Than cốc là gì? Các nghiên cứu khoa học về Than cốc

Giới thiệu về than cốc

Than cốc là một vật liệu carbon rắn được hình thành qua quá trình nhiệt phân than đá trong điều kiện thiếu không khí, loại bỏ gần như toàn bộ các hợp chất bay hơi và nước, để lại phần carbon cố định có tính xốp, chịu nhiệt và bền cơ học. Than cốc thường chứa hơn 85% carbon cố định, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, cùng với một số tạp chất như tro, lưu huỳnh và nitơ ở mức thấp. Chính nhờ những đặc điểm này mà than cốc trở thành vật liệu không thể thiếu trong ngành luyện kim, đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất gang thép bằng lò cao.

Sự ra đời của than cốc gắn liền với cuộc cách mạng công nghiệp, khi các lò luyện gang bằng than củi dần được thay thế bởi lò sử dụng than cốc. Với khả năng chịu nhiệt cao và cung cấp nhiệt lượng ổn định, than cốc đã giúp tăng hiệu suất và quy mô sản xuất thép, mở đường cho sự phát triển của hạ tầng công nghiệp hiện đại. Theo dữ liệu từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), than cốc hiện vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong chuỗi cung ứng năng lượng và vật liệu toàn cầu, mặc dù các giải pháp thay thế ít phát thải đang được nghiên cứu.

Đặc trưng quan trọng nhất của than cốc không chỉ là khả năng sinh nhiệt mà còn là vai trò như chất khử trong các phản ứng luyện kim. Khi tham gia vào lò cao, than cốc vừa duy trì nhiệt độ cần thiết vừa cung cấp khí CO cho quá trình khử oxit sắt thành sắt kim loại. Điều này tạo nên sự khác biệt của than cốc so với các loại nhiên liệu carbon khác, bởi nó không chỉ đóng vai trò nhiên liệu mà còn tham gia trực tiếp vào phản ứng hóa học.

Quá trình sản xuất than cốc

Quá trình sản xuất than cốc, còn gọi là luyện cốc, được thực hiện bằng cách nung than đá (thường là than mỡ có khả năng hóa dẻo tốt) ở nhiệt độ từ 1000 đến 1100 °C trong điều kiện thiếu không khí. Trong suốt quá trình này, các thành phần dễ bay hơi như khí hydrocarbon, nhựa than, khí metan và các hợp chất oxy hóa bị loại bỏ, để lại khối rắn giàu carbon. Quá trình này có thể kéo dài từ 12 đến 36 giờ tùy loại lò và yêu cầu chất lượng sản phẩm.

Có hai loại công nghệ chính được sử dụng trong sản xuất than cốc:

• Lò luyện cốc cổ điển (beehive ovens): ra đời từ thế kỷ XIX, có cấu trúc hình vòm tổ ong, đốt trực tiếp than đá tạo nhiệt cho quá trình nhiệt phân. Loại lò này có hiệu suất thấp, gây ô nhiễm môi trường cao và hầu như không được sử dụng trong công nghiệp hiện đại.
• Lò luyện cốc buồng đứng hiện đại: than được xếp vào các buồng đứng dài, được gia nhiệt gián tiếp bằng khí đốt. Quá trình này cho phép kiểm soát tốt hơn nhiệt độ, chất lượng than cốc, đồng thời thu hồi các sản phẩm phụ như nhựa than, amoniac, lưu huỳnh, benzene và khí than cốc.

Các sản phẩm phụ thu hồi trong quá trình luyện cốc có giá trị công nghiệp cao, được sử dụng để sản xuất hóa chất, phân bón, chất dẻo và nhiên liệu thứ cấp. Theo ScienceDirect, hiện nay các nhà máy luyện cốc đều được thiết kế nhằm tối ưu hóa việc thu hồi phụ phẩm, đồng thời áp dụng công nghệ xử lý khí thải để giảm tác động môi trường.

Thành phần hóa học và tính chất

Than cốc chủ yếu gồm carbon cố định chiếm khoảng 85–90% khối lượng, phần còn lại gồm hydro, oxy, lưu huỳnh, nitơ và tro. Tỷ lệ cụ thể phụ thuộc vào loại than nguyên liệu và điều kiện luyện cốc. Hàm lượng lưu huỳnh trong than cốc cần được kiểm soát chặt chẽ vì nó ảnh hưởng đến chất lượng gang thép và phát thải môi trường. Hàm lượng tro càng thấp thì chất lượng than cốc càng cao vì tro làm giảm giá trị nhiệt và ảnh hưởng đến quá trình phản ứng trong lò cao.

