نحوه تولید ذغال و مواد اولیه مورد نیاز

ذغال سنگ، سنگی رسوبی و قابل احتراق است و یکی از منابع انرژی‌زا و از مهمترین سوخت‌های فسیلی است که از مواد آلی در نبود هوا و در دمای بالای 300 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود. رنگ آن معمولا سیاه و قهوه‌ای است و حاوی مقادیر زیادی کربن و هیدروکربن است. ذغال سنگ را در دسته سوخت‌های تجدیدناپذیر قرار می‌دهند. زیرا تشکیل آن میلیون‌ها سال طول می‌کشد. این سنگ حاوی انرژی ذخیره شده توسط گیاهانی است که صدها میلیون سال پیش در جنگل‌های باتلاقی زندگی می‌کرده‌اند. شکل‌گیری ذغال سنگ حدود 300 میلیون سال پیش آغاز شده است. حدود 40 درصد از برق در سراسر دنیا از طریق سوختن آن تولید می‌شود و در تولید فولاد، سیمان و سایر فعالیت‌های صنعتی نیز نقش مهمی دارد. تولید ذغال با روش‌های گوناگونی صورت می‌گیرد. برخی از این روش‌ها خام هستند و عملکرد و کیفیت ذغال چوب تولیدییِشان بسیار پایین است. ذغال سنگ خوب دارای ویژه‌گی‌هایی همچون: درصد کالری بالا، خاکستر باقیمانده کم و میزان گوگرد حداقل می‌باشد. در این مقاله قصد داریم نحوه تولید ذغال و مواد اولیه مورد نیاز را با شیوه‌های گوناگون تولید آن بررسی نماییم و انواع ذغال را از جهات گوناگون معرفی کنیم.

انواع ذغال

ذغال‌ها را از نظر رتبه به چهار دسته کلی تقسیم می‌کنند. منظور از رتبه در اینجا مراحل فرایند آهسته و طبیعی است که به آن ذغال‌سازی گفته می‌شود و بر اساس نوع و مقدار کربن و انرژی حرارتی که بر اثر سوختن آزاد می‌شود انجام گرفته است. درجه سختی نیز به میزان فشار  و درجه حرارتی بستگی دارد که در طول سال‌ها به گیاهان اعمال شده است. ذغال‌سازی طبیعی به این صورت است که با گذشت زمان و بر اثر سیل گیاهانی مثل خزه‌ها و جلبک در درون گل و لای دفن و فشرده شدند و هرچه این گیاه‌ها بیشتر دفن می‌شدند، تحت دما و فشار بیشتری قرار می‌گرفتند و این باعث می‌شد گل و آب اسیدی مانع از تماس گیاه با اکسیژن شوند، در نتیجه گیاه با سرعت کمتری تجزیه شده و می‌تواند بیشتر کربن خود را حفظ کند. در طی سال‌ها باتلاقی از این گیاهان دفن شده درست شد که به آن ذغال‌سنگ نارس گفته می‌شود. ذغال‌سنگ نارس منبعی غنی از ترکیبات کربنی است که می‌تواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد.

در این فرایند مواد گیاهی مدفون به موادی متراکم‌تر، خشک‌تر، غنی‌تر و سخت‌تر از کربن تبدیل می‌شوند. این چهار رتبه عبارت‌اند از:

1. آنتراسیت

آنتراسیت بالاترین رتبه ذغال‌سنگ است و در بین انواع ذغال‌سنگ بیشترین مقدار ارزش حرارتی را دارد. بسیار سخت، شکننده و به رنگ سیاه براق است و آن را با نام ذغال‌سنگ سخت می‌شناسند. در این نوع ذغال سنگ درصد کربن ثابت بسیار بالا و حدودا 86% تا 97% است و درصد مواد فرار آن پایین است.

کاربرد آنتراسیت معمولا در صنایع مربوط به فلزات می‌باشد. میزان ذخایر این ماده در سطح جهان کمتر از 1% کل ذخایر ذغال سنگ است.

یکی از دلایل ارجحیت آنتراسیت بر سایر ذغال‌سنگ‌ها این است که این نوع، تمیزترین آن‌ها در نظر گرفته می‌شود. به‌عنوان مثال، با سوزاندن آن گازهای سمی کمتری در مقایسه با سایر انواع ذغال‌سنگ ها آزاد می‌گردد. آنتراسیت بسیار دشوار شروع به مشتعل شدن می‌کند و آتش آن آبی رنگ است و دود ناچیزی تولید می‌کند.

