سوخت هاي جامد

سوخت هاي جامد

مقدمه

مهمترين وقديمي ترين گروههاي سوخت فسيلي ، حالت جامد دارند .اين سوخت ها به دسته هاي مختلفي تقسيم مي شوند .درفرم كلي مي توان آنها را به دو دسته سوخت هاي جامد طبيعي وسوخت هاي جامد مصنوعي يا ساختگي تقسيم كرد [1]. ازمهمترين سوخت هاي دسته اول چوب، زغال نارس وزغال سنگ وازمهمترين سوخت هاي گروه دوم زغال چوب وكوك را مي توان نام برد . مهمترين سوخت جامد صنعتي ، زغال سنگ است كه از آن به منظورهاي مختلف وخصوصاً در صنايع توليد آهن وفولاد استفاده مي شود. ازابتداي پيدايش صنعت ،  زغال سنگ منبع مهمي براي توليد انرژي بوده است . هرچند از اوايل دهه 1930 م. با دستيابي به نفت وبعد از آن گاز طبيعي به عنوان دو منبع مهم انرژي ، زغال سنگ جاي خود را به اين سوختها داد ، اما هنوز دربرخي از كشورها ، مهمترين منبع انرژي ، زغال سنگ است . ازطريق مقايسه ميزان منابع انرژي موجود درجهان وسرعت مصرف سوخت هاي فسيلي مي توان پيش بيني كرد كه بشر بار ديگر درآينده ، به زغال سنگ روي خواهد آورد.

سوخت
سوخت

مزاياي سوخت هاي جامد به اين شرح است :

1- براي ذخيره سازي به مخزن خاصي نيازنداردودرواقع هرسطح صافي براي اين كارمناسب است.

2-  درمقاسيه با نفت خام ، داراي هيدروژن كمتري است وازاين رو ارزش حرارتي خالص آن بيشتر از نفت است .

3-  مقدار گوگرد موجود درآن بطور متوسط از نفت كمتر است واز اين رو آلودگي وخوردگي كمتري را سبب مي شود.

4-  خاكستر زغال سنگ عاري از تركيبات واناديوم است ودر نتيجه سبب خوردگي داغ تأسيسات نمي شود .

5-  اندازه دانه هاي آن را مي توان به دلخواه تغيير داد ولذا در جاهاي مختلف قابل استفاده است .

دراين فصل به معرفي اجمالي برخي از گروه هاي مهم سوخت هاي جامد مي پردازيم .

– زغال سنگ

زغال سنگ مهمترين سوخت جامد صنعتي است كه براي توليد انرژي الكتريكي ، احياي فلزات به روش سنتي يا احياي مستقيم ، توليد گاز ، ساختمان سيمان وقند ، ساخت مواد شيميايي وتوليد حرارت مصرف مي شود [1و2 ]. زغال سنگ معمولاً بطور لايه ا ي درپوسته زمين ذخيره شده است . اين ماده ازبقاياي گياهان مدفون شده درزير رسوبات نواحي مردابي وباتلاق ها درزمان هاي گذشته بوجود آمده است [1] . فعاليت هاي شيميايي باكتري ها وفشارهاي كوهزايي ، اين رسوبات را به زغال سنگ تبديل كرده است . روي تمامي زغال سنگ هاي جهان ، صرفنظر اززمان تشكيل، تنه وساقه گياهان بصورت فسيل ديده مي شود. مدفون شدن بقاياي گياهان ونرسيدن اكسيژن به آنها، شرط اوليه واساسي تبديل  مواد آلي به جامدات فسيلي است .محل هاي تشكيل زغال سنگ « تورب زا ر» ناميد مي شود . درباره  نحوه مدفون شدن مواد گياهي درزير زمين وتشكيل مناطق تورب زار دو نظريه وجود دارد [1و2] . برطبق نظريه اول يا نظريه برجا ، محل پيدايش زغال سنگ دقيقاً همان جايي است كه گياهان درآنجا رشد كرده ومدفون شده اند. تمامي رگه هاي باارزش زغال سنگ ازاين نوع است . نظريه دوم يا نظريه نابرجا براين اساس است كه مواد گياهي ، قبل از رسوب كردن ومدفون شدن دراثر جريان آب رودخانه ها ازجايي به جاي ديگر منتقل شده ودر محل هايي  تجمع كرده اند. اين زغال ها محتوي درصد زيادي از كاني هاي مختلف هستند و به همين جهت استفاده از آنها فعلاً مقرون به صرفه نيست. در مناطق تورب زار، فشار و دما به حدي نيست كه ساختار سنگ هاي همراه را تغيير دهد و تنها تورب را به زغال سنگ قهوه ا ي و سپس درخشان تبديل مي كند. زغال سنگ هاي ايران مربوط به دوره ژوراسيك (حدود 181 ميليون سال پيش) ودوره كرتاسه (حدود 135 ميليون سال پيش) هستند [2 و 3].

– انواع زغال سنگ

صرفنظر از تأثيرات ناشي از اندازه و مقدار خاكستر يا ديگر ناخالصي هاي موجود در زغال سنگ، اساساً تقسيم بندي گروه هاي مختلف زغال سنگ بر مبناي كيفيت ماده زغال انجام مي گيرد [1]. از نظر تركيب شيميايي، انواع زغال سنگ را با همديگر مقايسه كرد [4].

اكنون به اختصار به شرح گروه هاي زغال سنگ مي پردازيم.

