سوخت های جامد

سوخت های جامد

مقدمه

مهمترین وقدیمی ترین گروههای سوخت فسیلی ، حالت جامد دارند .این سوخت ها به دسته های مختلفی تقسیم می شوند .درفرم کلی می توان آنها را به دو دسته سوخت های جامد طبیعی وسوخت های جامد مصنوعی یا ساختگی تقسیم کرد [۱]. ازمهمترین سوخت های دسته اول چوب، زغال نارس وزغال سنگ وازمهمترین سوخت های گروه دوم زغال چوب وکوک را می توان نام برد . مهمترین سوخت جامد صنعتی ، زغال سنگ است که از آن به منظورهای مختلف وخصوصاً در صنایع تولید آهن وفولاد استفاده می شود. ازابتدای پیدایش صنعت ،  زغال سنگ منبع مهمی برای تولید انرژی بوده است . هرچند از اوایل دهه ۱۹۳۰ م. با دستیابی به نفت وبعد از آن گاز طبیعی به عنوان دو منبع مهم انرژی ، زغال سنگ جای خود را به این سوختها داد ، اما هنوز دربرخی از کشورها ، مهمترین منبع انرژی ، زغال سنگ است . ازطریق مقایسه میزان منابع انرژی موجود درجهان وسرعت مصرف سوخت های فسیلی می توان پیش بینی کرد که بشر بار دیگر درآینده ، به زغال سنگ روی خواهد آورد.

سوخت

سوخت

مزایای سوخت های جامد به این شرح است :

۱- برای ذخیره سازی به مخزن خاصی نیازنداردودرواقع هرسطح صافی برای این کارمناسب است.

۲-  درمقاسیه با نفت خام ، دارای هیدروژن کمتری است وازاین رو ارزش حرارتی خالص آن بیشتر از نفت است .

۳-  مقدار گوگرد موجود درآن بطور متوسط از نفت کمتر است واز این رو آلودگی وخوردگی کمتری را سبب می شود.

۴-  خاکستر زغال سنگ عاری از ترکیبات وانادیوم است ودر نتیجه سبب خوردگی داغ تأسیسات نمی شود .

۵-  اندازه دانه های آن را می توان به دلخواه تغییر داد ولذا در جاهای مختلف قابل استفاده است .

دراین فصل به معرفی اجمالی برخی از گروه های مهم سوخت های جامد می پردازیم .

– زغال سنگ

زغال سنگ مهمترین سوخت جامد صنعتی است که برای تولید انرژی الکتریکی ، احیای فلزات به روش سنتی یا احیای مستقیم ، تولید گاز ، ساختمان سیمان وقند ، ساخت مواد شیمیایی وتولید حرارت مصرف می شود [۱و۲ ]. زغال سنگ معمولاً بطور لایه ا ی درپوسته زمین ذخیره شده است . این ماده ازبقایای گیاهان مدفون شده درزیر رسوبات نواحی مردابی وباتلاق ها درزمان های گذشته بوجود آمده است [۱] . فعالیت های شیمیایی باکتری ها وفشارهای کوهزایی ، این رسوبات را به زغال سنگ تبدیل کرده است . روی تمامی زغال سنگ های جهان ، صرفنظر اززمان تشکیل، تنه وساقه گیاهان بصورت فسیل دیده می شود. مدفون شدن بقایای گیاهان ونرسیدن اکسیژن به آنها، شرط اولیه واساسی تبدیل  مواد آلی به جامدات فسیلی است .محل های تشکیل زغال سنگ « تورب زا ر» نامید می شود . درباره  نحوه مدفون شدن مواد گیاهی درزیر زمین وتشکیل مناطق تورب زار دو نظریه وجود دارد [۱و۲] . برطبق نظریه اول یا نظریه برجا ، محل پیدایش زغال سنگ دقیقاً همان جایی است که گیاهان درآنجا رشد کرده ومدفون شده اند. تمامی رگه های باارزش زغال سنگ ازاین نوع است . نظریه دوم یا نظریه نابرجا براین اساس است که مواد گیاهی ، قبل از رسوب کردن ومدفون شدن دراثر جریان آب رودخانه ها ازجایی به جای دیگر منتقل شده ودر محل هایی  تجمع کرده اند. این زغال ها محتوی درصد زیادی از کانی های مختلف هستند و به همین جهت استفاده از آنها فعلاً مقرون به صرفه نیست. در مناطق تورب زار، فشار و دما به حدی نیست که ساختار سنگ های همراه را تغییر دهد و تنها تورب را به زغال سنگ قهوه ا ی و سپس درخشان تبدیل می کند. زغال سنگ های ایران مربوط به دوره ژوراسیک (حدود ۱۸۱ میلیون سال پیش) ودوره کرتاسه (حدود ۱۳۵ میلیون سال پیش) هستند [۲ و ۳].

– انواع زغال سنگ

صرفنظر از تأثیرات ناشی از اندازه و مقدار خاکستر یا دیگر ناخالصی های موجود در زغال سنگ، اساساً تقسیم بندی گروه های مختلف زغال سنگ بر مبنای کیفیت ماده زغال انجام می گیرد [۱]. از نظر ترکیب شیمیایی، انواع زغال سنگ را با همدیگر مقایسه کرد [۴].

اکنون به اختصار به شرح گروه های زغال سنگ می پردازیم.

الف) زغال سنگ لیگنایت (قهوه ا ی)

لیگنایت از جوان ترین زغال سنگ هاست و رنگ قهوه ا ی متمایل به سیاه دارد. این زغال، مرحله انتقال زغال نارس (لیف) را به زغال سنگ نشان می دهدو الیافی شبیه به چوب دارد. این زغال سنگ پایین ترین درجه زغال سنگ های خالص است و معمولاًدر حالت خشک و بدون خاکستر دارای حدود ۶۰ تا ۷۵ درصد کربن و نزدیک به ۲۰ تا ۲۵ درصد اکسیژن  است . این زغال معمولاً حاوی موادی مانند خاکستر، رطوبت گوگرد و مواد فرار فراوان است و در حالت خشک شده در هوا حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد رطوبت دارد. به طور کلی میزان کربن لیگنایت بیشتر و هیدروژن آن کمتر از چوب است. ارزش حرارتی لیگنایت معادل ۵/۱۲ تا ۵/۱۳ مگاژول بر گیلوگرم است که به علت کوچکی ، استفاده از لیگنایت در صنعت ذوب فلزات را ناممکن  می سازد. علاوه بر این وجود مقدار زیادی رطوبت و گوگرد در بعضی از انواع ، ارزش حرارتی لیگنایت را بازهم کوچکتر می کند.

