Than: Nhiên liệu thiết yếu và chất khử trong sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Than là một loại đá trầm tích dễ cháy chủ yếu bao gồm cacbon, cùng với một lượng hợp chất dễ bay hơi, độ ẩm, lưu huỳnh, nitơ và khoáng chất khác nhau. Trong bối cảnh sản xuất thép, than đóng vai trò là nguyên liệu thô quan trọng, chủ yếu được sử dụng làm nguồn cacbon và chất mang năng lượng trong quá trình khử và tinh chế.

Trong chuỗi sản xuất thép, mục đích cơ bản của than là cung cấp cacbon để tạo hợp kim và tạo ra nhiệt độ cao cần thiết cho quá trình nấu chảy, tinh chế và các bước xử lý chính khác. Than hoạt tính vừa là chất phản ứng hóa học vừa là nguồn năng lượng, cho phép chuyển đổi quặng sắt thô thành thép.

Vị trí của than trong toàn bộ quy trình sản xuất thép chủ yếu ở giai đoạn đầu, đặc biệt là trong các quy trình như sản xuất than cốc cho hoạt động lò cao và làm nhiên liệu trong sản xuất thép lò hồ quang điện (EAF). Than được chế biến thành nhiều dạng khác nhau—đáng chú ý nhất là than cốc—để đáp ứng các yêu cầu luyện kim cụ thể.

Thiết kế kỹ thuật và vận hành

Công nghệ cốt lõi

Nguyên lý kỹ thuật cốt lõi đằng sau việc sử dụng than trong sản xuất thép tập trung vào việc chuyển đổi than thành than cốc, một loại nhiên liệu rắn xốp, giàu cacbon có độ bền và khả năng phản ứng cao. Sản xuất than cốc liên quan đến quá trình cacbon hóa than được kiểm soát trong lò cốc, nơi các hợp chất dễ bay hơi được loại bỏ, để lại vật liệu bền, nhiều cacbon.

Các thành phần công nghệ chính bao gồm pin lò than cốc, bao gồm nhiều buồng lò được sắp xếp theo chuỗi và các hệ thống phụ trợ như xe nạp, hệ thống dập tắt và các đơn vị thu hồi khí. Lò than cốc hoạt động ở nhiệt độ cao (khoảng 1000–1100°C) trong môi trường thiếu oxy, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nhiệt phân than.

Cơ chế hoạt động chính liên quan đến việc nung nóng than trong các buồng kín, khiến vật chất dễ bay hơi và thoát ra ngoài, trong khi cấu trúc cacbon còn lại kết tụ thành than cốc. Quy trình bao gồm nạp than, cacbon hóa, đẩy than cốc, làm nguội và xử lý.

Các thông số quy trình

Các biến quy trình quan trọng bao gồm:

• Nhiệt độ lò: thường được duy trì ở mức 1000–1100°C để tối ưu hóa quá trình loại bỏ chất dễ bay hơi và chất lượng cốc.
• Thời gian cacbon hóa: thường là 16–24 giờ cho mỗi chu kỳ lò, tùy thuộc vào loại than và thiết kế lò.
• Độ ẩm của than: lý tưởng là dưới 10% để đảm bảo quá trình cacbon hóa hiệu quả.
• Lưu lượng khí: được kiểm soát để tối đa hóa khả năng thu hồi khí dễ bay hơi và giảm thiểu lượng khí thải.

Các thông số này ảnh hưởng đến độ bền của than cốc, độ xốp, khả năng phản ứng và mức độ tạp chất. Kiểm soát chính xác đảm bảo chất lượng than cốc đồng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lò cao và chất lượng thép.

Hệ thống điều khiển sử dụng các cảm biến tiên tiến, bộ điều khiển nhiệt độ và máy phân tích khí để theo dõi và điều chỉnh các thông số theo thời gian thực. Dữ liệu từ các hệ thống này cho phép người vận hành tối ưu hóa các điều kiện quy trình liên tục.

