Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

BÙI DUY HÙNG

BÙI DUY HÙNG

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ
NĂNG CHÁY CỦA THAN SỬ DỤNG TRONG NHÀ MÁY XI
MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT HĨA HỌC

KHỐ 2016B
Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

BÙI DUY HÙNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG
CHÁY CỦA THAN SỬ DỤNG TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. TẠ NGỌC DŨNG

Hà Nội – 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Tạ Ngọc Dũng.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung
thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Bùi Duy Hùng


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TSTạ Ngọc Dũng người đã trực
tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu,
sự tận tình hướng dẫn và những động viên của thầy đã giúp tơi vượtt qua nhiều khó
khăn trong q trình thực hiện luận văn này.
Tơi xin cám ơn Ban lãnh đạo, các đồng nghiệp phịng Thí nghiệm - Công ty
Cổ phần xi măng Bỉm sơn đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi được học tập và nghiên
cứu hồn thiện đề tài.
Tơi cũng xin cám ơn q thầy cô trong Bộ môn Công nghệ vật liệu Silicat –
Viện Kỹ thuật hóa học – Trường Ðại học Bách khoa Hà Nôi đã tạo điều kiện, giúp

đỡ, truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và giúp
tơi nhiều khi thực hiện nghiên cứu.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình nhưng luận văn của tơi khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót do sự hạn chế về thời gian và kinh nghiệm. Vì thế tơi mong được sự
đóng góp ý kiến của các Thầy, Cơ để đồ án tốt nghiệp của tơi có thể hồn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cám ơn.
Học viên

Bùi Duy Hùng


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.................................................................................................. 2
1. Khái niệm: ............................................................................................................... 2
2. Các đặc tính hóa học của than:.............................................................................................. 2
2.1. Cacbon:................................................................................................................................ 2
2.2. Hydro: .................................................................................................................................. 2
2.3. Lưu huỳnh: .......................................................................................................................... 2
2.4. Oxy và Nito: ........................................................................................................................ 3
3. Các đặc tính lý học của than:................................................................................................. 3
3.1. Độ tro của than (A): ............................................................................................................ 3
3.2. Độ ẩm (W): ......................................................................................................................... 4
3.3. Chất bốc (V): ....................................................................................................................... 4
3.4. Thành phần cốc trong than: ................................................................................................ 4
3.5. Nhiệt trị của than:................................................................................................................ 5
4. Các nguyên lý của quá trình cháy than:................................................................................ 6
4.1. Quá trình đốt cháy:.............................................................................................................. 6
4.2. Các giai đoạn cháy của than:.............................................................................................. 7

4.2.1. Giai đoạn sấy:................................................................................................................... 7
4.2.2. Giai đoạn tách chất bốc và cháy chất bốc: ..................................................................... 7
4.2.3. Giai đoạn cháy cặn than (Residual Carbon) .................................................................. 8
4.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến khoảng cách bắt lửa của than .............................................. 8
4.4. Nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy: ............................................................................ 9
5. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước: ....................................................................... 11
5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước: ................................................................................... 11
5.2. Tình hình nghiên cứu quốc tế: ......................................................................................... 11
6. Kết luận tổng quan: .............................................................................................................. 15
CHƯƠNG 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 17
2.1. Mục tiêu: ............................................................................................................ 17
Trang i


2.2. Nội dung: ............................................................................................................17
2.3. Các phương pháp nghiên cứu: ..........................................................................................17
2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm:.......................................................................17
2.3.2. Các phương pháp nghiên cứu ..........................................................................18
2.3.2.1. Phân tích tính chất của than cám: .................................................................18
2.3.2.2. Phương pháp xác định khối lượng mất khi nung .........................................18
2.3.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt TG, DTG: ...................................................... 19
2.4. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu .................................................................................................23
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ..................................25
3.1. Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng
trong nhà máy xi măng. ............................................................................................. 25
3.1.1. Khảo sát tốc độ thoát ẩm của than khi sấy. ...................................................................25
3.1.2. Khảo sát tốc độ cháy của than ở các dải nhiệt độ khác nhau.......................................29
3.2. Kết quả kiểm chứng qua phân tích nhiệt..........................................................................36
3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt của than cám 4A Quang Trung: ............................................36
3.3.2. Kết quả phân tích nhiệt của than cám 4A VTVT:........................................................37