لیگنایت جسمی است نمگیر که با شعله ا ی بلند و دوزا می سوزد. انتقال آن در مسیر طولانی میسر نیست و در اثر انبار کردن خرد می شود و ممکن است شعله ور گردد. با حرارت دادن لیگنایت در نبود هوا می توان موادی نظیر گاز، کوک، بنزین، روغن های سنگین و آمونیاک به دست آورد. از زغال قهوه ا ی در صنایع برق و شیمی می توان استفاده کرد.

ب) زغال سنگ بیتومینه (قیردار)

بیتومینه به رنگ سیاه یا خاکستری تیره است و ظاهری راه راه دارد. وزن مخصوص آن از زغال سنگ قهوه ای بیشتر و در حدود ۳/۱ تا ۵/۱ است. این زغال سنگ ۷۵ تا ۸۵ درصد کربن دارد و مواد فرار آن کمتر از لیگنایت است. خاکستر زغال سنگ قیردار ۵ تا ۱۰ درصد و رطوبت آن بین ۵ تا ۸ درصد متغیر است. حد پایین ارزش حرارتی بیتومینه از انواع دیگر زغال سنگ بیشتر و بین

۹/۲۰ تا ۲/۲۷ مگاژول بر کیلوگرم است.

بیتومینه از لیگنایت فشرده تر است و در حمل و نقل کمتر خرد می شود و به ندرت مشتعل می گردد. به هنگام سوختن شعله زرد رنگ دارد و بوی قیر می دهد. مصرف این زغال از سایر انواع بیشتر است و در تهیه سوخت های گازی و مایع ، تولید انرژی الکتریکی، و تهیه کوک متالورژی بکار می رود. این زغال بر حسب خاصیت کوک شوندگی ، به سه دسته قابل تقسیم است : کوک شو ، نیمه کوک شو و کوک نشو .

نوع کوک شو (چرب شعله کوتاه) ، در برابر حرارت فوری نرم شده و حالت خمیری به خود  می گیرد. در حدود ۹۰۰ درجه سانتی گراد  مواد فرار خود را از دست می دهد و پس از سرد شدن به جسم سخت و سیاه رنگی به نام کوک تبدیل می شود. نوع کوک نشو (چرب شعله بلند) به سهولت مشتعل می گردد و بدون اینکه به حالت خمیری در آید ، باقیمانده پودر مانندی بر جای می گذارد. زغال هایی که ویژگی آنها حد میانی لیگنایت و بیتومینه است ، زغال های زیر بیتومینه (نیمه قیردار) نامیده می شوند. این زغال ها رطوبت و مواد فرار زیادی دارند و خاصیت کوک شدن ندارند . گونه خشک و بی خاکستر آنها ۷۵ تا ۸۳ درصد کربن و ۱۰ تا ۲۰ درصد اکسیژن دارد.

ج) زغال سنگ آنتراسیت (درخشان)

آنتراسیت قدیمی ترین نوع زغال سنگ است . این زغال از سایر انواع زغال سنگ سخت تر و محکم تر بوده و رنگی سیاه با جلای ویژه دارد و در اثر مالش دست را کمی سیاه می کند. میزان کربن ثابت زغال درخشان از سایر انواع زغال سنگ زیادتر بوده و بیش از ۹۳ درصد است. مواد فرار آن نیز معمولاً از ۶ درصد کوچکتر است. زغال درخشان خاصیت کوک شوندگی ندارد و پس از احتراق به شکل پودر در می آید. ارزش حرارتی این زغال به طور متوسط حدود ۹/۲۰ تا ۸/۲۸ مگاژول بر کیلوگرم است. این زغال سنگ به سختی مشتعل می شود و به علت کوچکی مواد فرار ، شعله ا ی کوتاه و متمایل به آبی دارد و به آرامی می سوزد. به همین علت زغال درخشان برای مصارف خانگی مناسب بوده و به هنگام انبار کردن نیز خرد نشده و خودبه خود مشتعل نمی شود .زغال سنگ هایی که از نظر ویژگی در حد واسط بین بیتومینه و آنتراسیت ، نیمه آنتراسیت نامیده می شوند. این زغال ها بین ۹۰ تا ۹۳ درصد کربن، ۱۰ تا ۲۰ درصد مواد فرار و ۲ تا ۴ درصد اکسیژن دارند. برخی از انواع نیمه آنتراسیت ها قابلیت کوک شوندگی دارند. این زغال ها را با نام های نیمه بیتومینه ، لاغر ، قیردار خشک و زغال مولد بخار نیز می خوانند.

– خواص فیزیکی زغال سنگ

انواع مختلف زغال سنگ خواص فیزیکی متفاوتی دارند. برخی از این خواص نظیر تخلخل در مطالعات مربوط به نحوه تشکیل زغال سنگ مورد استفاده قرار می گیرند . برخی دیگر نظیر وزن مخصوص، حین استفاده ویژگی خود را آشکار می کنند.

الف) تخلخل

زغال سنگ جسمی متخلخل با منافذ مویینه و سوراخ هایی با اندازه های مختلف و ساختاری اسفنجی است که در نتیجه مایعات و گازها را به راحتی درون خود نفوذ می دهد . به طور کلی دو نوع حفره در زغال سنگ ها وجود دارد . در نوع اول  قطر متوسط حفره ها تا A 500 درجه بوده و سطح داخلی آنها بیشتر از gr/m2 1 نیست . در نوع دوم قطر متوسط حفره ها حدود A15-5درجه بوده و سطح داخلی آنها به حدود gr/m2 200 می رسد. برای اندازه گیری میزان تخلخل ، از نفوذ مایعات به درون زغال سنگ می توان استفاده کرد . نسبت حجم خلل و فرج به حجم حقیقی     زغال سنگ کسر تخلخل نامیده می شود . به علت وجود تخلخل ، چگالی ظاهری زغال سنگ (  َd) از چگالی واقعی آن (d) کمتر است . اگر m جرم نمونه زغال باشد، کسر تخلخل عبارت خواهد بوداست از :

همانطور که دیده می شود ، میزان تخلخل در انواع زغال سنگ بسیار متفاوت بوده وبرای نمونه دارای ۸۸ تا ۸۹ درصد کربن ، حداقل خود را داراست. هرچه کربن ازاین مقدار کمتر شود، میزان تخلخل ونیزپراکندگی بیشتر خواهد شد.

