Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò nung, tủ sấy phục vụ cho công tác giám định chất lượng than thương phẩm vung quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

HÀ MẠNH HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ
NUNG, TỦ SẤY PHỤC VỤ CHO CƠNG TÁC GIÁM ĐỊNH CHẤT
LƯỢNG THAN THƯƠNG PHẨM VÙNG QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

HÀ MẠNH HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ
NUNG, TỦ SẤY PHỤC VỤ CHO CƠNG TÁC GIÁM ĐỊNH CHẤT
LƯỢNG THAN THƯƠNG PHẨM VÙNG QUẢNG NINH
Chuyên ngành: Điện khí hóa mỏ
Mã số: 60.52.52

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Phạm Trung Phước

HÀ NỘI – 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.

Hà Nội, Ngày

tháng 04 Năm 2012
Học viên

Hà Mạnh Hùng


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình
MỞ ĐẦU....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LỊ NUNG, TỦ SẤY................................................................. 3
1.1. Giới thiệu về Cơng ty cổ phần giám định Vinacomin. ........…………..3

1.2. Giới thiệu về than và các chỉ tiêu chất lượng của than. ........................ 4
1.2.1. Khái niệm về than, thành phần nguyên tố và thành phần kỹ thuật
của than. ................................................................................................. 4
1.2.2. Các phương pháp giám định chất lượng than. ............................... 9
1.3. Khái quát về lò nung, tủ sấy............................................................... 15
1.3.1. Đặc điểm của lò nung, tủ sấy: .................................................... 15
1.3.2. Phân loại. ................................................................................... 15
1.3.3. Một số yêu cầu với vật liệu làm dây đốt. .................................... 16
1.4. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ............................................... 17
1.4.1. Phương pháp dùng biến áp. ........................................................ 18
1.4.2. Phương pháp dùng rơle. ............................................................. 18
1.4.3. Phương pháp dùng rơle kết hợp với thysistor. ............................ 18
1.4.4. Phương pháp dùng hai thysistor mắc xung đối. .......................... 19
1.5. Các bộ điều khiển nhiệt độ lò nung, tủ sấy......................................... 19
1.6. Yêu cầu của bộ điều khiển nhiệt độ lị nung, tủ sấy phục vụ cho cơng
tác giám định chất lượng than thương phẩm vùng Quảng Ninh. ............... 20


CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU, LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG, TỦ SẤY PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC
GIÁM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG THAN THƯƠNG PHẨM VÙNG QUẢNG
NINH........................................................................................................... 21
2.1. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển nhiệt độ.................................. 21
2.2. Lựa chọn thiết bị phần cứng. ............................................................. 22
2.2.1. Cảm biến nhiệt độ. ...................................................................... 22
2.2.2. Bộ khuếch đại. ............................................................................ 32
2.2.3. Bộ điều khiển công suất. ............................................................. 35
2.2.4. Bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), biến
đổi tín hiệu số sang tương tự (DAC). .................................................... 47
2.3. Thiết kế bộ điều khiển. ...................................................................... 56

2.3.1. Nhận dạng đối tượng điều khiển ................................................. 56
2.3.2. Bộ điều khiển PID....................................................................... 64
CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ NUNG,
TỦ SẤY PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC GIÁM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG
THAN THƯƠNG PHẨM VÙNG QUẢNG NINH. .................................. 82
3.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab và Simulink..................................... 82
3.2. Mô phỏng bộ điều khiển nhiệt độ lò nung, tủ sấy phục vụ cho công tác
giám định chất lượng than thương phẩm vùng Quảng Ninh...................... 83
3.2.1. Các thông số của các bộ điều khiển sử dụng các thuật tốn đối với
đối tượng lị nung, tủ sấy....................................................................... 83
3.2.2. Tính tốn và mơ phỏng đối tượng theo phương pháp phân miền
nghiệm số. ............................................................................................ 92
3.2.4. So sánh nhận xét các phương pháp Hallman, mơ hình nội IMC, phương
pháp khử điểm cực và điểm không............................................................ 97


3.2.5. So sánh 3 phương pháp Chien – Hrones – Reswick, Phương pháp
Mơ hình nội IMC và phương pháp phân miền nghiệm số: .................... 98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………….100
1. Kết luận………………………………………………………………..100
2. Kiến nghị….…………………………………………………………...101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

Ak

: Độ tro

Vk

: Chất bốc

Wtp

: Độ ẩm toàn phần

KP

: Hệ số khuếch đại

TI

: Hằng số thời gian tích phân

TD

: Hằng số thời gian vi phân


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một vài thông số cơ bản của vật liệu làm dây đốt lò điện trở........ 17
Bảng 2.1. Một số cặp nhiệt điện thông dụng hiện nay .................................. 26
Bảng 2.2. Tính thơng số bộ điều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick

với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín khơng có độ q điều chỉnh  %  0 ..... 73
Bảng 2.3. Tính thơng số bộ điều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick
với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ q điều chỉnh khơng q 20%.... 73
Bảng 2.4. Tính thơng số bộ điều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick
với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín khơng có độ q điều chỉnh
hmax

................................................................................................................ 73