Cấu hình thiết bị

Một pin lò than cốc điển hình bao gồm một loạt các buồng thẳng đứng, mỗi buồng cao khoảng 6–8 mét và rộng 1,2–2 mét, với chiều dài tùy thuộc vào công suất (dao động từ 50 đến 150 mét). Các lò được xây dựng từ gạch chịu lửa có khả năng chịu được nhiệt độ cao và chu kỳ nhiệt.

Các biến thể thiết kế bao gồm lò nướng hình tổ ong, hình hộp và lò nướng nạp trên cùng, với các tiện nghi hiện đại ưu tiên nạp trên cùng, hoạt động liên tục và tự động hóa. Theo thời gian, các cải tiến đã cải thiện hiệu quả năng lượng, kiểm soát khí thải và chất lượng than cốc.

Hệ thống phụ trợ bao gồm máy nghiền than, băng tải, xe nạp, tháp dập tắt và các đơn vị làm sạch khí. Các hệ thống này hỗ trợ việc xử lý vật liệu, điều chỉnh nhiệt độ và tuân thủ môi trường.

Quá trình hóa học và luyện kim

Phản ứng hóa học

Quá trình hóa học chính trong sản xuất than cốc là nhiệt phân, trong đó các thành phần dễ bay hơi của than được đẩy ra thông qua quá trình phân hủy nhiệt. Các phản ứng chính liên quan đến việc phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp thành khí (methane, carbon monoxide, hydro, hơi hắc ín) và carbon còn lại.

Về mặt nhiệt động lực học, quá trình này có lợi cho nhiệt độ cao và điều kiện oxy thấp, thúc đẩy giải phóng chất dễ bay hơi và cacbon hóa. Động học phụ thuộc vào loại than, kích thước hạt và nhiệt độ, với tốc độ gia nhiệt nhanh hơn làm tăng quá trình giải phóng chất dễ bay hơi.

Sản phẩm phản ứng bao gồm than cốc (carbon rắn), khí dễ bay hơi, hắc ín và chất ngưng tụ. Các loại khí thường được thu hồi và sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu hóa học, trong khi hắc ín và chất ngưng tụ có thể được xử lý thêm.

Biến đổi luyện kim

Trong quá trình hình thành than cốc, các thay đổi về cấu trúc vi mô xảy ra, bao gồm sự phát triển của ma trận cacbon dạng than chì xốp. Những chuyển đổi này làm tăng cường độ bền và khả năng phản ứng của than cốc, rất quan trọng để chịu tải trong lò cao.

Biến đổi pha liên quan đến việc chuyển đổi cacbon vô định hình thành các cấu trúc graphit có trật tự hơn ở nhiệt độ cao. Cấu trúc vi mô ảnh hưởng đến các tính chất cơ học, độ dẫn nhiệt và phản ứng hóa học.

Các tính chất luyện kim của than cốc như độ bền, khả năng phản ứng và độ xốp có liên quan trực tiếp đến cấu trúc vi mô của nó, ảnh hưởng đến hiệu quả khử sắt và kiểm soát tạp chất trong lò cao.

Tương tác vật liệu

Sự tương tác giữa than cốc, xỉ, lớp lót chịu lửa và khí quyển là rất quan trọng. Than cốc phản ứng với oxy và các khí khác trong quá trình đốt cháy, ảnh hưởng đến nhiệt độ và thành phần khí trong lò.

Phản ứng xỉ-kim loại có thể dẫn đến ô nhiễm nếu tạp chất trong cốc, chẳng hạn như lưu huỳnh hoặc tro, chuyển vào kim loại nóng chảy. Sự phân hủy chịu lửa có thể xảy ra do sự tấn công hóa học của khí hoặc xỉ.

Kiểm soát những tương tác này bao gồm việc lựa chọn than có độ tạp chất thấp, tối ưu hóa chất lượng than cốc và sử dụng lớp lót chịu lửa bảo vệ. Hệ thống làm sạch khí cũng làm giảm lượng khí thải lưu huỳnh và các chất ô nhiễm khác.

