Bãi chứa than như một đối tượng rủi ro bị xem nhẹ: Điều gì xảy ra với than sau khi khai thác

Khai thác than và lưu trữ than là hai nhiệm vụ hoàn toàn khác nhau. Hàng nghìn công trình nghiên cứu, hướng dẫn và luận án đã được dành cho nhiệm vụ đầu tiên. Trong khi đó, nhiệm vụ thứ hai vẫn đứng ngoài lề sự chú ý, mặc dù chính tại bãi chứa, than phải tiếp xúc với không khí ngoài trời, chịu tác động của gió, nắng và lượng mưa với khối lượng tương đương lượng hàng thông qua hàng năm của một cảng trung bình. Vào những thời điểm tiêu thụ khó khăn, lượng tồn kho của một cảng kho vận lớn có thể lên tới ba triệu tấn.

Tất cả lượng than này đều có tính hoạt động hóa học. Nó bị oxy hóa, tự tăng nhiệt và trong những điều kiện nhất định sẽ bốc cháy mà không cần nguồn nhiệt bên ngoài hay sai sót của bất kỳ ai. Bài viết này xem xét những gì thực tiễn thế giới đề xuất cho các bãi chứa, những yêu cầu trong quy chuẩn của Nga, quy trình xử lý điểm nóng đã được kiểm chứng và giải pháp thực nghiệm nào đáng được thử nghiệm tại một cảng kho vận đang hoạt động.

Ngành công nghiệp chỉ tập trung vào lòng đất

Việc tra cứu các cơ sở dữ liệu khoa học mang lại một bức tranh rất đáng chú ý. Từ năm 2020 đến nay, trên thế giới đã có hơn 1.500 công trình nghiên cứu về sự tự bốc cháy của than được xuất bản. Hơn một nửa trong số đó tập trung vào các mỏ hầm lò, vỉa than và khoảng không đã khai thác. Trong khi đó, chỉ có 32 công trình nghiên cứu dành cho bãi chứa và đống than tích trữ, tức là chiếm vỏn vẹn 2%.

Hình 1. Các công trình công bố về sự tự bốc cháy của than giai đoạn 2020-2026: Cứ 1 công trình về bãi chứa thì có tới 27 công trình về mỏ hầm lò

Sự ưu tiên này là điều dễ hiểu: dưới lòng đất có con người làm việc, và hỏa hoạn trong mỏ hầm lò luôn đe dọa trực tiếp đến tính mạng. Tuy nhiên, sự lệch cản này có một mặt trái. Các tổng quan hiện đại về phương tiện chữa cháy thường mô tả việc làm trơ bằng nitơ, bọt ba pha và gel — tức là các công nghệ dành riêng cho không gian kín. Quản lý của một bãi chứa ngoài trời rộng hàng chục héc-ta hầu như không tìm thấy giải pháp nào có thể áp dụng được trong các tài liệu đó.

Bãi chứa chính là đối tượng đang bị coi nhẹ. Sau khi được khai thác, vận chuyển và chất đống, than bắt đầu được coi đơn thuần là một loại hàng hóa. Trong khi đó, nó vẫn là một đối tượng nguy hiểm mà trách nhiệm hoàn toàn thuộc về đơn vị vận hành.

Tại sao điều kiện tại bãi chứa lại tồi tệ hơn dưới lòng đất

Quá trình tự tăng nhiệt bản chất là sự oxy hóa than bởi oxy trong không khí. Oxy càng dễ tiếp cận thì quá trình diễn ra càng mạnh mẽ.

Trong khoảng không đã khai thác của mỏ hầm lò, lượng không khí rất ít. Người ta thường chia thành ba vùng. Tại gương than có nhiều không khí, nhưng chính dòng khí lại cuốn nhiệt đi. Ở sâu bên trong, hàm lượng oxy giảm xuống dưới 8% và quá trình tự dập tắt. Chỉ có dải trung gian với hàm lượng oxy từ 8% đến 18% là nguy hiểm: quá trình oxy hóa đang diễn ra nhưng nhiệt lượng không được tản đi.

Hình 2. Dưới lòng đất chỉ có một dải nguy hiểm. Đối với đống than ngoài trời thì không có vùng tự suy giảm: Toàn bộ lớp bên ngoài luôn ở trong điều kiện đủ 21% oxy và chịu áp lực gió

Đối với đống than tích trữ tại bãi ngoài trời, không hề có vùng suy giảm. Lớp bề mặt dày 1–2 mét luôn tơi xốp, liên tục tiếp xúc với mức 21% oxy, và gió thổi không khí xuyên qua các mái dốc. Thêm vào đó là sự nung nóng của ánh nắng mặt trời lên bề mặt tối màu và lượng mưa. Vai trò của lượng mưa không phải ai cũng biết: than khô khi bị làm ẩm sẽ tỏa nhiệt, và đống than gặp mưa rào sau một đợt khô hạn sẽ nhận thêm một xung nhiệt bổ sung.