Bảng 2.5. Tính thơng số bộ điều khiển theo phương pháp Chien-HronesResweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ q điều
chỉnh hmax không vượt quá 20% so với K  lim
h(t ) ..................................... 74
t 
Bảng 2.6. Bảng lựa chọn các hệ số theo phương pháp Kappa Tau. ............... 76
Bảng 2.7: Tính thơng số bộ điều khiển theo phương pháp khử điểm cực và
điểm 0 .......................................................................................................... 78
Bảng 2.8: Tính thơng số bộ điều khiển theo phương pháp mơ hình IMC cho
các đối tượng thường gặp ............................................................................. 80
Bảng 2.9: Tính tốn tương đương thông số bộ điều khiển nối tiếp và song
song theo phương pháp mơ hình IMC .......................................................... 81
Bảng 3.1. Các thơng số của các bộ điều khiển sau khi tính tốn với đối tượng
lị nung, tủ sấy. ............................................................................................. 90


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ quy trình kiểm tra chất lượng than........................................10
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển nhiệt độ ........................................ 21
Hình 2.2: Điện trở nhiệt và bọc thuỷ tinh. ................................................... 22
Hình 2.3: Cấu tạo của cặp nhiệt điện và 1 số loại cặp nhiệt điện trong cơng
nghiệp... ....................................................................................................... 23

Hình 2.4: Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu..................................................................... 24
Hình 2.5: Sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu.............................................................. 25
Hình 2.6: Quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ra của cảm biến ........................ 26
Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo can nhiệt điện trở cơng nghiệp................................ 28
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống đo có cầu bù ......................................................... 30
Hình 2.9: Mạch cầu điện trở......................................................................... 31
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý của mạch khuyếch đại. ..................................... 33
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc Thyristor ............................................................. 36
Hình 2.12: Đặc tính V-A của Thyristor ........................................................ 38
Hình 2.13: Sơ đồ mạch điều khiển............................................................... 39
Hình 2.14: Thời điểm phát xung điều khiển. ................................................ 40
Hình 2.15: Mạch tạo xung răng cưa đồng bộ. ............................................... 40
Hình 2.16: Sơ đồ khối so sánh...................................................................... 42
Hình 2.17: Sơ đồ khối vi phân và khuếch đại xung....................................... 43
Hình 2.18: Giản đồ xung theo thời gian........................................................ 46
Hình 2.19: Sơ đồ chân slot EISA của máy tính............................................. 48
Hình 2.20: Sơ đồ chân vi mạch giải mã 74LS138......................................... 50
Hình 2.21: Sơ đồ chân vi mạch chốt tín hiệu 74LS373................................. 51
Hình 2.22: Sơ đồ chân vi mạch đệm tín hiệu 74LS245................................. 52
Hình 2.23: Sơ đồ chân vi mạch DAC 0808................................................... 53
Hình 2.24: Sơ đồ chân vi mạch ADC 0809................................................... 54


Hình 2.25: Đường đặc tính đối tượng qn tính bậc nhất khơng có trễ ......... 58
Hình 2.26: Đặc tính đối tượng qn tính bậc nhất có trễ............................... 59
Hình 2.27: Đặc tính đối tượng PT2 ............................................................... 60
Hình 2.28: Đặc tính thí nghiệm của đối tượng ............................................. 62
Hình 2.30: Điều khiển với bộ PID ............................................................... 65
Hình 2.31: Nhiệm vụ bộ điều khiển PID...................................................... 68
Hình 2.32: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ của đối tượng................... 69

Hình 2.33: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn........................................... 70
Hình 2.34: Đường đặc tính quá độ của đối tượng theo phương pháp ChienHrones-Resweick. ........................................................................................ 72
Hình 2.35: Mơ hình hệ thống theo phương pháp IMC………………………78
Hình 2.36: Mơ hình hệ thống feedback truyền thống………………………..79
Hình 3.1: Sơ đồ mơ phỏng theo phương pháp Haalman ............................... 83
Hình 3.2: Kết quả mơ phỏng theo phương pháp Haalman ............................ 84
Hình 3.3: Kết quả mô phỏng theo phương pháp Haalman sau chỉnh định.....84
Hình 3.4: Kết quả mơ phỏng theo phương pháp khử điểm cực và điểm 0..... 85
Hình 3.5: Kết quả mơ phỏng theo phương pháp mơ hình nội IMC ............... 86
Hình 3.6: Kết quả mơ phỏng theo phương pháp Ziegler – Nichols 1 ............ 87
Hình 3.7: Đồ thị xác định Kth ....................................................................... 87
Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển........................................................................... 88
Hình 3.9: Kết quả mơ phỏng tìm Tth ............................................................. 88
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegle – Nichols 2............ 88
Hình 3.11: Kết quả mơ phỏng theo phương pháp Tổng Kuhn....................... 89
Bảng 3.1. Các thông số của các bộ điều khiển sau khi tính tốn với đối tượng
lị nung, tủ sấy. ............................................................................................. 90
Hình 3.12: Sơ đồ khối của phương pháp phân miền nghiệm số .................... 92
Hình 3.13: Đồ thị đường đồng mức dao động.............................................. 93


Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển đối tượng......................................................... 94
Hình 3.15: Kết quả mơ phỏng với cặp điểm thứ nhất.................................... 94
Hình 3.16: Kết quả mô phỏng với cặp điểm thứ 2 ........................................ 95
Hình 3.17: Kết quả mơ phỏng với cặp điểm thứ 3 ........................................ 95
Hình 3.18: Sơ đồ điều khiển theo các trường hợp của Chien – Hrones –
Reswick........................................................................................................ 96
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng theo các trường hợp của Chien – Hrones –
Reswick........................................................................................................ 96
Hình 3.20: Sơ đồ điều khiển so sánh 3 phương pháp Hallman, mơ hình nội,

phương pháp khử điểm cực và điểm khơng .................................................. 97
Hình 3.21: Kết quả mơ phỏng so sánh ba phương pháp Hallman, Mơ hình nội
IMC và phương pháp khử điểm cực điểm khơng.......................................... 97
Hình 3.22: Sơ đồ điều khiển so sánh 3 phương pháp Chien – Hrones Reswick, mơ hình nội, phương pháp phân miền nghiệm số .......................... 98
Hình 3.23: Kết quả mơ phỏng so sánh 3 phương pháp Chien-Hrones-Reswick,
Phương pháp Mơ hình nội IMC và phương pháp phân miền nghiệm số ....... 99


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay việc áp dụng công nghệ trong sản xuất ngày càng nhiều, nó
góp phần quan trọng trong việc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Trong nghành than, việc áp dụng khoa học công nghệ trong khai thác than đã
và đang được triển khai mạnh mẽ, nó góp phần giảm sức lao động, đảm bảo
an toàn và nâng cao năng suất. Việc giám định chất lượng than cũng là một
khâu vơ cùng quan trọng, nó phân loại và đánh giá được đúng phẩm chất của
than, đảm bảo việc tiêu thụ và sử dụng than được hợp lý, tránh lãng phí và
đảm bảo về thương mại trong việc mua bán than. Cơng ty Cổ phần Giám định
Vinacomin có vai trò giám định số lượng và chất lượng than giao nhận giữa
các đơn vị trong tập đoàn và than tiêu thụ nội địa cũng như xuất khẩu. Có
nhiều thành phần trong than như độ tro (Ak); chất bốc (V k); Nhiệt năng; độ
ẩm toàn phần (Wtp); lưu huỳnh (Sk); Sillic (Si); Ni tơ (N)…. Trong mua bán
và giao nhận quan trọng nhất là thành phần độ tro, chất bốc và độ ẩm, đó là
các thành phần liên quan mật thiết đến nhiệt lượng của than. Để xác định 3
thành phần này thì theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1693:2009; TCVN
172:1997; TCVN 173:1995;...) bắt buộc phải sử dụng tủ sấy (0÷120)0C và lị
nung (0÷1000)0C. Việc ổn định nhiệt độ là vơ cùng quan trọng trong việc xác
định chính xác các thành phần của than. Hiện nay Công ty Cổ phần Giám
định Vinacomin sử dụng các lò nung, tủ sấy của các hãng MEMMERT,

CARBOLITE, FURNACE… đó là các hãng rất nổi tiếng của Đức, Anh,
Mỹ… với ưu điểm là bền, độ ổn định cao tuy nhiên nhược điểm là giá thành
đắt, thường khơng có linh kiện sửa chữa và rất dễ hỏng bộ điều khiển nhiệt
độ hoặc khơng có phần hiệu chỉnh nhiệt độ khi nhiệt độ trong lò bị sai lệch.
Với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lị nung, tủ sấy
phục vụ cho cơng tác giám định chất lượng than thương phẩm vùng
Quảng Ninh” là vấn đề cần thiết để đảm bảo xác định chính xác thành phần


2

trong than, giảm chi phí đầu tư và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên quốc
gia.
Ngoài phần mở đầu và kết luận trong luận văn còn đề cập đến các vấn
đề được trình bày theo bố cục các chương như sau:
- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan các bộ điều khiển nhiệt độ lò nung, tủ sấy.
- Chương 2: Nghiên cứu, lựa chọn và thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lị nung,
tủ sấy phục vụ cho cơng tác giám định chất lượng than thương phẩm vùng
Quảng Ninh.
- Chương 3: Mơ phỏng bộ điều khiển nhiệt độ lị nung, tủ sấy phục vụ cho
công tác giám định chất lượng than thương phẩm vùng Quảng Ninh.
Tuy nhiên do thời gian khơng dài và trình độ chun mơn cũng như kinh
nghiệm thực tế của tơi vẫn cịn hạn chế nên khơng thể tránh được thiếu sót, rất
mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cơ giáo cũng như các bạn bè để
bản luận văn này được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cám ơn TS Phạm Trung Phước – công tác tại Bộ
khoa học và công nghệ đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cám ơn các thầy cô trong Bộ môn Điện khí hóa –
Trường Đại học mỏ địa chất Hà nội đã tận tình dạy dỗ và đóng góp nhiều ý

kiến q báu để bản luận văn của tơi được hồn chỉnh hơn.
Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các bạn bè đồng nghiệp,
các bạn cùng lớp cao học Điện khí hóa K10 - 2 và đặc biệt là gia đình đã động
viên khích lệ để tơi có thể hồn thành bản luận văn này.