الف) زغال سنگ ليگنايت (قهوه ا ي)

ليگنايت از جوان ترين زغال سنگ هاست و رنگ قهوه ا ي متمايل به سياه دارد. اين زغال، مرحله انتقال زغال نارس (ليف) را به زغال سنگ نشان مي دهدو اليافي شبيه به چوب دارد. اين زغال سنگ پايين ترين درجه زغال سنگ هاي خالص است و معمولاًدر حالت خشك و بدون خاكستر داراي حدود 60 تا 75 درصد كربن و نزديك به 20 تا 25 درصد اكسيژن  است . اين زغال معمولاً حاوي موادي مانند خاكستر، رطوبت گوگرد و مواد فرار فراوان است و در حالت خشك شده در هوا حدود 15 تا 20 درصد رطوبت دارد. به طور كلي ميزان كربن ليگنايت بيشتر و هيدروژن آن كمتر از چوب است. ارزش حرارتي ليگنايت معادل 5/12 تا 5/13 مگاژول بر گيلوگرم است كه به علت كوچكي ، استفاده از ليگنايت در صنعت ذوب فلزات را ناممكن  مي سازد. علاوه بر اين وجود مقدار زيادي رطوبت و گوگرد در بعضي از انواع ، ارزش حرارتي ليگنايت را بازهم كوچكتر مي كند.

ليگنايت جسمي است نمگير كه با شعله ا ي بلند و دوزا مي سوزد. انتقال آن در مسير طولاني ميسر نيست و در اثر انبار كردن خرد مي شود و ممكن است شعله ور گردد. با حرارت دادن ليگنايت در نبود هوا مي توان موادي نظير گاز، كوك، بنزين، روغن هاي سنگين و آمونياك به دست آورد. از زغال قهوه ا ي در صنايع برق و شيمي مي توان استفاده كرد.

ب) زغال سنگ بيتومينه (قيردار)

بيتومينه به رنگ سياه يا خاكستري تيره است و ظاهري راه راه دارد. وزن مخصوص آن از زغال سنگ قهوه اي بيشتر و در حدود 3/1 تا 5/1 است. اين زغال سنگ 75 تا 85 درصد كربن دارد و مواد فرار آن كمتر از ليگنايت است. خاكستر زغال سنگ قيردار 5 تا 10 درصد و رطوبت آن بين 5 تا 8 درصد متغير است. حد پايين ارزش حرارتي بيتومينه از انواع ديگر زغال سنگ بيشتر و بين

9/20 تا 2/27 مگاژول بر كيلوگرم است.

بيتومينه از ليگنايت فشرده تر است و در حمل و نقل كمتر خرد مي شود و به ندرت مشتعل مي گردد. به هنگام سوختن شعله زرد رنگ دارد و بوي قير مي دهد. مصرف اين زغال از ساير انواع بيشتر است و در تهيه سوخت هاي گازي و مايع ، توليد انرژي الكتريكي، و تهيه كوك متالورژي بكار مي رود. اين زغال بر حسب خاصيت كوك شوندگي ، به سه دسته قابل تقسيم است : كوك شو ، نيمه كوك شو و كوك نشو .

نوع كوك شو (چرب شعله كوتاه) ، در برابر حرارت فوري نرم شده و حالت خميري به خود  مي گيرد. در حدود 900 درجه سانتي گراد  مواد فرار خود را از دست مي دهد و پس از سرد شدن به جسم سخت و سياه رنگي به نام كوك تبديل مي شود. نوع كوك نشو (چرب شعله بلند) به سهولت مشتعل مي گردد و بدون اينكه به حالت خميري در آيد ، باقيمانده پودر مانندي بر جاي مي گذارد. زغال هايي كه ويژگي آنها حد مياني ليگنايت و بيتومينه است ، زغال هاي زير بيتومينه (نيمه قيردار) ناميده مي شوند. اين زغال ها رطوبت و مواد فرار زيادي دارند و خاصيت كوك شدن ندارند . گونه خشك و بي خاكستر آنها 75 تا 83 درصد كربن و 10 تا 20 درصد اكسيژن دارد.

ج) زغال سنگ آنتراسيت (درخشان)

آنتراسيت قديمي ترين نوع زغال سنگ است . اين زغال از ساير انواع زغال سنگ سخت تر و محكم تر بوده و رنگي سياه با جلاي ويژه دارد و در اثر مالش دست را كمي سياه مي كند. ميزان كربن ثابت زغال درخشان از ساير انواع زغال سنگ زيادتر بوده و بيش از 93 درصد است. مواد فرار آن نيز معمولاً از 6 درصد كوچكتر است. زغال درخشان خاصيت كوك شوندگي ندارد و پس از احتراق به شكل پودر در مي آيد. ارزش حرارتي اين زغال به طور متوسط حدود 9/20 تا 8/28 مگاژول بر كيلوگرم است. اين زغال سنگ به سختي مشتعل مي شود و به علت كوچكي مواد فرار ، شعله ا ي كوتاه و متمايل به آبي دارد و به آرامي مي سوزد. به همين علت زغال درخشان براي مصارف خانگي مناسب بوده و به هنگام انبار كردن نيز خرد نشده و خودبه خود مشتعل نمي شود .زغال سنگ هايي كه از نظر ويژگي در حد واسط بين بيتومينه و آنتراسيت ، نيمه آنتراسيت ناميده مي شوند. اين زغال ها بين 90 تا 93 درصد كربن، 10 تا 20 درصد مواد فرار و 2 تا 4 درصد اكسيژن دارند. برخي از انواع نيمه آنتراسيت ها قابليت كوك شوندگي دارند. اين زغال ها را با نام هاي نيمه بيتومينه ، لاغر ، قيردار خشك و زغال مولد بخار نيز مي خوانند.

– خواص فيزيكي زغال سنگ

انواع مختلف زغال سنگ خواص فيزيكي متفاوتي دارند. برخي از اين خواص نظير تخلخل در مطالعات مربوط به نحوه تشكيل زغال سنگ مورد استفاده قرار مي گيرند . برخي ديگر نظير وزن مخصوص، حين استفاده ويژگي خود را آشكار مي كنند.

