Giáo trình hóa học và công nghệ chế biến than

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
*******

GIÁO TRÌNH

HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ BIẾN THAN
Dùng cho sinh viên Đại học chính quy
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Hóa học
(Tài liệu lưu hành nội bộ)

NĂM 2015

1


MỤC LỤC

2


MỞ ĐẦU
Năng lượng trong thế kỷ 21 đang là vấn đề nóng hổi trên toàn cầu. Khi nguồn
nhiên liệu dầu khí và khí đốt được dự báo sẽ cạn kiệt trong vòng 50 đến 60 năm tới,
dẫn đến giá dầu, khí ngày một tăng cao và do đó làm cho nhiều nghành sản xuất phụ
thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu này phải gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là các
quốc gia nhập khẩu dầu, khí. Việt Nam nằm trong top những nước tiêu thụ năng lượng
tương đối lớn so với khu vực và trên thế giới. Nhu cầu điện ngày càng lớn, khả năng
cân đối tài chính để khai thác và chế biến 55 ÷ 58 triệu tấn than sau năm 2015 là rất
khó khăn. Nhu cầu than riêng cho ngành điện vào năm 2020 với công suất các nhà

máy điện than là 36 nghìn MW để sản xuất 154,44 tỷ kWh, sẽ tiêu thụ 67,3 triệu tấn
than. Năm 2030, công suất các nhà máy nhiệt điện than là 75.748,8 MW để sản xuất
391,980 tỷ kWh, tiêu thụ tới 171 triệu tấn than.
Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch rắn rất có ích trong các ngành công
nghiêp. Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tố khác
như lưu huỳnh. Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen
hoặc đen nâu có thể đốt cháy được. Than đá là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng
lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, được xem là
nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu. Than đá được khai thác
từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất.
Than đá sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Trước đây, than dùng làm
nhiên liệu cho máy hơi nước, đầu máy xe lửa. Sau đó, than làm nhiên liệu cho nhà
máy nhiệt điện, ngành luyện kim. Gần đây than còn dùng cho ngành hóa học tạo ra
các sản phẩm như dược phẩm, chất dẻo, sợi nhân tạo. Than chì dùng làm điện cực.
Ngoài ra than còn được dùng nhiều trong việc sưởi ấm từ xa xưa nhưng khi cháy
chúng tỏa ra rất nhiều khí CO có thể gây ngộ độc nên cần sử dụng trong các lò sưởi
chuyên dụng có ống khói dẫn ra ngoài cũng như có các biện pháp an toàn khi sử dụng
chúng.
Than có tính chất hấp thụ các chất độc vì thế người ta gọi là than hấp thụ hoặc là
than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí, chất hơi, chất tan trong dung
dịch. Dùng nhiều trong việc máy lọc nước, làm trắng đường, mặt nạ phòng độc...
Từ than đá, con người có thể tạo ra hàng nghìn các hợp chất hữu cơ trung gian,
là một nguyên liệu vô cùng quan trọng trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ.
Hóa học và công nghệ chế biến than là một môn khoa học nghiên cứu về bản
chất, nguồn gốc, thành phần cấu tạo và tính chất của than đá và các sản phẩm khi chế
biến chúng. Trong giáo trình chuyên ngành này được trình bày những nội dung rất cơ
bản và hết sức cần thiết để cung cấp cho sinh viên hệ đại học, cao đẳng ngành công
nghệ kỹ thuật hóa học làm tài liệu học tập và tham khảo giúp ích cho quá trình học
tập, nghiên cứu khoa học và công tác sau này.

3


Chương 1. NGUỒN NGUYÊN LIỆU THAN ĐÁ
1.1. Nguồn gốc quá trình hình thành than
1.1.1. Khái niệm than đá
Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh thái
đầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bởi
sinh vật (biodegradation). Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có
các nguyên tố khác như lưu huỳnh. Than đá, là sản phẩm của quá trình biến chất, là
các lớp đá có màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháy được. Than đá là nguồn nhiên
liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide
lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Than đá được khai thác từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò).
Thành phần của than đá chủ yếu là cacbon cùng với một số các yếu tố khác,
chủ yếu là hydro, lưu huỳnh, oxy và nitơ.
Trong suốt lịch sử, than đã được sử dụng như là một nguồn tài nguyên năng lượng,
chủ yếu là đốt để sản xuất điện hoặc nhiệt và cũng được sử dụng cho mục đích công
nghiệp, chẳng hạn như các kim loại tinh chế. Một nhiên liệu hóa thạch, các loại than
khi cây cối chết được chuyển thành than bùn, lần lượt được chuyển đổi thành than
non, sau đó là than bitum, và cuối cùng là than đá. Điều này liên quan đến các quá
trình sinh học và địa chất diễn ra trong một thời gian dài. Các cơ quan thông tin năng
lượng ước tính than dự trữ tại 948 × 10 9 tấn (860 Gt). Một ước tính cho tài nguyên là
18000 Gt.
1.1.2. Giả thuyết về nguồn gốc thực vật
Than hình thành từ sự cacbon hóa cây cối, thực vật. Khi chết, cacbon trong mô
của chúng thường tái lưu chuyển vào môi trường khi chúng bị phân hủy. Sự cacbon
hóa xảy ra khi vật chất thực vật chết chịu tác động của nhiệt và áp suất trong hàng
triệu năm. Những hạng than khác nhau được hình thành do sự phối hợp khác nhau về
thời gian, nhiệt độ và áp suất tác động lên vật chất thực vật.

Hầu hết than đá trên thế giới được hình thành trong kỷ cacbon từ 286 tới 360
triệu năm trước. Trong thời kỳ này, những khu vực rộng lớn trên bề mặt Trái Đất được
bao phủ bởi rừng già ẩm ướt. Cây chết ngã xuống đầm lầy không phân hủy hoàn toàn
mà tích tụ thành những lớp than bùn dày, ẩm ướt. Sau đó, khi đầm lầy bị biển tràn
ngập, than bùn bị vùi dưới những lớp trầm tích. Qua những thời kỳ lâu dài, trầm tích
phân rã thêm và dần khô và cứng thành than nâu hay linhit. Khi có thêm những lớp
trầm tích mới, nhiệt và áp suất tăng cao, biến linhit thành than bitum (hắc ín, nhựa
đường). Trong vài trường hợp, áp suất gia tăng biến than bitum thành than antraxit
(hay than gầy).
Than là một nguồn năng lượng không tái tạo được, vì phải mất hàng triệu năm để hình
thành. Năng lượng trong than xuất phát từ năng lượng đã được lưu trữ trong các loài thực vật

4


khổng lồ đã sống hàng trăm triệu năm trước đây trong khu rừng đầm lầy, ngay cả trước khi
khủng long xuất hiện. Khi những loài thực vật khổng lồ chết, chúng tích tụ hình thành lớp ở
phía dưới các đầm lầy. Nước và bụi bẩn bắt đầu chồng chất lên trên đỉnh của cây đã chết vẫn
còn. Qua hàng triệu năm dưới sự tác động của áp suất và nhiệt độ cao sâu trong lòng đất làm
biến đổi hóa học và vật lý và đẩy ra oxy hình thành các mỏ than.
Cách đây từ 300 đến 350 triệu năm hình thành nên kỷ Cacbon. Một đặc điểm
nổi bật của trầm tích của vỏ quả đất trong kỷ này là những tầng chứa than đá rất phổ
biến được hình thành ở nhiều nơi trên thế giới như Tây Âu, Bắc Mỹ, Nga, Trung
Quốc, v.v… Đây là lần đầu tiên hình thành những mỏ lớn than đá có ý nghĩa kinh tế
trong lịch sử Trái Đất. Những tầng chứa than này là nguồn năng lượng chủ yếu cho
phát triển công nghiệp ở thế kỷ 19 và ngày nay cũng vẫn còn có ý nghĩa kinh tế quan
trọng.
Trong kỷ Carbon, ở những khu vực nhiệt đới, xích đạo phổ biến các lớp trầm
tích biển nông với sự xen kẽ với những lớp tướng đầm hồ, tam giác châu chứa các vỉa
than.