3

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ
NUNG, TỦ SẤY.
1.1. Giới thiệu về Cơng ty cổ phần giám định Vinacomin.
Công ty cổ phần giám định Vinacomin (QUACONTROL) là một doanh
nghiệp nhà nước hoạt động trên lĩnh vực đo lường và giám định sản phẩm
Công ty được thành lập ngày 01/4/1995 theo quyết định số 133NL/TCCB-LĐ
ngày 04/3/1995 của Bộ trưởng Bộ năng lượng.
Công ty cổ phần giám định Vinacomin là tổ chức giám định hàng đầu về
sản phẩm than tại việt nam được văn phịng cơng nhận chất lượng của Việt
Nam và tổ chức NATA( Úc ) công nhận phù hợp tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC
17020: 1998 có khả năng cung cấp các dịch vụ: Giám định chất lượng than,
giám định số lượng, khối lượng. Kiểm tra, phân tích và thử nghiệm. Tư vấn
đầu tư trang thiết bị đo lường, kiểm tra chất lượng sản phẩm than. Đào tạo kỹ
thuật viên về đo lường và kiểm nghiệm than. Phục hồi, sửa chữa, bảo trì các
thiết bị đo lường, kiểm nghiệm...
Cơng ty cổ phần giám định Vinacomin có phịng thí nghiệm được trang bị
các thiết bị hiện đại phục vụ cơng tác kiểm tra, phân tích, thử nghiệm phù hợp
tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 17025 và được cấp chứng nhận VILAS 012.
QUACONTROL có hệ thống đảm bảo chất lượng được chứng nhận phù hợp
tiêu chuẩn quốc tế ISO 9001:2000 và năm 2002 công ty trở thành tổ chức
giám định đạt chuẩn mực quốc tế ISO/IEC 17020:1998

Hoạt động sản xuất chính là hoạt động giám định cho các cơng ty con
trong Tập đồn cơng nghiệp than khống sản Việt Nam. Trong hoạt động
giám định cho tập đồn than, Cơng ty phân loại hoạt động giám định thành
các nhánh nhỏ căn cứ theo nguồn sản phẩm; công nghệ khai thác tiêu thụ và
quy trình giao nhận sản phẩm theo cơng đoạn gồm:


4

- Giám định than tiêu thụ.
- Kiểm tra nguồn chân hàng.
- Giám định đo mớn sà lan.
- Giám định giao nhận than công ty sản xuất với công ty kho vận (giám
định giao kho vận).
- Giám định than giao nhà máy tuyển, giám định tầu, giám sát khu vực
chuyển tải và các giám định khác.
1.2. Giới thiệu về than và các chỉ tiêu chất lượng của than.
1.2.1. Khái niệm về than, thành phần nguyên tố và thành phần kỹ thuật của
than.
1.2.1.1. Khái niệm về than:
- Than là một dạng nhiên liệu rắn tự nhiên có nguồn gốc từ thực vật. Than
gồm có hai phần là phần hữu cơ và vơ cơ.
+ Phần hữu cơ gồm các nguyên tố chủ yếu như các bon (C), hydro (H),
oxy (O), nitơ (N) và lưu huỳnh hữu cơ (SO).
- Phần hữu cơ có từ nguồn gốc thực vật ban đầu và nó thay đổi theo q
trình biến tính của than. Khi độ biến tính tăng thì hàm lượng C tăng, hàm
lượng H, O, N giảm. Hàm lượng lưu huỳnh hữu cơ không phụ thuộc vào độ
biến tính của than mà phụ thuộc vào nguồn gốc thực vật ban đầu tạo than.
- Phần hữu cơ gồm có humic và bi tum. Humic là những thành phần cây
đã chết trong điều kiện có dư độ ẩm và rất thiếu khơng khí, bị vi sinh lên men

tác động tạo ra sản phẩm mới gọi là sản phẩm trung gian sau này. Các sản
phẩm trung gian kết hợp với nhau tạo ra a xít humic, a xít humic này là phần
hữu cơ chính trong than. Bitum là thành phần bền của cây không bị vi sinh tác
động, tồn tại như thành phần thứ 2 của than. Khi quá trình biến tính tăng thì
chất hu mic tăng, chất bi tum giảm.


5

- Phần hữu cơ là phần quan trọng nhất vì nó quyết định khả năng cháy của
than, nó cũng là phần có giá trị tạo nên các sản phẩm nhân tạo như cốc, bán
cốc, nhựa cốc, sản phẩm khí hóa than và hydrơ hóa than.
+ Phần vơ cơ gồm các khoáng chất như: các hợp chất của silicat (Al2O3.
SiO 2. H2O), sunfua (FeS2) và các muối cacbonnat (CaCO 3, 2CaCO3. MgCO3.
FeCO 3). Các khống chất này một phần có sẵn trong nguồn gốc thực vật ban
đầu được liên kết chặt chẽ với than. Một phần do nguồn nước ngầm mang vào
hoặc bị lẫn vào trong quá trình khai thác, vận chuyển. Như vậy thành phần
khống trong than khơng phụ thuộc vào độ biến tính của than mà phụ thuộc
vào điều kiện hình thành mỏ than và điều kiện khai thác than.
- Phần vơ cơ là phần có hại vì nó làm tiêu hao nhiệt trong q trình
cháy, phần vơ cơ càng nhiều thì giá trị kinh tế của than càng giảm. Vì vậy
trong quá trình khai thác và chế biến than người ta cần phải khống chế phần vô
cơ bằng phương pháp tuyển.
- Khi nghiên cứu thành phần kỹ thuật của than, người ta phân thành một
số dạng chủ yếu sau:
a. Dạng làm việc: là dạng tự nhiên của nhiên liệu lúc đưa vào phịng thí
nghiệm hoặc vào cơng xưởng, nhà máy.
b. Dạng khô: là dạng nhiên liệu tự nhiên trừ đi phần ẩm.
c. Dạng cháy: là dạng nhiên liệu tự nhiên trừ đi phần ẩm, phần tro.
d. Dạng hữu cơ: là dạng nhiên liệu tự nhiên trừ phần vô cơ.

