Nhiệt trị của than là gì?  Lời chào thân ái gửi đến quý vị độc giả. Với kinh nghiệm lâu năm trong ngành năng lượng và nhiên liệu, tôi hiểu rằng than đá không chỉ là một loại vật chất đơn thuần, mà còn là một nguồn năng lượng phức tạp với nhiều tham số cần được đánh giá kỹ lưỡng. Trong số các tham số đó, Nhiệt trị của than đóng vai trò là chìa khóa then chốt, quyết định giá trị kinh tế và hiệu suất sử dụng của nó.

Nếu quý vị đang làm việc trong lĩnh vực nhiệt điện, xi măng, luyện kim hay thương mại than, việc nắm vững khái niệm, công thức tính và các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trị là điều vô cùng cần thiết. Bài viết này, được đúc kết từ kinh nghiệm thực tế, xin phép trình bày một cách cô đọng và dễ hiểu nhất về chủ đề quan trọng này.

1. Nhiệt trị của than là gì? Khái niệm cơ bản và ý nghĩa

Để bắt đầu, chúng ta cần thống nhất về nền tảng cơ bản nhất: Nhiệt trị là gì và vì sao nó lại quan trọng đến vậy.

1.1. Định nghĩa chi tiết về Nhiệt trị của than (Heating Value)

Một cách đơn giản nhất, Nhiệt trị của than (Heating Value, hay Calorific Value) là tổng lượng nhiệt mà một đơn vị khối lượng than có thể giải phóng ra khi nó được đốt cháy hoàn toàn trong điều kiện tiêu chuẩn, có đủ oxy cần thiết.

Nói một cách khoa học hơn, đó là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh nhiệt của nhiên liệu rắn. Nó phản ánh trực tiếp năng lượng hóa học tiềm ẩn bên trong cấu trúc than. Nếu hai mẫu than có khối lượng bằng nhau, mẫu nào có nhiệt trị cao hơn thì sẽ cung cấp nhiều năng lượng hơn khi cháy.

1.2. Đơn vị đo lường Nhiệt trị phổ biến (Kcal/kg, KJ/kg, BTU/lb)

Trong các giao dịch thương mại và nghiên cứu kỹ thuật, nhiệt trị than được thể hiện qua nhiều đơn vị khác nhau, tùy thuộc vào tiêu chuẩn vùng miền hoặc ngành công nghiệp:

• Kilocalorie trên Kilogram (Kcal/kg): Đơn vị phổ biến tại Việt Nam và nhiều quốc gia châu Á. Một Kcal là lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của 1 kg nước lên 1 độ C

• Kilojoule trên Kilogram (KJ/kg): Đơn vị chuẩn trong Hệ đo lường quốc tế (SI). Đây là đơn vị thường dùng trong các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật hiện đại.

• British Thermal Unit trên Pound (BTU/lb): Đơn vị truyền thống, thường được sử dụng tại Mỹ và một số thị trường than quốc tế.

Tỷ lệ quy đổi cơ bản (tham khảo):

1 Kcal/kg = khoảng 4.1868 KJ/kg

1  Kcal/kg = khoảng 1.8 BTU/lb

1.3. Phân loại: Nhiệt trị cao (Gross Calorific Value) và Nhiệt trị thấp (Net Calorific Value)

Trong thực tế sử dụng, chúng ta cần phân biệt rõ ràng hai loại nhiệt trị:

• Nhiệt trị cao (Gross Calorific Value – GCV): Còn gọi là Nhiệt trị tổng hay Nhiệt trị toàn phần. Đây là tổng lượng nhiệt giải phóng khi đốt cháy nhiên liệu, bao gồm cả nhiệt lượng ngưng tụ của hơi nước tạo thành từ hydro (H) trong than và độ ẩm (Moisture) bay hơi. Kết quả này thường được xác định bằng phương pháp thử nghiệm trong bom nhiệt lượng.

• Nhiệt trị thấp (Net Calorific Value – NCV): Còn gọi là Nhiệt trị hiệu dụng hay Nhiệt trị thực. Đây là lượng nhiệt thực tế mà lò hơi hoặc thiết bị đốt có thể tận dụng được. Nó được tính bằng cách lấy Nhiệt trị cao trừ đi lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi và siêu nhiệt hơi nước sinh ra trong quá trình cháy. Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là lò hơi, NCV là chỉ số quan trọng hơn.