Các nhịp trầm tích như vậy lặp đi lặp lại nhiều lần, có khi đạt tới bề dày hàng
nhiều nghìn mét. Điều này chứng tỏ trong Carbon ở những nơi này đã có nhiều đợt
biển ngập và biển rút, khi biển rút điều kiện đầm hồ, tam giác châu hình thành và là
nơi phát triển những khu rừng phong phú thực vật trong môi trường đầm lầy.
Khi đó vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ chưa phát triển, do đó gỗ của những thân cây chết
được tích lũy và qua thời gian lâu dài vẫn không bị phân hủy nên chất đống lại rồi bị chôn vùi
dưới những lớp trầm tích mới. Đó chính là nguồn tạo than đá trong trầm tích hệ Carbon.

Hình 1.1. Sự hình thành các lớp trầm tích

5


Hình 1.2. Sự hình thành các lớp than

6


* Sự phát triển rầm rộ của thực vật:
Đầu kỷ Carbon thực vật tiếp tục những dạng từ Devon muộn, nhưng sau đó
nhanh chóng trở nên phong phú và đa dạng. Lần đầu tiên trong Paleozoi, thực vật trên
cạn Carbon phát triển rầm rộ và hình thành những khu rừng thực sự, bao gồm nhiều
dạng thân mộc – Dương xỉ, Thạch tùng, Mộc tặc, v.v…
Trước hết, nhóm Cây vẩy của ngành Thạch tùng phát triển rất phong phú, thân
cây có thể cao tới 30-40 m với đường kính gốc đạt tới vài mét. Thân của nhóm thực
vật này có những vết sẹo gốc lá sắp xếp hình vẩy, từ đó mà có tên thực vật là Cây vẩy
(Lepidophyta – gốc chữ Hy Lạp, lepidos là vẩy, phyta là thực vật).
Thân cây không phân cành mà chỉ hình thành một túm nhánh phân đôi ở ngọn
tạo thành một cái tán. Do sống trong điều kiện đầm lầy nên chúng có bộ rễ phân
nhánh dấu cộng tạo thành hệ rễ mang tên riêng là stigmaria. Các giống điển hình của

nhóm Cây vẩy này là Lepidodendron, Sigillaria.
Cùng với thực vật Cây vẩy, Dương xỉ thân đốt và Dương xỉ có hạt cũng rất phát
triển. Khác với Dương xỉ hiện tại, chúng là những cây cao to, ví dụ các giống
Neuropteris, Spheopteris. Ngoài ra còn có nhiều thực vật Thân đốt (Mộc tặc) như
Sphenophyllum, Calamites và thực vật hạt trần cổ xưa như Cordaites.
Trong các khu rừng ở kỷ Carbon vai trò đầu tiên thuộc thực vật Cây vẩy, sau đó
là thực vật Thân đốt (Calamites, Annularia), ngoài ra còn có Dương xỉ có hạt và các
đại biểu mới xuất hiện của Tuế (Taeniopteris).
Về phân bố địa lý, cũng giống như ở Devon thực vật ở kỷ Carbon sớm mang tính
chất đồng nhất trên thế giới và phản ánh điều kiện khí hậu ấm áp. Theo nhà cổ thực
vật Nga Krishtofovish, từ kỷ Carbon trung bắt đầu sự phân hóa thành các khu hệ và
tỉnh địa lý thực vật thích ứng với những điều kiện khí hậu khác nhau.
Khu hệ thực vật nhiệt đới bao trùm Bắc Mỹ, Trung Âu và Nam Âu qua Trung
Quốc phát triển đầy đủ các dạng đặc trưng nhất của thực vật kỷ Carbon như Cây vẩy
(Lepidodendron, Sigillaria), Dương xỉ có hạt (Neuropteris, Alethopteris), Dương xỉ
thân mộc (Cordaites). Hệ thực vật này gồm những cây cao to không có vòng gỗ hàng
năm, chứng tỏ không có sự xen kẽ mùa nóng mùa lạnh; cây có lá lớn.
Khu hệ Tungusk hay Angara bao trùm Bắc Nga và Bắc Á, thể hiện tính chất ôn
đới hoặc thậm chí khí hậu lạnh. Thực vật Cây vẩy mất vai trò chủ chốt và nhường chỗ
cho Cordaitales. Trong khu hệ này cũng có mặt Dương xỉ như Pecopteris,
Gangamopteris và Dương xỉ có hạt (Neuropteris). Cây có vòng gỗ hàng năm chứng tỏ
có sự xen kẽ giữa mùa nóng và mùa lạnh.
Khu hệ Gondwana gồm Nam Mỹ, Nam Phi và Australia, cũng gọi là “khu hệ
Glossopteris” theo tên dạng thực vật phổ biến của Gondwana – Glossopteris. Trong
thành phần thực vật của khu hệ này vắng mặt Cây vẩy, Dương xỉ thân mộc và những
dạng khác đặc trưng cho khu hệ nhiệt đới. Trong khi đó, Cordaitales đóng vai trò quan
trọng cùng với một số Dương xỉ lá nhỏ.

7

Hình 1.3. Rừng thực vật khổng lồ cổ đại
* Hoạt động kiến tạo và cổ địa lý:
Hoạt động kiến tạo trong Carbon khá sôi động, đó là kỷ của hoạt động tạo núi
Varisci (Hercyni) do sự xô húc các mảng ở bán cầu bắc hiện nay.
Đó là sự xô húc Siberia với rìa đông Châu Âu của mảng Laurussia để tạo dãy núi
Ural. Kết quả là sự hình thành lục địa Laurasia ở bán cầu bắc, đối trọng với Gondwana ở
bán cầu nam. Sự gắn kết các mảng ở Đông Á phức tạp hơn, Siberia nằm ở vĩ độ trung
bình (cũng gọi là Angara); Trung Quốc gồm hai khối – Hoa Bắc và Hoa Nam trong kỷ
Carbon cùng nằm ở bán cầu bắc, gần xích đạo có lẽ cũng gắn kết với nhau thành một
khối (Cathaysia). Song song với những sự kiện vừa nêu là sự xô húc của Laurasia với
Gondwana tạo nên dãy núi Hercynid ở Tây Âu và dãy Appalach ở Bắc Mỹ.
Đó là xu hướng chung của chuyển động hội tụ hai khối lục địa bắc và nam trong
tiến trình thành tạo siêu lục địa Pangea. Tất cả những hoạt động kiến tạo sôi động này
và vị trí của của các lục địa trong từng thời kỳ đều đã được minh chứng bằng những
tư liệu cổ từ.
Từ kỷ Devon hai mảng lục địa Baltica và Laurentia đã gắn liền nhau thành một
lục địa thống nhất, như vậy ở bán cầu bắc có hai lục địa lớn là Laurussia (Euramerica)
và Siberia cùng với một vài khối nhỏ như Kazakhstania và Hoa Bắc (có thể còn cả
Cathaysia), còn ở phía nam vẫn là lục địa khổng lồ Gondwana.
Về đại dương, ngoài đại dương Panthalassa (Toàn Đại Dương) cũng xuất hiện
các đại dương Paleotethys và Pleionic. Trong kỷ Carbon các hoạt động kiến tạo diễn
ra do sự di chuyển hội tụ của các lục địa trên đây.
Hoạt động tạo núi Varisci là một quá trình kiến tạo lớn diễn ra vào cuối nguyên
đại Paleozoi, bắt đầu từ cuối kỷ Devon qua suốt kỷ Carbon cho đến cuối Permi, gồm
đến hàng chục pha, nhưng có ba pha được nhắc đến nhiều là pha Sudet diễn ra ở kỷ
Carbon sớm, pha Asturi – Carbon muộn và pha Ural diễn ra ở Permi. Ảnh hưởng của
tạo núi Varisci rộng lớn, qua hàng chục pha hoạt động tạo núi này đã tạo nên những

