Than đá – Tổng quan, đặc điểm, ưu nhược điểm và ứng dụng

Than đá là loại khoáng sản tự nhiên có giá trị năng lượng cao, hình thành từ xác thực vật cổ đại qua hàng triệu năm. Bài viết này giúp bạn hiểu rõ than đá là gì, nguồn gốc, đặc điểm và ứng dụng quan trọng của nó trong sản xuất điện, luyện kim và công nghiệp hiện đại.

1. Than đá là gì?

Than đá (Coal) là một loại đá trầm tích màu đen hoặc nâu đen, có thể đốt cháy được và chủ yếu được cấu thành từ carbon. Thường xuất hiện ở các tầng đá với nhiều lớp hoặc mạch mỏ. Than đá được tìm thấy khắp nơi trên thế giới đặc biệt tại những nơi có núi rừng và đầm lầy nhờ khả năng sinh nhiệt lớn, than đá được xem là nguồn năng lượng hóa thạch quan trọng hàng đầu thế giới, chiếm hơn 35% tổng sản lượng điện toàn cầu.

2. Nguồn gốc hình thành than đá

Quá trình hình thành than đá diễn ra hàng triệu năm với ba giai đoạn chính:

• Giai đoạn tích tụ thực vật: Cây cối, dương xỉ và thực vật cổ đại bị vùi lấp trong các đầm lầy, ao hồ.
• Giai đoạn chôn vùi và phân hủy: Các lớp trầm tích mới chồng lên, tạo áp lực và nhiệt độ cao, khiến vật chất hữu cơ dần biến đổi thành than bùn (peat).
• Giai đoạn biến chất: Dưới tác động của nhiệt và áp suất, than bùn chuyển dần qua các mức than non (lignite) → than bitum (bituminous) → than antraxit (anthracite) – loại có hàm lượng carbon cao và năng lượng lớn nhất.

3. Tính chất của than đá

3.1. Tính chất vật lý của than đá

Tính chất vật lý của than đá liên quan trực tiếp đến cấu trúc, hình thái, mật độ và độ ẩm, ảnh hưởng đến cách sử dụng và vận chuyển.

• Màu sắc và cấu trúc: Than đá có màu từ nâu sẫm đến đen, riêng than antraxit có ánh kim loại. Kết cấu thay đổi theo loại: than bùn mềm, than gầy có thớ gỗ, than mỡ và than antraxit chắc, cứng, bóng.
• Độ cứng và độ giòn: Than gầy cứng hơn than non, dễ bẻ gãy thành mảnh nhỏ; than antraxit cứng và khó bẻ, chịu mài mòn tốt.
• Độ ẩm: Than non và than bùn có độ ẩm cao (40–66%), than gầy 20–35%, than mỡ 15–20%, than antraxit <10%. Độ ẩm càng cao, năng lượng nhiệt khi đốt càng giảm.
• Khối lượng riêng và mật độ: Than đá có khối lượng riêng trung bình 1,1–1,5 tấn/m³, phụ thuộc loại than và độ ẩm. Than cứng và antraxit có mật độ cao hơn, than bùn nhẹ, xốp.
• Khả năng phân hủy và xốp: Than bùn và than non mềm, dễ vỡ, xốp; than gầy và than mỡ cứng hơn, dễ vận chuyển và lưu trữ; than antraxit rất bền, ít vỡ, ít bụi.

3.2. Tính chất hóa học của than đá

Tính chất hóa học quyết định nhiệt trị, độ tro, lượng carbon và các chất phụ của than, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng.

• Hàm lượng carbon: Than bùn 20–25%, than non 25–35%, than gầy 35–45%, than mỡ 85%, than antraxit 86–97%, than chì gần như 100% carbon. Hàm lượng carbon càng cao, năng lượng nhiệt khi đốt càng lớn.
• Hàm lượng lưu huỳnh: Than gầy và than mỡ có lưu huỳnh thấp (<1–2%), hạn chế phát thải SO₂; than nhập khẩu từ một số mỏ có thể cao hơn, ảnh hưởng đến môi trường khi sử dụng.
• Hàm lượng tro: Than non 6–19%, than gầy 5–15%, than mỡ 12%, than antraxit thấp, thường <10%. Tro cao làm giảm nhiệt trị và sinh ra cặn khi đốt.
• Chất dễ cháy (volatile matter): Than bùn và than non chứa 60–80% chất dễ cháy, than gầy 40–50%, than mỡ 30–35%, than antraxit <10%. Chất dễ cháy ảnh hưởng đến khả năng bắt lửa và điều khiển nhiệt độ.
• Độ ẩm hóa học: Là lượng nước liên kết trong cấu trúc than, ảnh hưởng đến nhiệt trị. Than bùn và non nhiều nước liên kết, than antraxit gần như khô.
• Các nguyên tố khác: Nitơ 0,5–2% trong than mỡ, các khoáng chất như silica, mica, calcit có trong than chì, than gầy và antraxit. Các nguyên tố này ảnh hưởng đến độ bền, quá trình cháy và ứng dụng trong công nghiệp.