Thực tế đã chứng minh điều này. Vào tháng 7 năm 2026 tại Olenegorsk, một đống than tại bãi của công ty cung cấp năng lượng đã bốc cháy vào ban đêm; nguyên nhân được xác định là do sự luân phiên giữa mưa rào và nắng nóng. Vào tháng 8 năm 2026 tại vùng Altai, hai vụ hỏa hoạn đã xảy ra tại các bãi chứa than chỉ trong một ngày, cả hai đều do tự bốc cháy.

Phép tính đơn giản cho mọi doanh nghiệp

Mỗi loại than đều có một thời kỳ ủ bệnh, tức là khoảng thời gian mà than tích tụ gia nhiệt đến trạng thái nguy hiểm. Phân loại theo quy chuẩn như sau: Dưới 50 ngày là than rất dễ tự cháy, từ 50 đến 80 ngày là than dễ tự cháy, và trên 80 ngày là than ít tự cháy.

Để đánh giá, chỉ cần hai chỉ số có sẵn tại bất kỳ bãi chứa nào: Dung lượng tồn kho và sản lượng xuất kho hàng năm. Tỷ lệ giữa dung lượng tồn kho với sản lượng hàng năm nhân với 365 sẽ cho ra thời gian lưu kho trung bình của than tính theo ngày.

Đối với một cảng kho vận có lượng tồn kho 3 triệu tấn và sản lượng thông qua 16 triệu tấn/năm, thời gian lưu kho trung bình là 68 ngày. Con số này vượt quá thời kỳ ủ bệnh của các loại than rất dễ tự cháy.

Hình 3. Tỷ lệ tồn kho có tuổi thọ vượt quá thời kỳ ủ bệnh. Đường nét liền — xuất hàng không tính đến tuổi than, đường nét đứt — tuân thủ nghiêm ngặt thứ tự theo tuổi than

Diễn biến tiếp theo phụ thuộc vào kỷ luật xuất hàng. Với quy trình xếp hàng nghiêm ngặt, khi lô than cũ nhất được xuất đi trước, sẽ chỉ có khoảng một phần tư lượng tồn kho vượt quá thời kỳ ủ bệnh. Khi xuất hàng không tính đến tuổi than — tức là việc chọn đống than phụ thuộc vào chủng loại, lô hàng cho tàu hoặc sự thuận tiện của thiết bị — tỷ lệ này tiến gần đến một nửa. Sự khác biệt giữa hai phương án này đại diện cho hơn nửa triệu tấn than nằm trong vùng rủi ro mà không đòi hỏi chi phí đầu tư lớn: Chỉ cần kiểm soát tuổi của các đống than và áp dụng quy tắc ưu tiên xuất các lô than cũ trước.

Ngoài ra còn có một ngưỡng giới hạn. Chừng nào thời gian lưu kho trung bình còn nhỏ hơn thời kỳ ủ bệnh, quy trình xuất hàng nghiêm ngặt sẽ loại bỏ hoàn toàn rủi ro theo yếu tố thời gian. Trong ví dụ nêu trên, ngưỡng này là khoảng 2,2 triệu tấn. Lượng tồn kho vượt quá giá trị này không thể giải quyết chỉ bằng cách tổ chức lại quy trình xuất hàng, mà đòi hỏi phải có các biện pháp bổ sung.

Quy trình dập tắt điểm nóng tự cháy

Về vấn đề này, các nguồn tài liệu đều thống nhất. Quy chuẩn liên bang của Nga, hướng dẫn mẫu cho bãi chứa của các nhà máy nhiệt điện, báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, cẩm nang của Nam Phi và thực tiễn tại các nhà máy nhiệt điện Ấn Độ đều mô tả cùng một trình tự hành động.

Hình 4. Trình tự xử lý điểm nóng tự tăng nhiệt trong đống than ngoài trời

Điểm nóng không được dập tắt tại chỗ mà phải được xúc đào ra: bằng máy ủi, máy xúc hoặc gầu ngoạm, xuống độ sâu tối thiểu 70 cm. Than được đào ra sẽ được rải trên một mặt bằng không cháy riêng biệt với lớp dày không quá nửa mét. Trong lớp mỏng này, khả năng tản nhiệt lớn hơn lượng nhiệt sinh ra, giúp than nguội đi. Chỉ sau đó mới tiến hành phun nước tưới ẩm.

