Luyện cốc và quá trình sản xuất than cốc

Khác với các loại than khác như than đá, than hoạt tính thì than cốc thường ít khai thác được từ các nguồn tự nhiên mà phải trải qua quá trình luyện cốc. Luyện than mỡ thu được sản phẩm có tính chất cao hơn, hiệu quả hơn đặc biệt về nhiệt năng tạo ra.

Than cốc là gì?

Than cốc là một loại nhiên liệu xám, cứng và xốp có hàm lượng cacbon cao và ít tạp chất, được tạo ra bằng cách nung nóng than mỡ hoặc dầu trong môi trường yếm khí - một quá trình chưng cất phá hủy. Nó là một sản phẩm công nghiệp quan trọng, được sử dụng chủ yếu trong nấu luyện quặng sắt, nhưng cũng là một loại nhiên liệu trong bếp lò và lò rèn khi ô nhiễm không khí là một mối lo ngại.

Thuật ngữ "than cốc" khi không nói rõ ràng thường được dùng để chỉ sản phẩm có nguồn gốc từ than bitum có hàm lượng tro và lưu huỳnh thấp bằng một quá trình gọi là luyện cốc. Một sản phẩm tương tự được gọi là than cốc dầu mỏ, hay petcoke, được lấy từ dầu thô trong các nhà máy lọc dầu. Than cốc cũng có thể được hình thành tự nhiên bởi các quá trình địa chất.

luyện cốc-quá trình sản xuất than cốc

Năm 2018 ước tính toàn thế giới sản xuất khoảng 639 triệu tấn than cốc. Phân theo khu vực thì châu Á (chủ yếu tập trung tại Trung Quốc) sản xuất 520 triệu tấn, chiếm 81,3%. Châu Âu (bao gồm cả CIS) với 78 triệu tấn chiếm 12,2%, châu Mỹ với 30 triệu tấn chiếm 4,7%.

Nước thải từ luyện cốc là rất độc hại và có khả năng gây ung thư. Nó chứa các hợp chất hữu cơ phenol, thơm,dị vòng và đa vòng, cũng như các chất vô cơ như xyanua, sulfide, amoni và amoniac. Nhiều phương pháp khác nhau trong xử lý nước thải này đã được nghiên cứu trong những năm gần đây. Loại nấm thối rữa trắng Phanerochaete chrysosporium có thể loại bỏ tới 80% các phenol từ nước thải luyện cốc.

Vậy quá trình luyện cốc như thế nào hãy cùng IMIT tìm hiểu nhé!

Luyện cốc

Luyện cốc là quá trình nung than trong điều kiện không có không khí (oxy) đến nhiệt độ trên 600 °C, loại bỏ các thành phần dễ bay hơi của than thô, để lại một vật liệu xốp cứng, mạnh, có hàm lượng carbon cao, được gọi là than cốc. Than cốc gần như hoàn toàn là hidrocacbon. Độ xốp làm cho nó có diện tích bề mặt lớn, làm cho nó cháy nhanh hơn (cũng như một tờ giấy so với một khúc gỗ). Khi một kilôgam than được đốt, nó giải phóng nhiều nhiệt hơn một kilogam than thô ban đầu.

Than cốc đủ mạnh để được sử dụng làm nhiên liệu trong lò cao. Trong một quá trình liên tục, than cốc, quặng sắt và đá vôi được trộn với nhau, và đưa vào từ phía trên cùng của lò cao, và ở đáy là sắt nóng chảy và xỉ lò, được loại bỏ. Các nguyên liệu liên tục di chuyển xuống lò cao. Trong quá trình liên tục này, nhiều nguyên liệu thô được đặt lên trên và than cốc phải chịu được trọng lượng ngày càng tăng của các nguyên liệu thô bên trên nó. Do khả năng chịu được lực nghiền, tỏa ra năng lượng cao và đốt cháy nhanh, làm cho than cốc trở nên lý tưởng để sử dụng trong lò cao.

Lò luyện cốc công nghiệp

Công nghiệp sản xuất than cốc từ than đá được gọi là luyện cốc. Than được nung trong lò không có không khí, "lò luyện cốc" hoặc "lò luyện cốc", ở nhiệt độ cao tới 2.000°C (3.600°F) nhưng thường khoảng 1.000–1.100°C (1.800–2.000°F). Quá trình này làm bốc hơi hoặc phân hủy các chất hữu cơ trong than, tạo ra các sản phẩm dễ bay hơi, bao gồm cả nước, ở dạng khí than và nhựa than đá. Than cốc là cặn không bay hơi của quá trình phân hủy, cặn cacbon và khoáng chất kết dính với nhau của các hạt than ban đầu ở dạng chất rắn cứng và hơi thủy tinh.

Một số cơ sở có lò luyện cốc "sản phẩm phụ" trong đó các sản phẩm phân hủy bay hơi được thu gom, tinh chế và tách ra để sử dụng trong các ngành công nghiệp khác, làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu hóa học. Nếu không, các sản phẩm phụ dễ bay hơi được đốt cháy để làm nóng lò luyện cốc. Đây là một phương pháp cũ hơn, nhưng vẫn đang được sử dụng để xây dựng mới.

Lò luyện cốc tại nhà máy nhiên liệu không khói, Abercrombie, South Wales, 1976

Than bitum phải đáp ứng một số tiêu chí để sử dụng làm than luyện cốc, được xác định bằng các kỹ thuật khảo nghiệm than cụ thể. Chúng bao gồm độ ẩm, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng dễ bay hơi, hắc ín và độ dẻo. Sự pha trộn này nhằm mục đích tạo ra cốc có độ bền thích hợp (thường được đo bằng độ bền của cốc sau phản ứng), đồng thời làm mất đi một lượng khối lượng thích hợp. Các cân nhắc pha trộn khác bao gồm đảm bảo than cốc không bị phồng lên quá nhiều trong quá trình sản xuất và phá hủy lò luyện cốc do áp lực thành cốc quá mức.

Chất bay hơi trong than càng lớn thì càng có thể tạo ra nhiều sản phẩm phụ. Người ta thường coi rằng mức 26–29% chất bốc trong hỗn hợp than là tốt cho mục đích luyện cốc. Do đó, các loại than khác nhau được pha trộn theo tỷ lệ để đạt được mức độ bay hơi chấp nhận được trước khi quá trình luyện cốc bắt đầu. Nếu phạm vi các loại than quá lớn, than cốc tạo thành có độ bền và hàm lượng tro rất khác nhau, và thường không bán được, mặc dù trong một số trường hợp, nó có thể được bán như một loại nhiên liệu đốt nóng thông thường. Vì than cốc đã mất chất bay hơi nên không thể luyện cốc trở lại.

Than luyện cốc khác với than nhiệt, nhưng phát sinh từ quá trình hình thành than cơ bản giống nhau. Than luyện cốc có các thành phần khác với than nhiệt, tức là các dạng khác nhau của vật chất thực vật được nén và hóa thạch bao gồm than đá. Các chùy khác nhau phát sinh từ các hỗn hợp khác nhau của các loài thực vật, và sự biến đổi của các điều kiện mà than đá hình thành. Than luyện cốc được phân loại theo tỷ lệ tro trọng lượng sau khi đốt:

Thép cấp I (Hàm lượng tro không quá 15%)

Thép cấp II (Vượt quá 15% nhưng không quá 18%)

Độ giặt cấp I (Vượt quá 18% nhưng không quá 21%)

Cấp độ giặt II (Vượt quá 21% nhưng không quá 24%)

Vòng giặt cấp III (Vượt 24% nhưng không quá 28%)

Vòng giặt cấp IV (Vượt 28% nhưng không quá 35%)

Quá trình "đốt lò"

Quá trình "đốt lò" sản xuất than cốc, sử dụng than cục, tương tự như quá trình đốt than; Thay vì một đống gỗ đã chuẩn bị, phủ đầy cành cây, lá và đất, lại là một đống than, phủ đầy bụi than cốc. Quá trình đốt lò tiếp tục được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong nửa đầu thế kỷ 19, nhưng hai sự kiện đã làm giảm tầm quan trọng của nó đi rất nhiều. Đây là sự phát minh ra vụ nổ nóng trong luyện sắt và sự ra đời của lò luyện cốc bằng tổ ong. Việc sử dụng luồng không khí nóng, thay vì không khí lạnh, trong lò luyện được Nielsen giới thiệu lần đầu tiên ở Scotland vào năm 1828. Quá trình lò luyện cốc từ than đá là một quá trình rất dài.

Luyện cốc dầu khí

Luyện cốc là một đơn vị hoạt động của nhà máy lọc dầu, nâng cấp vật liệu gọi từ đáy từ cột chưng cất khí quyển hoặc chân không thành các sản phẩm có giá trị cao hơn và sản xuất than cốc dầu mỏ một vật liệu giống như than. Trong xúc tác không đồng nhất, quá trình bị cản trở vì clinker chặn các vị trí xúc tác. Than cốc là đặc trưng của các phản ứng nhiệt độ cao liên quan đến nguyên liệu hydrocarbon. Thông thường, quá trình luyện cốc được đảo ngược bằng quá trình đốt cháy, với điều kiện chất xúc tác như vậy.

Một phương trình đơn giản hóa cho luyện cốc được thể hiện trong trường hợp ethylene:

3C₂H₄ → 2C("than cốc") + 2C₂H₆

Một cái nhìn thực tế hơn nhưng phức tạp hơn liên quan đến sự alkyl hóa một vòng thơm của hạt nhân than cốc. Do đó, các chất xúc tác có tính axit đặc biệt dễ luyện vì chúng có hiệu quả trong việc tạo ra các carbocations (tức là các tác nhân alkyl hóa).

Than cốc là một trong một số cơ chế để khử hoạt tính của chất xúc tác không đồng nhất. Các cơ chế khác bao gồm thiêu kết, khử và chuyển pha của chất xúc tác.

An toàn lao động

Mọi người có thể tiếp xúc với khí thải lò luyện cốc ở nơi làm việc khi hít phải, tiếp xúc với da hoặc tiếp xúc bằng mắt. Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (OSHA) đã đặt ra giới hạn pháp lý đối với việc tiếp xúc với khí thải lò luyện cốc tại nơi làm việc là 0,150 mg/m³ phần hòa tan benzen trong một ngày làm việc tám giờ. Viện Quốc gia về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (NIOSH) đã đặt ra Giới hạn phơi nhiễm khuyến nghị (REL) là 0,2 mg/m³ phần hòa tan benzen trong một ngày làm việc tám giờ.

TẠI SAO CHỌN DỊCH VỤ THỬ NGHIỆM KIỂM ĐỊNH TẠI IMIT

Viện Đo lường Kiểm định và Thử nghiệm (IMIT) là đơn vị sự nghiệp khoa học trực thuộc Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam, được thành lập theo Quyết định số 685/QĐ-LHHVN ngày 15 tháng 7 năm 2020 của Đoàn Chủ tịch Hội đồng Trung ương Liên hiệp Hội KH&KT Việt Nam. Viện là tổ chức khoa học và công nghệ hoạt động theo Luật Khoa học Công nghệ và các Nghị định, Thông tư hướng dẫn thi hành Luật KH&CN. Viện có tư cách pháp nhân, có con dấu và tài khoản ngân hàng riêng và hoạt động theo phương thức hạch toán độc lập.

Tên giao dịch quốc tế: Institute of Metrology Inspection and Testing.

Chi tiết giới thiệu Viện Đo lường Kiểm định và Thử nghiệm (IMIT) tham khảo https://imit.vn/pages/about-us

Các dịch vụ thử nghiệm than đá tại IMIT

Xác Định Độ Bền Cơ, Chỉ Số M10, M20, M40

Xác định chỉ số khả năng phản ứng cốc (CRI) và độ bền sau phản ứng (CSR)

Chi tiết tìm hiểu các dịch vụ thử nghiệm kiểm định giám định tại IMIT tham khảo https://imit.vn/collections/all

ưu điểm của dịch vụ tại IMT