4. Phân loại các loại than đá phổ biến

4.1. Phân loại theo cấp độ tiến hóa

Phân loại than đá theo cấp độ tiến hóa dựa trên hàm lượng carbon và năng lượng nhiệt mà than có thể tạo ra, phản ánh quá trình chịu áp suất và nhiệt độ trong thời gian hình thành.

• Than bùn là lớp hữu cơ trên bề mặt đất, hình thành từ sự phân hủy chưa hoàn toàn của tàn dư thực vật trong môi trường yếm khí như đầm lầy, rừng hoặc đồng hoang. Than bùn có độ ẩm cao khoảng 42%, mức độ phân giải trung bình 35%, hàm lượng hữu cơ phụ thuộc độ sâu mỏ.
• Than non (than nâu, lignite) là than non còn trẻ, chứa 25–35% carbon, độ ẩm cao khoảng 66%, tro 6–19%. Lượng chất dễ cháy chiếm 60–80%, chủ yếu dùng cho lò hơi, nhà máy nhiệt điện nhỏ. Đây cũng là loại than đầu tiên được khí hóa.
• Than gầy (sub-bitum, lignite đen) than gầy có tuổi địa chất hơn 200 triệu năm, chứa 35–45% carbon, độ ẩm thấp hơn than non, độ cứng cao hơn, dễ vận chuyển. Hàm lượng lưu huỳnh <1%, hạn chế ô nhiễm khi dùng trong nhà máy điện.
• Than mỡ (bitum) chứa 85% carbon cố định, 17% độ ẩm, 0,5–2% nitơ và tro lên tới 12%. Than mỡ có thể tự tạo chất kết dính trong môi trường yếm khí, cháy có ngọn lửa dài. Phân thành than mỡ nhiệt và than mỡ luyện kim.
• Than antraxit than có giá trị nhiệt cao nhất, 86–97% carbon, ít tạp chất, màu ánh kim. Ứng dụng chủ yếu trong phát điện, luyện kim, xử lý nước nhờ độ bền hóa chất cao.
• Than chì dạng carbon tự nhiên, cấu trúc lớp, màu xám đen, mềm, dùng làm ruột bút chì hoặc điện cực nhờ khả năng dẫn điện tốt.

4.2. Phân loại theo mục đích sử dụng

• Than luyện kim: Dùng trong sản xuất thép, tạo than cốc.
• Than nhiệt: Dùng để phát điện hoặc trong công nghiệp xi măng.
• Than bùn hữu cơ: Nguyên liệu sản xuất phân bón.
• Than hoạt tính: Vật liệu lọc nước, xử lý nước thải, sản xuất nước tinh khiết.

4.3. Phân loại than đá theo đặc điểm hình thái

• Than bùn nhuyễn, mịn đã qua sàng nghiền, dùng cho phân bón hữu cơ vi sinh, chia thành loại 1 (đen, hữu cơ 30–35%), loại 2 (đen lẫn nâu, 17–25%), loại 3 (nâu đen, <16%). Độ mịn qua sàng 3,5–5,5mm, độ ẩm 20–35%.
• Than cám hạt <15mm, ký hiệu như than cám 2a, 2b, 32, 3c, 4a, 4b…
• Than cục xô hạt 6–100mm, ký hiệu than cục hai, ba, bốn…

4.4. Phân loại than đá theo xuất xứ

• Than Indonesia: Đa dạng than nâu, than non, một lượng nhỏ than bitum; lưu huỳnh thấp–trung bình, giá thành cạnh tranh.
• Than Úc: Than bitum, sub-bitum, antraxit chất lượng cao, lưu huỳnh thấp, nhiệt trị cao, thích hợp luyện kim và phát điện.
• Than Nga: Trữ lượng đa dạng từ than nâu đến antraxit; xuất khẩu than nhiệt và than luyện cốc; hàm lượng lưu huỳnh và tro thay đổi theo khu vực.
• Than Nam Phi: Chủ yếu than bitum, nhiệt trị cao, tro thấp, phù hợp luyện kim và phát điện; có trữ lượng antraxit đáng kể, chất lượng tốt hơn Indonesia nhưng giá cao hơn.

