Nghiên cứu ảnh hưởng của chất phụ gia đa nguyên tố chứa Na, Fe, Al, Ca đến hiệu quả đốt than

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
31Số 66 - Tháng 03/2021
1. MỞ ĐẦU
Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch than đang 
dần cạn kiệt, đẩy giá thành than trên thị trường 
thế giới ngày càng tăng cao. Để tăng cường hiệu 
quả sử dụng than đá, giải pháp về cải tiến công 
nghệ đã và đang được tiến hành liên tục nhưng 
hiệu quả trong việc tiết kiệm than tiêu thụ và 
giảm phát thải gây ô nhiễm chưa thực sự cao. 
Việc sử dụng phụ gia cho quá trình đốt than được 
quan tâm nhiều do ưu điểm linh hoạt, dễ thực 
hiện, không tốn thời gian dừng lò, đảm bảo tính 
vận hành liên tục của nhà máy. Các chất phụ gia 
làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, 
giúp cho phản ứng xảy ra nhanh hơn hay xảy ra ở 
nhiệt độ thấp hơn. Điều này tạo ra phản ứng cháy 
kiệt hơn, đốt than kiệt hơn, giảm lượng tro xỉ và 
khí phát thải của quá trình đốt. 
Các chất phụ gia cho quá trình đốt than có thể là 
các hợp chất vô cơ như oxit kim loại, muối [1-3] 
hoặc các chất hữu cơ [4-5]. Một giải pháp đang 
được chú ý hiện nay là sử dụng các loại chất thải 
công nghiệp làm xúc tác cho quá trình đốt than 
[6,7].
Cơ chế xúc tác chuỗi của quá trình đốt cháy than 
bằng chất xúc tác hỗn hợp Na - Fe - Ca từ các chất 
thải công nghiệp đã được báo cáo bởi Jun Cheng 
và các đồng nghiệp [7]. Trong cơ chế này, nguyên 
tử oxy được vận chuyển dựa trên thứ tự của hoạt 
động kim loại xúc tác từ Na đến Fe đến Ca với 
cacbon. Trong quá trình đốt than có sử dụng chất 
xúc tác, sự oxi hóa xúc tác được xem là một trong 
những cơ chế chiếm ưu thế. Các chất xúc tác này 
có thể thúc đẩy quá trình đốt than là do nhiều 
oxit được tạo ra trong suốt quá trình phân hủy 
oxi hóa các oxit kim loại hoặc các vật liệu khác, 
và các oxit này có khả năng hấp thụ mạnh nguyên 
tố oxy trên bề mặt. Trong quá trình đốt than, các 
oxit này được sử dụng như là các tác nhân mang 
oxi hoạt hóa.
Khi sử dụng xúc tác có chứa hỗn hợp các nguyên 
tố Na, Fe, Ca, phản ứng xúc tác sẽ diễn ra theo cơ 
chế chuỗi, được thể hiện trong hình 2 [6,7]. 
Các phản ứng xảy ra lần lượt như sau: 
2 Na2O+ O2 → 2 Na2O2
Na2O2 + 2 FeO → Na2O + Fe2O3
Na2O2 + Fe → Na2O + FeO
2 Fe2O3 + CaO → CaO2 + 4 FeO
FeO + CaO → CaO2 + Fe
2 CaO2 + C → 2CaO + CO2
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT PHỤ GIA 
ĐA NGUYÊN TỐ CHỨA Na, Fe, Al, Ca 
ĐẾN HIỆU QUẢ ĐỐT THAN
 Các chất phụ gia làm tăng cường quá trình chuyển oxy đến bề mặt cacbon, giúp cho phản ứng 
cháy xảy ra nhanh hơn; biện pháp sử dụng phụ gia dễ thực hiện, linh hoạt, không mất thời gian dừng 
lò, đảm bảo tính vận hành liên tục của nhà máy 
 Trong báo cáo này, ảnh hưởng của phụ gia đa nguyên tố chứa Na, Fe, Al, Ca đến hiệu quả 
đốt than áp dụng trên mẫu than antraxit Việt Nam của nhà máy nhiệt điện đốt than đã được chỉ ra, so 
sánh, đánh giá trên tiêu chí giảm nhiệt độ bắt cháy và tăng mức độ cháy kiệt của than. Kết quả nghiên 
cứu thu được cho thấy, ảnh hưởng của hàm lượng Ca và Fe trong hệ phụ gia đến hiệu quả đốt than 
cao hơn so với Al và Na.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
32 Số 66 - Tháng 03/2021
Hình 1. Cơ chế phản ứng xúc tác chuỗi của xúc 
tác hỗn hợp Na-Fe-Ca đối với quá trình đốt than
Tại Việt Nam, vấn đề nâng cao hiệu quả đốt than 
cũng rất được chú trọng tại các nhà máy nhiệt 
điện. Một số nghiên cứu về sử dụng phụ gia xúc 
tác nâng cao hiệu quả đốt than đã được thực hiện 
và thu được một số kết quả nhất định [8-10]. 