مجموع سطوح حفره های داخل زغال سنگ را می توان با اندازه گیری گرمای تر شدن محاسبه کرد [۱] . هرگاه زغال سنگ گاززدایی شده ا ی را درسیالی قرار دهیم ، جذب سطحی سیال با آزاد شدن گرما همراه است به طوری که متناسب با سطح جامد تر شده مقدار گرما افزایش می یابد . دراین آزمایش بهتر است ازماده آلی با اندازه مولکولی کوچک استفاده شود تا بتواند وارد حفره های بسیار ریز زغال شده وجایگزین لایه متانی شود که اغلب روی سطوح تازه زغال سنگ ها وجود دارد.استفاده از بخار متانول بر دیگرروش ها برتری دارد [۲] زیرا گرمای ترشدن را به سرعت آزاد کرده واندازه گیری های دقیق کالری متری را امکان پذیر می سازد. هرچه سطح درونی زغال بیشتر باشد گرمای ترشدن نیز بیشتر خواهد بود. این مقدار از حدود J/gr 33 برای آنتراسیت تا حدود  J/gr 74 برای یک زغال سنگ غیرقابل کوک شدن دارای ۸۰ درصد کربن تغییر می کند [۱] . حجم خلل وفرج زغال های قیردار ۱۰ تا ۲۰ درصد است که ۳ تا ۱۰ درصد آن به لوله های مویین تعلق دارد. با توجه به اینکه سطح درونی این زغال ها بین ۳۰ تا ۱۰۰ مترمربع درازای هرگرم است ، پس قطر لوله های مویین آنها باید حدود A400 درجه باشد.

ب) وزن مخصوص و قابلیت ذخیره سازی

وزن مخصوص زغال سنگ تابع نسبت مواد سوختنی و میزان خاکستر است. خاکستر چگالی بیشتری از مواد سوختنی دارد و از اینرو، اثر زیادی بر وزن مخصوص توده زغال می گذارد. وزن مخصوص زغال سنگ های بیتومینه در گستره ۲۷/۱ تا ۴۵/۱ (گرم بر سانتی متر مکعب) قرار دارد. زغال سنگ آنتراسیت حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد از بیتومینه فشرده تر بوده و وزن مخصوصی بین ۴/۱ تا ۷/۱ دارد. تغییرات وزن مخصوص با هیدروژن مخصوص درزغال سنگ رابطه تقریباً خطی دارد.

چگالی توده زغال سنگ و قابلیت ذخیره سازی آن تابع عوامل متعددی است که عبارتند از :

اندازه مواد، درجه زغال، شکل ذرات، میزان آب آزاد موجود در زغال، شکل محفظه مورد استفاده و روش ذخیره سازی. با افزایش درصد کربن ، وزن مخصوص زغال سنگ افزایش  می یابد. در یک درجه زغال خاص ، وزن مخصوص زغال تر بیشتر از خشک است . از این میان شکل ذرات زغال سنگ اهمیت کمتری دارد، چون از یک زغال تا زغال دیگر تغییر چندانی  نمی کند.

ج) خواص حرارتی

یکی از مهمترین ویژگی های سوخت های مختلف و از جمله زغال سنگ ها ارزش حرارتی آن هاست [۱]. زغال سنگ ها دارای اکسیژن، رطوبت، ازت، کربن هیدروژن، خاکستر و عناصر ناخواسته دیگر هستندو از آنجا که فقط کربن و هیدروژن آن ها قابل سوختن است، ارزش حرارتیشان معادل مجموع ارزش حرارتی کربن و هیدروژن موجود در آنها است . وجود عناصر ناخواسته از ارزش حرارتی زغال سنگ ها می کاهد. از انجا که هیدروژن ارزش حرارتی بزرگتری نسبت به کربن دارد، با کاهش درجه زغال یعنی کاهش میزان کربن، نخست، ارزش حرارتی افزایش یافته و سپس به علت افزایش اکسیژن کاهش می یابد.

هرچند فرمول های متعددی برای مرتبط ساختن ارزش حرارتی زغال سنگ ها با ترکیب آن ها، پیشنهاد شده ولی بهتر است برای اندازه گیری ارزش حرارتی از بمب کالری متر مستقیماً استفاده شده و آزمایش های استاندارد انجام شوند.

وقتی که زغال سنگ برای تهیه گاز یا کوک، تقطیر شود،  تغییرات حرارتی اندکی در آن ایجاد می شود. در این عمل ساختار پیچیده زغال به ساختارهای ساده تری شکسته می شود و از آنجا که حرارت تشکیل ساختار اولیه و ساختارهای نهایی در محصولات تقطیر متفاوت است، عمل تقطیر می تواند گرمازا یا گرماگیر باشد. البته دما می تواند نقش عمده ا ی در حرارت حاصل از تقطیر یا حرارت لازم برای آن داشته باشد. به طور کلی لیگنایت و زغال های جوان تر نسبت به زغال های قدیمی تر، گرما زایی بیشتری دارند. گرمازایی تا حدودی تابع میزان اکسیژن موجود در زغال است. در کمتر۶۰۰درجه Cبرخی از زغال ها گرماگیرند و برخی دیگر گرما زا، ولی بالای این دما تمایل بیشتری به گرماگیری وجود دارد و در بیشتر از ۸۰۰درجهC این پدیده شدید می شود.  به عنوان مثال، گرمای عملیات تقطیر چند زغال در دمای۷۰۰ درجهC به این شرح است:

لیگنایت ۷۳۰+تا ۱۳۵۱+ ژول برکیلوگرم و بیتومینه : ۱۲۶ + تا ۲۳۸- ژول برکیلوگرم (علامت+ نشانه گرماگیر بودن و علامت – نشانه گرمازا بودن عملیات است).