8

vùng núi uốn nếp lớn trên thế giới, gọi là vùng núi uốn nếp Hercynid (cũng gọi là
Variscid, nhưng trong tiếng Việt nên viết Hercynid để tránh sự nhầm lẫn với gọi tên
khoáng vật ngọc variscit). Trước hết là ở Tây Âu như bán đảo Iberia (Tây Ban Nha và
Bồ Đào Nha), Pháp, Đức, Italia, vùng Balcan và Tây Bắc Châu Phi. Ở Nga là dãy núi
Ural và vùng Pamir và Viễn Đông, ở Trung Á, Mông Cổ, Thiên Sơn và Bắc Trung
Quốc. Ở Bắc Mỹ hoạt động tạo núi Varisci được gọi tên là tạo núi Alleghen hay tạo
núi Appalach, tạo nên dãy núi Appalach chạy dọc theo rìa phía đông bắc Hoa kỳ.
Tạo núi Varisci ở Tây Âu, Tây Bắc Phi và Đông Bắc Mỹ là hệ quả của chuyển
động hội tụ và xô húc của hai mảng Gondwana và Laurussia. Trong kỷ Carbon muộn
diễn ra sự xô húc của Kazakhstania với Siberia, rồi sau đó là xô húc của Nội Mông
với Siberia. Pha tạo núi Urali do sự xô húc của phần tây nam mảng Siberia và mảng
Kazakhstania. Kết quả của những hoạt động địa chất trên đây dẫn đến diện tích của
lục địa tăng lên gấp bội, đồng thời các lục địa cũng được nâng cao hơn. Nếu
ở Carbon sớm diện tích các vùng biển nông thềm lục địa khá rộng, thì sang kỷ
Carbon muộn với xu thế nâng của các lục địa nên nhiều phần của đại dương bị thu hẹp
bớt, trở thành những biển rìa. Điều này được minh chứng bằng sự phổ biến những bất
chỉnh hợp trong các tầng đá tuổi kỷ Carbon. Cuối cùng, tất cả những chuyển động tạo
núi Varisci dẫn đến sự hình thành siêu lục địa Pangea vào cuối nguyên đại Paleozoi,
làm thay đổi bộ mặt của thế giới – toàn bộ thế giới chỉ còn một lục địa bao gồm tất cả
các lục địa ta biết ngày nay, bao quanh siêu lục địa Pangea là đại dương không bị chia
cắt mà là một đại dương thống nhất – “Toàn Đại Dương” tức là Panthalassa.
Trong thiên nhiên than nằm thành từng vỉa giữa các lớp khoáng thạch, giả thuyết
được chấp nhận nhiều nhất về nguồn gốc của than đá là:
Do sự vận động của các tầng địa chất, thực vật được vùi lấp sâu trong lòng đất
cùng với sự hoạt động của vi khuẩn, nhiệt độ và áp suất cao đã biến đổi sâu sắc xác
thực vật thành than sau hàn trăm triệu năm.
1.1.3. Quá trình hình thành các loại than
A. Than bùn

Mặc dù than bùn được sử dụng như một nguồn năng lượng, nó thường không
được coi là một than. Nó là vật liệu tiền thân từ đó than có nguồn gốc và quá trình mà
than bùn được hình thành được nghiên cứu trong các đầm lầy hiện ở nhiều nơi trên
thế giới (ví dụ, trong Okefenokee Swamp of Georgia, Mỹ, và dọc theo bờ biển phía
tây nam của New Guinea). Sự hình thành của than bùn được điều khiển bởi một số
yếu tố bao gồm: (1) sự phát triển tiến hóa của đời sống thực vật, (2) các điều kiện khí
hậu (đủ ấm để duy trì tăng trưởng thực vật và đủ ẩm cho phép phân hủy một phần của
nguyên liệu thực vật và bảo tồn những than bùn) và (3) những điều kiện vật chất của
khu vực (vị trí địa lý của nó tương đối so với nước biển hoặc các cơ quan khác của
nước, tỷ lệ sụt lún hoặc nâng lên, và v.v..). Vùng khí hậu nóng ẩm được cho sản xuất

9


băng rộng của than sáng. Khí hậu ôn đới mát, mặt khác, được cho là để sản xuất than
vụn với tương đối ít than sáng.
Ban đầu, các khu vực mà một tương lai vỉa than có thể được phát triển phải được
nâng lên để tăng trưởng thực vật có thể được thiết lập. Khu vực gần bãi biển hoặc các
khu vực thấp trũng ven suối ở đủ ẩm cho than bùn để tạo thành, nhưng đầm lầy cao
(một số đầm lầy và vùng đồng hoang) có thể sản xuất than bùn nếu lượng mưa hàng
năm vượt quá bốc hơi hàng năm và ít thấm hoặc thoát xảy ra. Dải than bùn dày cần
thiết cho sự hình thành than đá phát triển tại các địa điểm nơi các điều kiện sau: chậm,
liên tục sụt lún; sự hiện diện của các cấu trúc tự nhiên như con đê, bờ biển, quán bar
mà cung cấp cho bảo vệ khỏi tình trạng ngập úng thường xuyên; và một nguồn cung
cấp hạn chế đếntrầm tích đó sẽ làm gián đoạn hình thành than bùn. Ở những khu vực
nước có thể trở nên khá trì trệ (trừ một số con sông đi qua đầm lầy), và nguyên liệu
thực vật có thể tiếp tục tích lũy. Vi sinh vật tấn công các nguyên liệu thực vật và
chuyển đổi nó để than bùn. Rất gần với bề mặt nơi oxy là vẫn có sẵn (aerobic, hoặc
oxy hóa, điều kiện), sự phân hủy của vật liệu nhà máy sản xuất các sản phẩm chủ yếu
là ở dạng khí và chất lỏng. Tuy nhiên, với độ sâu tăng, điều kiện ngày càng trở nên