Việc tưới ẩm mới là yếu tố quyết định. Quan điểm phổ biến "không dập lửa than bằng nước" là chưa chính xác. Phát biểu đúng phải là: Không phun dòng nước mạnh trực tiếp vào điểm nóng và không bơm nước vào trong lòng đống than. Có bốn lý do cho việc này. Thứ nhất, nước không thấm đều khối than mà chảy theo các khe hở né qua điểm nóng. Thứ hai, gặp than nóng đỏ, nước hóa thành hơi, và ở nhiệt độ cao sẽ tạo ra khí than (chứa hydro). Thứ ba, dòng nước tập trung làm văng các hạt than cháy dở và mở rộng đống than tiếp xúc với không khí. Thứ tư, than khô khi bị làm ẩm đột ngột lại tỏa thêm nhiệt.

Ngược lại, màn sương nước phía trên lớp than đã rải mỏng lại rất hiệu quả. Cần sử dụng nước dạng phun sương phân tán chứ không dùng vòi phun áp lực mạnh.

Sau đó, hố đào trên đống than được lấp lại bằng than đã làm ẩm và đầm nén bằng phẳng với bề mặt; khu vực đã đầm nén thường không bị cháy lại. Đống than sau đó được đưa vào chế độ theo dõi hàng ngày.

Hai quy tắc thường bị vi phạm nhất bao gồm. Thứ nhất: Không đào mở điểm nóng khi có gió mạnh, vì với tốc độ gió từ 5 m/s trở lên, sự âm ỉ sẽ chuyển thành ngọn lửa bùng cháy. Thứ hai: Phải duy trì đường tiếp cận cho thiết bị ở mọi phía của đống than, vì các điểm nóng thường hình thành ở các mái dốc và mép đống — nơi có độ đầm nén kém nhất.

Những phương pháp không hiệu quả tại bãi chứa ngoài trời

Khí trơ có hiệu quả trong xi-lô, kho mái vòm và hầm tàu. Tuy nhiên, trên đống than ngoài trời, khí trơ không thể giữ lại được.

Bọt chữa cháy không thể thấm sâu vào trong khối than, và lớp phủ do bọt tạo ra lại giữ nhiệt và khí cháy bên dưới. Bọt chỉ phù hợp để che phủ cục bộ điểm nóng đã được đào ra chứ không thể dập lửa cho toàn bộ đống than.

Các loại gel và chất ức chế đắt tiền cho thấy hiệu quả hàng chục phần trăm trong phòng thí nghiệm. Trong mỏ hầm lò, chúng được bơm vào các không gian giới hạn, còn tại bãi chứa, chúng ta đang nói về hàng trăm nghìn tấn than nằm dưới mưa. Việc ngấm thấm toàn bộ kho tồn 3 triệu tấn sẽ đòi hỏi hàng trăm nghìn tấn dung dịch.

Có bốn hướng đi có khả năng mở rộng quy mô thực tế: Chất đống đúng kỹ thuật kết hợp đầm nén, xuất hàng theo tuổi than, nhanh chóng đào lấy điểm nóng và xử lý dòng chảy than ngay tại thời điểm chất đống — khi một lượng dung dịch nhỏ có thể bao phủ toàn bộ thể tích thay vì chỉ phủ bề mặt đống than.

Đề xuất thực nghiệm: Dung dịch rỉ đường

Một nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc trong giai đoạn 2022–2025 đã công bố ba công trình về việc sử dụng rỉ đường (phụ phẩm của quá trình sản xuất đường) để ức chế sự tự bốc cháy của than.

Kết quả như sau. Dung dịch rỉ đường 30% bám dính trên than tốt hơn nước khoảng 40 lần và liên kết các hạt bụi mịn chặt hơn 140 lần. Các loại đường tạo thành một lớp màng trên bề mặt các hạt, giúp giữ độ ẩm và hạn chế oxy tiếp xúc với bề mặt. Khi bổ sung thêm clorua canxi và clorua magie, lượng tiêu thụ oxy của than giảm từ 60% đến 80%. Trong các thử nghiệm thực địa tại khoảng không đã khai thác của mỏ hầm lò, nồng độ khí cacbon monoxit (CO) đã giảm 35–48%.

Đường không làm ảnh hưởng đến đặc tính của than; nó chỉ hạn chế sự tiếp xúc giữa than và oxy.

Phương pháp này chưa từng được thử nghiệm trên các đống than ngoài trời: Không tìm thấy công trình công bố tương ứng nào. Điều này khiến việc tiến hành thử nghiệm thực địa tại điều kiện bãi chứa ở cảng trở nên vô cùng thiết thực.