ظرفیت حرارتی زغال سنگ در فرایند تقطیر مورد توچه قرار می گیرد. برای اندازه گیری ظرفیت حرارتی می توان از روش های مستقیم یا از متغیرهای ضریب نفوذ و ضریب هدایت حرارتی استفاده کرد. مقدار ظرفیت حرارتی دو نوع زغال سنگ بدون رطوبت و بدون خاکستر ، در دمای معمولی چنین بدست آمده است:

آنتراسیت: J/gr.0k 96/0-92/0و بیتومینه، J/gr.0k 09/1- 1. ظرفیت حرارتی زغال سنگ با افزایش مواد فرار و نیز کاهش نسبت C/H افزایش می یابد. ارتباط ظرفیت حرارتی با مقدار خاکستر یا رطوبت موجود در زغال به صورت خطی است و برای محاسبه تأثیر ترکیب شیمیایی می توان از فرمول های مربوط استفاده کرد به عنوان مثال برای کوک روابطی به صورت زیر داده شده است.

+++++++++++++++++++++++++++++++

+++++++++++++++++++++++++++++++

که در آن A میزان خاکستر موجود در کوک است.

ضریب هدایت حرارتی زغال سنگ ها تابع میزان تخلخل و ساختار مویینه آن هاست . در دمای محیط ضریب هدایت حرارتی تقریباً در گستره mK/W35/0-23/0 تغییر می کند.با افزایش دما، در اثر بروز تابش بین سطوح خلل و فرج، ضریب هدایت حرارتی زغال افزایش می یابد، به طوری که در دمای ۸۰۰ درجهC هدایت حرارتی به mK/W2-1 تبدیل می شود [۲]. فرمول های مختلفی برای تعیین میزان متوسط ضریب هدایت حرارتی زغال سنگ ها در عملیات تقطیر پیشنهاد شده است . به عنوان مثال اگر t دمای تقطیر  باشد، متوسط ضریب هدایت حرارتی زغال سنگی که به کوک با چگالی r تبدیل می شود،در گسترده حرارتی ۰-t با این رابطه قابل محاسبه خواهد بود [۱].

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

که در آن t بر حسب درجه C و K برحسب درجه  C/S / cm/ J بیان می شود.

د) خواص الکتریکی ، مغناطیسی و نوری

در فرآیندهایی از تقطیر زغال سنگ به طریق الکتریکی انجام می گیرد، هدایت الکتریکی یا مقاومت ویژه زغال سنگ و کوک از اهمیت خاصی برخوردار است . زغال سنگ یک نیم رساناست و هدایت الکتریکی انواع خشک آن خیلی کم است ولی با افزایش دمای زغال به طور نمایی زیاد می شود. در واقع این افزایش ناشی از تغییر ساختار کربن است که در بالای ۶۰۰درجه C شتاب بیشتری پیدا می کند. به علت تشکیل لایه آب، هدایت الکتریکی زغال با افزایش  رطوبت افزایش می یابد. مقاومت ویژه زغال های بیتومینه در گستره ۱۰۶×۴ تا ۱۰۷ ×۵ اهم- سانتیمتر تغییر می کند [۱] . ثابت D الیکتریک زغال نیز با تغییر ساختار در طی مراحل گرم کردن، به شدت تغییر می کند. این تغییر تابع درصد کربن زغال است و در ۸۸ درصد کربن حداقل است.

خواص مغناطیسی زغال بسیار مهم است. اندازه گیری های مختلف نشان داده است که در زغال سنگ، رادیکال های آزاد (مولکول هایی که یکی از اتم های آنها یک ظرفیت کمتر دارد) وجود دارند. بیشترین غلظت این رادیکال ها یک در ۱۰۰۰ است که در زغال سنگ حاوی ۹۲ درصد کربن اتفاق می افتد [۷].

خواص نوری زغال مانند قابلیت انعکاس سطوح نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. این قابلیت را با ضریب انعکاس (IOR) نشان می دهند. این ضریب با افزایش درجه زغال افزایش می یابد و لذا معیاری برای تشخیص درجه زغال است. با افزایش درجه ، خاصیت نیم رسانایی زغال نیز تقویت می شود.

هـ) حلالیت

حلال های آلی مختلفی برای حل سازی جزئی زغال سنگ بکار می روند. درجه حل شوندگی بستگی به نوع حلال دارد و از حدود ۱/۰درصد برای بنزن سرد تا ۳/۴۷ درصد برای کوئینولین جوشان تغییر می کند [۱]. برای رسیدن به حد اکثر حل شوندگی ، باید ذرات بسیار ریز زغال سنگ را در دمای معادل نقطه جوش حلال یا تحت فشار بدان افزود. حل کردن زغال سنگ در حلال به منظور حذف اجزای ناخواسته و بهبود خواصی نظیر قابلیت کوک شوندگی انجام می شود . دو حلال معروف عبارتند از:  پیریدین در دمای ۱۱۸ درجهC و بنزن تحت فشار در دمای ۲۷۵ درجه C.  حل شوندگی  زغال سنگ در پیریدین تابع نوع زغال است  و از ۵/۷ تا ۴۲ درصد تغییر می کند. این گسترده برای بنزن تحت فشار معادل ۵/ ۳ تا ۲۱ درصد است. تأثیر سایر حلال ها نیز با نوع زغال تغییر می کند. برخی از حلال های مهم عبارتند از:استون تا ۳ درصد، آنیلین تا ۱۲ درصد، فنل تا ۳۵ درصد،تترالین تا ۴۵ درصد،الکل،دی سولفیدکربن و اتر هر سه کمتر از ۱درصد.