Bảng dưới đây thể hiện thành phần trung bình của than cốc luyện kim:

Thành phần	Tỷ lệ (%)
Carbon cố định	85–90
Hydro	0,5–1,0
Lưu huỳnh	0,5–1,5
Tro	8–12

Các tính chất cơ lý nổi bật của than cốc bao gồm:

• Độ bền cơ học: giúp duy trì cấu trúc trong lò cao, chịu được tải trọng của cột liệu lớn.
• Độ xốp cao: tạo điều kiện cho dòng khí lưu thông, nâng cao hiệu suất phản ứng khử.
• Nhiệt trị cao: khoảng 25–30 MJ/kg, đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lượng cho quá trình luyện kim.
• Tính dẫn nhiệt và điện tốt: phù hợp cho các ứng dụng trong sản xuất điện cực carbon.

Phân loại than cốc

Than cốc được phân loại theo mục đích sử dụng trong công nghiệp. Trong số đó, loại quan trọng nhất là than cốc luyện kim, dùng trong lò cao để sản xuất gang. Đây là loại than cốc có yêu cầu nghiêm ngặt về độ bền cơ học, độ xốp, hàm lượng tro và lưu huỳnh. Than cốc luyện kim quyết định năng suất và hiệu quả của quá trình luyện gang, vì vậy thường được sản xuất từ than mỡ chất lượng cao.

Ngoài ra, còn có các loại than cốc khác:

• Than cốc nhiên liệu: sử dụng trong các lò công nghiệp hoặc dân dụng, ít yêu cầu khắt khe về thành phần và độ bền, chủ yếu để cung cấp nhiệt.
• Than cốc hóa học: dùng để sản xuất điện cực carbon, canxi cacbua và các sản phẩm hóa chất khác. Loại này cần độ tinh khiết cao để tránh lẫn tạp chất ảnh hưởng đến sản phẩm cuối.

Sự phân loại này giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên than đá và điều chỉnh quy trình sản xuất phù hợp với nhu cầu từng ngành. Trong thực tế, mỗi loại lò và công đoạn công nghiệp sẽ lựa chọn loại than cốc thích hợp để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

Ứng dụng trong luyện kim

Trong công nghiệp luyện kim, đặc biệt là luyện gang trong lò cao, than cốc đóng vai trò không thể thay thế. Với độ bền cơ học lớn, than cốc có thể chịu được tải trọng hàng trăm tấn quặng sắt và vật liệu phủ trong lò. Than cốc không chỉ đơn thuần là nguồn cung cấp nhiệt mà còn đảm nhận vai trò như một khung đỡ rắn, giữ cho cấu trúc cột liệu trong lò cao có độ rỗng thích hợp. Nhờ đó, dòng khí nóng có thể lưu thông từ dưới lên trên, đảm bảo hiệu quả phản ứng khử và trao đổi nhiệt.

Vai trò quan trọng của than cốc trong lò cao gồm ba điểm chính:

1. Nhiên liệu: khi cháy trong môi trường lò, than cốc sinh ra lượng nhiệt rất lớn (khoảng 25–30 MJ/kg), đủ để duy trì nhiệt độ vùng phản ứng khoảng 2000 °C.
2. Chất khử: than cốc phản ứng với oxy tạo thành CO, sau đó CO khử oxit sắt (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) thành Fe kim loại.
3. Vật liệu chịu lực: cấu trúc xốp và độ bền cơ học cao giúp duy trì độ thông thoáng trong lò, ngăn hiện tượng sập cột liệu.

Phản ứng khử điển hình diễn ra trong lò cao: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ Khí CO được sinh ra từ các phản ứng trung gian: $C + O_2 \rightarrow CO_2$ $CO_2 + C \rightarrow 2CO$ Các phản ứng này chứng minh rằng vai trò của than cốc vượt xa một nhiên liệu thông thường: nó vừa sinh nhiệt, vừa tạo tác nhân khử cần thiết.