کاربردهای آنتراسیت:

• سیستم‌های گرمایشی
• ذوب کردن فولاد
• لوکوموتیو
• سیستم‌های تصفیه آب

2. قیری

ذغال سنگ قیری از ذغال‌سنگ فشرده تشکیل شده است و سنگی متراکم و رسوبی است.

این ذغال‌سنگ به عنوان بزرگترین گروه شناخته می‌شود و طیف وسیعی از ذغال‌ها را که دارای 46 تا 86 درصد جرمی کربن ثابت و 20 تا 40 درصد ماده‌ی فرار است، شامل می‌شود. در میان رتبه‌های انواع ذغال، ذغال قیری بین ذغال‌های آنتراسیت و زیرقیری قرار می‌گیرد. نام آن از کلمه‌ی قیر گرفته می‌شود که همان ماده‌ی آسفالتی است که در تقطیر برخی از سوخت‌ها بدست می‌آید. ارزش گرمایی آن در محدوده‌ی kj.kg-125600 تا بیش ازkj.kg-1 32600 قرار دارد. این ذغال‌سنگ اگر به صورت پودر باشد به آسانی می‌سوزد. رنگ آن معمولاً سیاه  و یا گاهی قهوه‌ای تیره است. ارزش حرارتی (Btu) این نوع ذغال سنگ بسیار بالاست و در ایالات متحده در صنایعی مانند برق و فولاد کاربرد دارد. همچنین در ساخت بریکت‌ها نیز کاربرد زیادی دارد. قیمت این ذغال مقرون به صرفه است و به عنوان سوخت صنعتی به کار برده می‌شود. این ذغال‌سنگ هنگام سوختن از خود دود و بوی نامطبوع زیادی اتشاع می‌کند. به همین دلیل برای مصارف خانگی توصیه نمی‌شود.ذغال سنگ قیری در اصل بلوکی است که در وهله اول ممکن است براق و صاف به نظر برسد؛ اما پس از لحظاتی متوجه خواهید شد که لایه لایه است و لایه‌های آن نازک، تو در تو، براق و کدر هستند. این ذغال‌سنگ در طی زمان تغییر شکل یافته و به ذغال سخت تغییر شکل می‌دهد.

3. زیرقیری

ذغال‌سنگ زیرقیری معمولاً حاوی ۳۵٪ تا ۴۵٪ کربن است و ارزش گرمایشی کمتری نسبت به ذغال‌سنگ قیر دارد. این ذغال‌سنگ در ایالات متحده حداقل ۱۰۰ میلیون سال قدمت دارد. رنگ این ذغال سنگ، سیاه و برخلاف ذغال آنتراسیت مات است. مقدار گرما در آن کم تا متوسط است و از آن اغلب برای تولید برق استفاده می‌شود.

4. قهوه‌ای (لیگنیت)

در رتبه‌بندی ذغال، ذغال قهوه‌ای در پایین‌ترین رتبه قرار می‌گیرد؛ زیرا کمترین غلظت کربن در آن مشاهده می‌شود. ارزش گرمایی ذغال قهوه‌ای کم و رطوبت آن بالاست. رنگ آن همانطور که از نامش پیداست، قهوه‌ای یا قهوه‌ای مایل به سیاه است. درصد ذغال شدگی این ذغال سنگ، چیزی بین ذغال نارس و ذغال بیتومینه است. این ذغال‌سنگ ذخیره ته‌نشینی از سنگواره‌های جامد، کربنی و سیاه و آتش‌گیر است. قدرت حرارتی آن کمتر از B.T.U 8300 است. این ذغال‌سنگ نسبت به بقیه ذغال‌سنگ‌ها، در دسترس‌تر است. این ذغال، نرم و جوان و نزدیک به سطح زمین است. برای استخراج آن نیاز به حفاری‌های زیرزمینی و زدن تونل نیست و نگرانی از بابت خطر تجمع متان و مونوکسید کربن وجود ندارد. از این ذغال نیز در تولید برق و همچنین در گلخانه‌ها استفاده می‌کنند. البته باید به این نکته توجه داشت که انتشار گازهای گلخانه‌ای به آن لطمه وارد می‌کند.