yếm khí (giảm), và nấm mốc và địa y phát triển. Quá trình hình thành than bùn-sinh
hóa. Nấm không được tìm thấy dưới khoảng 0,5 mét (khoảng 18 inch), và hầu hết các
hình thức sống của vi khuẩn đã được loại trừ ở độ sâu dưới 10 mét (khoảng 30
phút). Nếu một trong hai tỷ lệ sụt lún hoặc tỷ lệ của dòng trầm tích tăng mới, than bùn
sẽ được chôn cất và ngay sau đó các coalification quá trình địa hóa coalification-bắt
đầu. Các chu kỳ có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần, trong đó chiếm vỉa than nhiều tìm
thấy trong một số lưu vực trầm tích.
Một số đặc điểm than được xác định bởi sự kiện xảy ra trong quá trình hình
thành than bùn-ví dụ, tài liệu sử dụng hàng ngày trong than là do vụ cháy đã xảy ra
trong thời kỳ khô hạn trong khi than bùn vẫn còn hình thành.
Ba yếu tố vật lý lớn-thời gian, tăng nhiệt độ, và tăng áp – có thể ảnh hưởng đến
quá trình chuyển hóa than. Trong thí nghiệm than chuẩn bị nhân tạo được ảnh hưởng
bởi thời gian thử nghiệm, nhưng trong tự nhiên chiều dài của thời gian là dài hơn đáng
kể và hiệu quả tổng thể của thời gian vẫn còn chưa xác định. Low-rank than
(than nâu) ở lưu vực sông Moscow đã được gửi trong thời gian Cacbon nhưng không
được chôn sâu sắc và không bao giờ đạt đến một cấp bậc cao hơn. Lời giải thích được
chấp nhận rộng rãi nhất là sự chuyển hóa than diễn ra để đáp ứng với nhiệt độ ngày
càng tăng. Nói chung, nhiệt độ tăng theo chiều sâu. Địa nhiệt gradient này trung bình
khoảng 30°C (85°F) cho mỗi cây số, nhưng các dãy gradient từ dưới 10°C (50°F) cho
mỗi cây số trong vùng trải lún rất nhanh chóng cho hơn 100°C (212°F) cho mỗi cây số
trong lĩnh vực hoạt động địa chất. Đo độ dày lớp phủ trầm tích và hàng ngũ than
tương ứng cho thấy rằng nhiệt độ thấp hơn 200°C (390°F) là đủ để sản xuất
than antraxit xếp hạng. Hiệu quả của việc gia tăng áp lực do độ sâu chôn cất không
được xem là gây sự chuyển hóa than. Trong thực tế, gia tăng áp lực quá tải có thể có

10


tác dụng ngược lại nếu các hợp chất dễ bay hơi như khí methane mà phải thoát ra
ngoài trong sự chuyển hóa than được giữ lại. Áp lực lớn trong lòng đất có thể ảnh

hưởng đến độ xốp và độ ẩm của than.
Than có thể được phân loại theo nhiều cách. Một chế độ phân loại là theo loại
than; Các đề án phân loại than hữu ích nhất và được áp dụng rộng rãi đều dựa vào
mức độ mà than đã trải qua sự chuyển hóa. Mức độ khác nhau như của sự chuyển hóa
than thường được gọi là bậc than (hoặc lớp). Ngoài những giá trị khoa học của các hệ
thống phân loại của loại này, việc xác định cấp bậc có một số ứng dụng thực tế. Nhiều
tài sản than được một phần được xác định theo cấp bậc, bao gồm cả lượng nhiệt sản
sinh trong quá trình đốt cháy, số lượng sản phẩm khí phát hành trên hệ thống sưởi, và
sự phù hợp của các loại than cho hóa lỏng hoặc để sản xuất than cốc.
Than có chứa cả hai giai đoạn hữu cơ và vô cơ. Sau này gồm có các khoáng chất
như thạch anh và các loại đất sét có thể đã được đưa vào bởi nước chảy (hoặc hoạt
động gió) hoặc các khoáng chất như pyrit và marcasite hình thành tại chỗ
(authigenic). Một số hình thành trong các mô thực vật sống, và những người khác
được hình thành sau quá trình hình thành than bùn hoặc than non. Một số khoáng
pyrite (và marcasite) có mặt trong spheroids kích cỡ micromét gọi framboid (đặt tên
cho hình quả mâm xôi như họ) mà hình thành khá sớm. Framboid là rất khó khăn để
loại bỏ bởi quá trình than làm sạch thông thường.
Bằng cách tương tự để hạn khoáng sản, nhà thực vật học người Anh Marie
Stopes C. đề xuất trong năm 1935, hạn maceral để mô tả các thành phần hữu cơ có
trong than. Các từ có nguồn gốc từ tiếng Latinh macerare, có nghĩa là "hành xác".
(Tên khoáng sản thường kết thúc bằng "-ite." Sự tương ứng kết thúc cho macerals là
"-inite.") Maceral danh pháp đã được áp dụng khác nhau bởi một số petrologists than
của châu Âu người nghiên cứu đánh bóng khối than bằng cách sử dụng phản ánh ánh
sáng kính hiển vi (thuật ngữ của họ được dựa trên hình thái học, mối quan hệ thực vật,
và dạng hiện) và bởi một số petrologists Bắc Mỹ, những người đã nghiên cứu lát rất
mỏng (phần mỏng) than sử dụng kính hiển vi truyền ánh sáng. Hệ thống danh pháp
khác nhau đã được sử dụng.
B. Kiểu than đá khác
Than có thể được phân loại trên cơ sở của sự xuất hiện của họ vĩ mô (thường
được gọi là loại đá than, lithotype, hoặc kohlentype). Bốn loại chính được công nhận:

Vitrain (Glanzkohle hoặc Charbon brillant), được đặc trưng bởi một ánh đen óng
mượt và sáng tác chủ yếu của vitrinite nhóm maceral, trong đó có nguồn gốc từ các
mô gỗ của những cây lớn. Vitrain là giòn và có xu hướng phá vỡ thành các mảnh góc
cạnh; Vitrain có lẽ đã được hình thành trong điều kiện bề mặt hơi khô hơn
lithotypes clarain và durain. Khi bị chôn vùi vào sâu trong đất, chúng bị ứ đọng nước
làm ngăn chặn sự phân hủy hoàn toàn của các mô thực vật thân gỗ.
Clarain (Glanzstreifenkohle hoặc Charbon bán brillant), trong đó có sự xuất hiện
giữa những người vitrain và durain và được đặc trưng bằng cách xen laminae màu đen

11


và sáng (thường ít hơn 1 mm dày). Các lớp sáng được cấu tạo chủ yếu của maceral
vitrinite và các lớp màu nhạt của người kia maceral nhóm, liptinite và
inertinite. Clarain trưng bày một ánh mượt ít rực rỡ hơn của vitrain. Nó dường như có
nguồn gốc trong điều kiện mà xen kẽ giữa những người trong đó durain và vitrain
được hình thành.
Durain (Mattkohle hoặc Charbon mat), được đặc trưng bởi một khó khăn, kết
cấu dạng hạt và sáng tác của nhóm maceral liptinite và inertinite cũng như số lượng
tương đối lớn các khoáng chất vô cơ. Durain xảy ra trong lớp hơn 3-10 mm (khoảng
0,1-0,4 inch) dày, mặc dù lớp hơn 10 cm (khoảng 4 inch) dày đã được công
nhận. Durains thường xỉn đen xám màu tối. Durain được cho là đã được hình thành
trong các mỏ than bùn dưới mực nước, nơi chỉ có các thành phần liptinite và inertinite
chống phân hủy và nơi có khoáng sản được tích lũy từ vô cơ lắng.
Fusain (Faserkohle hoặc Charbon fibreux), mà thường được tìm thấy trong ống
kính mượt và dạng sợi rất mỏng, chỉ vài mm dày và dài cm. Hầu hết fusain là cực kỳ
mềm mại và dễ dàng sụp đổ vào một, bột sootlike tốt là đất tay. Fusain được cấu tạo
chủ yếu của fusinite (mô thực vật thân gỗ thành than) và semifusinite từ inertinite
nhóm maceral, đó là giàu carbon và phản chiếu cao. Nó gần giống như than củi, cả về
mặt hóa học và vật lý, và được tin là đã được hình thành trong các mỏ than bùn cuốn

bởi cháy rừng, bởi hoạt động của nấm tạo ra nhiệt độ cao, hoặc do quá trình oxy hóa
dưới bề mặt của than.