Quy trình dòng chảy và tích hợp

Vật liệu đầu vào

Đầu vào chính là than luyện kim, đặc trưng bởi hàm lượng cacbon cao, tro thấp và mức vật chất dễ bay hơi phù hợp. Các thông số kỹ thuật tiêu biểu bao gồm:

• Cacbon cố định: >70%
• Hàm lượng tro: <10%
• Chất dễ bay hơi: 20–30%
• Lưu huỳnh: <1%

Than phải được chuẩn bị thông qua quá trình nghiền và sàng lọc để đạt được kích thước hạt đồng đều, thường dưới 50 mm, nhằm đảm bảo quá trình cacbon hóa hiệu quả.

Xử lý bao gồm lưu trữ trong silo hoặc kho dự trữ, với các biện pháp ngăn ngừa cháy tự phát và ô nhiễm. Chất lượng đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cốc, độ bền và mức độ tạp chất.

Trình tự quy trình

Quá trình bắt đầu bằng việc chuẩn bị than, sau đó nạp vào lò cốc. Quá trình cacbon hóa diễn ra trong một chu kỳ khoảng 16–24 giờ, trong đó vật chất dễ bay hơi được loại bỏ.

Sau khi cacbon hóa, than cốc được đẩy ra khỏi lò, làm nguội bằng nước hoặc khí trơ và vận chuyển để sử dụng trong lò cao. Các sản phẩm phụ của khí được thu thập và xử lý để thu hồi năng lượng hoặc sản xuất hóa chất.

Trình tự này đòi hỏi thời gian và sự phối hợp chính xác để tối đa hóa thông lượng và duy trì chất lượng. Hoạt động liên tục hoặc bán liên tục giúp tăng hiệu quả.

Điểm tích hợp

Sản xuất than cốc là hoạt động thượng nguồn của lò cao, cung cấp nguồn cacbon thiết yếu để khử sắt. Khí lò than cốc được tạo ra được sử dụng để phát điện, sưởi ấm hoặc tổng hợp hóa học.

Luồng vật liệu bao gồm than đến lò cốc, cốc đến lò cao và khí đến các đơn vị thu hồi năng lượng. Bộ đệm lưu trữ trung gian đảm bảo hoạt động trơn tru bất chấp sự biến động về nhu cầu hoặc nguồn cung.

Luồng thông tin bao gồm dữ liệu kiểm soát quy trình, báo cáo chất lượng và lịch trình bảo trì, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý nhà máy tích hợp.

Hiệu suất hoạt động và kiểm soát

Thông số hiệu suất	Phạm vi điển hình	Các yếu tố ảnh hưởng	Phương pháp kiểm soát
Độ bền của than cốc (CSR)	55–70	Chất lượng than, nhiệt độ	Kiểm tra độ bền thời gian thực, điều chỉnh quy trình
Phản ứng của than cốc (CRI)	20–35	Điều kiện cacbon hóa	Phân tích khí, kiểm soát nhiệt độ
Sản lượng khí	200–300 m³/t cốc	Hàm lượng chất dễ bay hơi của than	Giám sát lưu lượng khí, điều chỉnh quy trình
Thời gian chu kỳ cacbon hóa	16–24 giờ	Thiết kế lò, tính chất than	Tự động hóa quy trình, lập lịch

Các thông số vận hành ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng than cốc, từ đó ảnh hưởng đến năng suất lò cao và chất lượng thép. Duy trì các điều kiện tối ưu đảm bảo sản lượng ổn định.

Giám sát thời gian thực bao gồm máy phân tích khí, cảm biến nhiệt độ và kiểm tra cơ học. Các chiến lược kiểm soát dựa trên dữ liệu tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm phát thải và cải thiện chất lượng sản phẩm.

Quá trình tối ưu hóa bao gồm việc điều chỉnh tốc độ gia nhiệt, thời gian cacbon hóa và các thông số thu hồi khí dựa trên phản hồi của quy trình, đảm bảo hiệu quả tối đa và tác động tối thiểu đến môi trường.

Thiết bị và bảo trì

Các thành phần chính

Thiết bị chính bao gồm lò cốc, là buồng lót vật liệu chịu lửa có hệ thống gia nhiệt, cơ chế nạp và xả, và hệ thống thu khí.