5. Ưu điểm, nhược điểm và tác động môi trường của than đá

5.1. Ưu điểm

• Nguồn năng lượng dồi dào: Than đá chứa hàm lượng carbon cao, cung cấp năng lượng nhiệt lớn khi đốt, đáp ứng nhu cầu phát điện, công nghiệp và gia đình.
• Dễ khai thác và vận chuyển: Các mỏ than lớn trên thế giới giúp than đá dễ dàng được khai thác, phân phối với chi phí tương đối thấp.
• Đa dạng chủng loại: Từ than bùn, than non, than gầy, than mỡ đến than antraxit, mỗi loại than đá phù hợp cho nhiều mục đích khác nhau như phát điện, luyện kim, sản xuất phân bón.
• Khả năng lưu trữ lâu dài: Không giống các nhiên liệu lỏng hay khí, than đá có thể được lưu kho lâu mà không mất năng lượng.

5.2. Nhược điểm

Mặc dù than đá mang lại nhiều lợi ích, nhiên liệu này cũng tồn tại nhược điểm và tác động môi trường:

• Ô nhiễm không khí: Khi đốt, than đá phát sinh CO₂, SO₂, NOₓ gây hiệu ứng nhà kính, mưa axit và ô nhiễm môi trường.
• Tác động tới sức khỏe: Khói than và bụi than có thể gây bệnh đường hô hấp, các bệnh về tim mạch nếu tiếp xúc lâu dài.
• Hạn chế về khai thác: Một số mỏ sâu hoặc chất lượng thấp khiến chi phí khai thác cao và ảnh hưởng tới đất đai xung quanh.
• Nguồn tài nguyên không tái tạo: Than đá hình thành qua hàng triệu năm, khi khai thác cạn kiệt sẽ không thể phục hồi trong thời gian ngắn.

6. Ứng dụng của than đá

Than đá được dùng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau:

• Phát điện: Than nhiệt và than gầy là nguồn nhiên liệu chính cho nhà máy nhiệt điện.
• Ngành luyện kim: Than mỡ và than luyện kim dùng để sản xuất than cốc, làm nguyên liệu luyện thép.
• Sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng: Than đá cung cấp nhiệt cho lò nung clinker và các quy trình công nghiệp.
• Sản xuất phân bón và than hoạt tính: Than bùn hữu cơ làm nguyên liệu phân bón; than hoạt tính dùng lọc nước, xử lý khí thải.

7. Câu hỏi thường gặp về than đá

7.1. Than đá là gì?

Than đá là nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ tàn dư thực vật qua hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao.

7.2. Than đá có mấy loại?

Có nhiều loại: than bùn, than non, than gầy, than mỡ, than antraxit, than chì, mỗi loại khác nhau về hàm lượng carbon, nhiệt trị và ứng dụng.

7.3. Ưu điểm nổi bật của than đá là gì?

Than đá cung cấp năng lượng cao, dễ khai thác, đa dạng ứng dụng và có thể lưu trữ lâu dài.

7.4. Nhược điểm khi sử dụng than đá là gì?

Gây ô nhiễm không khí, bụi than ảnh hưởng sức khỏe, khai thác làm thay đổi môi trường, không tái tạo trong thời gian ngắn.

7.5. Than đá được sử dụng ở đâu?

Ứng dụng chính: phát điện, luyện kim, sản xuất xi măng, phân bón, lọc nước, xử lý khí thải.

Than đá đã được minh họa chi tiết từ tính chất vật lý, hóa học đến phân loại, ưu nhược điểm và ứng dụng. Việc hiểu rõ những thông tin này giúp lựa chọn loại than phù hợp, tối ưu hiệu quả sử dụng và hạn chế tác động môi trường. Hãy cân nhắc lựa chọn than đá theo mục đích sử dụng và áp dụng các biện pháp giảm phát thải để vừa tận dụng năng lượng, vừa bảo vệ môi trường.