1.2. Trữ lượng than trên thế giới
Trữ lượng than trên thế giới và các nguồn tài nguyên rất khó đánh giá. Mặc dù
một số những khó khăn xuất phát từ việc thiếu các dữ liệu chính xác cho từng quốc
gia, hai vấn đề cơ bản làm cho những ước tính này khó khăn và chủ quan. Các vấn đề
liên quan đến sự khác biệt đầu tiên trong định nghĩa của các thuật ngữ như trữ lượng
đã được kiểm chứng (thường chỉ có những số lượng mà là thu hồi) và các nguồn tài
nguyên địa chất (thường tổng số tiền mặt than, có hoặc không thể phục hồi hiện nay).
Các khoản dự phòng được chứng minh cho bất kỳ hàng hóa nên cung cấp một
ước tính hợp lý chính xác của số tiền đó có thể được thu hồi theo điều kiện vận hành
và kinh tế hiện tại. Mỏ than bao gồm một lớp than phải có độ dày tối thiểu (khoảng
0,6 mét; 2 feet) và được chôn dưới một độ sâu tối đa (khoảng 2.000 mét; 6.600 feet)
bên dưới bề mặt trái đất. Những giá trị của độ dày và chiều sâu không cố định mà thay
đổi với chất lượng than, nhu cầu, sự dễ dàng mà đá nằm phủ có thể được loại bỏ
(trong khai thác bề mặt) hoặc một trục chìm để đạt các vỉa than (trong khai thác
khoáng sản dưới lòng đất). Sự phát triển của các kỹ thuật khai thác mỏ mới có thể làm
tăng lượng than có thể được chiết xuất so với số tiền mà không thể được gỡ bỏ.
Vấn đề thứ hai, trong đó liên quan đến việc tính toán trữ lượng, là tỷ lệ mà tại đó
một mặt hàng được tiêu thụ. Khi xem xét các dự trữ trên toàn thế giới của than, số
năm than rằng sẽ có sẵn có thể quan trọng hơn tổng lượng tài nguyên than. So với
mức tiêu thụ hiện nay, trữ lượng than trên thế giới nên kéo dài quá 300-500 năm. Một

12


số lượng lớn than thêm là hiện diện trong trái đất nhưng không thể thu hồi được tại
thời điểm này. Những tài nguyên này, đôi khi được gọi là "tài nguyên địa chất", thậm
chí còn khó khăn hơn để ước tính, nhưng họ được cho là lớn hơn số tiền dự trữ đã

được chứng minh nhiều như 15 lần.
Bảng 1.1. Trữ lượng than trên thế giới
Quốc gia / khu vực

Antraxit và
bitum

Subbituminous và
than non
Đơn vị: triệu tấn

Toàn bộ Trữ lượng
%

Canada

3471

3.107

6,578

0.7

Mexico

860

351

1.211

0.1

Hoa Kỳ

111.338

135.305

246.643

27.1

Tổng số Bắc Mỹ

115.669

138.763

254.432

28.0

-

10.113

10.113

1.1

Colombia

6.230

381

6611

0.7

Các quốc gia khác tại
Trung và Nam Mỹ

1,471

1,698

3.169

0.3

Nam và Trung Mỹ

7701

12.192

19.893

2.2

4

2,183

2.187

0.2

2.094

3.458

5552

0.6

183

6556

6739

0.7

Hy Lạp

-

3.900

3.900

0.4

Hungary

198

3159

3,357

0.4

Kazakhstan

28.151

3128

31.279

3.4

Ba Lan

14.000

-

14.000

15

22

472

494

0.1

49.088

107.922

157.010

17.3

278

3,908

4,186

0.5

16.274

17.879

34.153

3.8

220

-

220

-

1.744

22.274

24.018

2.6

Châu Âu và Á-Âu

112.256

174.839

287.095

31.6

Nam Phi

48.750

-

48.750

5.4

Brazil

Bulgaria
Cộng hòa Séc
nước Đức

Romania
Nga
Thổ Nhĩ Kỳ
Ukraina
Vương quốc Anh
Các nước châu Âu và ÁÂu khác

13

Các nước châu Phi khác

910

174

1.084

0.1

Tổng số châu Phi và
Trung Đông

51.502

174

51.676

5.6

Úc

38.600

39.900

78.500

8.6

Trung Quốc

62.200

52.300

114.500

12,6

Ấn Độ

90.085

2.360

92.445

10.2

Indonesia

740

4,228

4968

0.5

Pakistan

-

3.050

3.050

0.3

nước Thái Lan

-

1,354

1,354

0.1

Việt Nam

150

-

150

-

Khác các nước châu ÁThái Bình Dương

97

215

312

-

193.256

105.243

298.499

32.8

Tổng số châu Á-Thái
Bình Dương

Tổng số thế giới
478.771
430.293
909.064
100,0
Gần 80 phần trăm tài nguyên than thu hồi trên thế giới được điều khiển bởi bảy
quốc gia: Hoa Kỳ (khoảng 27 phần trăm), Nga (khoảng 17 phần trăm), Trung Quốc

(khoảng 13 phần trăm), Ấn Độ (khoảng 10 phần trăm), Nam Phi (khoảng 5 phần
trăm), Ukraine (khoảng 4 phần trăm), và Kazakhstan (khoảng 3 phần trăm).
Toàn thế giới hiện tiêu thụ khoảng 4 tỷ tấn than hàng năm. Một số ngành
sử dụng than làm nguyên liệu đầu vào như: sản điện, thép và kim loại, xi măng
và các loại chất đốt hóa lỏng. Than đóng vai trò chính trong sản xuất ra điện
(than đá và than non), các sản phẩm thép và kim loại (than cốc).
Than đóng vai trò sống còn với sản xuất điện và vai trò này sẽ còn được duy trì
trong tương lai. Khoảng 39% lượng điện sản xuất ra trên toàn thế giới là từ nguồn
nguyên liệu này và tỷ lệ này sẽ vẫn được duy trì trong tương lai (dự báo cho đến năm
2030). Lượng tiêu thụ than cũng được dự báo sẽ tăng ở mức từ 0.9% đến 1.5% từ nay
cho đến năm 2030.
Tiêu thụ về than cho nhu cầu trong các lò hơi sẽ tăng khoảng 1.5%/năm trong
khi than non, được sử dụng trong sản xuất điện, tăng với mức 1%/năm. Cầu về than
cốc, loại than được sử dụng trong công nghiệp thép và kim loại được dự báo tăng với
tốc độ 0.9%. Thị trường than lớn nhất là châu Á, chiếm khoảng 54% lượng tiêu thụ
toàn thế giới, trong đó nhu cầu chủ yếu đến từ Trung Quốc. Một số nước khác không
có nguồn nhiên liệu tự nhiên phải nhập khẩu than cho các nhu cầu về năng lượng và
công nghiệp như Nhật Bản, Đài Bắc và Hàn Quốc.

1.3. Tình hình ngành công nghiệp than ở Việt Nam

14


Việt Nam nằm trong top những nước tiêu thụ năng lượng tương đối lớn so
với khu vực và trên thế giới. Nhu cầu điện ngày càng lớn, khả năng cân đối tài
chính để khai thác và chế biến 55 ÷ 58 triệu tấn than sau năm 2015 là rất khó
khăn. Nhu cầu than riêng cho ngành điện vào năm 2020 với công suất các nhà
máy điện than là 36 nghìn MW để sản xuất 154,44 tỷ kWh, sẽ tiêu thụ 67,3
triệu tấn than. Năm 2030, công suất các nhà máy nhiệt điện than là 75.748,8

MW để sản xuất 391,980 tỷ kWh, tiêu thụ tới 171 triệu tấn than.
Than là nguồn nhiên liệu chiến lược phục vụ cho các ngành kinh tế công
nghiệp. Trữ lượng than Việt Nam ở mức độ trung bình. Hiện tại chỉ mỏ than
Quảng Ninh đang khai thác hiệu quả. Than cám 3, cám 4 chiếm 36,92% tổng
lượng than khai thác. Mỏ than đồng bằng Sông Hồng mới đang thực hiện khai
thác thử nghiệm. Hàng năm tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam khai thác
khoảng 40 triệu tấn than phục vụ trong nước và xuất khẩu.