الف) تخلخل

زغال سنگ جسمي متخلخل با منافذ مويينه و سوراخ هايي با اندازه هاي مختلف و ساختاري اسفنجي است كه در نتيجه مايعات و گازها را به راحتي درون خود نفوذ مي دهد . به طور كلي دو نوع حفره در زغال سنگ ها وجود دارد . در نوع اول  قطر متوسط حفره ها تا A 500 درجه بوده و سطح داخلي آنها بيشتر از gr/m2 1 نيست . در نوع دوم قطر متوسط حفره ها حدود A15-5درجه بوده و سطح داخلي آنها به حدود gr/m2 200 مي رسد. براي اندازه گيري ميزان تخلخل ، از نفوذ مايعات به درون زغال سنگ مي توان استفاده كرد . نسبت حجم خلل و فرج به حجم حقيقي     زغال سنگ كسر تخلخل ناميده مي شود . به علت وجود تخلخل ، چگالي ظاهري زغال سنگ (  َd) از چگالي واقعي آن (d) كمتر است . اگر m جرم نمونه زغال باشد، كسر تخلخل عبارت خواهد بوداست از :

همانطور كه ديده مي شود ، ميزان تخلخل در انواع زغال سنگ بسيار متفاوت بوده وبراي نمونه داراي 88 تا 89 درصد كربن ، حداقل خود را داراست. هرچه كربن ازاين مقدار كمتر شود، ميزان تخلخل ونيزپراكندگي بيشتر خواهد شد.

مجموع سطوح حفره هاي داخل زغال سنگ را مي توان با اندازه گيري گرماي تر شدن محاسبه كرد [1] . هرگاه زغال سنگ گاززدايي شده ا ي را درسيالي قرار دهيم ، جذب سطحي سيال با آزاد شدن گرما همراه است به طوري كه متناسب با سطح جامد تر شده مقدار گرما افزايش مي يابد . دراين آزمايش بهتر است ازماده آلي با اندازه مولكولي كوچك استفاده شود تا بتواند وارد حفره هاي بسيار ريز زغال شده وجايگزين لايه متاني شود كه اغلب روي سطوح تازه زغال سنگ ها وجود دارد.استفاده از بخار متانول بر ديگرروش ها برتري دارد [2] زيرا گرماي ترشدن را به سرعت آزاد كرده واندازه گيري هاي دقيق كالري متري را امكان پذير مي سازد. هرچه سطح دروني زغال بيشتر باشد گرماي ترشدن نيز بيشتر خواهد بود. اين مقدار از حدود J/gr 33 براي آنتراسيت تا حدود  J/gr 74 براي يك زغال سنگ غيرقابل كوك شدن داراي 80 درصد كربن تغيير مي كند [1] . حجم خلل وفرج زغال هاي قيردار 10 تا 20 درصد است كه 3 تا 10 درصد آن به لوله هاي مويين تعلق دارد. با توجه به اينكه سطح دروني اين زغال ها بين 30 تا 100 مترمربع درازاي هرگرم است ، پس قطر لوله هاي مويين آنها بايد حدود A400 درجه باشد.

ب) وزن مخصوص و قابليت ذخيره سازي

وزن مخصوص زغال سنگ تابع نسبت مواد سوختني و ميزان خاكستر است. خاكستر چگالي بيشتري از مواد سوختني دارد و از اينرو، اثر زيادي بر وزن مخصوص توده زغال مي گذارد. وزن مخصوص زغال سنگ هاي بيتومينه در گسترة 27/1 تا 45/1 (گرم بر سانتي متر مكعب) قرار دارد. زغال سنگ آنتراسيت حدود 10 تا 15 درصد از بيتومينه فشرده تر بوده و وزن مخصوصي بين 4/1 تا 7/1 دارد. تغييرات وزن مخصوص با هيدروژن مخصوص درزغال سنگ رابطه تقريباً خطي دارد.

چگالي توده زغال سنگ و قابليت ذخيره سازي آن تابع عوامل متعددي است كه عبارتند از :

اندازه مواد، درجه زغال، شكل ذرات، ميزان آب آزاد موجود در زغال، شكل محفظه مورد استفاده و روش ذخيره سازي. با افزايش درصد كربن ، وزن مخصوص زغال سنگ افزايش  مي يابد. در يك درجه زغال خاص ، وزن مخصوص زغال تر بيشتر از خشك است . از اين ميان شكل ذرات زغال سنگ اهميت كمتري دارد، چون از يك زغال تا زغال ديگر تغيير چنداني  نمي كند.

ج) خواص حرارتي

يكي از مهمترين ويژگي هاي سوخت هاي مختلف و از جمله زغال سنگ ها ارزش حرارتي آن هاست [1]. زغال سنگ ها داراي اكسيژن، رطوبت، ازت، كربن هيدروژن، خاكستر و عناصر ناخواسته ديگر هستندو از آنجا كه فقط كربن و هيدروژن آن ها قابل سوختن است، ارزش حرارتيشان معادل مجموع ارزش حرارتي كربن و هيدروژن موجود در آنها است . وجود عناصر ناخواسته از ارزش حرارتي زغال سنگ ها مي كاهد. از انجا كه هيدروژن ارزش حرارتي بزرگتري نسبت به كربن دارد، با كاهش درجه زغال يعني كاهش ميزان كربن، نخست، ارزش حرارتي افزايش يافته و سپس به علت افزايش اكسيژن كاهش مي يابد.

هرچند فرمول هاي متعددي براي مرتبط ساختن ارزش حرارتي زغال سنگ ها با تركيب آن ها، پيشنهاد شده ولي بهتر است براي اندازه گيري ارزش حرارتي از بمب كالري متر مستقيماً استفاده شده و آزمايش هاي استاندارد انجام شوند.

وقتي كه زغال سنگ براي تهيه گاز يا كوك، تقطير شود،  تغييرات حرارتي اندكي در آن ايجاد مي شود. در اين عمل ساختار پيچيده زغال به ساختارهاي ساده تري شكسته مي شود و از آنجا كه حرارت تشكيل ساختار اوليه و ساختارهاي نهايي در محصولات تقطير متفاوت است، عمل تقطير مي تواند گرمازا يا گرماگير باشد. البته دما مي تواند نقش عمده ا ي در حرارت حاصل از تقطير يا حرارت لازم براي آن داشته باشد. به طور كلي ليگنايت و زغال هاي جوان تر نسبت به زغال هاي قديمي تر، گرما زايي بيشتري دارند. گرمازايي تا حدودي تابع ميزان اكسيژن موجود در زغال است. در كمتر600درجه Cبرخي از زغال ها گرماگيرند و برخي ديگر گرما زا، ولي بالاي اين دما تمايل بيشتري به گرماگيري وجود دارد و در بيشتر از 800درجهC اين پديده شديد مي شود.  به عنوان مثال، گرماي عمليات تقطير چند زغال در دماي700 درجهC به اين شرح است:

ليگنايت 730+تا 1351+ ژول بركيلوگرم و بيتومينه : 126 + تا 238- ژول بركيلوگرم (علامت+ نشانه گرماگير بودن و علامت – نشانه گرمازا بودن عمليات است).