Ứng dụng ngoài luyện kim

Ngoài luyện thép, than cốc còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Một trong những ứng dụng lớn là trong công nghiệp hóa chất, nơi than cốc được dùng làm nguyên liệu sản xuất điện cực carbon, than hoạt tính và canxi cacbua. Nhờ tính dẫn điện tốt và độ tinh khiết carbon cao, than cốc là nguyên liệu cơ bản trong ngành điện cực dùng cho luyện nhôm, ferroalloy và các quá trình điện phân khác.

Trong luyện kim màu, than cốc được dùng làm chất khử trong quá trình luyện các kim loại như kẽm, thiếc, chì, đồng. Than cốc cũng được ứng dụng làm nhiên liệu trong các lò công nghiệp đòi hỏi nhiệt lượng lớn, nơi các loại nhiên liệu khác không đáp ứng được. Đặc biệt, ở một số quốc gia, than cốc còn được sử dụng trong sản xuất gạch, thủy tinh và gốm sứ do tính ổn định nhiệt.

Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây đã khai thác tiềm năng của than cốc trong việc sản xuất vật liệu tiên tiến như graphene, sợi carbon và các composite giàu carbon, mở rộng phạm vi ứng dụng vượt xa công nghiệp truyền thống.

Tác động môi trường

Quá trình sản xuất và sử dụng than cốc có tác động môi trường đáng kể. Trong quá trình luyện cốc, nhiều chất ô nhiễm được thải ra, bao gồm khí SO₂, NO_x, CO, hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC), bụi mịn và các hợp chất đa vòng thơm (PAH). Đây là những tác nhân gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đặc biệt tại các khu vực có mật độ nhà máy luyện cốc cao.

Các sản phẩm phụ như nhựa than chứa nhiều hóa chất độc hại, trong đó có benzene, toluene, naphthalene. Nếu không được xử lý đúng cách, chúng có thể gây ô nhiễm đất và nguồn nước. Do đó, các quy định môi trường ngày càng khắt khe buộc ngành luyện cốc phải đầu tư công nghệ kiểm soát phát thải. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), các công nghệ xử lý khí thải hiện đại có thể giảm phát thải VOC và PAH tới 90%.

Bảng minh họa các loại chất thải trong sản xuất than cốc:

Loại chất thải	Nguồn phát sinh	Tác động môi trường
SO2, NOx	Quá trình đốt và nung than	Gây mưa axit, ô nhiễm không khí
VOC, PAH	Khí và nhựa than	Độc hại, gây ung thư
Bụi mịn	Vận chuyển, nghiền, nung	Ô nhiễm hô hấp, giảm chất lượng không khí
Tro và bã thải	Sản phẩm rắn còn lại	Tích tụ trong đất, ảnh hưởng đến canh tác

Các xu hướng nghiên cứu và phát triển

Ngành sản xuất than cốc hiện đang đứng trước áp lực phải giảm phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm. Một xu hướng quan trọng là phát triển các công nghệ luyện cốc tiên tiến với hệ thống thu hồi và xử lý sản phẩm phụ. Các nhà máy hiện đại không chỉ sản xuất than cốc mà còn tận dụng khí than cốc, nhựa than để tạo ra các sản phẩm có giá trị như amoniac, phenol, dung môi hữu cơ.

Một hướng nghiên cứu khác là thay thế một phần than cốc bằng các vật liệu carbon hóa từ sinh khối (biocoke). Việc sử dụng biocoke vừa giúp giảm phụ thuộc vào than đá, vừa giảm phát thải CO₂. Theo Applied Energy, các thử nghiệm ban đầu cho thấy biocoke có thể thay thế 10–20% than cốc trong lò cao mà không làm giảm đáng kể hiệu suất.

Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng các mô hình mô phỏng số (CFD) trong quá trình luyện cốc giúp tối ưu hóa thiết kế lò, giảm tiêu hao năng lượng và kiểm soát phát thải. Những công trình công bố trên Fuel Processing Technology cho thấy tiềm năng lớn của các công nghệ số trong quản lý và cải tiến sản xuất than cốc.

Tài liệu tham khảo

1. Encyclopaedia Britannica. Coke (fuel). Link
2. International Energy Agency (IEA). Coal and Coke Statistics. Link
3. ScienceDirect. Coke overview. Link
4. Fuel Journal. Elsevier. Link
5. Fuel Processing Technology. Elsevier. Link
6. Applied Energy. Elsevier. Link
7. Environmental Protection Agency (EPA). Coke production and emissions. Link