15


Bảng 1.2. Trữ lượng than Đông bắc

Cân đối cung cầu về than của kinh tế Việt Nam sẽ thiếu hụt nghiêm trọng trong
những năm sắp tới. Việt Nam sẽ phải nhập khẩu than từ Indonexia, Úc... Các doanh
nghiệp Việt Nam sẽ phải đối mặt với các vấn đề rất phức tạp như sau :
- Giá thành than sản xuất trong nước ngày càng giảm và giá thành cao, phối trộn
và tận dụng than có chất lượng thấp để sản xuất. Điều đó dẫn đễn những thay đổi về
công nghệ đốt và sử dụng than.
- Than nhập khẩu có tính chất khác hoàn toàn với than antraxit Quảng Ninh do
đó các hệ thống tồn chứa, phân phối, nghiền, đốt, thải tro xỉ... đều phải được đánh giá
mức độ tương thích khi sử dụng than nhập khẩu.
Không chỉ những nước không thể khai thác than mới phải nhập khẩu mà ngay cả
các quốc gia khai thác lớn nhất thế giới cũng phải nhập than. Nhu cầu nhập khẩu phục
vụ cho dự trữ hay những nguồn than có chất lượng. Than sẽ vẫn đóng vai trò quan
trọng, đặc biệt tại các khu vực có tốc độ tăng trưởng cao. Tăng trưởng của thị trường
than dành cho đốt lò hơi và than cốc sẽ mạnh nhất tại châu Á, nơi mà nhu cầu về điện,
sản xuất thép, sản xuất xe hơi và nhu cầu dân sinh tăng cao theo mức sống ngày càng
được cải thiện. Than là nguyên liệu chính để làm chất đốt trong các nhà máy nhiệt
điện ở Việt Nam. Tình hình năng lượng điện ở Việt Nam được thống kê như sau:

Bảng 1.3. Nhu cầu than trong nước

Sản
than tiêu

lượng
thụ

16


trong nước đã có sự tăng lên đáng kể từ mức 10 triệu tấn năm 2002 lên khoảng 28 triệu tấn
năm 2013, trong đó chủ yếu là than sản xuất trong nước 27,5 triệu tấn (chiếm 98,2%), than
nhập khẩu chỉ khoảng 0,5 triệu tấn (chiếm 1,8%): gồm than mỡ khoảng hơn 100 ngàn tấn
dùng cho luyện kim và than subbitum (than nồi hơi hoặc than năng lượng), khoảng 400
ngàn tấn dùng cho sản xuất điện ở miền Nam.
Như vậy, so với mức tiêu thụ năm 2013 đến năm 2015 nhu cầu than trong nước
sẽ tăng gấp 2 lần, đến năm 2020 tăng gấp 4 lần và đến năm 2030 tăng gấp 8 lần.
Nếu dựa theo những số liệu dự báo nhu cầu than trong hai năm trước đây thì có
thể thấy những dự báo trên đây là quá cao. Ví dụ, năm 2012 dự báo nhu cầu là 32,9
triệu tấn, thực tế chỉ là 25,3 triệu tấn, bằng 76,9%; năm 2013 dự báo nhu cầu là 38,3
triệu tấn, thực tế khoảng 28 triệu tấn, bằng 73,1%.

Hình 1.4. Nhiệt điện trong tương lai tại Việt Nam phụ thuộc vào than
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1. Trình bày nguồn gốc quá trình hình thành than?
2. Trình bày khái niệm than đá?
3. Tại sao nói than đá có nguồn gốc từ thực vật?
4. Phân tích các hoạt động kiến tạo và cổ địa lý dẫn đến việc hình thành than đá?
5. Trình bày quá trình hình thành than bùn?

6. Trình bày quá trình hình thành các kiểu đá than khác?
7. Phân tích trữ lượng than trên thế giới?
8. Tình hình ngành công nghiệp than ở Việt Nam hiện nay và trong tương lai?

17


Chương 2. CẤU TẠO VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THAN
2.1. Cấu tạo hóa học than
Nghiên cứu cấu tạo hóa học của than thường dùng các phương pháp sau:
- Phương pháp trích ly bằng các dung môi khác nhau
- Phương pháp thủy phân
- Phương pháp oxy hóa
- Các phản ứng hóa học đặc trưng khác
* Phương pháp trích ly:
Bằng nước ở áp suất cao trên đối tượng nghiên cứu với than biến tính thấp (than
bùn, than nâu) sau đó trích ly nhiều lần bằng dung môi. Kết quả: phát hiện thấy mono,
di-xacarit, các axit amin.
Với than biến tính cao không áp dụng được phương pháp này.
* Phương pháp oxi hoá:
Dùng các tác nhân oxy hoá mạnh như H 2O2, KMnO4, HNO3, H2SO4. Khi dùng
HNO3 đậm đặc để oxy hoá than ở 160 oC, 5at và 8h thu được axit (melitic, acetit,
benzocacboxylic) và nitrophenol

Hình 2.1. Các sản phẩm thu được sau khi biến tính than
Kết quả nghiên cứu cho thấy than có độ biến tính khác nhau thu được các sản
phẩm thay đổi theo quy luật và trong đó axit melitic có ý nghĩa quan trọng trong việc
nghiên cứu cấu trúc của than. Xuất phát từ axit melitic người ta suy đoán rằng để tạo
ra axit này thì trong than phải có chất có cấu tạo C >18 và rất có thể là dạng coronen
và triphenilen.

Khi độ biến tính tăng thì Melitic và Ca cũng tăng (độ ngưng tụ vòng thơm tăng).
Khi oxy hóa than bùn thu được ít Ca, than nâu nhiều Ca hơn nhưng đối với than đá thì
Ca tăng mạnh nhất. Chứng tỏ trong quá trình biến tính độ ngưng tụ của than tăng dần
và có tính quy luật.

Hiệu suất axit melitic khi oxy hoá và số nguyên tử C thơm trong đơn vị cấu trúc.

18


Hình 2.2. Hiệu suất axit melitic khi oxy hoá và số nguyên tử C
Trong quá trình oxy hoá còn thu được axit oxalic. Trong PTN axit oxalic được
điều chế bằng cách dùng KMnO 4 oxy hoá các hợp chất vòng loại benzen có gốc
metyl.

