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 [1]. 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 1930 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.
مزایای سوخت های جامد به این شرح است :
1- برای ذخیره سازی به مخزن خاصی نیازنداردودرواقع هرسطح صافی برای این کارمناسب است.
2- درمقاسیه با نفت خام ، دارای هیدروژن کمتری است وازاین رو ارزش حرارتی خالص آن بیشتر از نفت است .
3- مقدار گوگرد موجود درآن بطور متوسط از نفت کمتر است واز این رو آلودگی وخوردگی کمتری را سبب می شود.
4- خاکستر زغال سنگ عاری از ترکیبات وانادیوم است ودر نتیجه سبب خوردگی داغ تأسیسات نمی شود .
5- 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 [1و2 ]. 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 [1] . 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 [1و2] . 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 181 میلیون سال پیش) ودوره کرتاسه (حدود 135 میلیون سال پیش) هستند [2 و 3].
- 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 [1]. از نظر ترکیب شیمیایی، انواع زغال سنگ را با همدیگر مقایسه کرد [4].
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 60 تا 75 درصد کربن و نزدیک به 20 تا 25 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 15 تا 20 درصد رطوبت دارد. به طور کلی میزان کربن لیگنایت بیشتر و هیدروژن آن کمتر از چوب است. ارزش حرارتی لیگنایت معادل 5/12 تا 5/13 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 3/1 تا 5/1 است. این زغال سنگ 75 تا 85 درصد کربن دارد و مواد فرار آن کمتر از لیگنایت است. خاکستر زغال سنگ قیردار 5 تا 10 درصد و رطوبت آن بین 5 تا 8 درصد متغیر است. حد پایین ارزش حرارتی بیتومینه از انواع دیگر زغال سنگ بیشتر و بین
9/20 تا 2/27 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 900 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 75 تا 83 درصد کربن و 10 تا 20 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 93 درصد است. مواد فرار آن نیز معمولاً از 6 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 9/20 تا 8/28 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 90 تا 93 درصد کربن، 10 تا 20 درصد مواد فرار و 2 تا 4 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 88 تا 89 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 [1] . 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 [2] 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 80 درصد کربن تغییر می کند [1] . حجم خلل وفرج زغال های قیردار 10 تا 20 درصد است که 3 تا 10 درصد آن به لوله های مویین تعلق دارد. با توجه به اینکه سطح درونی این زغال ها بین 30 تا 100 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 گسترة 27/1 تا 45/1 (گرم بر سانتی متر مکعب) قرار دارد. زغال سنگ آنتراسیت حدود 10 تا 15 درصد از بیتومینه فشرده تر بوده و وزن مخصوصی بین 4/1 تا 7/1 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 [1]. 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 کمتر600درجه Cبرخی از زغال ها گرماگیرند و برخی دیگر گرما زا، ولی بالای این دما تمایل بیشتری به گرماگیری وجود دارد و در بیشتر از 800درجهC این پدیده شدید می شود. به عنوان مثال، گرمای عملیات تقطیر چند زغال در دمای700 درجهC به این شرح است:
لیگنایت 730+تا 1351+ ژول برکیلوگرم و بیتومینه : 126 + تا 238- 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.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 30 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله سوخت های جامد