3.3.3. Nhận xét: .........................................................................................................................38
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHÁY CỦA THAN .............40
KẾT LUẬN..............................................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................43

Trang ii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Thời gian cháy của than Anthraxit Hòn Gai[1] .................................................... 11
Bảng 2.1: Thành phần của than sử dụng trong thí nghiệm ................................................... 24
Bảng 3.1: Kết quả khảo sát thời gian thoát ẩm của than ....................................................... 25
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát thời gian thoát ẩm của than ....................................................... 27
Bảng 3.3: kết quả đốt mẫu than lần thứ hai trong lò nung .................................................... 30
Bảng 3.4: kết quản đốt mẫu than lần thứ hai trong lò nung theo Fix cacbon....................... 31
Bảng 3.5: Thơng số vận hành lị nung thực tế tại Công ty CPXM Bỉm sơn........................ 32
Bảng 3.6: kết quả đốt mẫu than trong lò nung ....................................................................... 33
Bảng 3.7: Kết quản đốt mẫu than trong lò nung theo Fix cacbon ........................................ 34
Bảng 3.8: Thơng số vận hành lị nung thực tế tại Công ty CPXM Bỉm sơn........................ 35

Trang iii


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Chiều dài ngọn lửa và khoảng cách bắt lửa của các loại than[1] ............................9
Hình 1.2: Quan hệ giữa độ min của hạt than với thời gian cháy[1] ......................................10
Hình 1.3: Yêu cầu về độ mịn của than tương ứng với hàm lượng chất bốc[1] ....................10
Hình 1.4: Giản đồ xác định nhiệt độ bắt cháy và nhiệt độ kết thúc cháy của than[12] .....12

Hình 1.5: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu than tương ứng lượng xúc tác[12].............13
Hình 1.6: Giản đồ nhiệt tương ứng của 3 loại than thí nghiệm .............................................14
Hình 1.9: Giản đồ nhiệt của mẫu than hỗn hợp ......................................................................15
Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ...............................................................................17
Hình 2.2. ngun lý phân tích nhiệt trọng[11] ........................................................................19
Hình 2.3. Ngun lý phân tích nhiệt vi sai[11] .......................................................................20
Hình 2.4. Các giản đồ đường cong TG-DTG điển hình[11] .................................................23
Hình 3.1. Thời gian sấy trung bình của than (VT-QT) ..........................................................26
Hình 3.2.Tốc độ sấy trung bình của than(VT-QT) .................................................................26
Hình 3.3. Thời gian sấy trung bình của than (HK-NP) ..........................................................28
Hình 3.4 Tốc độ thốt ẩm trung bình của than(HK-NP).......................................................28
Hình 3.5: Biểu đồ so sánh tốc độ cháy của than khi đốt ở các nhiệt độ khác nhau ..............30
Hình 3.6: Biểu đồ so sánh lượng các bon cố định cịn lại sau khi đốt...................................31
Hình 3.7: Biểu đồ so sánh tốc độ cháy của than khi đốt ở các nhiệt độ khác nhau ..............33
Hình 3.8: Biểu đồ so sánh lượng các bon cố định còn lại sau khi đốt...................................34
Hình 3.9: Kết quả phân tích nhiệt mẫu than cám 4A QT.......................................................36
Hình 3.10: Kết quả phân tích nhiệt mẫu than cám 4A VTVT...............................................37
Hình 3.10: Kết quả phân tích nhiệt mẫu than cám 4A VTVT...............................................38

Trang iv


MỞ ĐẦU
Than là một loại nhiên liệu không thể thiếu trong ngành công nghiệp sản xuất xi
măng. Tuy nhiên, trong điều kiện thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nguồn
nhiên liệu này đang ngày càng cạn kiệt, do vậy, sử dụng nguồn nguyên liệu này như
thế nào nhằm đảm bảo phát triển bền vững trong ngành công nghiệp xi măng, đó là
yêu cầu đặt ra đối với các doanh nghiệp.
Nghiên cứu các đặc tính của than cám trước khi sử dụng có vai trị quan trọng
trong khoa học và công nghệ sản xuất xi măng. Trong công nghệ sản xuất xi măng,