Trong báo cáo trước của chúng tôi, các kết quả 
nghiên cứu ảnh hưởng của các hệ phụ gia chứa 
các nguyên tố riêng rẽ Na, Ca, Al và Fe đã được 
báo cáo [11]. Các kết quả thu được cho thấy phụ 
gia chứa Ca có hiệu quả cao nhất và phụ gia chứa 
Al có hiệu quả thấp nhất. Nối tiếp nghiên cứu 
trên, trong báo cáo này, ảnh hưởng của phụ gia 
đa nguyên tố chứa Na, Fe, Al, Ca đến hiệu quả đốt 
than áp dụng trên mẫu than antraxit Việt Nam 
của nhà máy nhiệt điện đốt than đã được chỉ ra, 
so sánh, đánh giá trên tiêu chí giảm nhiệt độ bắt 
cháy và tăng mức độ cháy kiệt của than. 
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Bảng 1: Một số đặc trưng của mẫu than antraxit 
cám 4 Việt Nam
Đối tượng của nghiên cứu này là than antraxit 
cám 4 Việt Nam. Các đặc trưng của mẫu than 
được thể hiện trong bảng 1.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Quy trình thực nghiệm
• Than nguyên liệu và phụ gia được nghiền và 
cho qua bộ rây tiêu chuẩn tới kích thước hạt 
khoảng 0,015 – 0,1 mm.
• Mẫu bột than được trộn với mẫu bột phụ gia 
theo các tỉ lệ phối trộn đã được xác định trước.
• Mẫu hỗn hợp than và phụ gia sau trộn được 
thêm nước để chuyển sang dạng bùn nhão, sau đó 
mẫu bùn nhão được sấy và nghiền tới kích thước 
hạt khoảng 0,015 – 0,08 mm.
• Mẫu bột mịn được mang đi phân tích nhiệt. 
Mẫu than được đặt trong chén nung gốm nhôm 
và được đốt cháy trong điều kiện môi trường 
không khí tiêu chuẩn (lưu lượng không khí vào 
khoảng 10-50 mL/phút) với tốc độ gia nhiệt ổn 
định (khoảng 10°C/phút) từ nhiệt độ phòng tới 
900°C. 
• Trọng lượng của mẫu được kiểm soát liên tục 
theo sự thay đổi của nhiệt độ.
• Dựa trên kết quả phân tích nhiệt, xác định 
nhiệt độ bắt cháy của than theo cách thức được 
trình bày dưới đây. 
2.2.2. Phương pháp xác định nhiệt độ bắt cháy 
của than
Nhiệt độ bắt cháy của than là nhiệt độ tại đó than 
bắt đầu bốc cháy khi bị gia nhiệt với một tỉ lệ tăng 
nhiệt nhất định trong điều kiện có mặt chất oxi 
hóa. Cách xác định nhiệt độ bắt cháy của than 
được thể hiện như trong hình 2.
Nhiệt độ bắt cháy của than được xác định lần lượt 
qua các bước như sau:
• Đầu tiên, vẽ một đường thẳng đứng đi qua 
đỉnh A của đường cong DTG. Đường này cắt 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
33Số 66 - Tháng 03/2021
đường cong TG tại điểm B. 
