Rượu than cốc

Than cốc là loại nhiên liệu màu xám, cứng và có cấu trúc xốp với lượng cacbon cao và ít tạp chất, được sản xuất bằng cách nung than mỡ hoặc dầu trong điều kiện thiếu oxy, qua quá trình chưng cất phá hủy. Đây là một sản phẩm công nghiệp thiết yếu, chủ yếu được sử dụng trong ngành luyện kim để chế biến quặng sắt, và cũng được sử dụng như một loại nhiên liệu trong lò sưởi và lò rèn khi cần giảm ô nhiễm không khí.

Thuật ngữ 'than cốc' thường dùng để chỉ sản phẩm từ than bitum với lượng tro và lưu huỳnh thấp, sản xuất qua quá trình luyện cốc. Sản phẩm tương tự được gọi là than cốc dầu mỏ hoặc petcoke, được chiết xuất từ dầu thô trong các nhà máy lọc dầu. Than cốc cũng có thể hình thành tự nhiên qua các quá trình địa chất.

Ngược dòng thời gian

Trung Quốc

Từ thế kỷ 4, các tài liệu lịch sử đã ghi nhận việc sản xuất than cốc ở Trung Quốc cổ đại. Vào khoảng thế kỷ 9, người Trung Quốc bắt đầu sử dụng than cốc cho việc sưởi ấm và nấu nướng. Đến đầu thế kỷ 11, các thợ rèn ở thung lũng sông Hoàng Hà đã chuyển sang dùng than cốc làm nhiên liệu cho lò nung của họ, giải quyết vấn đề thiếu hụt nhiên liệu trong khu vực có ít cây cối.

Anh

Năm 1589, Thomas Proctor và William Peterson nhận được bằng sáng chế để sản xuất sắt và thép cùng với việc chảy chì bằng 'than đất, than biển, đất cỏ và than bùn'. Bằng sáng chế này ngầm chỉ việc chế biến than bằng cách 'nấu'. Đến năm 1590, một bằng sáng chế khác được cấp cho Trưởng tu viện York để 'lọc sạch than đá và loại bỏ mùi khó chịu'. Năm 1620, William St. John và các hiệp sĩ khác nhận bằng sáng chế về việc sử dụng than cốc trong nấu luyện quặng và sản xuất kim loại. Năm 1627, Sir John Hacket và Octavius de Strada được cấp bằng sáng chế với phương pháp biến than biển và than mỏ thành hữu ích như than củi, không gây mùi hoặc khói khó chịu khi dùng để sưởi.

Năm 1603, Hugh Plat đề xuất việc đốt than mỏ để tạo ra than cốc tương tự như việc sản xuất than củi từ gỗ. Quy trình này chỉ được áp dụng từ năm 1642, khi than cốc được dùng để rang mạch nha ở Derbyshire; trước đó, các nhà sản xuất bia dùng gỗ vì than không được chế biến thành than cốc có thể làm bia bị mùi khó chịu từ khói lưu huỳnh. Sự thay đổi này được coi là một cải tiến chất lượng, dẫn đến việc tạo ra loại bia nhạt nổi tiếng vào cuối thế kỷ 17, được gọi là pale ale.

Vào năm 1709, Abraham Darby I đã xây dựng một lò cao sử dụng than cốc để sản xuất gang đúc. Nhờ vào khả năng chịu nén vượt trội của than cốc, lò cao có thể được xây dựng cao hơn và rộng hơn. Sự gia tăng nguồn cung sắt giá rẻ đã góp phần vào cuộc Cách mạng Công nghiệp. Trước đó, việc luyện sắt phụ thuộc nhiều vào than củi, sản xuất từ việc đốt gỗ. Khi nguồn cung gỗ không đáp ứng được nhu cầu, than cốc dần thay thế than củi tại Anh. Than cốc được tạo ra bằng cách đốt than thành đống trên mặt đất sao cho chỉ lớp ngoài bị đốt cháy, phần bên trong vẫn được cacbon hóa. Vào cuối thế kỷ 18, các lò nướng tổ ong bằng gạch đã được phát triển, cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình đốt cháy.

Năm 1768, John Wilkinson đã cải tiến lò nung để chuyển hóa than thành than cốc hiệu quả hơn. Ông cải tiến quy trình bằng cách bao quanh các đống than bằng một ống khói thấp xây bằng gạch rời với các lỗ cho khí đốt vào, dẫn đến sản lượng than cốc tốt hơn. Nhờ khả năng đốt, bao phủ và dập tắt tốt hơn, năng suất than cốc đã tăng từ khoảng 33% lên 65% vào giữa thế kỷ 19. Ngành công nghiệp sắt ở Scotland đã phát triển nhanh chóng trong nửa sau thế kỷ 19 nhờ áp dụng quy trình thổi khí nóng trong các khu vực khai thác than.