việc sử dụng các nguồn nhiên liệu đa dạng, phẩm cấp thấp thay thế cho các nhiên
liệu cao cấp để nung luyện clinker mang lại hiệu quả lớn về kinh tế và an ninh năng
lượng, đồng thời cũng quyết định đến việc đầu tư công nghệ đốt của các hệ thống lị
nung clinker.
Một số cơng trình nghiên cứu gần đây đã đưa ra và chứng minh các phương pháp
đánh giá về khả năng cháy của các loại than cám khác nhau trong cùng một điều
kiện đốt, qua đó đưa ra được phương pháp phân loại, phối trộn các chủng loại than
khác nhau để sử dụng trong lò nung luyện clinker một cách hiệu quả nhất.
Cho tới nay, các cơng trình nghiên cứu đánh giá về khả năng cháy của than cám
cịn hạn chế. Vì vậy, việc nghiên xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy
của than sử dụng trong nhà máy xi măng là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn rõ rệt.
Với tất cả lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phương pháp
đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy xi măng” với mong muốn
đánh giá trước được khả năng cháy của than trước khi đưa vào sử dụng nhằm đạt
được hiệu quả cao trong quá trình nung clinker.
Kết quả đề tài sẽ có ý nghĩa lớn đối với Cơng ty cổ phần xi măng Bỉm Sơn trong
việc ứng dụng, sử dụng tối ưu các loại than cho quá trình nung luyện clinker của
Công ty.

Trang 1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1. Khái niệm:
Than là một loại nhiên liệu hóa thạch cứng được hình thành từ các chất hữu cơ
thực vật và là một nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng. Về thành phần hóa học,
than là một hỗn hợp phức tạp của các chất hữu cơ bao gồm cacbon, hydro, oxy với
một lượng nitơ, sunphur và một số quặng vô cơ nhỏ. Các thành phần hữu cơ của
than là chủ yếu tạo khả năng có thể cháy được. Có thể nói than là một hóa thạch

hoặc đá trầm tích hữu cơ, được hình thành do tác động của nhiệt độ, áp suất trên các
mảnh vụn thực vật, có lượng hơi ẩm và quặng khác nhau[1].
Các tính chất và đặc tính của than được phân loại phổ biến thành đặc tính lý và
đặc tính hóa.
Các đặc tính lý của than bao gồm: nhiệt trị, hàm ẩm, các chất bốc và tro xỉ.
Các đặc tính hóa của than liên quan đến các thành phần hóa khác nhau như
cacbon, hydro, oxy, lưu huỳnh…
2. Các đặc tính hóa học của than:
Trong than, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau:
2.1. Cacbon:
Cacbon là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệt lượng phá ra khi
cháy 1kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon, khoảng 34.150 kj/kg. Vì vậy lượng
cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị càng cao. Tuổi hinh thành cacbon
trong nhiên liệu cào già thì thành phần cacbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của
than càng lớn nên than khó cháy[2].
2.2. Hydro:
Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy tỏa ra nhiệt
lượng 144.500 kj/kg, nhưng lượng hydro có trong thiên nhiên rất ít, cịn trong nhiên
liệu lỏng, hydro có nhiều hơn trong nhiên liệu rắn.
2.3. Lưu huỳnh:
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
Trang 2


cơ và khống chất có thể tham gia q trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc.
Còn 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, (%)
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 hòa tan tạo ra axit H2SO4 gây
ăn mịn kim loại. Khí SO2 thải ra ngồi là khí độc nguy hiểm Vì vậy lưu huỳnh là
ngun tố có hại của nhiên liệu.
2.4. Oxy và Nito:
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; trong điều kiện lò nung
clinker nhiệt độ cao, nito phản ứng vơi ô xy tạo ra hỗn hợp khí NOx, đây là khí có
hại, gây ơ nhiễm mơi trường.
3. Các đặc tính lý học của than:
Ngồi thành phần hóa 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 lượngchất bốc, hàm lượng tro, nhiệt trị nhiên liệu.
3.1. Độ tro của than (A):
Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháy kiệt.
Các vật chất ở dạng khoáng chất trong than khi cháy biến thành tro, sự có mặt
của tro 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 850oC đối với nhiên liệu rắn, 500oC đối với nhiên liệu lỏng cho đến khi trọng lượng
Trang 3