ظرفيت حرارتي زغال سنگ در فرايند تقطير مورد توچه قرار مي گيرد. براي اندازه گيري ظرفيت حرارتي مي توان از روش هاي مستقيم يا از متغيرهاي ضريب نفوذ و ضريب هدايت حرارتي استفاده كرد. مقدار ظرفيت حرارتي دو نوع زغال سنگ بدون رطوبت و بدون خاكستر ، در دماي معمولي چنين بدست آمده است:

آنتراسيت: J/gr.0k 96/0-92/0و بيتومينه، J/gr.0k 09/1- 1. ظرفيت حرارتي زغال سنگ با افزايش مواد فرار و نيز كاهش نسبت C/H افزايش مي يابد. ارتباط ظرفيت حرارتي با مقدار خاكستر يا رطوبت موجود در زغال به صورت خطي است و براي محاسبه تأثير تركيب شيميايي مي توان از فرمول هاي مربوط استفاده كرد به عنوان مثال براي كوك روابطي به صورت زير داده شده است.

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

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

كه در آن A ميزان خاكستر موجود در كوك است.

ضريب هدايت حرارتي زغال سنگ ها تابع ميزان تخلخل و ساختار مويينه آن هاست . در دماي محيط ضريب هدايت حرارتي تقريباً در گستره mK/W35/0-23/0 تغيير مي كند.با افزايش دما، در اثر بروز تابش بين سطوح خلل و فرج، ضريب هدايت حرارتي زغال افزايش مي يابد، به طوري كه در دماي 800 درجهC هدايت حرارتي به mK/W2-1 تبديل مي شود [2]. فرمول هاي مختلفي براي تعيين ميزان متوسط ضريب هدايت حرارتي زغال سنگ ها در عمليات تقطير پيشنهاد شده است . به عنوان مثال اگر t دماي تقطير  باشد، متوسط ضريب هدايت حرارتي زغال سنگي كه به كوك با چگالي r تبديل مي شود،در گسترده حرارتي 0-t با اين رابطه قابل محاسبه خواهد بود [1].

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

كه در آن t بر حسب درجه C و K برحسب درجه  C/S / cm/ J بيان مي شود.

د) خواص الكتريكي ، مغناطيسي و نوري

در فرآيندهايي از تقطير زغال سنگ به طريق الكتريكي انجام مي گيرد، هدايت الكتريكي يا مقاومت ويژه زغال سنگ و كوك از اهميت خاصي برخوردار است . زغال سنگ يك نيم رساناست و هدايت الكتريكي انواع خشك آن خيلي كم است ولي با افزايش دماي زغال به طور نمايي زياد مي شود. در واقع اين افزايش ناشي از تغيير ساختار كربن است كه در بالاي 600درجه C شتاب بيشتري پيدا مي كند. به علت تشكيل لايه آب، هدايت الكتريكي زغال با افزايش  رطوبت افزايش مي يابد. مقاومت ويژه زغال هاي بيتومينه در گستره 106×4 تا 107 ×5 اهم- سانتيمتر تغيير مي كند [1] . ثابت D اليكتريك زغال نيز با تغيير ساختار در طي مراحل گرم كردن، به شدت تغيير مي كند. اين تغيير تابع درصد كربن زغال است و در 88 درصد كربن حداقل است.

خواص مغناطيسي زغال بسيار مهم است. اندازه گيري هاي مختلف نشان داده است كه در زغال سنگ، راديكال هاي آزاد (مولكول هايي كه يكي از اتم هاي آنها يك ظرفيت كمتر دارد) وجود دارند. بيشترين غلظت اين راديكال ها يك در 1000 است كه در زغال سنگ حاوي 92 درصد كربن اتفاق مي افتد [7].

خواص نوري زغال مانند قابليت انعكاس سطوح نيز از اهميت زيادي برخوردار است. اين قابليت را با ضريب انعكاس (IOR) نشان مي دهند. اين ضريب با افزايش درجه زغال افزايش مي يابد و لذا معياري براي تشخيص درجه زغال است. با افزايش درجه ، خاصيت نيم رسانايي زغال نيز تقويت مي شود.

هـ) حلاليت

حلال هاي آلي مختلفي براي حل سازي جزئي زغال سنگ بكار مي روند. درجه حل شوندگي بستگي به نوع حلال دارد و از حدود 1/0درصد براي بنزن سرد تا 3/47 درصد براي كوئينولين جوشان تغيير مي كند [1]. براي رسيدن به حد اكثر حل شوندگي ، بايد ذرات بسيار ريز زغال سنگ را در دماي معادل نقطه جوش حلال يا تحت فشار بدان افزود. حل كردن زغال سنگ در حلال به منظور حذف اجزاي ناخواسته و بهبود خواصي نظير قابليت كوك شوندگي انجام مي شود . دو حلال معروف عبارتند از:  پيريدين در دماي 118 درجهC و بنزن تحت فشار در دماي 275 درجه C.  حل شوندگي  زغال سنگ در پيريدين تابع نوع زغال است  و از 5/7 تا 42 درصد تغيير مي كند. اين گسترده براي بنزن تحت فشار معادل 5/ 3 تا 21 درصد است. تأثير ساير حلال ها نيز با نوع زغال تغيير مي كند. برخي از حلال هاي مهم عبارتند از:استون تا 3 درصد، آنيلين تا 12 درصد، فنل تا 35 درصد،تترالين تا 45 درصد،الكل،دي سولفيدكربن و اتر هر سه كمتر از 1درصد.