Vào năm 1802, một nhóm lò tổ ong đã được dựng lên gần Sheffield để luyện cốc từ than Silkstone phục vụ cho việc sản xuất thép. Đến năm 1870, đã có 14.000 lò tổ ong hoạt động dọc theo các bờ biển West Durham, với khả năng sản xuất 4.000.000 tấn Anh (4.480.000 tấn Mỹ; 4.060.000 t) than cốc. Để đo lường sự gia tăng sản xuất than cốc, ước tính rằng nhu cầu của ngành công nghiệp sắt vào đầu những năm 1850 là khoảng 1.000.000 tấn Anh (1.120.000 tấn Mỹ; 1.020.000 t) mỗi năm, nhưng đến năm 1880, con số này đã tăng lên 7.000.000 tấn Anh (7.840.000 tấn Mỹ; 7.110.000 t), trong đó khoảng 5.000.000 tấn Anh (5.600.000 tấn Mỹ; 5.080.000 t) được sản xuất tại hạt Durham, 1.000.000 tấn Anh (1.120.000 tấn Mỹ; 1.020.000 t) ở Nam Wales, và 1.000.000 tấn Anh (1.120.000 tấn Mỹ; 1.020.000 t) ở Yorkshire và Derbyshire.

Trong những năm đầu của động cơ xe lửa hơi nước, than cốc là nhiên liệu phổ biến. Điều này phản ánh các quy định môi trường thời kỳ đầu; bất kỳ đầu máy nào cũng phải 'thiêu đốt hết khói của chính nó'. Mặc dù điều này không thể thực hiện được cho đến khi vòm gạch buồng đốt được áp dụng, nhưng việc đốt than cốc với lượng khói thấp đã được coi là đáp ứng yêu cầu. Quy định này sau đó bị dỡ bỏ, và than rẻ hơn trở thành nhiên liệu chủ yếu khi đường sắt được công nhận rộng rãi.

Mỹ

Tại Mỹ, việc sử dụng than cốc trong lò luyện sắt bắt đầu vào khoảng năm 1817 tại lò luyện puddling Plumsock của Isaac Meason và nhà máy cán kim loại ở quận Fayette, Pennsylvania. Đến cuối thế kỷ 19, các mỏ than ở tây Pennsylvania cung cấp nguồn nguyên liệu phong phú cho việc sản xuất than cốc. Vào năm 1885, Công ty than và sắt Rochester và Pittsburgh đã xây dựng chuỗi lò luyện cốc dài nhất thế giới tại Walston, Pennsylvania, với 475 lò kéo dài 2 km (1,25 dặm), sản xuất được 22.000 tấn mỗi tháng. Lò luyện cốc Minersville ở quận Huntingdon, Pennsylvania, đã được ghi vào Sổ đăng ký quốc gia về địa danh lịch sử vào năm 1991.

Giữa năm 1870 và 1905, số lượng lò tổ ong ở Mỹ đã tăng từ khoảng 200 lên gần 31.000, sản xuất gần 18.000.000 tấn than cốc chỉ riêng ở khu vực Pittsburgh. Một quan sát viên đã nói rằng nếu toàn bộ sản lượng được vận chuyển bằng tàu, nó sẽ tạo thành một chuyến tàu dài đến mức đầu máy có thể đến San Francisco và quay trở lại Connellsville trước khi toa cuối cùng rời khỏi Connellsville! Số lượng lò tổ ong ở Pittsburgh đạt đỉnh vào năm 1910 với gần 48.000.

Mặc dù luyện cốc tạo ra nhiên liệu chất lượng cao, nhưng nó đã gây hại nghiêm trọng cho môi trường xung quanh. Sau năm 1900, thiệt hại môi trường do các lò tổ ong gây ra đã thu hút sự chú ý quốc gia, mặc dù vấn đề này đã tồn tại nhiều thập kỷ trước đó. Khói và khí thải từ các lò đã phá hủy toàn bộ thảm thực vật xung quanh các cộng đồng khai thác nhỏ, theo ghi nhận của W. J. Lauck từ Ủy ban Di trú Hoa Kỳ vào năm 1911. Charles van Hise, chủ tịch Đại học Wisconsin, đã chứng kiến những dãy dài lò tổ ong từ đó ngọn lửa bùng phát và khói dày đặc tỏa ra, làm tối đen bầu trời. Vào ban đêm, cảnh tượng được mô tả là chói lọi bởi vô số hố đang cháy, tạo nên một bầu không khí buồn tẻ và không lành mạnh.

Phân loại các loại than cốc

Các tiêu chí đánh giá chất lượng than cốc được phân loại theo các nhóm cơ, lý và hóa học.