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.
3.2. Độ ẩm (W):

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 105 oC cho đến khi
trọng lượng nhiên liệu không thay đổi, phần trọng lượng mất đi gọi là độ ẩm nhiên
liệu.
3.3. Chất bốc (V):
Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện mơi trường khơng có ơxy thì mối
liên kết các phân tử hữu cơ bị phân hủy. Q trình đó gọi là q trình phân hủy
nhiệt, sản phẩm của phân hủy nhiệt là những chất khí được gọi là “Chất bốc” và ký
hiệu là V (%), 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 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 hủy 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- 820oC trong thời gian 7 phút, và được ký 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 kỹ
thuật thích hợp.
3.4. Thành phần cốc trong than:
Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi
Trang 4


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, các bon khơng những dễ bị Oxy
hóa mà cịn dễ bị hồn ngun khí CO2 thành khí CO. Than gầy và than Antrxit
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[2]
Độ cứng của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp thì độ bền càng
nhỏ than càng dễ nghiền.
3.5. Nhiệt trị của than:
Nhiệt trị của than là nhiệt lượng phát ra khi cháy hồn tồn 1 kg than, đựơc kí
hiệu bằng chữ Q (Kj/ kg), nhiệt trị của than được phân thành Nhiệt trị cao và nhiệt
trị thấp.
Xác định 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 ơxy ở áp suất 2,5 – 3,0
MN/m2.
Bom được đặt trong một thùng nhỏ chứa nước ngập đền tồn bộ bom gọi là “bình
nhiệt lượng kế”. Nhiệt lượng tỏa 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 tỏa nhiệt ra mơi 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 tỏa 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.
Trang 5

Song trong sản phẩm cháy có hơi nước nếu như hơi nước đó ngưng đọng lại
thành nước thì nó cịn tỏa thêm một lượng nhiệt nữa. Nhiệt trị cao của nhiên liệu
chính là nhiệt trị có kể đến phần lượng nhiệt thêm đó.
Để đưa than vào sử dụng, người ta cần phân tích các thành phần chính của nó
nhiệt trị, hàm lượng chất bốc, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, độ ẩm và tạp
chất. Tùy theo đặc tính sử dụng, than được phân chia thành các cấp loại khác nhau
và được đưa vào hệ thống các tiêu chuẩn[2].
4. Các nguyên lý của quá trình cháy than:
4.1. Quá trình đốt cháy:
Q trình cháy là sự oxy hố nhanh nhiên liệu để tạo ra nhiệt hoặc nhiệt và ánh
sáng. Quá trình đốt cháy nhiên liệu hoàn tất chỉ khi được cấp một lượng thích hợp
oxy.
Oxy (O2) là một trong những nguyên tố thông dụng nhất trên trái đất, chiếm tới
20.9% trong khơng khí. Oxy hố nhiên liệu nhanh sẽ mang lại lượng nhiệt lớn.
Nhiên liệu rắn hoặc lỏng phải chuyển hoá thành khí trước khi cháy. Thơng thường,
để chuyển hố chất lỏng hoặc rắn sang dạng khí cần phải sử dụng nhiệt. Khí nhiên
liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường nếu có đủ khơng khí.
Phần lớn trong số 79% khơng khí là nitơ cùng với một ít các thành phần khác.
Nitơ được xem là yếu tố pha loãng làm giảm nhiệt độ cần có để đạt được lượng oxy
cần cho quá trình cháy.
Nitơ làm giảm hiệu suất cháy do hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu đốt cháy và pha
lỗng khí lò. Điều này làm giảm nhiệt để truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt. Nó cịn
làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, những sản phẩm này
đi qua bộ trao đổi nhiệt và thoát ra ngồi ống khói nhanh hơn để nhường chỗ cho
hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí mới được bổ sung.
Nitơ có thể kết hợp với ô xy (nhất là ở nhiệt độ cháy cao) để tạo ra NOx, là chất
gây ô nhiễm rất độc. Cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu kết hợp với oxy
trong khơng khí tạo thành các bon níc, hơi nước và sun phua, giải phóng 8.084 kcal,
28.922 kcal và 2.224 kcal nhiệt. Trong các điều kiện đặc biệt, cacbon cịn có thể kết
Trang 6