Sự phân chia các dạng trên chỉ có tính chất quy ước tương đối vì ngun
tố C, O thường có mặt trong phần vô cơ và hữu cơ, phần cháy gồm có phần
hữu cơ và lưu huỳnh nhưng chỉ có SP và SO cháy được cịn Ss khơng cháy…
1.2.1.2. Thành phần nguyên tố của than:
Là thành phần phản ánh khả năng cháy và tham gia các phản ứng hóa
học trong quá trình sử dụng và chế biến than.


6

+ Các bon (C): là nguyên tố quan trọng nhất của than vì là thành phần
tỏa nhiệt chính khi cháy. Các bon nằm trong than không phải ở dạng tự do mà
ở dưới dạng liên kết, chủ yếu là dạng liên kết thơm nên khả năng phản ứng
kém. Các bon có phản ứng thấp nên trong q trình nhiệt phân, các bon ít
thóat ra ở dạng khí và hơi, chủ yếu là sản phẩm rắn. Khi độ biến tính của than
tăng thì hàm lượng các bon tăng và hàm lượng các bon thơm cũng tăng. Vì
vậy khi độ biến tính của than tăng thì khả năng phản ứng của than giảm.
+ Hydro (H): là một nguyên tố quan trọng thứ hai của than, khi cháy
tỏa ra một lượng nhiệt lớn hơn 5 lần nhiệt lượng của các bon. Hydro tồn tại
trong than ở dạng liên kết, nó là một nguyên tố rất hoạt động nên khi nhiệt
phân hydro thóat ra ở dạng khí và hơi, lượng cịn lại nằm trong phần rắn rất ít.
Khi độ biến tính của than tăng thì hàm lượng Hydro giảm từ từ.
+ Ơ xy (O): là nguyên tố đặc biệt quan trọng mặc dù khi cháy nó khơng
toả ra nhiệt lượng, nó rất hoạt động, nằm ở cả phần vô cơ và hữu cơ của than.
Nó là ngun tố có hoạt tính hóa học lớn nhất trong than. Trong phân tử than
ô xy nằm ở hai phần:một phần là ô xy liên kết bền, trực tiếp với nhân; một
phân là ô xy liên kết kém bền nằm ở phần nhánh bên mạch thẳng. Tỷ lệ giữa
phần bền và khơng bền ảnh hưởng đến tính bền nhiệt của than. Khi độ biến
tính tăng thì phần liên kết không bền giảm, liên kết bền tăng. Nguyên tố ô xy
biểu thị cho tính bền nhiệt của than. Khi độ biến tính tăng thì hàm lượng ơxy

giảm nhanh.
+ Nitơ (N): là nguyên tố duy nhất chỉ nằm ở phần hữu cơ của than, khi
cháy không toả nhiệt. Khi nhiệt phân thì thóat ra dưới dạng NH 3, bazơ piridin,
hợp chất xyan. Do đó hàm lượng ni tơ trong than càng nhiều thì sản phẩm của
ni tơ trong quá trình chế biến than càng nhiều.
Hàm lượng Nitơ trong than biến đổi khơng có quy luật theo độ biến tính.


7

+ Lưu huỳnh hữu cơ (SO): là lượng lưu huỳnh nằm sẵn trong thực vật
ban đầu, thường ở dạng mercaptan hoặc thiophen. Khi cháy SO chuyển thành
khí SO 2 làm ô nhiễm môi trường, gây ngạt thở cho công nhân vận hành.
Trong cơng nghiệp, khí SO 2 làm hỏng chất xúc tác trong quá trình tổng hợp
chất hữu cơ và tạo ra a xít sunfuarơ gây ăn mịn kim loại.
1.2.1.3. Thành phần kỹ thuật của than:
Khi nghiên cứu ứng dụng than trong nền công nghiệp và phục vụ đời
sống dân sinh người ta thường quan tâm đến thành phần kỹ thuật của than.
Thành phần kỹ thuật của than gồm các thông số: hàm lượng tro, hiệu suất chất
bốc, độ ẩm, nhiệt lượng, lưu huỳnh chung. Dựa vào các thành phần kỹ thuật
người ta có thể đánh giá được sơ bộ giá trị kinh tế và nguồn gốc lịch sử của
than.
+ Hàm lượng tro: là hỗn hợp các chất không cháy cịn lại sau khi ta đốt
cháy hồn tồn phần hữu cơ trong than. Tro và khống là những chất có hại vì
nó làm giảm nhiệt lượng của than. Thành phần chính của tro là các ơxít kim
loại và ơxít phi kim. Dựa vào quá trình thành tạo người ta chia làm hai loại tro
khác nhau là tro nội và tro ngoại. Tro nội có sẵn trong thực vật của quá trình
tạo than, nó liên kết chặt chẽ với than nên khó tách. Tro ngoại do những
nguồn nước ngầm mang vào; do các khống chất hồ tan trong nước ngầm khi
chảy qua vỉa than; hoặc do đất đá rơi vào trong quá trình khai thác chế biến.

