệt (Pyrolysis – 200 – 500°C): Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, các hợp chất hữu cơ phức tạp trong than bắt đầu bị phân hủy (nhiệt phân) mà không cần Oxy. Quá trình này giải phóng ra các “khí dễ bay hơi” (Volatiles) như Metan (CH4), Hydro, và các hydrocacbon khác. Phần rắn còn lại chủ yếu là Carbon, được gọi là “than cốc” (char).
- Đốt cháy khí dễ bay hơi: Các khí dễ bay hơi (Volatiles) vừa thoát ra ở giai đoạn 2 sẽ trộn lẫn với Oxy trong không khí và bốc cháy trước. Đây chính là ngọn lửa dài, màu vàng cam mà chúng ta thường thấy khi than đá cháy.
- Đốt cháy than cốc (600 – 1200°C): Sau khi khí dễ bay hơi đã cháy gần hết, phần than cốc (Carbon rắn) còn lại mới bắt đầu cháy. Giai đoạn này cháy ở nhiệt độ rất cao, ngọn lửa thường ngắn (cháy âm ỉ) và giải phóng phần lớn nhiệt lượng của quá trình than đá cháy.
5. Khả Năng Cháy Than Đá Phụ Thuộc Vào Những Yếu Tố Nào?
Không phải tất cả các loại than đều cháy giống nhau. Khả năng và hiệu quả của việc than đá cháy phụ thuộc vào 3 nhóm yếu tố chính:
- Loại than (Bản chất của than):
- Hàm lượng Carbon: Như đã nói, than có hàm lượng Carbon cao hơn (như Anthracite) sẽ cháy hiệu quả và sinh nhiệt cao hơn.
- Hàm lượng chất bốc (Volatiles): Than có nhiều chất bốc (như Bitum) sẽ dễ bắt lửa và cháy nhanh ở giai đoạn đầu.
- Hàm lượng Tro: Tro là phần khoáng chất không cháy được. Tỷ lệ tro cao làm giảm nhiệt trị của than.
- Độ ẩm: Than càng khô (độ ẩm thấp) thì càng dễ bắt lửa và cháy nhanh hơn, vì không tốn nhiệt để làm bay hơi nước. Than có độ ẩm cao sẽ khó cháy và sinh ra khói nhiều.
- Điều kiện cháy:
- Nhiệt độ: Phải đạt đến nhiệt độ bắt cháy mồi.
- Luồng khí (Oxy): Cung cấp đủ Oxy là yếu tố then chốt để duy trì sự cháy. Thiếu Oxy, than đá cháy sẽ không hoàn toàn, sinh ra khí CO độc và ít nhiệt.
- Áp suất: Áp suất cao (như trong lò hơi) thường làm tăng hiệu quả cháy.
- Kích thước hạt than: Than được nghiền nhỏ (tăng diện tích tiếp xúc) sẽ cháy nhanh và triệt để hơn than cục lớn.
6. Ứng Dụng Của Than Đá Cháy
Nhờ khả năng sinh nhiệt lượng khổng lồ, ứng dụng của than đá cháy là vô cùng rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp nặng:
- Sản xuất điện (Nhiệt điện): Đây là ứng dụng của than đá cháy lớn nhất. Than được đốt trong lò hơi khổng lồ để đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao làm quay tua-bin máy phát điện.
- Lò hơi công nghiệp: Cung cấp hơi nước và nhiệt cho các quy trình sản xuất trong các nhà máy dệt may, giấy, thực phẩm, hóa chất.
- Luyện kim: Than cốc (được luyện từ than đá) là nhiên liệu và chất khử không thể thiếu trong quá trình luyện gang, thép từ quặng sắt.
- Sản xuất xi măng: Than đá cháy cung cấp nhiệt độ cực cao (1400-1500°C) để nung clinker trong lò quay.
- Sưởi ấm và nấu nướng: (Chủ yếu ở quy mô dân dụng, tiềm ẩn rủi ro an toàn cao – xem lại Mục 2).
7. Than Đá Cháy và Môi Trường
Bên cạnh lợi ích về năng lượng, không thể phủ nhận tác động tiêu cực của việc than đá cháy đến môi trường.
7.1 Tác động môi trường của việc đốt than
- Biến đổi khí hậu: Giải phóng lượng lớn khí CO2, là khí nhà kính chính gây ra hiệu ứng nóng lên toàn cầu.
- Ô nhiễm không khí: Phát thải SO2 và NOx gây mưa axit, phá hủy hệ sinh thái và công trình. Bụi mịn PM2.5 gây ra các bệnh về hô hấp và tim mạch.
- Ô nhiễm đất và nước: Tro xỉ than (chất thải rắn) nếu không được xử lý đúng cách có thể rò rỉ kim loại nặng ra môi trường.
7.2 Các giải pháp xử lý khí thải lò than hiện nay
Để giảm thiểu tác động, các nhà máy công nghiệp hiện đại bắt buộc phải áp dụng các công nghệ xử lý khí thải (trước khi thải ra ống khói):
- Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) / Lọc bụi túi vải: Giữ lại phần lớn tro bụi, bụi mịn.
- Hệ thống khử SOx (FGD – Flue Gas Desulfurization): Dùng đá vôi hoặc các dung dịch kiềm để hấp thụ khí SO2.
- Hệ thống khử NOx (SCR – Selective Catalytic Reduction): Dùng Amoniac (NH3) và chất xúc tác để biến NOx thành khí Nitơ (N2) và nước (H2O) vô hại.
8. Câu Hỏi Thường Gặp (FAQ) Về Than Đá Cháy
8.1 Đốt than tổ ong trong phòng kín có sao không?
Cực kỳ nguy hiểm, có thể gây tử vong. Than tổ ong khi cháy thiếu Oxy sẽ sinh ra lượng lớn khí CO. Hít phải khí này sẽ gây ngộ độc và tử vong nhanh chóng (Xem lại Mục 2).
8.2 Than đá có thể tự bốc cháy không?
Có. Đây gọi là hiện tượng cháy nội sinh (tự cháy). Khi than đá (đặc biệt là than non) được tích tụ với số lượng lớn (như trong kho bãi), quá trình oxy hóa chậm bên trong đống than tự sinh ra nhiệt. Nếu nhiệt này không thoát ra ngoài kịp, nó sẽ tích tụ, làm nhiệt độ tăng cao đến điểm bắt cháy và tự bùng cháy.
8.3 Nhiệt trị của than đá là gì?
Là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg than đá, đơn vị thường là Kcal/kg hoặc MJ/kg. Nhiệt trị càng cao, than càng có giá trị năng lượng.
8.4 Than đá và than củi khác nhau như thế nào?
Than đá là nhiên liệu hóa thạch (hình thành hàng triệu năm), có mật độ năng lượng cao hơn, chứa nhiều tạp chất (lưu huỳnh). Than củi là sản phẩm từ quá trình đốt gỗ (sinh khối) trong điều kiện thiếu Oxy, có hàm lượng Carbon thấp hơn và ít tạp chất hơn.
Than đá cháy là một nguồn năng lượng hiệu quả, then chốt cho công nghiệp (nhiệt điện, lò hơi). Tuy nhiên, đây là một quá trình luôn tiềm ẩn rủi ro lớn. Vấn đề quan trọng nhất là than đá cháy sinh ra khí CO (gây ngộ độc chết người) và các khí thải (SO2, NOx) gây ô nhiễm. Do đó, việc sử dụng than đá BẮT BUỘC phải đi đôi với sự tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn (đặc biệt là thông gió) và áp dụng công nghệ xử lý khí thải.