Hình 5. Sơ đồ thử nghiệm: Dung dịch được cấp vào hệ thống phun sương sẵn có, vòng vòi phun xử lý dòng than ngay thời điểm chất đống, giúp mỗi lớp than rải xuống đều đã được bảo vệ

Sơ đồ thử nghiệm như sau. Dung dịch được đổ vào bình chứa của hệ thống phun sương tiêu chuẩn thay cho nước sạch. Than rời khỏi tay cần máy chất đống (stacker) tại thời điểm mở dòng chảy sẽ được xử lý bằng màn sương từ mọi phía, và mỗi lớp than rải xuống đều đã được xử lý. Bề mặt đỉnh và các mái dốc của đống than được đầm nén theo quy trình thông thường. Điều này tạo ra cơ chế bảo vệ đôi: Lớp màng hạn chế oxy tiếp xúc với từng hạt than, còn việc đầm nén hạn chế không khí xâm nhập vào bên trong đống than. Ngay bên cạnh, một đống than đối chứng cùng lô được tạo ra, với dòng chảy được xử lý bằng nước sạch cùng thể tích để đảm bảo tính chính xác khi so sánh. Trong hai tháng, nhiệt độ được đo ở ba độ sâu khác nhau cùng với nồng độ cacbon monoxit ở bề mặt, tiến hành chụp ảnh nhiệt và lấy mẫu kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng.

Các hạn chế của phương pháp đã được biết đến và cần phải tính đến. Bản thân rỉ đường cũng bị oxy hóa và tỏa nhiệt, do đó nồng độ dung dịch không được vượt quá 30%. Đường là môi trường dinh dưỡng cho vi sinh vật, mà các quá trình vi sinh cũng sinh nhiệt; hành vi của than đã xử lý trong đống lớn vào mùa ấm vẫn chưa được nghiên cứu. Dung dịch bám dính vào thiết bị và bị đặc lại ở nhiệt độ âm. Ảnh hưởng của phụ gia đến các chỉ tiêu chất lượng than theo hợp đồng cần phải được xác nhận trong phòng thí nghiệm.

Việc kéo dài thời kỳ ủ bệnh dù chỉ gấp đôi cũng sẽ làm thay đổi căn bản phép tính nêu trên: Với quy trình xuất hàng nghiêm ngặt, sẽ không còn lượng than nào nằm trong vùng rủi ro. Kết quả âm tính của thử nghiệm cũng cần được công bố, vì đối với ngành công nghiệp, nó mang giá trị thông tin không kém phần quan trọng.

Ngưỡng cảnh báo thực tế cho cảng xuất khẩu

Quy chuẩn của Nga quy định ngưỡng phải hành động ngay lập tức: 60°C hoặc nhiệt độ tăng 5°C mỗi ngày. Đối với cảng kho vận xuất khẩu than bằng đường biển, ngưỡng thực tế còn thấp hơn. Bộ luật quốc tế về vận chuyển hàng rời bằng đường biển (IMSBC Code) cấm xếp lên tàu loại than có nhiệt độ vượt quá 55°C. Một đống than theo quy chuẩn bãi chứa chưa cần xử lý khẩn cấp thì tàu đã từ chối tiếp nhận, dẫn đến đình trệ, chi phí phạt lưu tàu (demurrage) và các khiếu nại từ người mua. Do đó, hệ thống kiểm soát nên được cài đặt ở mức 55°C.

Cần lưu ý thêm rằng khí cacbon monoxit xuất hiện sớm hơn sự tăng nhiệt độ. Các quy chuẩn của Nga đối với bãi chứa chưa quy định việc kiểm soát khí. Một thiết bị đo khí cầm tay đặt ở bề mặt đống than có chi phí rẻ nhưng có thể cảnh báo sự phát triển của điểm nóng sớm hơn vài ngày so với đầu đo nhiệt độ.

Kết luận

Than tại bãi chứa không phải là một loại hàng hóa thụ động chờ ngày xuất kho. Đây là một đối tượng có kịch bản sự cố riêng, diễn tiến chậm chạp, kín đáo và không do lỗi của bất kỳ ai, chính vì vậy nó rất dễ bị bỏ qua.

Các biện pháp cốt lõi rất đơn giản và ít tốn kém: Nắm rõ thời gian lưu kho của than, ưu tiên xuất các lô hàng cũ trước, đầm nén các mái dốc, đào lấy điểm nóng chứ không phun ngập nước, và sử dụng hệ thống phun sương tưới ẩm thay vì dòng nước áp lực. Những điều này không đòi hỏi đầu tư vốn lớn mà đòi hỏi công tác tổ chức quản lý.

Ngành công nghiệp đã dành nhiều thập kỷ để nghiên cứu hành vi của than trong lòng đất. Trong khi đó, hành vi của than trên bề mặt, trong các đống tích trữ hàng triệu tấn, lại ít được nghiên cứu hơn nhiều. Khoảng trống này đòi hỏi chính các đơn vị vận hành phải tự bù đắp, bao gồm cả việc thực hiện các thử nghiệm thực địa tại các bãi chứa đang hoạt động.