• Vẽ một đường tiếp tuyến với đường cong TG 
tại điểm B.
• Vẽ đường nằm ngang đi qua điểm bắt đầu 
mất khối lượng của đường cong TG. Đường nằm 
ngang này cắt đường tiếp tuyến tại điểm C.
• Từ điểm C, vẽ một đường thẳng đứng. Đường 
này cắt trục hoành tại điểm Ti. Nhiệt độ Ti chính 
là nhiệt độ bắt cháy của than.
Hình 2. Cách xác định nhiệt độ bắt cháy Ti của than
2.2.3. Phương pháp xác định mức độ cháy kiệt 
của than
Mức độ cháy kiệt, Bc, được sử dụng để thể hiện 
tính chất cháy kiệt của than. Đối với phương 
pháp đánh giá dựa trên mẫu tro thông thường, 
khối lượng tro được xem là không đổi trước và 
sau quá trình cháy. Do đó, mức độ cháy kiệt của 
mẫu than thô ban đầu được tính như sau:
M0.A0 + M1.A1= M2.A2
FC2 + A2 = 1
M2/(M0+M1) = 1 – (TG)max
Bc = 1 – (M2.FC2)/(M0.FC0) = [FC0 + A0 + 
(M1.A1)/M0 – (1+ M1/M0)(1– (TG)max]/FC0
Trong đó: 
• M0, M1 và M2 lần lượt là khối lượng của các 
mẫu than thô ban đầu, khối lượng chất phụ gia và 
khối lượng của xỉ than.
• A0, A1, A2 lần lượt là thành phần tro theo khối 
lượng (%) của mẫu than thô, của chất phụ gia và 
của xỉ than.
• FC0 và FC2 lần lượt là thành phần % theo khối 
lượng của C trong mẫu than thô và trong xỉ than.
• (TG)max là % mất mát khối lượng tối đa của 
mẫu trong quá trình cháy (%)
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả
Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần Na/Ca/Al/Fe 
trong phụ gia, hàm lượng phụ gia và kích thước 
phụ gia đến hiệu quả đốt cháy than đã được 
nghiên cứu. 
- Dựa trên các tổng quan về phụ gia cho quá 
trình đốt than, trên định hướng sử dụng thải bùn 
đỏ làm phụ gia bổ sung cho quá trình đốt, ảnh 
hưởng của tỉ lệ thành phần Na/Ca/Al/Fe trong 
phụ gia đa nguyên tố đã được khảo sát lần lượt 
với các tỉ lệ: 0/0/0/0 (mẫu đối chứng), 2/1/1/3, 
1/1/5/15 (mẫu có tỉ lệ tương ứng với thải bùn đỏ), 
1/1/10/30. 
Hình 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ các nguyên tố trong 
hệ phụ gia đến khả năng cháy của than
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
34 Số 66 - Tháng 03/2021
Hàm lượng phụ gia/than được sử dụng là 10% và 
kích thước hạt của phụ gia là 180-200 µm. Kết 
quả khảo sát được thể hiện ở hình 3.
- Kế thừa kết quả từ nghiên cứu ảnh hưởng của 
tỉ lệ các nguyên tố trong hệ phụ gia đến khả năng 
cháy của than, ảnh hưởng của hàm lượng phụ 
gia/than đã được khảo sát lần lượt với các tỉ lệ lần 
lượt là 0% (mẫu đối chứng), 2%, 4%, 6%, 8% và 
10%. Tỉ lệ các nguyên tố Na/Ca/Al/Fe theo khối 
lượng được sử dụng là 2/1/1/3 với kích thước hạt 
của phụ gia là 180-200 µm. Kết quả khảo sát được 
thể hiện ở hình 4.
Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng hệ phụ gia đến 
khả năng cháy của than.