ط) ساختار

آزمایش های پراش اشعه ایکس وجود تعداد کمی ازخطوط مربوط به ساختار گرافیت را درتصویر پراش زغال سنگ آشکار می سازد. شش وجهی های مرکب ازورقه های موازی با  اتم های کربن در رئوس مجاور هم ، این ساختار را تشکیل می دهد. طول ضلع شش وجهی ها ۴۲/۱ انگستروم وفاصله بین ورقه ها حدود ۳/۳ انگستروم است . اما ساختار زغال سنگ کاملاً بلوری نیست وتنها شامل نواحی جزئی حاوی بلورهاست . این نواحی را کریستالیت می گویند. کریستالیت از روی هم قرار گرفتن چندین ورقه موازی متشکل از اتم های کربن ( شبه گرافیت ) بوجود می آید. برخلاف گرافیت ، این صفحات دارای جهت منظم نبوده ودر نتیحه نیروی اتصال بین آنها خیلی کمتر از نیروی اتصال درگرافیت است .

برحسب درجه زغال سنگ ، ویژگی این کراستالیت ها بصورت زیر تغییرمی کند [۲] :

۱- درزغال سنگ های لیگنایتی (شعله دار) کریستالیت ها کوچک اند و از تعداد کمی ورقه به هم پیوسته تشکیل شده اند. فاصله بین ورقه های این کریستالیت ها خیلی بیشتر از فاصله مربوط به گرافیت است.

۲- در زغال های بیتومینه (چرب) فاصله بین ورقه های کریستالیت ها کمی بیشتر از فاصله مشابه در گرافیت است.

۳- در زغال های آنتراسیت تعداد ورقه ها بیشتر و گسترده تر بوده و قطری به اندازه ۱۵ تا ۱۶ انگسترم دارند. این ورقه ها می توانند محتوی ۳۰ تا ۴۰ هسته شش وجهی باشند. فاصله بین ورقه ها خیلی نزدیک  به فاصله مربوط به گرافیت (حدودA4/3 درجه) است. در مجموع با افزایش درجه زغال، فاصله بین ورقه های سازنده کاهش یافته و ساختار به شبکه گرافیت نزدیکتر می شوند.

۴- در زغال های پست ،کریستالیت ها به گونه ا ی نا منظم در کنار هم قرار می گیرند .

– تجزیه زغال سنگ

آگاهی از مقدار عناصر سازنده زغال سنگ در مواردی از قبیل محاسبه میزان احتراق، موازنه انرژی و طراحی کوره ضرورت می یابد [۸]. تجزیه زغال سنگ به دو روش انجام می گیرد. در روش اول که تجزیه مستقیم (تقریبی) نامیده می شود، درصد رطوبت، خاکستر مواد فرار و گاهی مقدار گوگرد اندازه گیری می شوند و تفاضل این مجموعه از عدد ۱۰۰، مقدار کربن ثابت زغال را بدست می دهد [۱]. این روش بسیار ساده بوده و اغلب به کار می رود . در روش دوم که تجزیه دقیق نام دارد ، با استفاده از نمونه زغال مناسب، مقدار عناصر کربن ، هیدروژن، گوگرد، نیتروژن و اکسیژن اندازه گیری می شوند. در مواردی که دقت زیاد لازم است ، باید محاسبات بر اساس زغال عاری ازمواد معدنی صورت پذیرد؛ ولی برای مواردی که زغال دارای خاکستر اندکی است، بهتر است محاسبات بر اساس زغال خشک عاری از خاکستر انجام  گیرد.

در سطرهای بعد به تشریح مختصر نحوه تجزیه اجزای مختلف موجود در زغال سنگ می پردازیم.

الف) خاکستر. میزان خاکستر موجود در زغال معمولاً از طریق سوزاندن وزن معینی از زغال در دمای مناسب و اندازه گیری مجدد وزن آن تعیین می شود. وزن نمونه حدود ۱ تا ۲ گرم است و دمای ۷۰۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد برای این منظور بکار می رود [۷]. عامل اصلی در بروز تغییر در مقدار خاکستر، میزان گوگرد باقی مانده در زغال است. اگر در زغالی با درجه زیاد، میزان معدنی پیریت و کربنات کوچک باشد، گوگرد باقی مانده بحرانی نیست و خاکستر شدن به سرعت روی می دهد. ولی اگر میزان پیریت و کلیسیت قابل توجه باشند، ابتدا پریت در دماهای کم تجزیه           می شود و سپس تجزیه کربنات روی می دهد. از این رو گوگرد کمتری در زغال باقی می ماند تا با بازهای تشکیل شده در دماهای زیاد واکنش انجام دهد. در این عملیات بایدگردش هوای آزاد در سیستم وجود داشته باشد تا اجزای معدنی زغال کاملاً به اکسید تبدیل شوند.

برای تجزیه خاکستر حاصل از زغال سنگ معمولاً از اصلاح روش های کلاسیک شیمی تر که بدواً برای سنگ های سیلیکاتی ابداع شده است ، استفاده می شود. اما چون این روش ها وقت گیرند، برای تجزیه به تعداد زیاد، یک سلسله روش های فیزیکی شیمیایی نظیر نورسنجی، طیف سنجی شعله، پلاروگرافی، طیف بینی نشری و تیتراسیون نیز معین شده اند [۷].

ب) مواد معدنی. برخلاف خاکستر تعیین مقدار مواد معدنی موجود در زغال سنگ کاری مشکل است؛ زیرا در نتیجه ظهور پدیده هایی مانند متصاعد شدن۲ CO از کربنات ها، حذف آب تبلور موجود در ساختار مواد معدنی ، تبدیل پریت به اکسید آهن، باقی ماندن گوگرد آلی در زغال سنگ به صورت سولفات و آزاد شدن کلر، وزن خاکستر نهایی با وزن مواد معدنی اولیه موجود در زغال سنگ یکی نیست. برای تعیین اجزای سازنده مواد معدنی از روش های پراش اشعه ایکس ، رادیوگرافی، آنالیز حرارتی، متالوگرافی با میکروسکوپ نوری و الکترونی استفاده می شود. برای اندازه گیری مقدار مواد معدنی اولیه موجود در زغال سنگ می توان کارهایی بر خاکستر انجام داد. اگر ترکیب دقیق خاکستر در دست باشد، این اقدامات قابل اجراست ؛ ولی به علت دشواری و وقت گیر بودن، معمولاً از فرمول های تجربی پیشنهادی محققان استفاده می شود. فرمول پار برای مثال بهترین فرمول است. این فرمول در استاندارد ASTM برای تقسیم بندی زغال سنگ ها، به منظور تبدیل متغیرهای مواد فرار، کربن ثابت و ارزش حرارتی به یک مبنای زغال عاری از مواد معدنی به کار می رود . فرمول پار چنین بیان می شود [۲و۷]

 S55/0 + A08/1 = M

که در آن M درصد مواد معدنی، A درصد خاکستر و S درصد گوگرد موجود در زغال است.