ط) ساختار

آزمايش هاي پراش اشعه ايكس وجود تعداد كمي ازخطوط مربوط به ساختار گرافيت را درتصوير پراش زغال سنگ آشكار مي سازد. شش وجهي هاي مركب ازورقه هاي موازي با  اتم هاي كربن در رئوس مجاور هم ، اين ساختار را تشكيل مي دهد. طول ضلع شش وجهي ها 42/1 انگستروم وفاصله بين ورقه ها حدود 3/3 انگستروم است . اما ساختار زغال سنگ كاملاً بلوري نيست وتنها شامل نواحي جزئي حاوي بلورهاست . اين نواحي را كريستاليت مي گويند. كريستاليت از روي هم قرار گرفتن چندين ورقه موازي متشكل از اتم هاي كربن ( شبه گرافيت ) بوجود مي آيد. برخلاف گرافيت ، اين صفحات داراي جهت منظم نبوده ودر نتيحه نيروي اتصال بين آنها خيلي كمتر از نيروي اتصال درگرافيت است .

برحسب درجه زغال سنگ ، ويژگي اين كراستاليت ها بصورت زير تغييرمي كند [2] :

1- درزغال سنگ هاي ليگنايتي (شعله دار) كريستاليت ها كوچك اند و از تعداد كمي ورقه به هم پيوسته تشكيل شده اند. فاصله بين ورقه هاي اين كريستاليت ها خيلي بيشتر از فاصله مربوط به گرافيت است.

2- در زغال هاي بيتومينه (چرب) فاصله بين ورقه هاي كريستاليت ها كمي بيشتر از فاصله مشابه در گرافيت است.

3- در زغال هاي آنتراسيت تعداد ورقه ها بيشتر و گسترده تر بوده و قطري به اندازه 15 تا 16 انگسترم دارند. اين ورقه ها مي توانند محتوي 30 تا 40 هسته شش وجهي باشند. فاصله بين ورقه ها خيلي نزديك  به فاصله مربوط به گرافيت (حدودA4/3 درجه) است. در مجموع با افزايش درجه زغال، فاصله بين ورقه هاي سازنده كاهش يافته و ساختار به شبكه گرافيت نزديكتر مي شوند.

4- در زغال هاي پست ،كريستاليت ها به گونه ا ي نا منظم در كنار هم قرار مي گيرند .

– تجزيه زغال سنگ

آگاهي از مقدار عناصر سازنده زغال سنگ در مواردي از قبيل محاسبه ميزان احتراق، موازنه انرژي و طراحي كوره ضرورت مي يابد [8]. تجزيه زغال سنگ به دو روش انجام مي گيرد. در روش اول كه تجزيه مستقيم (تقريبي) ناميده مي شود، درصد رطوبت، خاكستر مواد فرار و گاهي مقدار گوگرد اندازه گيري مي شوند و تفاضل اين مجموعه از عدد 100، مقدار كربن ثابت زغال را بدست مي دهد [1]. اين روش بسيار ساده بوده و اغلب به كار مي رود . در روش دوم كه تجزيه دقيق نام دارد ، با استفاده از نمونه زغال مناسب، مقدار عناصر كربن ، هيدروژن، گوگرد، نيتروژن و اكسيژن اندازه گيري مي شوند. در مواردي كه دقت زياد لازم است ، بايد محاسبات بر اساس زغال عاري ازمواد معدني صورت پذيرد؛ ولي براي مواردي كه زغال داراي خاكستر اندكي است، بهتر است محاسبات بر اساس زغال خشك عاري از خاكستر انجام  گيرد.

در سطرهاي بعد به تشريح مختصر نحوه تجزيه اجزاي مختلف موجود در زغال سنگ مي پردازيم.

الف) خاكستر. ميزان خاكستر موجود در زغال معمولاً از طريق سوزاندن وزن معيني از زغال در دماي مناسب و اندازه گيري مجدد وزن آن تعيين مي شود. وزن نمونه حدود 1 تا 2 گرم است و دماي 700 تا 750 درجه سانتيگراد براي اين منظور بكار مي رود [7]. عامل اصلي در بروز تغيير در مقدار خاكستر، ميزان گوگرد باقي مانده در زغال است. اگر در زغالي با درجه زياد، ميزان معدني پيريت و كربنات كوچك باشد، گوگرد باقي مانده بحراني نيست و خاكستر شدن به سرعت روي مي دهد. ولي اگر ميزان پيريت و كليسيت قابل توجه باشند، ابتدا پريت در دماهاي كم تجزيه           مي شود و سپس تجزيه كربنات روي مي دهد. از اين رو گوگرد كمتري در زغال باقي مي ماند تا با بازهاي تشكيل شده در دماهاي زياد واكنش انجام دهد. در اين عمليات بايدگردش هواي آزاد در سيستم وجود داشته باشد تا اجزاي معدني زغال كاملاً به اكسيد تبديل شوند.

براي تجزيه خاكستر حاصل از زغال سنگ معمولاً از اصلاح روش هاي كلاسيك شيمي تر كه بدواً براي سنگ هاي سيليكاتي ابداع شده است ، استفاده مي شود. اما چون اين روش ها وقت گيرند، براي تجزيه به تعداد زياد، يك سلسله روش هاي فيزيكي شيميايي نظير نورسنجي، طيف سنجي شعله، پلاروگرافي، طيف بيني نشري و تيتراسيون نيز معين شده اند [7].