- Kế thừa kết quả từ nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ 
lệ các nguyên tố trong hệ phụ gia và ảnh hưởng 
của hàm lượng phụ gia/than đến khả năng cháy 
của than, ảnh hưởng của kích thước hạt phụ gia 
đã được khảo sát lần lượt với các kích thước lần 
lượt là: <75 µm, 75-125 µm, 125-180 µm, 180-200 
µm. Tỉ lệ các nguyên tố Na/Ca/Al/Fe theo khối 
lượng được sử dụng là 2/1/1/3 với hàm lượng phụ 
gia/than (tính theo %) là 10%. Kết quả khảo sát 
được thể hiện ở hình 5. 
Hình 5. Ảnh hưởng của kích thước hệ phụ gia đến 
khả năng cháy của than
3.2. Thảo luận
Phụ gia đa nguyên tố chứa Na, Ca, Al và Fe với 
các tỷ lệ khác nhau giúp cải thiện nhiệt độ bắt 
cháy và mức độ cháy kiệt của than. Hàm lượng 
chất bốc trong than cũng biến đổi tương tự với 
mức độ cháy kiệt của than. Mẫu M1 (mẫu có tỷ lệ 
tương ứng với tỷ lệ tối ưu khi sử dụng hệ phụ gia 
chứa các nguyên tố riêng rẽ [11]) có nhiệt độ bắt 
cháy thấp nhất (518,70°C) và mẫu có tỷ lệ tương 
ứng với mẫu bùn đỏ có nhiệt độ bắt cháy cao 
hơn (522,76°C) nhưng khi thay đổi tỷ lệ thành 
phần thì nhiệt độ bắt cháy thay đổi không nhiều 
(521,95°C), độ giảm nhiệt độ bắt cháy khoảng 
20°C. Mức độ cháy kiệt của than tăng lên từ 
90,54% đến 93,27% với mẫu M1. Với mẫu có tỷ 
lệ tương ứng với hàm lượng các nguyên tố trong 
bùn đỏ (mẫu M2), mức độ cháy kiệt cũng tăng lên 
nhưng không nhiều, từ 90,54% lên 91,14%. 
Nhiệt độ bắt cháy của than giảm khi tỷ lệ phụ gia/
than tăng lên đến 8% và giảm xuống khi tỷ lệ tăng 
đến 10%. Hàm lượng chất bốc trong than cũng 
biến đổi tương tự với mức độ cháy kiệt của than.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
35Số 66 - Tháng 03/2021
Nhiệt độ bắt cháy của than giảm khi kích thước 
hệ phụ gia giảm xuống. Hàm lượng chất bốc trong 
than cũng tăng lên tương tự với mức độ cháy kiệt 
của than. Tuy nhiên, đa số phụ gia thông thường 
đều có kích thước nhất định, do vậy cần phải có 
công đoạn nghiền sẽ tiêu tốn năng lượng và tăng 
thời gian xử lý phụ gia. 
Mẫu M2 có thành phần tương ứng với thành phần 
của bùn đỏ, kết quả đánh giá cho thấy nhiệt độ 
bắt cháy và mức độ cháy kiệt của than đều được 
cải thiện. Như vậy, bùn đỏ có tiềm năng sử dụng 
làm phụ gia cho quá trình đốt than. 
Tuy nhiên, để đánh giá một cách toàn vẹn vẫn 
cần phải có thêm các nghiên cứu khác như sự 
hình thành của các khí thải (đặc biệt là khí thải 
chứa clo khi sử dụng các muối clorua của kim loại 
kiềm và kiềm thổ), nhiệt lượng sinh ra trong quá 
trình đốt cháy của than khi có mặt chất phụ gia, 
ảnh hưởng của kích thước hạt phụ gia ...đến hiệu 
quả đốt cháy của than.
4. KẾT LUẬN
Hệ phụ gia đa nguyên tố chứa Na/Ca/Al/Fe với 
các tỷ lệ khác nhau đều cải thiện khả năng cháy 
của than, trong đó, có tỷ lệ các nguyên tố tương 
ứng với thành phần của bùn đỏ. Như vậy, bùn đỏ 
có tiềm năng sử dụng làm phụ gia cho quá trình 
đốt than. Tỷ lệ phụ gia/than từ 8 - 10% là điều 
kiện phù hợp để tăng hiệu quả đốt than. Kích 
thước hạt phụ gia càng nhỏ thì hiệu quả cháy của 
than càng cao, do khả năng phân tán tốt hơn của 
phụ gia lên bề mặt than. Tuy nhiên, để hoàn thiện 
hơn nữa vẫn cần phải có thêm những nghiên cứu 
khác như hình thành của các khí thải, nhiệt lượng 
sinh ra trong quá trình đốt cháy của than khi sử 
dụng phụ gia ...