در فرمول دیگری که به کوشش کینگ ، ماریس و کراسلی وضع شده است، علاوه بر اصلاحات لازم برای هیدراته شدن آب درون زغال سنگ، اصلاحات دیگری  نیز در آن منظور شده است از جمله اصلاحات مربوط به شکل های مختلف گوگرد، دی اکسید کربن موجود در کربنات ها، گوگرد باقی مانده در خاکستر و کلر. فرمول مورد بحث به این صورت است [۱ و ۷]

CI5/0 + (Coal)3SO + (Ash)3SO1/1 – ۲CO8/0 + Pyrite5/0 + A09/1 = M

برای اجرای این اصطلاحات حجم نسبتاً زیادی کار تحلیلی لازم بود . براون ، کولدول و فارادی با استفاده از مطالعات آماری نشان داده اند که برخی از این اجزا با هم مربوط هستند و در نتیجه این رابطه را پیشنهاد کرده اند

۳۲۰/۰ – ۲CO74/0 + S 5/0 + A06/1 = M

مقدار مواد معدنی را از روی ترکیب شیمیایی زغال سنگ نیز می توان به دست آورد. در این مورد می توان از رابطه زیر استفاده کرد

(C + H + N + O + S) – ۱۰۰= M

در این فرمول تجزیه بر اساس زغال سنگ خشک است. حدود ۹۵ درصد از ترکیبات موجود در مواد معدنی شامل گروه های سنگ رستی، کائولین، سولفید و کربنات است.

ج) رطوبت. مقدار رطوبت زغال سنگ یا کوک در زمان نمونه برداری دارای اهمیت زیادی است؛ زیرا این مقدار به عنوان یک مبنا برای محاسبات ترکیب شیمیایی زغال ها استفاده می شود. دو نوع رطوبت در زغال ها دیده می شود. یکی رطوبت خارجی که فقط در سطح زغال وجود دارد و تابع وسعت سطح است. این رطوبت را می توان به آسانی از طریق اختلاف وزن اولیه نمونه با وزن آن پس از خشک شدن در هوای آزاد در دمای حدود ۷۰ درجهC ، محاسبه کرد [۲]. در اینجا باید به هنگام نمونه برداری، عملیات را طوری انجام داد که بین زمان نمونه برداری و زمان اندازه گیری، مقدار رطوبت تغییر نکند.

نوع دیگر رطوبت به صورت درونی است که در منافذ و خلل و فرج زغال وجود دارد و وابسته به ساختار داخلی زغال است . این رطوبت با کاهش وزن نمونه در اثر خشک کردن در گرمخانه ای با دمای حدود ۱۱۰-۱۰۵ درجه سانتی گراد اندازه گیری می شود. گرمخانه های استاندارد جهت این عملیات طوری طراحی می شوند که حداقل فضای خالی را داشته باشند و بتوان در آنها از طریق جریان گاز نیتروژن و با ایجاد حالت خلأ، رطوبت را از نمونه زغال خارج کرد. برای این کار می توان از مواد خشک کننده و نمگیر نظیر پرکلرات منیزیم نیز استفاده کرد [۱]. اکسیژن همراه نیتروژن مورد استفاده نباید از حدود ppm10 بیشتر باشد. وقتی که زغال در دمای ۱۱۰-۱۰۵ درجهC در هوا حرارت داده می شود، نخست، رطوبت خود را از دست می دهد، اکسیداسیون وزن آن اضافه می شود. اگر در هنگامی که زغال رطوبت خود را از دست می دهد ، اکسیداسیون روی دهد آزمایش دچار خطا می شود. این خطا ناشی از آن است که مقداری از کربن می سوزد و در نتیجه از وزن زغال کاسته می شود و بنابراین عدد بدست آمده کمتر از مقدار واقعی خواهد بود.

رطوبت موجود در زغال یک عامل اضافی است که هم تبخیر آن باعث جذب حرارت می شود و هم حجم محصولات احتراق را افزایش می دهد. ارزش حرارتی زغال بر حسب میزان  رطوبت موجود در آن به این صورت بیان می شود

(ah – ۱) Cv = Cv0

– مراحل آماده سازی زغال سنگ

به منظور آماده سازی زغال سنگ استخراج شده برای مصرف به عنوان سوخت و یا تبدیل زغال  به محصولات دیگر، عملیات مختلفی از قبیل خرد کردن، غربال کردن و شستشو لازم است انجام شوند که به اختصارتشریح می گردند.

الف) خرد کردن و غربال کردن

غربال کردن مقدماتی بر زغال استخراج شده از معدن، صورت می گیرد تا ذرات بزرگتر از حدود ۲۰ سانتی متر از توده زغال تفکیک شوند. تکه های بزرگتر را پس از خرد کردن دانه بندی  می کنند. برای خرد کردن زغال از خرد کن های غلطکی (تک غلطکی، دو یا سه غلطکی)، چرخشی، چکشی، و یا رینگی استفاده می شود. اطلاعات جامعی درباره انواع خرد کن ها و مشخصات آن ها در مرجع شماره [۷] آمده است. عملیات خرد کردن به منظور تسهیل کار شستشو و تمیز کردن زغال سنگ، که مرحله بعدی است، انجام می گیرد.