1.4. Ý nghĩa quan trọng của Nhiệt trị than trong công nghiệp và thương mại

Nhiệt trị không chỉ là một con số, mà là thước đo giá trị cốt lõi của than:

• Đánh giá chất lượng và Giá trị kinh tế: Nhiệt trị là cơ sở chính để định giá than. Than có nhiệt trị cao hơn sẽ có giá bán cao hơn vì nó mang lại hiệu suất năng lượng lớn hơn trên cùng một khối lượng.

• Thiết kế và Vận hành thiết bị: Các kỹ sư sử dụng nhiệt trị để tính toán lượng than cần thiết, thiết kế kích thước lò hơi, và xác định hiệu suất của nhà máy nhiệt điện hay lò nung xi măng.

• Kiểm soát chất lượng và Giao dịch: Nhiệt trị là tiêu chuẩn bắt buộc trong mọi hợp đồng mua bán than. Nó giúp đảm bảo rằng bên mua nhận được chất lượng nhiên liệu đúng như cam kết.

2. Công thức tính Nhiệt trị của than chuẩn xác nhất

Việc xác định nhiệt trị có thể thực hiện thông qua thí nghiệm hoặc tính toán dựa trên các thành phần hóa học. Mỗi phương pháp đều có vai trò riêng biệt.

2.1. Công thức tính Nhiệt trị thấp (Net Calorific Value) từ Nhiệt trị cao

Trong thực tế, do việc xác định GCV bằng bom nhiệt lượng là tiêu chuẩn, người ta thường tính NCV từ GCV thông qua một công thức hiệu chỉnh:

Trong đó:

• NCV, GCV: Đơn vị $\text{Kcal/kg}$.

• H: Hàm lượng Hydro (%) có trong than (xác định qua phân tích nguyên tố).

• W: Hàm lượng độ ẩm toàn phần (%) có trong than (độ ẩm bề mặt + độ ẩm nội tại).

• 600: Hằng số (xấp xỉ) nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở nhiệt độ $100^{\circ}\text{C}$ ($\text{Kcal/kg}$).

• $9 \times \frac{H}{100}$: Khối lượng nước sinh ra từ quá trình đốt cháy Hydro ($1 \text{ phần khối lượng } H \text{ tạo ra } 9 \text{ phần khối lượng nước}$).

Công thức này cho phép chúng ta quy đổi từ giá trị nhiệt tổng (GCV) về giá trị nhiệt thực tế sử dụng (NCV) một cách nhanh chóng và đáng tin cậy.

2.2. Cách xác định Nhiệt trị qua các thành phần hóa học (Công thức Dulong)

Nếu không có điều kiện thử nghiệm trực tiếp, chúng ta có thể ước tính nhiệt trị dựa trên kết quả phân tích thành phần nguyên tố (Proximate Analysis). Công thức Dulong là công thức kinh nghiệm phổ biến nhất, dựa trên giả định rằng Carbon, Hydro và Lưu huỳnh là ba thành phần chính sinh nhiệt:

Trong đó:

• GCV: Giá trị ước tính, đơn vị $\text{BTU/lb}$ (đơn vị của các hệ số trong công thức Dulong gốc).

• C, H, O, S: Tỷ lệ phần trăm khối lượng của Carbon, Hydro, Oxy, và Lưu huỳnh (trên cơ sở khô, không tro) trong than.

• $\left( H – \frac{O}{8} \right)$: Hiệu chỉnh lượng Hydro khả dụng, vì một phần Hydro đã liên kết với Oxy để tạo thành nước bên trong than.

Lưu ý: Đây chỉ là công thức ước tính, mang tính chất tham khảo ban đầu. Kết quả từ thí nghiệm vẫn là tiêu chuẩn cao nhất.

2.3. Quy trình thực hiện thí nghiệm xác định Nhiệt trị bằng bom nhiệt lượng

Phương pháp thí nghiệm sử dụng Bom nhiệt lượng (Bomb Calorimeter) là cách xác định nhiệt trị (GCV) chính xác nhất, được công nhận theo các tiêu chuẩn quốc tế (ASTM D5865, ISO 1928):

1. Chuẩn bị mẫu: Cân chính xác một lượng nhỏ mẫu than đã được nghiền mịn và sấy khô (thường khoảng 0.5 – 1g).

2. Đốt trong Bom: Mẫu than được đặt trong một bình thép kín (bom), bơm đầy oxy nén (thường $20 – 30 \text{ atm}$), sau đó đặt bom vào một thùng chứa nước cách nhiệt.

3. Kích hoạt cháy: Dùng dây điện hoặc cầu chì để kích hoạt quá trình đốt cháy mẫu than hoàn toàn.

4. Ghi nhận nhiệt độ: Quá trình cháy giải phóng nhiệt lượng, làm tăng nhiệt độ của nước xung quanh. Thiết bị ghi nhận chính xác độ tăng nhiệt độ ($\Delta T$).

5. Tính toán: Dựa trên khối lượng nước, nhiệt dung riêng của hệ thống (đã được hiệu chuẩn bằng axit Benzoic tiêu chuẩn) và độ tăng nhiệt độ, GCV được tính toán theo công thức:

Trong đó $W$ là nhiệt dung của hệ thống, $Q_{phụ}$ là nhiệt lượng từ dây kích cháy và axit hình thành, $m$ là khối lượng mẫu than.

2.4. Sai số thường gặp khi tính toán và cách hiệu chỉnh

Trong quá trình xác định và tính toán nhiệt trị, sai số là điều không thể tránh khỏi, nhưng chúng ta có thể kiểm soát:

• Sai số mẫu (Sampling Error): Than là vật liệu không đồng nhất. Việc lấy mẫu không đại diện (ví dụ: mẫu quá ẩm, mẫu chỉ lấy ở bề mặt) sẽ dẫn đến sai số nghiêm trọng. Cách khắc phục: Phải tuân thủ nghiêm ngặt quy trình lấy mẫu và chuẩn bị mẫu theo tiêu chuẩn quốc tế.

• Sai số thí nghiệm: Do việc hiệu chuẩn thiết bị (bom nhiệt lượng) không chính xác, hay đo lường khối lượng, nhiệt độ không cẩn thận. Cách khắc phục: Hiệu chuẩn định kỳ thiết bị bằng chất chuẩn (axit Benzoic) và đào tạo kỹ thuật viên.

• Sai số do công thức ước tính: Công thức Dulong không tính đến nhiệt lượng của các khoáng chất khác và sự khác biệt về thành phần cấu trúc than. Cách khắc phục: Chỉ sử dụng kết quả thí nghiệm khi cần độ chính xác cao cho giao dịch.

3. Các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến Nhiệt trị của than

Nhiệt trị của than không phải là một hằng số, mà là một giá trị thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố cấu thành và môi trường.

3.1. Độ ẩm (Moisture Content): Yếu tố giảm sút Nhiệt trị trực tiếp

Độ ẩm là kẻ thù số một làm giảm nhiệt trị của than. Khi đốt cháy, nhiệt lượng sinh ra không chỉ dùng để làm nóng thiết bị, mà còn phải dùng để:

1. Làm bay hơi nước (nước bề mặt và nước nội tại): Quá trình này tiêu tốn một lượng nhiệt rất lớn (nhiệt ẩn hóa hơi).

2. Siêu nhiệt hơi nước: Làm nóng hơi nước vừa bay hơi lên nhiệt độ khói thải.

• Thực tế: Mỗi $1\%$ độ ẩm tăng thêm sẽ làm giảm Nhiệt trị hiệu dụng (NCV) đi khoảng $600 \text{ Kcal}$ cho mỗi kg than. Vì vậy, việc kiểm soát và làm khô than trước khi sử dụng là giải pháp tối ưu chi phí.

3.2. Hàm lượng tro (Ash Content): Ảnh hưởng đến quá trình cháy và Nhiệt trị

Tro là phần còn lại không cháy của than, chủ yếu là các khoáng chất vô cơ. Hàm lượng tro cao gây ra nhiều vấn đề:

• Làm giảm tỷ lệ Carbon: Tro chiếm không gian mà đáng lẽ ra là vật chất sinh nhiệt (Carbon, Hydro), trực tiếp làm giảm nhiệt trị trên cùng một khối lượng.

• Gây cản trở quá trình cháy: Tro bám vào bề mặt than đang cháy, cản trở sự tiếp xúc của oxy và làm giảm tốc độ phản ứng cháy, gây thất thoát nhiệt.

• Tăng chi phí vận hành: Lò hơi phải dùng nhiều năng lượng hơn để loại bỏ tro và xử lý khói thải, giảm hiệu suất tổng thể.

3.3. Thành phần Carbon, Hydro, Lưu huỳnh (S) và Oxy (O)

Nhiệt trị than được quyết định chủ yếu bởi thành phần hóa học cấu tạo nên than:

• Carbon (C): Thành phần sinh nhiệt chính. Than có hàm lượng Carbon cố định (Fixed Carbon) càng cao thì nhiệt trị càng lớn.

• Hydro (H): Có nhiệt trị riêng rất cao. Tuy nhiên, như đã đề cập ở mục 2.1, Hydro khi cháy tạo ra nước, và nhiệt lượng từ nước ngưng tụ bị loại bỏ khi tính NCV.

• Lưu huỳnh (S): Cũng là thành phần sinh nhiệt, nhưng đóng góp không đáng kể. Vấn đề chính của Lưu huỳnh là tạo ra khí $\text{SO}_x$, gây ô nhiễm môi trường và ăn mòn thiết bị.

• Oxy (O): Có mối quan hệ nghịch đảo với nhiệt trị. Oxy càng cao thì nhiệt trị than càng thấp, vì Oxy đã liên kết với Carbon và Hydro trong than, làm giảm lượng Carbon và Hydro khả dụng cho quá trình cháy sinh nhiệt.

3.4. Cấp bậc của than (Anthracite, Bituminous, Sub-bituminous, Lignite)

Cấp bậc của than là kết quả của quá trình biến chất địa chất kéo dài hàng triệu năm, và đây là yếu tố cơ bản quyết định nhiệt trị:

• Than Antraxit (Anthracite): Cấp bậc cao nhất, hàm lượng Carbon cố định rất cao (trên $90\%$), độ ẩm và chất bốc thấp. Nhiệt trị cao nhất.

• Than Bitum (Bituminous): Cấp bậc trung bình cao, hàm lượng Carbon cao, là loại than thương mại được sử dụng rộng rãi nhất. Nhiệt trị cao.

• Than Bán Bitum (Sub-bituminous): Cấp bậc thấp hơn, độ ẩm và chất bốc cao hơn. Nhiệt trị trung bình.

• Than Lignite (Than nâu): Cấp bậc thấp nhất, độ ẩm rất cao, hàm lượng Carbon thấp. Nhiệt trị thấp nhất.

3.5. Kích thước và độ đồng đều của than

Mặc dù kích thước than không ảnh hưởng đến nhiệt trị hóa học nội tại (GCV), nhưng nó ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất cháy và nhiệt trị hiệu dụng (NCV):

• Than quá mịn (bụi than): Có nguy cơ cháy nổ cao và dễ bị cuốn theo dòng khí thải, gây thất thoát.

• Than quá to: Mất nhiều thời gian để cháy hết, có thể không cháy hoàn toàn trước khi ra khỏi lò, làm giảm hiệu suất thực tế.

• Than không đồng đều: Tạo ra các vùng cháy khác nhau trong lò, gây khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ và tối ưu hóa quá trình đốt.

Giải pháp: Kích thước than cần được nghiền và sàng lọc đến một phạm vi tối ưu cho từng loại lò (ví dụ: lò hơi tầng sôi, lò hơi phun than), đảm bảo tốc độ phản ứng cháy tối đa.

4. Tiêu chuẩn Nhiệt trị của các loại than phổ biến tại Việt Nam và Thế giới

Trong thương mại và kỹ thuật, các loại than được phân loại và đánh giá theo dải nhiệt trị tiêu chuẩn.

4.1. Nhiệt trị tiêu biểu của Than Antraxit (Than đá chất lượng cao)

Than Antraxit (chủ yếu khai thác ở khu vực Quảng Ninh, Việt Nam) là than có cấp bậc cao nhất, với các đặc tính nổi trội:

• Hàm lượng Carbon cố định: Thường trên $85-90\%$.

• Độ ẩm và Tro: Rất thấp.

• Dải Nhiệt trị cao (GCV): Thường dao động từ $6.500 \text{ đến } 7.800 \text{ Kcal/kg}$ (tương đương $27.200 \text{ đến } 32.650 \text{ KJ/kg}$) trên cơ sở khô.

• Ứng dụng: Chủ yếu dùng trong luyện kim, sản xuất hóa chất (khử), và là nhiên liệu cao cấp cho một số lò hơi công nghiệp.

4.2. So sánh Nhiệt trị của Than Lignite, Than Bitum và Than Bán Bitum

Nhận xét: Sự khác biệt về nhiệt trị là rất lớn. Than Lignite thường chỉ được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện đặt gần mỏ khai thác (để giảm chi phí vận chuyển) và cần lò hơi được thiết kế đặc biệt để xử lý độ ẩm cao. Than Bitum là lựa chọn cân bằng giữa nhiệt trị, giá thành và ứng dụng đa dạng.

4.3. Tiêu chuẩn Nhiệt trị than áp dụng trong các ngành công nghiệp (Xi măng, Nhiệt điện)

Mỗi ngành công nghiệp sẽ có yêu cầu nhiệt trị khác nhau tùy thuộc vào thiết kế của thiết bị và mục tiêu vận hành:

• Ngành Nhiệt điện:

  • Yêu cầu: Thường sử dụng than có NCV khoảng $4.500 \text{ – } 6.500 \text{ Kcal/kg}$. Các nhà máy điện lớn (đặc biệt là phun than) yêu cầu nhiệt trị ổn định và hàm lượng tro/lưu huỳnh thấp.

  • Mục tiêu: Tối ưu hóa chi phí/kWh và giảm phát thải.

• Ngành Xi măng:

  • Yêu cầu: Cần than có nhiệt trị cao và ổn định, thường GCV từ $6.000 \text{ Kcal/kg}$ trở lên, để duy trì nhiệt độ nung Clinker cao ($>1400^{\circ}\text{C}$).

  • Mục tiêu: Đảm bảo chất lượng Clinker và hiệu suất quay lò.

4.4. Cách lựa chọn than dựa trên yêu cầu Nhiệt trị và ứng dụng cụ thể

Việc lựa chọn than không chỉ đơn thuần là chọn than có nhiệt trị cao nhất, mà là chọn loại than phù hợp nhất với lò đốt hiện có và tối ưu hóa chi phí/đơn vị nhiệt:

1. Phân tích Chi phí/Nhiệt: Thay vì so sánh giá than/tấn, hãy so sánh Giá than/GigaJoule (GJ).

2. Đánh giá thiết bị: Lò hơi tầng sôi có thể chấp nhận than có nhiệt trị và chất lượng thấp hơn (Sub-bituminous, Lignite). Lò hơi phun than cần than chất lượng cao hơn (Bituminous, Antraxit).

3. Xem xét yếu tố môi trường: Than có nhiệt trị cao thường đi kèm với hàm lượng Lưu huỳnh thấp hơn (hoặc ngược lại), điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí xử lý khí thải ($\text{SO}_x, \text{NO}_x$).

4. Tính toán chi phí phụ trợ: Than nhiệt trị thấp đi kèm với chi phí nghiền (nếu ẩm), chi phí vận chuyển và xử lý tro cao hơn.

5. Ứng dụng thực tế của việc kiểm soát và tối ưu Nhiệt trị than

Việc hiểu và kiểm soát nhiệt trị than mang lại lợi ích kinh tế, kỹ thuật và môi trường đáng kể.

5.1. Tối ưu hiệu suất đốt cháy và tiết kiệm chi phí nhiên liệu

Kiểm soát nhiệt trị giúp người vận hành đưa ra quyết định chính xác:

• Điều chỉnh tỷ lệ cấp than: Nếu nhiệt trị của than nhập vào giảm, người vận hành cần tăng lượng than cấp vào lò để duy trì công suất và nhiệt độ hơi nước mong muốn. Ngược lại, nếu nhiệt trị tăng, lượng than cần giảm.

• Giảm thiểu tổn thất: Nếu than có độ ẩm quá cao, nhiệt trị giảm, dẫn đến việc phải đốt nhiều than hơn. Bằng cách đầu tư vào hệ thống làm khô hoặc trộn than, chúng ta giảm được lượng nhiệt bị tiêu hao vào việc làm bay hơi nước.

• Trộn than (Blending): Các nhà máy thường trộn than có nhiệt trị thấp (giá rẻ) với than có nhiệt trị cao (giá đắt) theo tỷ lệ tính toán trước để đạt được nhiệt trị mục tiêu với chi phí thấp nhất mà vẫn đảm bảo vận hành ổn định.

5.2. Quản lý chất lượng than nhập khẩu và giao dịch thương mại

Trong các giao dịch quốc tế, nhiệt trị là cơ sở cho việc thanh toán:

• Chốt giá (Pricing): Hợp đồng mua bán thường có điều khoản điều chỉnh giá (price adjustment) dựa trên kết quả phân tích nhiệt trị thực tế của lô hàng khi giao nhận (Certificate of Quality).

• Tránh tranh chấp: Việc sử dụng các tiêu chuẩn phân tích nhiệt trị chung và công ty giám định độc lập (SGS, Intertek) giúp các bên mua bán có cơ sở dữ liệu khách quan để giải quyết mọi tranh chấp về chất lượng.

• Kiểm soát tồn kho: Phân tích nhiệt trị định kỳ cho phép quản lý chính xác năng lượng dự trữ trong kho than, hỗ trợ lập kế hoạch sản xuất hiệu quả.

5.3. Vai trò của Nhiệt trị than trong bảo vệ môi trường và giảm phát thải CO2

Mối quan hệ giữa nhiệt trị và môi trường là rất rõ ràng:

• Phát thải $\text{CO}_2$: Than có nhiệt trị càng cao, lượng $\text{CO}_2$ phát thải trên mỗi đơn vị năng lượng (ví dụ: $\text{kg } \text{CO}_2 \text{ / MWh}$) càng thấp, vì cần ít than hơn để tạo ra cùng một lượng năng lượng. Việc sử dụng than chất lượng cao là một trong những giải pháp kỹ thuật để giảm dấu chân Carbon.

• Phát thải tro và $\text{SO}_x$: Than nhiệt trị thấp thường có hàm lượng tro cao hơn, tăng lượng chất thải rắn (tro bay, tro đáy) cần xử lý. Đồng thời, than có nhiệt trị thấp thường có hàm lượng Lưu huỳnh không ổn định, làm phức tạp quá trình xử lý khí thải.

Lời kết

Qua bài viết này, tôi hy vọng quý vị đã có cái nhìn toàn diện và sâu sắc về Nhiệt trị của than là gì – một chỉ số kỹ thuật và thương mại vô cùng quan trọng. Từ việc nắm vững định nghĩa, thành thạo công thức tính toán, cho đến việc hiểu các yếu tố ảnh hưởng, tất cả đều phục vụ cho mục tiêu cuối cùng: Tối ưu hóa năng lượng, giảm thiểu chi phí và bảo vệ môi trường.

Trong ngành công nghiệp than, kiến thức là sức mạnh, và việc ứng dụng các chỉ số kỹ thuật như nhiệt trị một cách khôn ngoan sẽ giúp quý vị đưa ra những quyết định đầu tư và vận hành hiệu quả nhất.

Nếu quý vị có bất kỳ câu hỏi nào về việc hiệu chỉnh công thức, phân tích thành phần than cụ thể, hoặc cần so sánh chi phí nhiệt trị của các lô than khác nhau, tôi rất sẵn lòng được hỗ trợ thêm.

Xem thêm:

2 Ngành Công Nghiệp Ít Ai Ngờ Than Đá Được Sử Dụng Với Lợi Nhuận Khổng Lồ

Các mỏ than lớn nhất Việt Nam – bức tranh toàn cảnh ngành than “xương sống” năng lượng