Nguyễn Thị Thục Phương, 
Hoàng Thị Tuyến, Phạm Tuấn Anh
Viện Công nghệ xạ hiếm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Li XG, Ma BG, Xu L, Luo ZT, Wang K. Catalyt-
ic effect of metallic oxides on combustion behav-
ior of high ash coal. Energ Fuel 2007; 21:2669–72.
[2] Yin K, Zhou YM, Yao QZ, Fang C, Zhang ZW. 
Thermo gravimetric analysis of the catalytic ef-
fect of metallic compounds on the combustion 
behaviors of coals. React Kinet Mech Cat 2012; 
106:369–77.
[3] Kim YK, Hao LF, Park JI, Jin M, Mochida I, 
Yoon SH. Catalytic activity and activation mech-
anism of potassium carbonate supported on 
perovskite oxide for coal char combustion. Fuel 
2012; 94:516–22.
[4] Fangxian L, Shizong L, Youzhi C. Thermal 
analysis study of the effect of coal burning addi-
tives on the combustion of coals. J Therm Anal 
Calorim 2009;95:633–8.
[5] Wang SJ, Wu F, Zhang G, Zhu P, Wang ZY, 
Huang CJ, et al. Research on the combustion char-
acteristics of anthracite and blended coal with 
composite catalysts. J Energ Inst 2014;87:96–101.
[6] Jun Cheng , Fan Zhou, Xiaoxu Xuan, Jian-
zhong Liu, Junhu Zhou, Kefa Cen, Comparison 
of the catalytic effects of eight industrial wastes 
rich in Na, Fe, Ca and Al on anthracite coal com-
bustion, Fuel 2017, pp. 398–402.
[7] Jun Cheng , Fan Zhou, Xiaoxu Xuan, Jian-
zhong Liu, Junhu Zhou, Kefa Cen, Cascade chain 
catalysis of coal combustion by Na–Fe–Ca com-
posite promoters from industrial wastes, Fuel 
2016, pp. 820–826
[7] Jun Cheng , Fan Zhou, Xiaoxu Xuan, Jian-
zhong Liu, Junhu Zhou, Kefa Cen, Cascade chain 
catalysis of coal combustion by Na–Fe–Ca com-
posite promoters from industrial wastes, Fuel 
2016, pp. 820–826
[8] Phạm Thúy Nga và cộng sự, Nghiên cứu chế 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
36 Số 66 - Tháng 03/2021
tạo phụ gia tăng cường khả năng cháy cho một số 
loại than ở Việt Nam. Cục Thông tin Khoa học và 
Công nghệ Quốc gia, Mã số 11071/2015.
[9] Nguyễn Hữu Hào và cộng sự, Nghiên cứu xây 
dựng quy trình công nghệ sử dụng phụ gia để 
nâng cao hiệu suất đốt, giảm thiểu rác thải SOx, 
NOx, và CO của nhà máy nhiệt điện than. Cục 
Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia, Mã 
số 15172/2017.
[10] Trương Duy Nghĩa và cộng sự, Nghiên cứu 
công nghệ đốt than trộn của than trong nước khó 
cháy với than nhập khẩu dễ cháy nhằm nâng cao 
hiệu quả sử dụng nhiên liệu tại các nhà máy nhiệt 
điện đốt than ở Việt Nam, Cục Thông tin Khoa 
học và Công nghệ Quốc gia, Mã số 14785/2018
[11] Nguyễn Thị Thục Phương và cộng sự, 
Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất phụ gia chứa 
các nguyên tố riêng rẽ Na, Fe, Al, Ca đến hiệu 
quả đốt than, Tạp chí Hóa học và ứng dụng, Số 
1(51)/2020.