Loại tro này dễ tách.
Tro và khống khơng phụ thuộc vào độ biến tính của than mà chỉ phụ
thuộc vào nguồn gốc, điều kiện hình thành, khai thác và vận chuyển than.
+ Hàm lượng chất bốc: là hàm lượng khí và hơi thóat ra trong q trình
nhiệt phân than. Chất bốc là thơng số có liên quan đến q trình biến tính của
than, độ biến tính tăng thì chất bốc giảm. Dựa vào hàm lượng chất bốc người
ta có thể đánh giá và phân loại lịch sử của than.


8

+ Hàm lượng ẩm: là lượng nước có trong than do các nguồn nước mạch,
bể chứa thấm vào. Nước là thành phần có hại vì nó làm giảm sự cháy, tiêu hao
nhiệt do thóat hơi nước trong khi đốt.
Than khi khai thác ra ngồi vỉa thì một lượng ẩm sẽ thóat ra, khi để trong
khơng khí đến cân bằng với độ ẩm xung quanh thì gọi là ẩm ngoại. Lượng ẩm
còn lại trong than gọi là ẩm nội. Tổng hàm lượng ẩm ngoại và ẩm nội là hàm
lượng ẩm toàn phần của than. Như vậy ẩm ngoại không phụ thuộc vào độ biến
tính mà phụ thuộc vào mơi trường xung quanh, ẩm nội phụ thuộc vào độ biến
tính và độ ẩm tương đối của than.
+ Nhiệt lượng: Là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị
khối lượng than. Thành phần toả nhiệt chính trong than là cacbon và hydro.
Trong công nghiệp người ta thướng căn cứ vào trị số nhiệt lượng riêng để
đánh giá sơ bộ về giá trị kinh tế của than và giúp cho việc tính tốn cân bằng
nhiệt trong q trình sản xuất.
+ Lưu huỳnh: là một dị nguyên tố có mặt trong than do có từ nguồn gốc
thực vật ban đầu tạo than và do từ các nguồn nước mạch thấm vào vỉa than,
tồn tại trong than dưới các dạng sau:
- Lưu huỳnh sunphát (S s): tồn tại dưới dạng muối như CaSO 4, FeSO4 và
một số muối kim loại khác.

- Lưu huỳnh pirít (S p) nằm trong than dưới dạng phiến mỏng, tinh thể
hình lập phương, hình thoi hoặc dưới dạng xâm tán mịn.
- Lưu huỳnh hữu cơ (SO) nằm dưới dạng mecaptan và thiophen.
Lưu huỳnh là chất có hại trong việc sử dụng và chế biến than, khi đốt
cháy tạo ra khí SO2 gây độc cho người và ăn mịn thiết bị, khi dùng than làm
chất xúc tác thì nó làm ngộ độc chất xúc tác.
Các thành phần kỹ thuật đều có tầm quan trọng nhất định trong việc sử
dụng than. Tuy nhiên than thường được sử dụng làm nhiên liệu nên giá trị


9

nhiệt lượng của than là thông số kỹ thuật quan trọng nhất. Để đánh giá nhanh
về trị số nhiệt lượng người ta thường kiểm tra độ tro và chất bốc của mẫu
than, vì đó là một thơng số tương quan với nhiệt lượng, độ tro và chất bốc
càng cao thì nhiệt lượng càng giảm và ngược lại.
1.2.2. Các phương pháp giám định chất lượng than.
Như vậy trong quá trình mua bán, giao nhận thương mại người ta thường
chủ yếu kiểm tra đến độ tro, độ ẩm và chất bốc của than vì nó là đại lượng
tương quan đến nhiệt lượng của than. Trong phạm vi luận văn này chỉ đề cập
đến phương pháp giám định 03 chỉ tiêu trên. Mỗi chỉ tiêu có nhiều phương
pháp xác định khác nhau, trong nghành than thông dụng phương pháp xác
định các chỉ tiêu chất lượng than theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu
chuẩn ASTM của Mỹ. Hiện tại đa số các đơn vị, cơng ty con trong tập đồn
than đều phân tích than theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Khi bắt đầu tiến hành kiểm tra chất lượng của 1 lô than ta phải tiến hành
lấy mẫu; Tùy vào khối lượng của lô than và vị trí của nó (than trong kho bãi,
than trên toa xe, trên ô tô, sà lan, tầu biển…) mà phương pháp lấy mẫu và số
lượng mẫu cũng khác nhau theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1693:2009. Mẫu
lấy được gọi là mẫu cơ sở với yêu cầu mẫu phải đại diện cho lô than.

Mẫu cơ sở được gia công bằng máy nghiền thô đến cỡ hạt nhỏ hơn 3mm
để chuẩn bị cho mẫu thí nghiệm. Một phần mẫu cơ sở được trích đều, lấy đại
diện rồi nghiền nhỏ thật nhanh bằng ru lơ để làm mẫu phân tích ẩm tồn phần.
Yêu cầu khi nghiền phải nhanh chóng, trong điều kiện không bị ảnh hưởng
bởi nhiệt độ môi trường, tránh làm bay hơi ảnh hưởng đến kết quản phân tích
độ ẩm tồn phần. Khối lượng mẫu phân tích độ ẩm tồn phần là 1kg ± 0,1 kg.
Mẫu thí nghiệm được sấy qua ở tủ sấy công nghiệp ở nhiệt độ dưới
1050C đến khối lượng không đổi sẽ được nghiền qua máy nghiền tinh đến cỡ
hạt nhỏ hơn 0,2 mm. Mẫu này sau khi được giản lược đồng đều sẽ được trích


10

ra 100g để làm mẫu phân tích để phân tích các chỉ tiêu chất lượng của than
như độ tro, độ ẩm, chất bốc, lưu huỳnh, nhiệt lượng…

Lô than
Lấy mẫu
Mẫu cơ sở
Gia cơng mẫu
Mẫu thí nghiệm
Gia cơng mẫu
Mẫu phân tích
Phương pháp
phân tích

Độ tro

Độ ẩm

Chất bốc

Nhiệt năng…..

Hình 1.1: Sơ đồ quy trình kiểm tra chất lượng than
1.2.2.1. Phương pháp xác định độ ẩm của than:
+ Nguyên tắc xác định hàm lượng ẩm trong than theo tiêu chuẩn Việt
Nam: TCVN 172:1997-ISO 589:2003.
- Nguyên tắc chung: Mẫu than có khối lượng đã biết được sấy ở nhiệt độ
105±10OC đến khối lượng không đổi. Hàm lượng ẩm được tính từ lượng hao
hụt trong q trình sấy mẫu so với khối lượng mẫu cân ban đầu.


11

- Phương pháp A: phương pháp thể tích (Dùng cho tất cả các loại than;
Cỡ hạt lớn nhất không quá 3mm): Mẫu thử đun cùng toluen trong thiết bị
chưng cất hồi lưu. Lượng ẩm của than được hơi toluen cuốn theo và đưa đến
bình ngưng (có lắp 1 ống chia độ) ở đó nước tách ra trong bình tạo thành 1
lớp ở dưới, toluen dư tràn trở lại bình cất. Hàm lượng ẩm trong than được tính
từ khối lượng của mẫu thử và thể tích nước thu được.
- Phương pháp B (Dùng cho tất cả các loại than; Cỡ hạt lớn nhất không
quá 3mm). Mẫu thử được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105±10OC trong dịng
khí nitơ và hàm lượng ẩm được tính từ khối lượng giảm đi và khối lượng mẫu
cân.
- Phương pháp C (Chỉ dùng cho loại than có độ biến tính cao, ít bị ơ xi
hóa; Cỡ hạt lớn nhất tới 11,2mm): Mẫu thử được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ
105±10OC trong khơng khí và hàm lượng ẩm được tính từ khối lượng giảm đi
và khối lượng mẫu cân ban đầu.
+ Các yếu tổ ảnh hưởng đến sự chính xác của kết quả phân tích xác

định độ ẩm tồn phần:
- Chuẩn bị mẫu phân tích ẩm:thao tác chậm hoặc bao gói khơng đúng
sẽ làm mất ẩm, cỡ hạt khơng đúng hoặc trích mẫu khơng đại diện sẽ làm sai
lệch kết quả phân tích.
- Sự chính xác của thiết bị: Cân, tủ sấy phải đảm bảo sự hoạt động ổn
định và chính xác. Vì vậy các thiết bị phục vụ phân tích phải được kiểm tra,
bảo dưỡng và hiệu chuẩn định kỳ. Trước khi phân tích phải kiểm tra tình trạng
hoạt động của thiết bị, trong khi phân tích phải thực hiện đúng hướng dẫn sử
dụng thiết bị, sau khi phân tích phải thực hiện thao tác vệ sinh công nghiệp.
- Phương pháp thử: chọn phương pháp phù hợp với yêu cầu phân tích
hoặc so sánh bởi vì các phương pháp phân tích khác nhau cho kết quả khác
nhau.


12

- Mơi trường: phịng phân tích phải đảm bảo về mơi trường, bởi vì các
yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, ồn… đều có thể ảnh hưởng đến kết quả phân
tích (sự nhiễm bẩn, nhiễm ẩm, sự chính xác của thiết bị, bảo quản mẫu).
- Thao tác: ngưòi phân tích phải thực hiện nhanh chóng và chính xác để
giảm thiểu sai số phân tích:khi cân mẫu chậm dẫn đến việc mẫu hút ẩm ngồi
mơi trường; khi đưa mẫu vào sấy, nếu thao tác chậm sẽ làm giảm nhiều nhiệt
độ của tủ sấy, cảm nhận nhiệt độ “nóng”, “nguội” của vật cân, thao tác đối với
các thiết bị phải đúng hướng dẫn và quan sát quá trình thực hiện để phát hiện
và xử lý các vấn đề bất thường…
1.2.2.2. Các phương pháp xác định độ tro:
Phương pháp xác định độ tro theo tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 173:1995
- ISO 1171:1994
+ Nguyên tắc xác định: nung một khối lượng mẫu than trong lị đốt có
dư khơng khí ở nhiệt độ 8050C  100C cho đến khi cháy hết toàn bộ phần hữu

cơ trong than, phần còn lại được lấy ra để nguội trong bình hút ẩm đến khi cân
bằng với nhiệt độ phịng thí nghiệm. Cân xác định khối lượng tro cịn lại và
tính kết quả độ tro.
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác trong q trình phân tích
thành phần độ tro:
- Chuẩn bị mẫu phân tích độ tro: thao tác chính xác để lấy được một
khối lượng mẫu đại diện, các dụng cụ chứa mẫu phải sạch, không gây nhiễm
bẩn cho mẫu, sấy mẫu đủ khô, không bị cháy mẫu, nghiền mẫu đảm bảo cỡ
hạt yêu cầu, mẫu khơng bị vón, bao gói, vé mẫu đầy đủ...
- Sự chính xác của thiết bị: Cân, tủ sấy, lị đốt phải đảm bảo sự hoạt
động ổn định và chính xác, các dụng cụ chén đốt, bình hút ẩm đầy đủ. Các
thiết bị phục vụ phân tích phải được kiểm tra, bảo dưỡng và hiệu chuẩn định
kỳ. Trước khi phân tích phải kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị, trong


13

khi phân tích phải thực hiện đúng hướng dẫn sử dụng thiết bị, sau khi phân
tích phải thực hiện thao tác vệ sinh công nghiệp.
- Phương pháp thử: chọn phương pháp phù hợp với yêu cầu phân tích
hoặc so sánh bởi vì các phương pháp phân tích khác nhau cho kết quả khác
nhau.
- Mơi trường: phịng phân tích phải đảm bảo về mơi trường, bởi vì các
yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, ồn… đều có thể ảnh hưởng đến kết quả phân
tích (sự nhiễm bẩn, nhiễm ẩm, sự chính xác của thiết bị, bảo quản mẫu…).
- Thao tác: ngưịi phân tích phải thực hiện nhanh chóng và chính xác để
giảm thiểu sai số phân tích: khi cân mẫu chậm dẫn đến việc mẫu hút ẩm ngồi
mơi trường; khi đưa mẫu vào đốt, nếu thao tác chậm sẽ làm giảm nhiều nhiệt
độ của lò đốt, cảm nhận nhiệt độ “nóng”, “nguội” của vật cân, thao tác đối với
các thiết bị phải đúng hướng dẫn và quan sát quá trình thực hiện để phát hiện

và xử lý các vấn đề bất thường.…
1.2.2.3. Các phương pháp xác định hàm lượng chất bốc trong than
Bản chất của phương pháp xác định hàm lượng chất bốc là một quá
trình nhiệt phân than ở nhiệt độ 9000C trong điều kiện khơng có khơng khí,
trong thời gian 7 phút  5s. Hàm lượng chất bốc được tính từ lượng hao hụt
của mẫu sau khi nung trừ đi lượng mất khối lượng do hàm lượng ẩm gây ra.
a. Tóm tắt phương pháp xác định theo tiêu chuẩn ISO 562:1998:
- Chuẩn bị dụng cụ thiết bị, mẫu phân tích:
+ Lị đốt điện có khả năng duy trì vùng nhiệt độ đồng đều, ổn định với
nhiệt độ đã đặt trước 900100C. Nhiệt lò nung phải đảm bảo sao cho khi đặt
chén nung và giá đỡ nguội vào lò có nhiệt độ là 900100C thì trong vịng 4
phút (tốt nhất là 3 phút) nhiệt độ lò phải đạt tối thiểu 8850C.
+ Chén nung và nắp chén nung: Chén dạng hình trụ có nắp đậy thật khít
với chén, khơng được nứt hay sứt mẻ.


14

+ Cân phân tích hoạt động ổn định, dải đo phù hợp, độ chính xác
0,1mg.
+ Mẫu phân tích đã được nghiền  0,25mm được thực hiện đúng yêu
cầu kỹ thuật trong cơng đoạn chuẩn bị mẫu, đảm bảo tính đại diện và q
trình sấy mẫu khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng mẫu…
- Quá trình thực hiện:
+ Đưa chén và nắp vào lò nung ở nhiệt độ 9000C trong vòng 15 phút,
lấy ra để nguội trên tấm kim loại và cho vào bình hút ẩm đến khi ổn định
nhiệt độ, sau đó đem cân xác định khối lượng cả chén và nắp.
+ Dùng thìa cân đảo đều mẫu, để yên cho cân bằng với mơi trường
phịng thí nghiệm. Cân 1g  0,01g chính xác tới 0,1mg vào chén nung. Đậy
nắp lại và gõ nhẹ chén lên bề mặt sạch, cứng cho tới khi tạo thành một lớp

mỏng đều trên đáy chén.
+ Cân xác định hàm lượng ẩm phân tích của mẫu thử.
+ Đặt chén mẫu vào giá đốt, đưa vào lò đã đủ nhiệt độ 900  100C. Sau
7 phút  5s lấy chén mẫu ra để nguội trên tấm kim loại và cho vào bình hút
ẩm đến khi ổn định nhiệt độ, đem cân xác định lượng hao hụt.
- Tính tốn kết quả :
VPt  100

g1
% VPt =

----- 

100 - WPt

%

G

Vk =

---------------

100 - WPt

Trong đó: V pt - Là hàm lượng chất bốc ở trạng thái phân tích.
g1 - Là lượng hao hụt sau khi đốt.
G - Là khối lượng mẫu thử.
Wpt - Là hàm lượng ẩm trong mẫu phân tích.
Vk - Là hàm lượng chất bốc ở trạng thái khô