hợp với oxy để tạo ra các bon monoxit, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430
kcal/kg cacbon). Cacbon cháy tạo ra cacbonat sẽ sinh ra một lượng nhiệt trên mỗi
đơn vị nhiên liệu nhiều hơn khi tạo ra cacbon monoxit.
C + O2 = CO2 + 8.084 Kcal/kg Cacbon
2C + O2 = 2CO + 2.430 Kcal/kg Cacbon
2H2 + O2 = 2H2O + 28.922 Kcal/kg Hydro
S + O2 = SO2 + 2.224 Kcal/kg Lưu huỳnh
Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt (8084 –
2430).
Mục đích của một quá trình đốt cháy hiệu quả là giải phóng tồn bộ nhiệt trong
nhiên liệu. Có thể đạt được điều này thơng qua việc kiểm sốt “3 T” của q trình
đốt cháy, đó là (1) Nhiệt độ (temperature) đủ cao để bắt cháy và duy trì việc bắt
cháy nhiên liệu, (2) Khuấy trộn (turbulence) nhiên liệu và oxy, và (3) Thời gian
(time), phải đủ để hồn tất q trình đốt cháy [1].
4.2. Các giai đoạn cháy của than:
Có 3 giai đoạn chính khi tham gia vào q trình cháy trong lò
4.2.1. Giai đoạn sấy:
Mặc dù than được nghiền mịn và đã sấy qua lò sấy hoặc máy sấy nghiền liên tục,
nhưng trong than vẫn còn chứa một lượng hơi ẩm nhỏ.
Khi phun than vào lò nung, đầu tiên hơi ẩm tách ra hoàn toàn, thời gian loại trừ
ẩm chỉ chiếm khoảng vài phần trăm giây[3].
4.2.2. Giai đoạn tách chất bốc và cháy chất bốc:
Hạt than bay tiếp tục vào lò, nhiệt độ than tăng dần. Chất bốc từ than tách ra. Đây
là hỗn hợp khí dễ cháy như cacbon monoxit, hydrocacbua,v.v… Các khí này bắt
cháy ngay. Nếu than có nhiều chất bốc, khí thốt ra nhiều, bắt cháy mạnh, tỏa nhiệt
nhanh. Do vậy than có nhiều chất bốc nhiệt độ bắt cháy của than sẽ thấp. Thông
thường than cám 3C.1, 4a.1 có nhiệt độ bắt cháy khoảng 500÷6000C. Than mỡ có
nhiệt độ bắt cháy thấp do có nhiều chất bốc, nhiệt độ bắt cháy dao động từ

100÷2000C.
Trang 7


4.2.3. Giai đoạn cháy cặn than (Residual Carbon)
Sau khi tách hết hơi ẩm, chất bốc, phần còn lại được gọi là cặn than (hay cặn
cacbon hoặc cặn cốc). trong cặn than có cacbon và tro xỉ. Việc cháy cặn than khó và
chiếm thời gian dài nhất và thời gian cháy phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Nhiệt độ cháy (The burning temperature)
- Độ mịn của hạt than (The fineness of coal)
- Nồng độ ô xy % ( The O2 partial pressure % O2)
- Hình dạng và độ xốp của hạt ( The shap and porosity of coal particle)
- Hàm lượng tro xỉ (Ash content %)
4.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến khoảng cách bắt lửa của than
- Hàm lượng chất bốc: hàm lượng chất bốc tăng, khí thốt ra nhiều, nhiệt độ bắt
cháy giảm.
- Điều kiện khí động học: Động năng khơng khí sơ cấp cao, mức độ xốy cao
càng dễ cháy tối ưu
- Nhiệt độ: Nhiệt độ gió sơ cấp tăng, khoảng cách bắt lửa ngắn lại
- Hàm lượng vật lẫn: độ ẩm, độ tro, lưu huỳnh, lượng bụi….tăng, nhiệt cung cấp
để nung nóng than giảm, khống cách bắt cháy dài hơn.

Trang 8


Hình 1.1: Chiều dài ngọn lửa và khoảng cách bắt lửa của các loại than[1]
4.4. Nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy:
Nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy của than là nói đến ảnh hưởng đến thời
gian cháy của cặn cốc hay cặn Cacbon. Thời gian cháy quyết định bởi các yếu tố
sau:

- Than càng nhiều chất bốc, cháy càng nhanh, ngọn lửa ngắn
- Cùng lượng chất bốc thấp như nhau, than nào ít tro xỉ sẽ cháy nhanh hơn, ngọn
lửa ngắn hơn.
- Kích thước hạt than tăng lên, thời gian cháy tăng lên vì thời gian cháy tỉ lệ với
gần d2
- Thời gian cháy càng ngắn nếu nhiệt độ buồng cháy tăng
- Thời gian cháy càng ngắn nếu độ xốp cặn cốc tăng
- Thời gian cháy càng ngắn nếu ô xy thâm nhập vào ngọn lửa tăng
Trang 9


- Thời gian cháy càng ngắn nếu hàm lượng tro xỉ thấp
- Thời gian cháy càng ngắn nếu độ ẩm của than càng nhỏ
- Thời gian cháy càng ngắn nếu khơng khí sơ cấp chứa ít hơi nước và gió 2 chứa
ít bụi.

Hình 1.2: Quan hệ giữa độ min của hạt than với thời gian cháy[1]

Hình 1.3: Yêu cầu về độ mịn của than tương ứng với hàm lượng chất bốc[1]
Trang 10


Bảng 1.1: Thời gian cháy của than Anthraxit Hòn Gai[1]
Nhiệt độ lị

Thời gian cháy (giây) khi kích thước than
0,030mm

0,045mm

0,09mm

8500C

10,5

15,8

31,5

9000C

4,7

7,0

14,1

9500C

2,0

3,0

6,0

9750C

1,4

2,1

4,2

10000C

0,8

1,2

2,4

5. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước:
5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc trong than trộn đến hiệu
suất của lò hơi tại nhà máy nhiệt điện Ninh Bình của nhóm tác giả Ths Nguyễn
Chiến Thắng, TS Hoàng Tiến Dũng, PGS.TS Trần Gia Mỹ, TS. Lê Đức Dương đã
có nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng chất bốc đến nhiệt độ bắt cháy của
than. Trong đề tài này tác giả đã sử dụng than cám 4,5,6 theo TCVN, cháy ít khói,
hàm lượng cacbon cao (trung bình 60%), chất bốc thấp (từ 3-7%), lưu huỳnh thấp,
tro than cao (từ 25% đến 36%) khó bắt cháy. Nghiên cứu đã đưa ra mộ số kết luận:
Khi tăng hàm lượng chất bốc, khả năng cháy của bột than tăng, hiệu suất cháy và
hiệu suất nhiệt tăng lên. Tuy vậy sự thay đổi không tuyên tính mà tồn tại tối ưu ở
giá trị hàm lượng bốc là 11%. Điều này có thể lý giải do đặc tính của lị hơi sử dụng
tiến hành thí nghiệm[ 4].
5.2. Tình hình nghiên cứu quốc tế:
SJ. Wang, F.Wu, G. Zang, P. Zu, CJ. Hung, ST. Chen [ 5], Nghiên cứu đặc tính
cháy của than Antraxit và hỗn hợp than trộn với chất xúc tác nhằm cung cấp dữ liệu
cho việc sử dụng các chất xúc tác trợ cháy theo các tỉ lệ khác nhau để mang lại hiệu
quả cao với các chỉ số cháy như: nhiệt độ bắt cháy (Te), nhiệt độ kết thúc cháy (Tf),

khả năng cháy của than (Df) và độ cháy kiệt của than (Bc).

Trang 11


Trong nghiên cứu của mình, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp phân tích
nhiệt để xác định các đặc tính cháy của than, qua giản đồ phân tích nhiệt của một
mẫu than đốt thí nghiệm sẽ xác định được các thơng số cháy như sau:

Hình 1.4: Giản đồ xác định nhiệt độ bắt cháy và nhiệt độ kết thúc cháy của than[12]
Từ Hình 1.6, từ điểm thấp nhất A trên đường cong DTG, vẽ một đường theo
phương thằng đứng và cắt giao đường TG tại điểm B, từ điểm B kẻ dường tiếp
tuyến với đường cong TG, đường thẳng này giao với đường TG ban đầu kéo dài tại
điểm C và đường TG khi kết thúc kéo dài tại điểm E. Cuối cùng kẻ 2 đường thẳng
đứng từ điểm C và E giao cắt với đường trục hoành tại điểm E và F. Nhiệt độ xác
định tại điểm D và điểm F tương ứng với nhiệt độ bắt cháy (Te) và nhiệt độ kết thúc
cháy (Tf).
Khả năng cháy của than được xác định dựa vào cơng thức:
(dw/dt)max
Df =

Δt1/2tptf
Trong đó: (dw/dt)max là tốc độ cháy cao lớn nhất; Δt1/2 là thời gian bắt đầu cháy
đến lúc tốc độ cháy cao nhất; tp là thời gian tương ứng với tốc độ cháy cao nhất; tf là
thời gian tương ứng với thời điểm kết thúc qua trình cháy than. Các giá trị này được
xác định trên giản đồ TG-DTG bằng cách kẻ các đường thẳng dóng theo chiều
ngang của giản đồ nhiệt.
Trang 12

Hình 1.5: Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu than tương ứng lượng xúc tác[12]
Với việc sử dụng 2 loại than khác nhau và trộn cùng với các tỉ lệ khác nhau để
phân tích nhiệt, từ giản đồ phân tích nhiệt cho kết quả như sau:
- Hiệu ứng của các chất xúc tác đến khả năng bắt cháy của than và thời gian
cháy: nhiệt độ bắt cháy của than giảm tương ứng với lượng chất xúc tác được đưa
vào hỗn hợp mẫu đốt. Thời gian kết thúc quá trình cháy giảm tương ứng với hàm
lượng chất xúc tác đưa vào hỗn hợp.
-Ảnh hưởng của chất xúc tác đến nhiệt độ kết thúc cháy: nhiệt độ kết thúc quá
trình cháy giảm tương ứng với lượng chất xúc tác được đưa vào trong hỗn hợp mẫu.
Các loại than khác nhau mức độ ảnh hưởng của xúc tác là khác nhau.
- Ảnh hưởng của chất xúc tác đến khả năng cháy của than: Khả năng cháy của
than tăng tương ứng với mức độ chất xúc tác cháy đưa vào phản ứng.
- Việc sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi sai có thể đánh giá được các chỉ
số liên quan đến đặc tính cháy của than trong phịng thí nghiệm cũng như khả năng
cháy của than trong hệ thống lị cơng nghiệp.
John W. Cumming [6], Phân tích nhiệt vi sai để nghiên cứu quá trình cháy của
Trang 13


than Anthraxit và các loại than phẩm cấp thấp với việc khảo sát quá trình cháy của 3
mẫu than: than Bitum, hỗn hợp than bitum-anthraxit, than anthraxit, kết quả phân
tích nhiệt vi sai cho thấy:

Hình 1.6: Giản đồ nhiệt tương ứng của 3 loại than thí nghiệm
Hình 1.6 đưa ra giản đồ phân tích nhiệt của 3 loại than khác nhau, trong đó: A mẫu than xít; B- than tương đương nhựa đường; C- mẫu than Anthraxit. Xem trên
đường cong A, than có hàm lượng chất bốc cao và dễ phân tách đã hình thành một
"peak" sớm ở nhiệt độ 4000C, tốc độ cháy giảm xuống trước khi "peak" chính được
hình thành ở nhiệt độ cao nhất là 4800C. Sự hình thành của 2 điểm "peak" cũng
thấy ở nhiều loại than phẩm cấp thấp tương tự như than bùn, gỗ… và được cho là
hiện tượng bắt cháy giả.