Lớp lót chịu lửa được xây dựng từ gạch có hàm lượng nhôm cao hoặc vật liệu đúc nguyên khối, được thiết kế để chịu được chu kỳ nhiệt và phản ứng hóa học. Cửa lò, xe nạp và hệ thống làm nguội là những bộ phận chịu mài mòn quan trọng.

Các thiết bị làm sạch khí, chẳng hạn như máy lọc và máy lọc tĩnh điện, rất cần thiết để kiểm soát khí thải. Thiết bị phụ trợ bao gồm máy nghiền, băng tải và hệ thống xử lý nước.

Yêu cầu bảo trì

Bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra và thay thế vật liệu chịu lửa, bôi trơn các thành phần cơ khí và hiệu chuẩn cảm biến. Việc ngừng hoạt động theo lịch trình tạo điều kiện cho việc lót lại vật liệu chịu lửa và nâng cấp thiết bị.

Bảo trì dự đoán sử dụng các kỹ thuật theo dõi tình trạng như nhiệt ảnh, phân tích độ rung và phân tích khí để phát hiện sớm các dấu hiệu hao mòn hoặc hỏng hóc.

Các sửa chữa lớn bao gồm lót lại vật liệu chịu lửa, thay thế linh kiện và nâng cấp hệ thống, thường được lên lịch trong thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch để giảm thiểu thời gian chết.

Thách thức hoạt động

Các vấn đề phổ biến bao gồm sự xuống cấp vật liệu chịu lửa, rò rỉ khí và tắc nghẽn thiết bị. Nguyên nhân có thể là do ứng suất nhiệt, ăn mòn hóa học hoặc hỏng hóc cơ học.

Xử lý sự cố bao gồm kiểm tra có hệ thống, phân tích dữ liệu và thử nghiệm để xác định nguyên nhân gốc rễ. Các công cụ chẩn đoán bao gồm hình ảnh nhiệt, sắc ký khí và chẩn đoán cơ học.

Các quy trình khẩn cấp bao gồm các giao thức tắt máy nhanh, chữa cháy và các biện pháp ngăn chặn để giải quyết các sự cố nghiêm trọng và đảm bảo an toàn.

Chất lượng sản phẩm và lỗi

Đặc điểm chất lượng

Các thông số chính bao gồm độ bền cốc (CSR), độ phản ứng (CRI), hàm lượng tro, mức lưu huỳnh và độ xốp. Những thông số này ảnh hưởng đến hiệu suất lò cao, hiệu suất cacbon và quá trình truyền tạp chất.

Các phương pháp thử nghiệm bao gồm thử nghiệm độ bền cơ học, đánh giá phản ứng và phân tích hóa học. Các tiêu chuẩn công nghiệp như ISO và ASTM cung cấp tiêu chí phân loại.

Hệ thống phân loại chất lượng phân loại than cốc thành các loại dựa trên độ bền và khả năng phản ứng, hướng dẫn ứng dụng trong các loại lò khác nhau.

Những khiếm khuyết thường gặp

Các khuyết tật bao gồm than cốc yếu hoặc dễ vỡ, phản ứng cao, tro quá nhiều và ô nhiễm lưu huỳnh. Những khuyết tật này làm ảnh hưởng đến hoạt động của lò, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và gây ra vấn đề xỉ.

Cơ chế hình thành khuyết tật liên quan đến việc lựa chọn than không phù hợp, điều kiện cacbon hóa không đầy đủ hoặc trục trặc thiết bị.

Các chiến lược phòng ngừa tập trung vào việc kiểm soát chất lượng đầu vào, tối ưu hóa các thông số quy trình và áp dụng các giao thức đảm bảo chất lượng.

Biện pháp khắc phục có thể bao gồm việc pha trộn các loại than cốc khác nhau, tái chế hoặc điều chỉnh các thông số vận hành để giảm thiểu tác động của khuyết tật.

Cải tiến liên tục

Tối ưu hóa quy trình sử dụng kiểm soát quy trình thống kê (SPC) để theo dõi xu hướng chất lượng và xác định độ lệch. Phân tích nguyên nhân gốc rễ hướng dẫn các hành động khắc phục.