ب) مواد معدني. برخلاف خاكستر تعيين مقدار مواد معدني موجود در زغال سنگ كاري مشكل است؛ زيرا در نتيجه ظهور پديده هايي مانند متصاعد شدن2 CO از كربنات ها، حذف آب تبلور موجود در ساختار مواد معدني ، تبديل پريت به اكسيد آهن، باقي ماندن گوگرد آلي در زغال سنگ به صورت سولفات و آزاد شدن كلر، وزن خاكستر نهايي با وزن مواد معدني اوليه موجود در زغال سنگ يكي نيست. براي تعيين اجزاي سازنده مواد معدني از روش هاي پراش اشعه ايكس ، راديوگرافي، آناليز حرارتي، متالوگرافي با ميكروسكوپ نوري و الكتروني استفاده مي شود. براي اندازه گيري مقدار مواد معدني اوليه موجود در زغال سنگ مي توان كارهايي بر خاكستر انجام داد. اگر تركيب دقيق خاكستر در دست باشد، اين اقدامات قابل اجراست ؛ ولي به علت دشواري و وقت گير بودن، معمولاً از فرمول هاي تجربي پيشنهادي محققان استفاده مي شود. فرمول پار براي مثال بهترين فرمول است. اين فرمول در استاندارد ASTM براي تقسيم بندي زغال سنگ ها، به منظور تبديل متغيرهاي مواد فرار، كربن ثابت و ارزش حرارتي به يك مبناي زغال عاري از مواد معدني به كار مي رود . فرمول پار چنين بيان مي شود [2و7]

 S55/0 + A08/1 = M

كه در آن M درصد مواد معدني، A درصد خاكستر و S درصد گوگرد موجود در زغال است.

در فرمول ديگري كه به كوشش كينگ ، ماريس و كراسلي وضع شده است، علاوه بر اصلاحات لازم براي هيدراته شدن آب درون زغال سنگ، اصلاحات ديگري  نيز در آن منظور شده است از جمله اصلاحات مربوط به شكل هاي مختلف گوگرد، دي اكسيد كربن موجود در كربنات ها، گوگرد باقي مانده در خاكستر و كلر. فرمول مورد بحث به اين صورت است [1 و 7]

CI5/0 + (Coal)3SO + (Ash)3SO1/1 – 2CO8/0 + Pyrite5/0 + A09/1 = M

براي اجراي اين اصطلاحات حجم نسبتاً زيادي كار تحليلي لازم بود . براون ، كولدول و فارادي با استفاده از مطالعات آماري نشان داده اند كه برخي از اين اجزا با هم مربوط هستند و در نتيجه اين رابطه را پيشنهاد كرده اند

320/0 – 2CO74/0 + S 5/0 + A06/1 = M

مقدار مواد معدني را از روي تركيب شيميايي زغال سنگ نيز مي توان به دست آورد. در اين مورد مي توان از رابطه زير استفاده كرد

(C + H + N + O + S) – 100= M

در اين فرمول تجزيه بر اساس زغال سنگ خشك است. حدود 95 درصد از تركيبات موجود در مواد معدني شامل گروه هاي سنگ رستي، كائولين، سولفيد و كربنات است.

ج) رطوبت. مقدار رطوبت زغال سنگ يا كوك در زمان نمونه برداري داراي اهميت زيادي است؛ زيرا اين مقدار به عنوان يك مبنا براي محاسبات تركيب شيميايي زغال ها استفاده مي شود. دو نوع رطوبت در زغال ها ديده مي شود. يكي رطوبت خارجي كه فقط در سطح زغال وجود دارد و تابع وسعت سطح است. اين رطوبت را مي توان به آساني از طريق اختلاف وزن اوليه نمونه با وزن آن پس از خشك شدن در هواي آزاد در دماي حدود 70 درجهC ، محاسبه كرد [2]. در اينجا بايد به هنگام نمونه برداري، عمليات را طوري انجام داد كه بين زمان نمونه برداري و زمان اندازه گيري، مقدار رطوبت تغيير نكند.

نوع ديگر رطوبت به صورت دروني است كه در منافذ و خلل و فرج زغال وجود دارد و وابسته به ساختار داخلي زغال است . اين رطوبت با كاهش وزن نمونه در اثر خشك كردن در گرمخانه اي با دماي حدود 110-105 درجه سانتي گراد اندازه گيري مي شود. گرمخانه هاي استاندارد جهت اين عمليات طوري طراحي مي شوند كه حداقل فضاي خالي را داشته باشند و بتوان در آنها از طريق جريان گاز نيتروژن و با ايجاد حالت خلأ، رطوبت را از نمونه زغال خارج كرد. براي اين كار مي توان از مواد خشك كننده و نمگير نظير پركلرات منيزيم نيز استفاده كرد [1]. اكسيژن همراه نيتروژن مورد استفاده نبايد از حدود ppm10 بيشتر باشد. وقتي كه زغال در دماي 110-105 درجهC در هوا حرارت داده مي شود، نخست، رطوبت خود را از دست مي دهد، اكسيداسيون وزن آن اضافه مي شود. اگر در هنگامي كه زغال رطوبت خود را از دست مي دهد ، اكسيداسيون روي دهد آزمايش دچار خطا مي شود. اين خطا ناشي از آن است كه مقداري از كربن مي سوزد و در نتيجه از وزن زغال كاسته مي شود و بنابراين عدد بدست آمده كمتر از مقدار واقعي خواهد بود.

رطوبت موجود در زغال يك عامل اضافي است كه هم تبخير آن باعث جذب حرارت مي شود و هم حجم محصولات احتراق را افزايش مي دهد. ارزش حرارتي زغال بر حسب ميزان  رطوبت موجود در آن به اين صورت بيان مي شود

(ah – 1) Cv = Cv0

– مراحل آماده سازي زغال سنگ

به منظور آماده سازي زغال سنگ استخراج شده براي مصرف به عنوان سوخت و يا تبديل زغال  به محصولات ديگر، عمليات مختلفي از قبيل خرد كردن، غربال كردن و شستشو لازم است انجام شوند كه به اختصارتشريح مي گردند.

الف) خرد كردن و غربال كردن

غربال كردن مقدماتي بر زغال استخراج شده از معدن، صورت مي گيرد تا ذرات بزرگتر از حدود 20 سانتي متر از توده زغال تفكيك شوند. تكه هاي بزرگتر را پس از خرد كردن دانه بندي  مي كنند. براي خرد كردن زغال از خرد كن هاي غلطكي (تك غلطكي، دو يا سه غلطكي)، چرخشي، چكشي، و يا رينگي استفاده مي شود. اطلاعات جامعي درباره انواع خرد كن ها و مشخصات آن ها در مرجع شماره [7] آمده است. عمليات خرد كردن به منظور تسهيل كار شستشو و تميز كردن زغال سنگ، كه مرحله بعدي است، انجام مي گيرد.