Các chỉ tiêu vật lý quan trọng bao gồm: kích thước hạt, độ ẩm, và tỷ trọng riêng. Tỷ trọng riêng của than cốc khi đổ thành đống khoảng 0,77, cho thấy nó là một vật liệu xốp với nhiều lỗ rỗng. Theo kích thước hạt, than cốc luyện kim thường được phân loại thành cốc cám (Breeze coke), cốc vụn (Nut coke), cốc lò cao (BF coke), và cốc lò đúc (Foundry coke).

Các chỉ tiêu hóa học chính bao gồm: hàm lượng cacbon cố định, chất bốc, độ tro, và lưu huỳnh. Ngoài ra, có thể xem xét thêm các chỉ tiêu như phosphor và các kim loại kiềm, kiềm thổ.

Các chỉ tiêu cơ học chính bao gồm: Các chỉ số cơ học nguội như DI₁₅, DI₁₅ (trong thử nghiệm trống Nhật Bản), M10, M25, M40, I20, I10 (trong thử nghiệm Half Micum / Irsid kết hợp), độ ổn định và độ cứng (trong thử nghiệm tang quay ASTM D3402), cùng với các chỉ số cơ học nóng như CSR và CRI. Ví dụ dưới đây trình bày các chỉ tiêu của các loại than cốc từ một nhà cung cấp Ấn Độ.

Các yếu tố quan trọng của than cốc bao gồm hàm lượng tro và lưu huỳnh, và chúng phụ thuộc vào loại than được dùng để sản xuất cốc. Than cốc ít tro và lưu huỳnh thường được ưa chuộng hơn trên thị trường. Các đặc điểm quan trọng khác bao gồm các chỉ số về độ nghiền nát như M10, M25 và M40, cho biết độ bền của cốc trong quá trình vận chuyển trong lò cao. Các hạt cốc nghiền mịn không được phép vào lò cao vì chúng có thể gây tắc nghẽn luồng khí khi nạp quặng và than cốc. Một chỉ số quan trọng khác là Độ bền cốc sau phản ứng (CSR), phản ánh khả năng chịu đựng của cốc trong điều kiện khắc nghiệt bên trong lò cao trước khi bị phân rã thành các hạt mịn. CSR và CRI (Chỉ số khả năng phản ứng cốc) thường có mối quan hệ ngược nhau, với tổng CSR và CRI xấp xỉ 90.

Hàm lượng nước trong than cốc giảm về 0 khi kết thúc quá trình luyện cốc, tuy nhiên cốc nóng thường được dập bằng nước (gần đây đã thay thế bằng khí trơ như argon) để chuẩn bị cho việc vận chuyển vào lò cao. Cấu trúc xốp của than cốc hấp thụ một lượng nước nhất định, thường từ 3–6% khối lượng hàm ẩm tự nhiên.

Than bitum (than mỡ) để sản xuất cốc phải đáp ứng một loạt các tiêu chuẩn cụ thể, được xác định qua các phương pháp thử nghiệm than đặc biệt.

Ứng dụng

Than cốc chủ yếu được dùng làm nhiên liệu và tác nhân khử trong quá trình nấu luyện quặng sắt trong lò cao. Cacbon monoxit sinh ra từ việc đốt cháy than cốc sẽ khử sắt oxit (hematit) trong sản xuất sắt theo phản ứng sau:

2 Fe
₂O
₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO
₂

Than cốc cũng được sử dụng làm nhiên liệu trong ngành rèn đúc.

Vì các thành phần sinh khói chủ yếu đã bị loại bỏ trong quá trình luyện cốc, nên than cốc trở thành lựa chọn lý tưởng cho một số loại lò, nơi các điều kiện không thuận lợi cho việc đốt cháy hoàn toàn của than bitum. Than cốc cháy gần như không tạo ra khói, trong khi than bitum thường tạo ra nhiều khói.

Than cốc cũng có thể được sử dụng để tổng hợp một số khí, chẳng hạn như hỗn hợp cacbon monoxit và hydro.

• Khí tổng hợp; khí nước: hỗn hợp của cacbon monoxit và hydro, được sản xuất khi cho hơi nước đi qua than cốc nóng đỏ (hoặc bất kỳ loại than củi nào khác)
• Khí sản xuất (khí nghèo hút vào, khí than); khí gỗ; khí tổng hợp: hỗn hợp của cacbon monoxit, hydro và nitơ, được tạo ra bằng cách cho không khí đi qua than cốc nóng đỏ (hoặc bất kỳ loại than củi nào khác)

Phụ phẩm phenol

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

Sản xuất

Vào năm 2018, ước tính toàn cầu sản xuất khoảng 639 triệu tấn than cốc. Trong đó, châu Á (chủ yếu là Trung Quốc) sản xuất 520 triệu tấn, chiếm 81,3%. Châu Âu (bao gồm cả CIS) sản xuất 78 triệu tấn, chiếm 12,2%, và châu Mỹ sản xuất 30 triệu tấn, chiếm 4,7%.