Các nghiên cứu điển hình chứng minh những cải tiến thông qua việc pha trộn than, tự động hóa quy trình và vật liệu chịu lửa tiên tiến, dẫn đến chất lượng than cốc cao hơn và giảm chi phí.

Các nghiên cứu đang được tiến hành nhằm mục đích phát triển các nguồn carbon thay thế, cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Cân nhắc về năng lượng và tài nguyên

Nhu cầu năng lượng

Sản xuất than cốc đòi hỏi nhiều năng lượng, tiêu thụ khoảng 4–6 GJ cho mỗi tấn than cốc, chủ yếu dưới dạng điện và nhiên liệu để sưởi ấm.

Các biện pháp tiết kiệm năng lượng bao gồm thu hồi nhiệt thải, gia nhiệt trước than và tự động hóa quy trình. Các công nghệ mới nổi tập trung vào điện khí hóa và tích hợp năng lượng tái tạo.

Số hóa cho phép theo dõi năng lượng theo thời gian thực, giúp người vận hành tối ưu hóa mức tiêu thụ và giảm chi phí.

Tiêu thụ tài nguyên

Tiêu thụ than thay đổi nhưng thường dao động từ 0,8–1,2 tấn cho mỗi tấn than cốc được sản xuất. Lượng nước sử dụng để tôi và làm mát có thể đạt 10–20 m³ cho mỗi tấn than cốc.

Các chiến lược sử dụng hiệu quả tài nguyên bao gồm tái chế khí, sử dụng các luồng sản phẩm phụ và tối ưu hóa chu trình quy trình. Xử lý nước và tái chế giúp giảm tác động đến môi trường.

Các kỹ thuật giảm thiểu chất thải bao gồm thu giữ các hợp chất dễ bay hơi để thu hồi hóa chất và giảm phát thải bụi thông qua quá trình lọc.

Tác động môi trường

Sản xuất than cốc tạo ra các khí thải như CO₂, SO₂, NOx và các hạt vật chất. Chất thải rắn bao gồm gạch chịu lửa đã qua sử dụng và tro.

Công nghệ kiểm soát môi trường bao gồm hệ thống làm sạch khí, ngăn bụi và giám sát khí thải. Các quy định yêu cầu giới hạn khí thải và báo cáo.

Việc áp dụng các biện pháp tốt nhất sẽ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường, cải thiện khả năng tuân thủ và tăng cường tính bền vững.

Các khía cạnh kinh tế

Đầu tư vốn

Việc lắp đặt một lò cốc đòi hỏi chi phí vốn đáng kể, thường dao động từ 50 triệu đô la đến hơn 200 triệu đô la tùy thuộc vào công suất và trình độ công nghệ.

Các yếu tố chi phí bao gồm thiết kế lò, vật liệu chịu lửa, thiết bị kiểm soát ô nhiễm và hệ thống phụ trợ. Chi phí nhân công và vật liệu khu vực ảnh hưởng đến tổng mức đầu tư.

Đánh giá đầu tư sử dụng các kỹ thuật như giá trị hiện tại ròng (NPV), tỷ lệ hoàn vốn nội bộ (IRR) và phân tích thời gian hoàn vốn.

Chi phí hoạt động

Chi phí hoạt động bao gồm mua than, tiêu thụ năng lượng, nhân công, bảo trì và tuân thủ môi trường. Chi phí hoạt động hàng năm thông thường có thể dao động từ 10 triệu đô la đến 50 triệu đô la cho mỗi nhà máy.

Các chiến lược tối ưu hóa chi phí bao gồm thu hồi năng lượng, tự động hóa quy trình và pha trộn nguyên liệu thô để giảm chất thải và cải thiện năng suất.

Sự đánh đổi về kinh tế liên quan đến việc cân bằng chi phí vốn với tiết kiệm hoạt động và chi phí môi trường.

Những cân nhắc về thị trường

Chất lượng và chi phí than cốc ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh của nhà máy thép, đặc biệt là ở những khu vực có giá năng lượng cao hoặc có quy định nghiêm ngặt về môi trường.