پس از خرد كردن، مرحله دانه بندي و غربال كردن است. پنج دسته غربال براي آماده سازي   زغال سنگ به كار مي رود: ساده، چرخشي، لرزنده، ارتعاشي و آبزدا [7]. نوع ارتعاشي براي صنايع امروزي بسيار مناسب است و دامنه اندازه سوراخ هاي آن در حدود 15/0 تا 254 ميلي متر است. شيب اين غربال ها در گستره 16 تا 26 درجه قابل تنظيم است . ميزان حركت غربال تابع اندازه ذرات است و در گستره 8/0 تا 7/12 ميلي متر تغيير مي كند. بسامد سيستم براي جدا سازي ذرات نيز از 660 تا 3400 هرتز تغيير مي كند.

ب) شستشو و تميز كردن

پس از دانه بندي، لازم است عمليات شستشو و تميزكاري به منظور جداسازي ناخالصي ها انجام گيرد.فرآيندهاي مختلف تميزكاري اساساً بر مبناي اختلاف چگالي بين زغال تميز و ناخالصي هاي موجوددر آن انجام مي گيرند. از ميان اجزاي مختلف موجود در سيستم، سبك ترين آنها زغال سنگ تميز (داراي چگالي حدود 3/1) و سنگين ترين آنها پيريت و مواد رسي   (داراي چگالي حدود 4) است و اجزاي ديگر بين اين دو حد است.

ناخالصي هاي موجود در زغال سنگ را مي توان به دو گروه مخلوطي و ساختاري تقسيم كرد. نوع مخلوطي را مي توان به سادگي از طريق روش هاي تميز كردن شناوري جداكرد، ولي جدا كردن نوع ساختاري به جز در موارد خاص، مقرون به صرفه نيست. براي اين كار زغال را به صورت گرد در مي آورند و آب يا آب و تتراكلريد كربن، كه در آب نا محلول است، مخلوط مي كنند تا مواد معدني از زغال جدا شوند.

ج) انبار كردن

بي شك انبار كردن زغال سنگ، هزينه ا ي در بر دارد، ولي با توجه به ضرورت در دسترس بودن زغال در هنگام لزوم، چنين هزينه ا ي اجتناب ناپذير است. در حين انبار كردن، ممكن است كيفيت زغال كاهش يابد و يا برخي از رويدادهاي زير اتفاق مي افتد:

–        كاهش اندازه ذرات در اثر خرد شدن مكانيكي يا تجزيه شيميايي.

–        كاهش ارزش حرارتي سوخت در اثر اكسايش.

–         كاهش قابليت كوك شوندگي زغال.

–        كاهش مقدار گاز زغال، در مواردي كه زغال براي گازي كردن مورد استفاده قرار مي گيرد.

–        افزايش قابليت شعله وري.

جلوگيري بروز اكسايش امكان پذير نيست، اما هدف اين است كه سرعت اكسايش به حداقل كاهش يابد و حرارت آزاد شده در توده زغال به طور يكنواخت پراكنده شود. اين امراز تمركز حرارت به طور موضعي جلوگيري كرده و افروخته شدن خود به خودي زغال را به تعويق مي اندازد. به غير از زغال درخشان و قيردار سخت، انواع ديگر زغال با اكسيژن هوا تركيب  مي شوند. در مراحل اوليه، جذب سطحي اكسيژن باعث تشكيل گروه هاي هيدروكسيل مي شود كه در نتيجه از ارزش حرارتي زغال كاسته مي شود  و درتوده هاي بزگ زغال خطر افروختگي خود به خود وجود دارد؛ زيرا حرارت حاصل از اكسايش نمي تواند خارج شود. در مدت انبار كردن، كاهش ارزش حرارتي تابعي از اندازه دانه هاي زغال است.

از آنجا كه اكسايش زغال هاي نامرغوب  (پوك)، خطرناك تر است، بلافاصله پس از استخراج، اين نوع زغال ها مصرف مي شوند و يا در انبارهاي بدون هوا يا در زير آب نگهداري مي شوند [2]. براي انباركردن اين نوع زغال ها در معرض هوا، ذرات ريز را جدا نموده، لايه داراي ضخامت اندك را روي هم انبار مي كنند.

د) بريكت كردن

 هنگام استخراج، خرد كردن، شستشو و حمل و نقل، مقداري از زغال عموماً به صورت گرد با قطعات ريز در مي آيد كه مصرف صنعتي ندارد. لذا عمليات بريكت كردن و خشته سازي با دو هدف بر اين پودرها انجام مي شود. هدف اول جنبه اقتصادي داشته و در اثر آن استفاده از پودرهاي ريزي كه به خودي خود قابل استفاده نيستند ميسر مي شود و هدف دوم اجراي فرايندهاي شيميايي براي تهيه محصولات ويژه است [1]. همچنين با اين كار حمل و نقل و سوزاندن گرد و ذرات ريز زغال تسهيل مي شود.

براي خشته سازي ابتداذرات ريز سوخت را خشك و نرم مي كنند. سپس آن ها را با 7 تا 8 درصد قير مخلوط مي كنند و به صورت خمير در مي آورند. آنگاه به كمك پرس هاي سرد يا گرم به بريكت تبديل مي كنند. از پرس سرد با فشار 98 تا 120 مگاپاسكال و از پرس گرم با فشار 5/29 تا 38 مگاپاسكال استفاده مي شود. از آنجا كه اغلب زغال هاي نا مرغوب، خود داراي قير و مواد چسبنده هستند، بدون آن كه مواد اضافي به مخلوط آن ها افزوده مي شود، تحت فشار مناسب به هم مي چسبند.