پس از خرد کردن، مرحله دانه بندی و غربال کردن است. پنج دسته غربال برای آماده سازی   زغال سنگ به کار می رود: ساده، چرخشی، لرزنده، ارتعاشی و آبزدا [۷]. نوع ارتعاشی برای صنایع امروزی بسیار مناسب است و دامنه اندازه سوراخ های آن در حدود ۱۵/۰ تا ۲۵۴ میلی متر است. شیب این غربال ها در گستره ۱۶ تا ۲۶ درجه قابل تنظیم است . میزان حرکت غربال تابع اندازه ذرات است و در گستره ۸/۰ تا ۷/۱۲ میلی متر تغییر می کند. بسامد سیستم برای جدا سازی ذرات نیز از ۶۶۰ تا ۳۴۰۰ هرتز تغییر می کند.

ب) شستشو و تمیز کردن

پس از دانه بندی، لازم است عملیات شستشو و تمیزکاری به منظور جداسازی ناخالصی ها انجام گیرد.فرآیندهای مختلف تمیزکاری اساساً بر مبنای اختلاف چگالی بین زغال تمیز و ناخالصی های موجوددر آن انجام می گیرند. از میان اجزای مختلف موجود در سیستم، سبک ترین آنها زغال سنگ تمیز (دارای چگالی حدود ۳/۱) و سنگین ترین آنها پیریت و مواد رسی   (دارای چگالی حدود ۴) است و اجزای دیگر بین این دو حد است.

ناخالصی های موجود در زغال سنگ را می توان به دو گروه مخلوطی و ساختاری تقسیم کرد. نوع مخلوطی را می توان به سادگی از طریق روش های تمیز کردن شناوری جداکرد، ولی جدا کردن نوع ساختاری به جز در موارد خاص، مقرون به صرفه نیست. برای این کار زغال را به صورت گرد در می آورند و آب یا آب و تتراکلرید کربن، که در آب نا محلول است، مخلوط می کنند تا مواد معدنی از زغال جدا شوند.

ج) انبار کردن

بی شک انبار کردن زغال سنگ، هزینه ا ی در بر دارد، ولی با توجه به ضرورت در دسترس بودن زغال در هنگام لزوم، چنین هزینه ا ی اجتناب ناپذیر است. در حین انبار کردن، ممکن است کیفیت زغال کاهش یابد و یا برخی از رویدادهای زیر اتفاق می افتد:

–        کاهش اندازه ذرات در اثر خرد شدن مکانیکی یا تجزیه شیمیایی.

–        کاهش ارزش حرارتی سوخت در اثر اکسایش.

–         کاهش قابلیت کوک شوندگی زغال.

–        کاهش مقدار گاز زغال، در مواردی که زغال برای گازی کردن مورد استفاده قرار می گیرد.

–        افزایش قابلیت شعله وری.

جلوگیری بروز اکسایش امکان پذیر نیست، اما هدف این است که سرعت اکسایش به حداقل کاهش یابد و حرارت آزاد شده در توده زغال به طور یکنواخت پراکنده شود. این امراز تمرکز حرارت به طور موضعی جلوگیری کرده و افروخته شدن خود به خودی زغال را به تعویق می اندازد. به غیر از زغال درخشان و قیردار سخت، انواع دیگر زغال با اکسیژن هوا ترکیب  می شوند. در مراحل اولیه، جذب سطحی اکسیژن باعث تشکیل گروه های هیدروکسیل می شود که در نتیجه از ارزش حرارتی زغال کاسته می شود  و درتوده های بزگ زغال خطر افروختگی خود به خود وجود دارد؛ زیرا حرارت حاصل از اکسایش نمی تواند خارج شود. در مدت انبار کردن، کاهش ارزش حرارتی تابعی از اندازه دانه های زغال است.

از آنجا که اکسایش زغال های نامرغوب  (پوک)، خطرناک تر است، بلافاصله پس از استخراج، این نوع زغال ها مصرف می شوند و یا در انبارهای بدون هوا یا در زیر آب نگهداری می شوند [۲]. برای انبارکردن این نوع زغال ها در معرض هوا، ذرات ریز را جدا نموده، لایه دارای ضخامت اندک را روی هم انبار می کنند.

د) بریکت کردن

 هنگام استخراج، خرد کردن، شستشو و حمل و نقل، مقداری از زغال عموماً به صورت گرد با قطعات ریز در می آید که مصرف صنعتی ندارد. لذا عملیات بریکت کردن و خشته سازی با دو هدف بر این پودرها انجام می شود. هدف اول جنبه اقتصادی داشته و در اثر آن استفاده از پودرهای ریزی که به خودی خود قابل استفاده نیستند میسر می شود و هدف دوم اجرای فرایندهای شیمیایی برای تهیه محصولات ویژه است [۱]. همچنین با این کار حمل و نقل و سوزاندن گرد و ذرات ریز زغال تسهیل می شود.

برای خشته سازی ابتداذرات ریز سوخت را خشک و نرم می کنند. سپس آن ها را با ۷ تا ۸ درصد قیر مخلوط می کنند و به صورت خمیر در می آورند. آنگاه به کمک پرس های سرد یا گرم به بریکت تبدیل می کنند. از پرس سرد با فشار ۹۸ تا ۱۲۰ مگاپاسکال و از پرس گرم با فشار ۵/۲۹ تا ۳۸ مگاپاسکال استفاده می شود. از آنجا که اغلب زغال های نا مرغوب، خود دارای قیر و مواد چسبنده هستند، بدون آن که مواد اضافی به مخلوط آن ها افزوده می شود، تحت فشار مناسب به هم می چسبند.

هـ) تقطیر

حرارت دادن زغال سنگ را بدون آنکه در معرض هوا قرار گیرد، تقطیر زغال می نامند. این عمل به تقطیر خشک نیز مشهور است. بسته به نوع فراورده های مورد نظر، فرایند تقطیر خشک به دو صورت انجام می گیرد [۲].

۱- تقطیر در دمای کوچک. این روش، اصطلاحاً، به پختن نیمه کوک  موسوم است. در اینجا دما کوچک است. این فرایند بیشتر به منظور تهیه گاز و تبدیل زغال به نفت انجام می گیرد.  باقی مانده جامد، که نیمه کوک نام دارد، فراورده فرعی است. نیمه کوک محتوی ۱۰ تا ۱۵ درصد مواد فرار بوده و شکننده است. بنابراین در صنایع متالورژی قابل استفاده نیست، زیرا در جریان حمل و نقل خرد می شود. از محصول فرعی تقطیر می توان برای حرارت دادن بویلرها و کوره های صنعتی استفاده کرد. برخی از مواد نیمه کوک شونده عبارتند از: بیتومینه، لیگنایت و زغال نارس.

۲- تقطیر در دمای بزرگ. این فرایند در دمای بیش از ۱۰۰۰درجهC انجام می گیرد. فراورده اصلی این روش کوک است که در صنایع آهن و فولاد کاربرد زیادی دارد. در اثر تقطیر در دمای بالا، از یک تن زغال سنگ در حدود ۷۰۰ کیلوگرم کوک تولید می شود و فراورده های فرعی حاصل از آن مشتمل برگاز، نفت سبک، قیر و آمونیاک است. ارزش حرارتی مواد فرار حاصل حدود ۳ MJ / m8/18 – ۶/۱۴ است. مواد اولیه مورد استفاده، مخلوط زغال های بیتومینه است.

– تولید زغال سنگ در جهان

در سال ۱۸۶۰ م . حدود ۶۰ درصد از کل انرژی مواد معدنی جهان از زغال سنگ حاصل می شد. این نقش تا دو دهه اول قرن بیستم نیز حفظ شد، اما ناگهان با ورود نفت و گاز به صحنه، سیر نزولی طی کرد و به کمتر از ۲۰ درصد کل ارزش مواد معدنی جهان رسید، هرچند رقم تولید در جهان سیر صعودی داشت.

ذخایر تثبیت شده و قابل استحصال زغال سنگ جهان به حدود ۱۰۳۱ گیگاتن بالغ می شود [۱۰]. این رقم شامل ۵۲۰ گیگاتن زغال سنگ بیتومینه و ۵۱۱ گیگاتن زغال نیمه بیتومینه است. بخش اعظم ذخایر زغال سنگ جهان متعلق به ایالات متحده امریکا و شوروی سابق  است. ذخایر امریکا و شوروی سابق هر یک به ۲۴۱ گیگاتن بالغ می شود. ذخایر امریکا ۱۰۶ گیگاتن و در شوروی سابق ۱۰۴ گیگاتن است که از زغال سنگ بیتومینه تشکیل یافته است. کشورهای هند با ۶۸ گیگاتن، چین با ۶۲ گیگاتن، آفریقای جنوبی با ۵۵ گیگاتن و استرالیا با ۴۵ گیگاتن ذخیره، به ترتیب در رتبه های بعدی قرار دارند.

ذخایر زغال سنگ در مقایسه با نفت و گاز به مراتب بیشتر است [۱۰]. به طوریکه تولید جاری جهانی زغال سنگ بیتومینه ۸/۲ گیگاتن و نیمه بیتومینه و لیگنایت حدود ۱ گیگاتن است. بدین ترتیب ذخایر موجود زغال سنگ برای رفع نیازهای ۲۰۰ سال آینده کافی است. از اینرو، انتظار می رود که در سالهای آتی، زغال سنگ بخش مهمی از جهان را تأمین کند.

در سال های اخیر پیشرفت  های قابل توجهی در فرایندهای مختلف تولید و بهره برداری از زغال سنگ در کشورهای صنعتی حاصل شده است که در مجموع زغال سنگ را به منبع انرژی اولیه قابل قبول تبدیل کرده است. از جمله این پیشرفت ها حداقل کردن غبار حاصل از زغال سنگ و پخش آلاینده های دی اکسید گوگرد و دی اکسید ازت در اثر احتراق را می توان مورد اشاره قرار داد. در تکنولوژی های جدید احتراق زغال سنگ، مشکل مربوط به انتشار ۲CO تا حدود زیادی رفع شده و زمینه استفاده از زغال سنگ با بازده بالا فراهم شده است. کشورهای تولید کننده زغال سنگ در جهان فراوانند. این ماده معدنی در بسیاری از مناطق جهان شناخته شده و مورد بهره برداری قرار می گیرد. چدویک نام ۶۰ کشور را برشمرده و اظهار کرده است که بسیاری از کشورهای جهان به ارقامی که در برنامه هایشان ذکر شده، دست نیافته اند و از اینرو تولید زغال سنگ در جهان در گستره ارقام تولید سال های قبل نوسان دارد [۱۱]. یکی از دلایلی که باعث عدم رشد تولید شده مقررات سختگیرانه حفظ محیط زیست است. سوزاندن  زغال سنگ های پرگوگرد از نظر مقررات محیط زیست روزبه روز مشکل تر شده است.

به طور کلی ۴۷ درصد زغال سنگ تولیدی به مصرف  سوخت  در نیروگاه ها، ۱۹% برای تولید کوک متالورژی و ۳۴% به منظور مصارف خانگی می رسد [۱۱]. نیروگاه ها نه تنها در حال حاضر محکم ترین مصرف کننده زغال سنگ هستند، بلکه انتظار می رود در آینده نیز چنین باشد. در صنایع آهن و فولاد نیز احتمال می رود در آینده با برخورداری از تکنولوژی های پیشرفته، زغال سنگ های نامرغوب بتواند به کار رود.

منابع:

http://webna.ir/news

http://fisiks.com

www.ieicenter.com

www.istgah.com

جوابی بنویسید

ایمیل شما نشر نخواهد شدخانه های ضروری نشانه گذاری شده است. *

*

بالا
تمامی حقوق این سایت متعلق به دانلود های می باشد.
کپی برداری از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است.
CopyRight © 2013-2017 DownloadHi.ir این سایت هیچگونه مسئولیتی در مورد محتوای مطالب منتشر شده اش ندارد و در مورد انتشار برنامه ها،
کلیه مطالب و برنامه های موجود در این سایت از سایتهای معتبر تهیه شده اند و در رابطه با برنامه های ایرانی ثبت شده، در صورتی که
صاحب اثر رضایت نداشته باشد می تواند در قسمت نظرات پیام بگذارد تا ضمن هماهنگی برای ارسال اسناد و مدارک
مربوطه در مورد ثبت برنامه مورد نظر، نسبت به حذف آن اثر طی 72 ساعت اقدامات لازم انجام گیرد.