Như vậy chứng tỏ rằng trong phân tử than ngoài phần vòng thơm ngưng tụ còn
có những gốc hydrocacbon mạch thẳng có các nafta đính vào
* Phương pháp halogen hoá:
Khi nghiên cứu phản ứng của Cl2 của than non cho thấy rằng Than + Cl2(k)
T < 320oC sản phẩm C2H2Cl4, CCl4 ;T > 320oC sản phẩm là CCl6.
Ở những điều kiện không khắt khe cho sản phẩm sản phẩm halozen hoá của hợp
chất mạch thẳng bão hoà. Trong điều kiện khắt khe thì sản phẩm là các hợp chất
halozen của hợp chất loại vòng thơm.
Vậy trong than có thể có cấu tạo hydrocacbon loại polyphenol trong đó nhân là
hệ vòng ngưng tụ có khả năng phản ứng kém và phần nhánh là hydrocacbon không
phải vòng thơm có khả năng phản ứng lớn hơn.
* Phương pháp thuỷ phân
Tác nhân thuỷ phân than là KOH, NaOH, Na 2CO3… và sản phẩm thu dược là
axit humic.
Axit humic là hợp chất cao phân tử gồm các vòng thơm ngưng tụ cao và những

hydrocacbon mạnh thẳng no và không no, hợp chất vòng và naphten và trong phân tử
có chứa nhiều các nhóm chức khác nhau như cacbonyl (-C=O), cacboxyl (-COOH),
metoxyl (-O-CH3) và các nhóm hydroxyl lọai phenol và rượu.

19


Trong quá trình biến tính axit humic biến đổi và ngưng tụ thành chất humin. Vì
vậy humin có phân tử lượng lớn và có ít nhóm chức. Qua nghiên cứu cấu tạo của ax
humin thấy rằng phân tử than gần giống với cấu tạo của axit humic nghĩa là gồm phần
nhân và phần nhánh bên.
Nghiên cứu hàm lượng nhóm định chức của axit humic của các loại than có độ
biến tính khác nhau, thấy sự biến đổi có quy luật. Khi độ biến tính tăng thì hàm lượng
các nhóm chứa giảm (riêng trường hợp – CO có tính ổn định hơn cả).
* Các phương pháp phân tích nhóm định chức:
• Nhóm metoxyl: tiến hành phản ứng phân huỷ với HI
• Nhóm cacboxyl: Xác định chỉ số iot
• Nhóm hydroxyl: xác định bằng anhydric acetic trong môi trường piridin ở
o
90 C.
• Nhóm cabonyl : Dùng phenylhydrazin
Bảng 2.1. Các nhóm chức trong than

* Phương pháp trích ly bằng dung môi:
Nguyên lý : Chất có trọng lượng phân tử và cấu tạo càng gần với cấu tạo của
dung môi thì khả năng hoà tan càng cao. Các dung môi có thể sử dụng để trích ly than
đó là rượu, benzen, CCl4, axeton… điều đó chứng tỏ trong than có những chất có cấu
tạo gần giống với các dung môi trích ly.
Khi sử dụng môi rượu etilic và benzen có tỷ lệ 1 : 1 để trich ly ta thu được các
loại bitum và có quy ước sau

Bitum A : là sản phẩm thu được khi trích ly than bằng dung môi trên ở áp suất thường.
Bitum B : Sau khi tách bitum A, phần còn lại đem trich ly trong C6H6 ở áp suất cao.
Bitum C: sau khi lấy bitum A, phần than còn lại tác dụng vối HCl 10%, rửa bằng
nước, sấy khô rồi trich ly bằng hỗn hợp etylic: benzen thu được bitum C.

Trong 3 loại bitum trên chỉ có bitum A là sẵn có trong than còn bitum B và C là
các sản phẩm tạo thành do quá trình phân huỷ nhiệt của than.
+ Loại than Bitum A (%)

20


Than bùn 8-22%
Than nâu 2,5-15%
Than đá 0,1-0,5%
Lượng bitum A trong than phụ thuộc vào độ biến tính của than. Có nghĩa là qúa
tình biến chất của than ngày càng chăt chẽ hơn và phức tạp hơn, trọng lượng phân tử
càng tăng, mức độ hoá tan giảm do đó khi trích ly hiệu suất của bitum giảm. Khi phân
tích bitum từ than bùn và than nâu thấy chủ yếu chứa nhiều chất sáp, chất nhựa và
hydrocacbon. Còn đối với than đá chủ yếu là các hợp chất vòng thơm. Điều đó có
nghĩa là qúa trình biến chất có sự biến đổi sâu sắc về bản chất cuả than.
Do vậy, bằng các phương pháp phân tích cho thấy cấu tạo của phân tử than gồm
hai phần chính:
- Nhân là hệ vòng thơm ngưng tụ
- Nhánh là hệ vòng chủ yếu là hydrocacbon mạnh thẳng không no, là các hợp
chất cao phân tử trùng hợp thẳng trong đó có loại no, không no, vòng… và các dị
nguyên tố như O, N, S… Phần nối giữa nhánh và nhân đó là các cầu nối –O-, -CH 2-,
-CH3, -NH2…

Hình 2.3. Phân tử than

- Trong quá trình biến tính của than kích thước phần nhân tằng dần, phần nhánh
giảm dần độ ngưng tụ tăng, phần nhánh và các cầu nối giảm.
- Trong phân tử than có chứa các nhóm chức mang oxy như –OH, -OCH 3,
-COOH, -CO. Những liện kết oxy trong phân tử than gồm hai liên kết bền và không

21


bến. Tổng quá trình biến tính các liên kết bền giảm và những nhóm chức chứa oxy
cũng giảm.
- Phần nhân là phần có cấu trúc hoàn chỉnh, trật tự và khả năng phản ứng kém.
Phần nhánh không hoàn chỉnh và khả năng phản ứng cao hơn.
- Tỷ lệ phần nhân và phần nhánh trong đơn vị cấu trúc biến đổi theo độ biến
tính và có ảnh hưởng quyết định tới sự biến đổi các tính chất hoá học, cơ lý của
than cũng như ảnh hưởng quá trình chế biến than, chất lượng của sản phẩm chế
biến than sau này.
Trong phân tử than cón có các dị nguyên tố; Trong quá trình biến tính than kích
thước nhần nhân tăng dần, phần nhánh giảm dần (độ ngưng tụ tăng). Trong phân tử
than có các nhóm định chức mang oxy có tính axit, khi độ biến tín tăng thì lượng của
nhóm định chức chứa oxy giảm.
Trong than không có khu vực nào mà nguyên tử cacbon sắp xếp có trật tự theo 3
chiều dưới đạng mạng lưới tinh thể.
Cấu trúc phân tử than thực chất là polymer không gian mà đơn vị cơ bản là mạng
lưới cacbon có tính chất thơm ngưng tụ cao, trật tự theo 2 chiều (nằm trên một mặt
phẳng) và có nhánh bên là các mạch cacbon trùng hợp dưới dạng mạnh thẳng và có
chứa nhiều gốc định chức khác nhau.
Phân tử lớn của than gồm nhiều đơn vị cơ bản liên kết với nhau tạo nên hai phần
:
- Phần nhân là các nguyên tử cacbon trùng hợp dạng vòng
- Phần nhánh là nguyên tử cacbon trùng hợp mạch thẳng.

2.2. Thành phần thạch học
Thành phần thạch học của than là một phương pháp quan trọng để thăm dò các
vỉa than và đánh giá quá trình tạo than. Phương pháp này có ưu điểm hơn so với
phương pháp phân tích hoá học là sạch sẽ, phân tích nhanh và dụng cụ và thiết bị đơn
giản. Nhược điểm của phương pháp là phụ thuộc vào kinh nghiệm của con người.
Có 8 dấu hiệu quan trọng nhất của mẫu than:
1. Khối lượng riêng.
2. Các tính chất cơ lý : độ rắn, độ dòn, độ dẻo
3. Mầu sắc của than
4. Độ ánh (ánh, nửa ánh, mờ, nửa mờ, ánh kim, ánh nhựa, ánh gương, ánh mờ,
ảnh tỏ). Độ ánh biến đổi có tính quy luật. Than biến tính thấp thì không có độ ánh,
than biến tính cao thì độ ánh tăng.
5. Cấu trúc : Phân biệt theo mặt phẳng vuông góc với các lớp : Đồng nhất, không
đồng nhất, cấu trúc lớp…
6. Vết vỡ : thường gặp ở dạng hạt, dạng sợi, vỏ sò
7. Vết nứt: Nội sinh ( do nguyên nhân bên trong quyết định) ,Ngoại sinh do
ngoại lực gây nên (do biến động của vỏ trái đất).