هـ) تقطير

حرارت دادن زغال سنگ را بدون آنكه در معرض هوا قرار گيرد، تقطير زغال مي نامند. اين عمل به تقطير خشك نيز مشهور است. بسته به نوع فراورده هاي مورد نظر، فرايند تقطير خشك به دو صورت انجام مي گيرد [2].

1- تقطير در دماي كوچك. اين روش، اصطلاحاً، به پختن نيمه كوك  موسوم است. در اينجا دما كوچك است. اين فرايند بيشتر به منظور تهيه گاز و تبديل زغال به نفت انجام مي گيرد.  باقي مانده جامد، كه نيمه كوك نام دارد، فراورده فرعي است. نيمه كوك محتوي 10 تا 15 درصد مواد فرار بوده و شكننده است. بنابراين در صنايع متالورژي قابل استفاده نيست، زيرا در جريان حمل و نقل خرد مي شود. از محصول فرعي تقطير مي توان براي حرارت دادن بويلرها و كوره هاي صنعتي استفاده كرد. برخي از مواد نيمه كوك شونده عبارتند از: بيتومينه، ليگنايت و زغال نارس.

2- تقطير در دماي بزرگ. اين فرايند در دماي بيش از 1000درجهC انجام مي گيرد. فراورده اصلي اين روش كوك است كه در صنايع آهن و فولاد كاربرد زيادي دارد. در اثر تقطير در دماي بالا، از يك تن زغال سنگ در حدود 700 كيلوگرم كوك توليد مي شود و فراورده هاي فرعي حاصل از آن مشتمل برگاز، نفت سبك، قير و آمونياك است. ارزش حرارتي مواد فرار حاصل حدود 3 MJ / m8/18 – 6/14 است. مواد اوليه مورد استفاده، مخلوط زغال هاي بيتومينه است.

– توليد زغال سنگ در جهان

در سال 1860 م . حدود 60 درصد از كل انرژي مواد معدني جهان از زغال سنگ حاصل مي شد. اين نقش تا دو دهه اول قرن بيستم نيز حفظ شد، اما ناگهان با ورود نفت و گاز به صحنه، سير نزولي طي كرد و به كمتر از 20 درصد كل ارزش مواد معدني جهان رسيد، هرچند رقم توليد در جهان سير صعودي داشت.

ذخاير تثبيت شده و قابل استحصال زغال سنگ جهان به حدود 1031 گيگاتن بالغ مي شود [10]. اين رقم شامل 520 گيگاتن زغال سنگ بيتومينه و 511 گيگاتن زغال نيمه بيتومينه است. بخش اعظم ذخاير زغال سنگ جهان متعلق به ايالات متحده امريكا و شوروي سابق  است. ذخاير امريكا و شوروي سابق هر يك به 241 گيگاتن بالغ مي شود. ذخاير امريكا 106 گيگاتن و در شوروي سابق 104 گيگاتن است كه از زغال سنگ بيتومينه تشكيل يافته است. كشورهاي هند با 68 گيگاتن، چين با 62 گيگاتن، آفريقاي جنوبي با 55 گيگاتن و استراليا با 45 گيگاتن ذخيره، به ترتيب در رتبه هاي بعدي قرار دارند.

ذخاير زغال سنگ در مقايسه با نفت و گاز به مراتب بيشتر است [10]. به طوريكه توليد جاري جهاني زغال سنگ بيتومينه 8/2 گيگاتن و نيمه بيتومينه و ليگنايت حدود 1 گيگاتن است. بدين ترتيب ذخاير موجود زغال سنگ براي رفع نيازهاي 200 سال آينده كافي است. از اينرو، انتظار مي رود كه در سالهاي آتي، زغال سنگ بخش مهمي از جهان را تأمين كند.

در سال هاي اخير پيشرفت  هاي قابل توجهي در فرايندهاي مختلف توليد و بهره برداري از زغال سنگ در كشورهاي صنعتي حاصل شده است كه در مجموع زغال سنگ را به منبع انرژي اوليه قابل قبول تبديل كرده است. از جمله اين پيشرفت ها حداقل كردن غبار حاصل از زغال سنگ و پخش آلاينده هاي دي اكسيد گوگرد و دي اكسيد ازت در اثر احتراق را مي توان مورد اشاره قرار داد. در تكنولوژي هاي جديد احتراق زغال سنگ، مشكل مربوط به انتشار 2CO تا حدود زيادي رفع شده و زمينه استفاده از زغال سنگ با بازده بالا فراهم شده است. كشورهاي توليد كننده زغال سنگ در جهان فراوانند. اين ماده معدني در بسياري از مناطق جهان شناخته شده و مورد بهره برداري قرار مي گيرد. چدويك نام 60 كشور را برشمرده و اظهار كرده است كه بسياري از كشورهاي جهان به ارقامي كه در برنامه هايشان ذكر شده، دست نيافته اند و از اينرو توليد زغال سنگ در جهان در گستره ارقام توليد سال هاي قبل نوسان دارد [11]. يكي از دلايلي كه باعث عدم رشد توليد شده مقررات سختگيرانة حفظ محيط زيست است. سوزاندن  زغال سنگ هاي پرگوگرد از نظر مقررات محيط زيست روزبه روز مشكل تر شده است.

به طور كلي 47 درصد زغال سنگ توليدي به مصرف  سوخت  در نيروگاه ها، 19% براي توليد كوك متالورژي و 34% به منظور مصارف خانگي مي رسد [11]. نيروگاه ها نه تنها در حال حاضر محكم ترين مصرف كننده زغال سنگ هستند، بلكه انتظار مي رود در آينده نيز چنين باشد. در صنايع آهن و فولاد نيز احتمال مي رود در آينده با برخورداري از تكنولوژي هاي پيشرفته، زغال سنگ هاي نامرغوب بتواند به كار رود.

منابع:

http://webna.ir/news

http://fisiks.com

www.ieicenter.com

www.istgah.com

مطلب پیشنهادی

نیروگاه حرارتی

نیروگاه حرارتی مقدمه نیروگاه حرارتی جهت تولید انرژی الکتریکی بکار می‌رود که در عمل پره‌های …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *