Than đá đã và đang đóng góp vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của các ngành năng lượng trên thế giới ngày nay và dự kiến sẽ còn chi phối ở các nước đang phát triển trong một thời gian dài sắp tới.
Tìm hiểu những ứng dụng quan trọng của than đá trong các ngành công nghiệp
Nhu cầu về than đá được dự báo sẽ tăng hơn 50% từ nay cho đến năm 2030, chủ yếu do sự tăng trưởng kinh tế ở các nước thuộc tổ chức BRIC (Brazil, Nga, Ấn Độ và Trung Quốc), đặc biệt là ở Trung Quốc và Ấn Độ. Và trong giai đoạn này, việc sử dụng than đá sẽ tiếp tục tăng cao do sự hoạt động của các nồi hơi đốt than đỏ thông thường và các ứng dụng từ lò cao. Trung Quốc là nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới hiện nay, với hơn 500 Mtpa, và chiếm 40% sản lượng thép toàn cầu so với 15% vào năm 2000, và việc sử dụng than trong ngành công nghiệp này dự kiến sẽ tiếp tục tăng hơn 3% mỗi năm trong vòng 5 năm tới. Sản xuất thép của Ấn Độ có mức tăng trưởng trung bình hàng năm là 9,4% và dự kiến sẽ tiếp tục tăng hơn 4.5% mỗi năm trong giai đoạn năm năm sắp tới.
Về ứng dụng trong các ngành công nghiệp, than đá được chia thành hai loại chính là than nhiệt (sử dụng năng lượng khi đốt cháy than để phát điện hoặc được ứng dụng ngành sản xuất xi măng) và than luyện kim (chủ yếu để sản xuất thép); nhưng cũng có những hình thức sử dụng than khác, chẳng hạn như chuyển đổi than thành nhiên liệu khí (coal gassification) để không gây ô nhiễm môi trường. Có thể nói, lượng than đá chiếm hơn một phần tư nhu cầu năng lượng chính của thế giới, trong đó than nhiệt đã tạo ra đến 40% tổng điện năng của thế giới.
Than đá được ứng dụng phổ biến nhất trong các ngành nhiệt điện
Than đá được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy nhiệt điện. Các hệ thống đốt than hiện đại có thể sử dụng nhiều loại than khác nhau (tùy theo thiết kế của hệ thống). Tuy nhiên, một nhà máy được thiết kế cho một loại than riêng biệt có thể không phù hợp với các loại than đá khác. Các nhà máy sản xuất điện bằng cách đốt cháy than đá là nơi cung cấp nguồn năng lượng điện truyền thống ở các quốc gia như Mỹ, Canada và Úc, và hiện đang phát triển rất nhanh ở Ấn Độ và Trung Quốc. Một báo cáo của Hội đồng tư vấn ngành than (báo cáo của CIAB, 2011) đã nhấn mạnh rằng thế giới sẽ vẫn phụ thuộc vào việc sử dụng than trong nhiều thập kỷ. Các mỏ than dự kiến sẽ còn cung cấp than đácho các nhà máy điện với sản lượng tăng hơn 60% từ năm 2006 đến năm 2030. Tuy nhiên, than là nhiên liệu hóa thạch tạo ra nhiều khí CO2 nhất và chịu trách nhiệm cho hơn 40% tổng lượng khí thải CO2 trên toàn cầu. Do đó, các nhà chức trách cần có những biện pháp về pháp luật để hạn chế lượng CO2 thải ra môi trường sống.
Trong sản xuất năng lượng điện từ việc đốt cháy than, hiệu suất là một thông số quan trọng. Nếu các nhà máy cải thiện 1% về hiệu suất tổng thể thì có thể làm tăng lượng hơi nước và cũng giúp giảm tới 3% lượng khí thải CO2. Các nhà máy phát điện chạy bằng than đá đang cố gắng giảm tác động xấu đến môi trường bằng cách tăng hiệu quả của công nghệ đốt than và phát triển các công nghệ thay thế như IGCC song song với các thiết kế cải tiến của các đơn vị PC. Tuy nhiên, PCC hiện là hệ thống được áp dụng rộng rãi nhất. Gần đây, hiệu quả của công nghệ đốt than nghiền thành bột đã được cải thiện đáng kể với sự phát triển của nồi hơi siêu tới hạn và siêu tới hạn (USC). Trong khi các nhà máy điện truyền thống có thể đạt được hiệu suất đến 35%, các nhà máy USC tiên tiến có thể mang lại hiệu quả cao hơn nhiều. Hiệu suất thực tế của hơi nước tạo ra từ nồi hơi siêu tới hạn là khoảng 40% giá trị đốt nóng của than, trong khi các đơn vị đốt than tiên tiến có thể cung cấp hiệu suất nhiệt lên tới 47%. Do đó, hiệu quả của các nhà máy PC tốt nhất có thể đạt tới 50% trong thập kỷ tới.
Than đá là một trong những nguyên liệu cơ bản để luyện thép
Than đá luyện kim hoặc than luyện cốc rất quan trọng đối với ngành sản xuất thép, đặc biệt là sản xuất thép bền vững, vì hơn 70% sản lượng thép toàn cầu được sản xuất phụ thuộc vào than. Năm 2010, sản lượng thép thô trên thế giới là 1.4 tỷ tấn, sử dụng khoảng 721 triệu tấn than luyện cốc. Hầu hết các quá trình luyện gang có thể được chia thành hai nhóm, cụ thể là quá trình nấu chảy và quá trình khử trực tiếp. Theo nghị định Kyoto, việc sử dụng và cải thiện tài nguyên hiệu quả để làm giảm lượng khí thải CO2 xuống chỉ còn từ 5% đến 10% đã được thông qua. Các giai đoạn sau năm 2012 có thể thấy phế liệu và khí đốt tự nhiên ngày càng được chú trọng sử dụng trong ngành thép. Với giai đoạn 2020 trở đi, các công nghệ xử lý nguồn tài nguyên trở nên đột phá khi ứng dụng các phương pháp hoàn toàn mới bằng cách tăng cường sử dụng hydro để khử quặng sắt, các quá trình khử luyện và tăng thêm tỷ lệ nhiên liệu nạc carbon như khí tự nhiên .
Than đá, nguồn nhiên liệu không thể thiếu trong ngành sản xuất xi măng
Ngoài ngành điện và luyện kim, than đá còn được sử dụng làm nguồn năng lượng để sản xuất xi măng, đây là sản phẩm quan trọng đối với ngành xây dựng. Hơn 3.3 tỷ tấn xi măng đã được tiêu thụ trên toàn cầu trong năm 2010. Xi măng được làm từ hỗn hợp canxi cacbonat, silica, oxit sắt và alumina thường được đốt bằng than trong lò nung nhiệt độ cao. Clinker này được trộn với thạch cao và nghiền thành bột mịn để làm xi măng. Lò nung thường đốt than dưới dạng bột, ví dụ ~ 70% <75 micron và tiêu thụ khoảng 450 g than (bitum) cho mỗi tấn xi măng được sản xuất. Chất lượng có thể phụ thuộc vào hàm lượng tro từ 5-30% tuỳ vào từng loại than đốt vì nguyên liệu tro sẽ làm giảm tiêu tốn nhiên liệu, tăng khả năng phản ứng của hỗn hợp và cải thiện chất lượng xi măng. Do đó, vai trò của than đá trong các quá trình dẫn đến sản xuất xi măng và bê tông bao gồm:
- Than nghiền được sử dụng làm nhiên liệu trong lò quay.
- Tro bay có nguồn gốc từ than đá được sử dụng làm phụ gia trong hỗn hợp bê tông thay thế cho xi măng Portland khi đạt đủ điều kiện thuận lợi
- Tro bay có nguồn gốc từ than đá được sử dụng trong hỗn hợp clinker như một chất phụ gia cho xi măng trộn.
- Một số sản phẩm tro được sử dụng để sản xuất dưới dạng cốt liệu nhẹ cho vật liệu xây dựng, ví dụ tro có chứa cenospheres (bong bóng xỉ nhỏ).
- Tro nhiệt điện có nguồn gốc từ than đá (tro bay và tro đáy) được sử dụng rộng rãi như một nguyên liệu thô.