Nhu cầu của thị trường về than cốc có hàm lượng tạp chất thấp thúc đẩy việc nâng cấp công nghệ và đổi mới quy trình.

Chu kỳ kinh tế tác động đến các quyết định đầu tư, khi suy thoái sẽ thúc đẩy cải thiện hiệu quả và điều chỉnh năng lực.

Lịch sử phát triển và xu hướng tương lai

Lịch sử tiến hóa

Sản xuất than cốc bắt đầu vào thế kỷ 19 với sự ra đời của lò cao. Lò tổ ong đầu tiên đã phát triển thành lò than cốc hiện đại, liên tục và nạp điện từ trên xuống.

Những cải tiến như thu hồi sản phẩm phụ, kiểm soát môi trường và tự động hóa đã cải thiện đáng kể hiệu quả và lượng khí thải.

Các lực lượng thị trường, bao gồm nhu cầu thép và các quy định về môi trường, đã thúc đẩy những tiến bộ liên tục về công nghệ.

Tình trạng công nghệ hiện tại

Ngày nay, ngành công nghiệp này sử dụng các loại pin lò cốc tự động quy mô lớn với hệ thống thu hồi khí và môi trường tiên tiến.

Có sự khác biệt theo khu vực, khi các nước phát triển áp dụng công nghệ sạch hơn, hiệu quả hơn, trong khi các nền kinh tế mới nổi tập trung vào việc mở rộng năng lực.

Các hoạt động chuẩn đạt được độ bền cốc cao (CSR > 65), độ phản ứng thấp (CRI < 25) và lượng khí thải tối thiểu.

Những phát triển mới nổi

Những đổi mới trong tương lai bao gồm lò than cốc không dùng pin hoặc lai, điện khí hóa hệ thống sưởi ấm và tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo.

Số hóa và Công nghiệp 4.0 đang chuyển đổi quy trình kiểm soát, bảo trì dự đoán và phân tích dữ liệu.

Nghiên cứu tập trung vào các nguồn carbon thay thế, chẳng hạn như sinh khối hoặc than có nguồn gốc từ chất thải, và vào việc giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất than cốc.

Các khía cạnh về sức khỏe, an toàn và môi trường

Nguy cơ an toàn

Rủi ro an toàn chính liên quan đến hoạt động ở nhiệt độ cao, rò rỉ khí và hỏng hóc cấu trúc buồng lò.

Các biện pháp phòng ngừa tai nạn bao gồm các giao thức an toàn nghiêm ngặt, thiết bị bảo vệ và kiểm tra thường xuyên.

Các quy trình ứng phó khẩn cấp bao gồm kế hoạch sơ tán, hệ thống chữa cháy và giảm thiểu rò rỉ khí.

Cân nhắc về sức khỏe nghề nghiệp

Người lao động phải tiếp xúc với bụi, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các khí như benzen và lưu huỳnh đioxit.

Việc giám sát bao gồm lấy mẫu chất lượng không khí, thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) và các chương trình giám sát sức khỏe.

Các biện pháp bảo vệ sức khỏe lâu dài bao gồm bảo vệ đường hô hấp, kiểm tra sức khỏe và đào tạo về quy trình xử lý an toàn.

Tuân thủ môi trường

Quy định yêu cầu giới hạn phát thải đối với lưu huỳnh, vật chất dạng hạt và khí nhà kính. Hệ thống giám sát phát thải liên tục (CEMS) được sử dụng để tuân thủ.

Biện pháp tốt nhất bao gồm lắp đặt máy lọc khí, bộ lọc và thiết bị thu hồi khí để giảm thiểu tác động đến môi trường.

Việc báo cáo và kiểm toán thường xuyên đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường trong nước và quốc tế, thúc đẩy sản xuất than cốc bền vững.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp tổng quan kỹ thuật chi tiết về vai trò của than trong sản xuất thép và chế biến sơ cấp, bao gồm mọi khía cạnh từ các khái niệm cơ bản đến xu hướng tương lai, đảm bảo tính rõ ràng và chính xác về mặt kỹ thuật.