Đường cong B không thấy hiển thị 2 "peak" tương ứng nhưng nhiệt độ
300÷4200C xuất hiện tăng DTG tương ứng với q trình giải phóng chất bốc từ mẫu
than nhưng lượng chất bốc ít hơn. Tại điểm này xuất hiện sự thay đổ độ cong của
đường DTG giống như khi bắt đầu cháy thực sự. Mức độ biến đổi của nó phụ thuộc
và kích thước hạt than và bản chất của từng chủng loại than tương ứng.
Đường cong C (than Anthraxit) chỉ có một "peak" gần như là đối xứng, nó khơng
hiển thị qua trình cháy bốc tương ứng. Nhiệt độ bắt cháy của nó là 4500C ( 2500C
Trang 14


đối với mẫu A và 3000C đối với mẫu B) và "Peak" nhiệt cao nhất là 6300C( 4850C
đối với mẫu A và 5300C đối với mẫu B)

Hình 1.9: Giản đồ nhiệt của mẫu than hỗn hợp
Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra khi trộn hỗn hợp 2 loại than khác nhau theo một
tỉ lệ nhất định, sẽ có q trình cháy xảy ra độc lập với mỗi loại than. Trên giản đồ
phân tích nhiệt có 2 điểm "Peak" được tìm ra tương ứng với quá trình cháy của từng
loại than mà khơng thể hiện q trình bắt cháy.
Bằng việc nghiên cứu đốt than ở các giải nhiệt độ khác nhau và phân tích trên
giản đồ phân tích nhiệ vi sai, John W. Cumming đã chỉ ra:
- Khả năng cháy của than ở một nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào nguồn gốc của
than.
- Cần tăng nhiệt độ cháy của than, thậm chí đến 12000C để tăng khả năng cháy
của, ở nhiệt độ cao, tăng khả năng thoát chất bốc một cách mãnh liệt và để lại nhiều
lỗ trống mở, tạo điều kiện cho việc cháy cặn than.
Tất cả các nghiên cứu kể trên đã thể hiện nguyên tắc của sự tương tác giữa bản
chất của than ảnh hưởng đến quá trình cháy của than mà ở đây là chỉ số thời gian và
nhiệt bắt cháy, thời gian và nhiệt độ cháy hết, mức độ cháy kiệt của than.
6. Kết luận tổng quan:
Từ các nghiên cứu nêu trên có thể đưa ra một số nhận định sau:

- Các than có các đặc tính A,V,Q giống nhau, nhưng nguồn gốc khác nhau quá
Trang 15


trình cháy thể hiện là khác nhau.
- Có thế sử dụng việc kiểm tra quá trình sấy than, tốc độ cháy than trong lò tại
các dải nhiệt độ khác nhau để đánh giá khả năng cháy của than.
- Có thể sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA để xác định được nhiệt
độ bắt cháy, độ cháy kiệt… qua đó đánh giá khả năng cháy của các loại than có
cùng các chỉ số A,V,Q .
Đề tài muốn làm rõ phương pháp đốt, sấy để phân tích các đặc tính cháy của than
trước khi sử dụng, qua đó có điều chỉnh kịp thời việc cấp phối, trộn than trước khi
sử dụng cho lò nung clinker xi măng, tăng hiệu quả sử dụng than trong sản xuất.

Trang 16


CHƯƠNG 2
MỤC TIÊU, NỘI DUNG
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu:
Xây dựng phương pháp đánh giá khả năng cháy của than sử dụng trong nhà máy
xi măng trong đó tập trung vào các nội dung:
- Khảo sát tốc độ thoát ẩm của các loại than khác nhau ở cùng điều kiện sấy
- Khảo sát mức độ cháy thông qua lượng mất khi nung của các loại than khác
nhau.
So sánh các giá trị đạt được giữa các mẫu than thí nghiệm có thể khẳng định
được khả năng cháy của từng loại than trước khi sử dụng trong lò nung xi măng.
2.2. Nội dung:
Nghiên cứu khả năng cháy của 2 cặp mẫu than khác nhau dự kiến sử dụng trong

lò nung clinker của Công ty xi măng Bỉm sơn. Cụ thể:
- Khảo sát mẫu than cám 4A Quang trung và than cám 4A vật tư vận tải.
- Khảo sát mẫu than cám 4A Hungking và than cám 4A Nam Phương.
2.3. Các phương pháp nghiên cứu:
2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm:

Than cám
(kẹp hàm)

Phân
tích các
thơng số
A,V,Q,
W theo
TCVN

Khảo
sát tốc
độ cháy
của than
trong lị
nung thí
nghiệm

Sấy khảo
sát tốc
độ thốt
ẩm của

Phân

tích
nhiệt vi
sai TG,
DG

than thơ

Nhận
xét kết
quả thí
nghiệm

Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm
Trang 17

Kết luận