22


8. Xác định các khoáng có trong than và chia làm 3 loại :
- Phân tán thô (quan sát thấy bằng mắt và có thể tách dễ dàng).
- Phân tán mịn (tồn tại những hạt mịn và khó tách, phải dùng phương pháp
tuyển)
- Không thể nhìn thấy bằng mắt, khó tách.

Hình 2.4. Ảnh SEM mẫu than Vàng Danh (Quảng Ninh)
Than được phân thành 4 loại lớn gọi là vĩ phần thạch học:

• Vitren (loại ánh) : Là một khối đồng nhất dòn và cứng, có ánh gương, màu đen.
Vết vỡ có dạng vỏ sò.
• Vitren có cấu tạo và cấu trúc đồng nhất và nằm thành từ dải và dễ dàng phân
biệt với các vĩ phần khác. Có thể dùng dao tách ra thành từng mạnh vụ nhỏ. Vitren
chứa ít chất khoáng (1-2%), có độ kết dính tố tvà là thành phần quý của than.
• Duren : Cứng, dai, có ánh mờ. Cấu trúc dạng lớp và có cấu tạo chắc, khó tách
ra khỏi than. Hàm lượng khoáng lớn hơn so với vitren là do đất khoáng mang vào
trong quá trình tạo than.
• Claren (nửa ánh) mọi dấu hiệu phân biệt nằm trung gian giữa hai loại trên.
• Fugen (mờ, loại sợi). Độ rắn thấp và dễ vỡ vụn thành bột nếu dùng tay bóp.
Vết vỡ có cấu trúc dạng sợi.

23


2.3. Thuộc tính vật lý – hóa lý của than đá
A. Thuộc tính vật lý
Tính theo hàm lượng thì than đá chứa khoảng >76,32% С, phần còn lại là
4,08%Н; 3,8%S; 1,61%N; 3,64%O . Độ xốp đạt 49 ÷ 53%, tỷ trọng riêng khoảng
1,300 ÷ 1,506 g/cm3, độ tro 8,01 ÷ 10.00%, nhiệt trị là 34,150 kJ/kg. Độ ẩm toàn phần
3,5% và không lớn hơn 5,5% khối lượng. Chất bốc khô trung bình là 6,0%, trị số tỏa
nhiệt không nhỏ hơn 7650 cal/g. Hàm lượng lưu huỳnh trung bình là 0,60% và không
lớn hơn 0,80%.
B. Thuộc tính hóa lý
Trên 900°С, than đá dễ dàng phục hồi khí cacbonic (СО2) theo phản ứng sau:
С + СО2 → 2СО
Ở nhiệt độ khoảng 1000°С, tốc độ của phản ứng (khả năng phản ứng tiêu chuẩn
của than cốc) tính trên 1 g than cốc là 0,1 ÷ 0,2 ml СО 2 trên 1 giây, năng lượng tỏa ra
là 140 ÷ 200 kJ/mol. Tốc độ phản ứng với О2 là cao hơn một cách đáng kể so với phản
ứng cùng СО2, và ở mức khoảng 500°С thì gần 0,1 ml О 2 trên 1 giây, năng suất tỏa

nhiệt khoảng 100 ÷ 140 kJ/mol (tức phản ứng cháy của than cốc) theo phương trình:
С + О2 → СО2
Các thuộc tính hóa lý của than đá được xác định bởi cấu trúc của nó, do cấu
trúc của nó rất gần với cấu trúc lớp lục giác của graphít. Cấu trúc của than đá được
đặc trưng bởi sự sắp xếp không hoàn hảo: các phần riêng rẽ (các lớp) được liên kết
bởi lực Van de Van đã chiếm giữ một số các vị trí có khả năng (ví dụ, xếp chồng
lên nhau). Bên cạnh các nguyên tử cacbon trong lưới không gian của than đá (đặc
biệt trong các phần ngoại biên của nó) có thể phân bổ các nguyên tử dị thường như
lưu huỳnh, nitơ, ôxy.
Cấu trúc và tính chất của than đá phụ thuộc vào thành phần của mẻ than đá cũng
như nhiệt độ và tốc độ đốt nóng mẻ than này. Với sự tăng lên của hàm lượng khí than
đá và các thành phần khác, được đặc trưng bởi mức độ biến đổi thấp thì nhiệt độ cốc
hóa bị giảm xuống và sự giảm đi của các thành phần đó trong nhiệt độ này, khả năng
phản ứng và khả năng cháy của than cốc nhận được cuối cùng là tăng lên do khi tăng
hàm lượng của khí than đá trong mẻ than thì độ bền và độ tạo cục trung bình của than
cốc giảm xuống, độ xốp của nó tăng lên. Sự tăng cao nhiệt độ cốc hóa cũng có khả
năng tăng độ xốp của than đá. Khi tăng thời gian cốc hóa và giảm tốc độ đốt nóng thì
độ xốp của than đá cũng được tăng lên.

24


C. Xác định các loại ẩm trong than đá.
1. Xác định độ ẩm ngoài.
Mẫu than đá lấy ở hiện trường về để trong bình kín, khi lấy mẫu cần trộn kỹ,
cân nhanh trên cân kỹ thuật. Lấy 500g mẫu than đá, lượng mẫu này trải đều trên khay
sắt, độ dày của lớp mẫu 1cm. Đặt khay trong tủ sấy, gia nhiệt tới 50 oC, duy trì nhiệt
độ này khoảng 5h, thỉnh thoảng dùng đũa thủy tinh khuấy trộn nhẹ 4 ÷ 5 lần. Nếu
lượng mẫu trên hong khô ngoài không khí ở 20 oC khoảng 6h (độ ẩm không khí ≤
65%) rồi lấy mẫu ra để nguội đem cân sấy lại lần hai, thời gian ngắn hơn. Đọc sai lệch

giữa 2 lần cân ≤ 1g.
Kết quả được tính:
% Wn =

gl
.100
G

(2.1)

Trong đó:
g1 : khối lượng hao hụt của mẫu trước và sau khi sấy (gam).
G : khối lượng mẫu đem phân tích (gam).
2. Xác định độ ẩm trong.
* Nguyên tắc.
Đem sấy mẫu nhiên liệu rắn ở 102 ÷ 105 oC trong thời gian 2 ÷ 3 giờ. Dựa vào
hao hụt về khối lượng, trước và sau khi sấy ta suy ra độ ẩm trong:
%W a =

p1 − p2
.100
G

(2.2)
Trong đó:
P1, P2: khối lượng chứa mẫu trước và sau khi sấy; (gam).
G: khối lượng mẫu phân tích; (gam).
* Điều kiện xác định.
Về mẫu và yêu cầu về dụng cụ: Mẫu thường ở trạng thái phân tích tùy theo
từng loại nhiên liệu rắn mà cỡ hạt có kích thước nhất định thích hợp.

Nhiệt độ và thời gian sấy: Để xác định độ ẩm trong, thường tiến hành ở 102 ÷ 105 oC.
Sấy từ 2 ÷ 3 giờ là thích hợp. Quá trình sấy cần tăng giảm nhiệt độ vài lần tới khi khối
lượng cân không đổi.

25