روش‌های تولید ذغال

در این بخش قصد داریم نحوه تولید ذغال را به همراه سه روش از معمول‌ترین روش‌های آن توضیح دهیم. روش‌های مختلف تولید ذغال از این قبیل‌اند:

• کوره‌های خاکی

ساده‌ترین فناوری تولید ذغال، کوره‌های گودال زمین هستند. این روش یکی از روش‌های سنتی ساخت ذغال در سراسر جهان است و مواد تشکیل دهنده  آن خشت و گل می‌باشد. در این روش چوب را در یک گودال می‎‌‌چینند، از لایه‌ای چمن و خاک برای بستن آن استفاده می‌کنند و چوب را در قسمتی از آن شعله‌ور می‌کنند تا فرایند کربن سازی آغاز شود و پس از گذشت مدتی که چوب‌ها به ذغال تبدیل شدند، ذغال‌ها را جمع‌آوری می‌کنند. این کوره‌ها معمولا اندازه بسیار بزرگی دارند و در این کوره‌های بزرگ می‌توان از چوب‌های بسیار بزرگ استفاده کرد. البته آن‌ها در اندازه‌های کوچک نیز عرضه شده‌اند. این کوره‌های کوچکتر برای خانه‌ها انتخاب مناسبی هستند. برای ساخت این کوره‌ها می‌توان باکس‌های مستطیل یا مربع شکل به جای چاه و گودی نیز ایجاد نمود.

استفاده از این نوع کوره دارای مزایا و معایبی به شرح زیر است.

مزایای کوره‌های خاکی

• کیفیت بالای ذغال‌هایی که از این طریق به دست می‌آیند
• بدون دود بودن
• داشتن بوی بسیار خوب
• عدم به وجود آمدن سردرد در هنگام استفاده از آن
• هزینه‌های بسیار پایین
• نبود نیاز به انرژی برق

معایب کوره‌های خاکی

• آلودگی محیط‌زیست
• سیستم تهویه نامناسب
• میزان ذغالی که از این کوره به دست می‌آید یک چهارم مقدار چوبی است که در داخل آن ریخته شده است و این میزان ذغال به دست آمده در مقایسه با کوره‌های مدرن‌تر کم می‌باشد
• در خطر بودن و یا امکان آسیب رسیدن به افراد
• عدم بهداشتی بودن

• کوره‌های آجرپزی

کوره‌های آجرپزی یکی‌دیگر از روش‌های مفید و موثر برای تولید ذغال است. بازدهی این روش تا 30 درصد نیز می‌رسد. این روش برای تولید ذغال به صورت نیمه صنعتی گزینه مناسبی است. همچنین این کوره‌ها را می‌توان به جای آجر از بتن ساخت. کوره‌های آجرپزی در انواع مختلفی در جهان یافت می‌شوند. معروف‌ترین و بهترین آن‌ها کوره پرتقال_آرژانتینی و کوره کندوی برزیلی است. کوره پرتقال_آرژانتینی تماما از آجر و گل ساخته شده، چرخه کربن‌سازی آن بسیار سریعتر است و 13 تا 14 روز زمان می‌برد. کوره کندوی برزیلی سقف گنبدی دارد و جنس آن آجر معمولی است.

• روش‌های نوین

در این روش‌ها از کوره‌های فولادی بهره می‌برند. تفاوت عمده‌ای که این کوره‌ها با کوره‌های دیگر دارند، در قابلیت کربن کردن چوب‌ها، حتی چوب‌های بی‌کیفیت خلاصه می‌شود. همچنین این کوره‌ها قابل حمل هستند. البته درمورد نحوه تولید ذغال به وسیله کوره‌های فولادی این نکته را نیز در نظر داشته باشید که آن‌ها برای تولید ذغال در حجم بالا مناسب نیستند و خروجی سالانه آن‌ها تنها حدود 100 تا 150 تن ذغال چوب است. بازدهی آن‌ها نیز در بهترین حالت 27 تا 35 درصد است.

کوره ذغال‌های صنعتی انواع مختلفی دارند. برخی از آن‌ها چند منظوره هستند و می‌توانند چندین نوع ذغال را تولید کنند. نحوه کار تقریبا تمام کوره‌های صنعتی به شکل تمام اتوماتیک است و در مدت زمان کوتاهی حجم بالایی ذغال تولید می‌کنند. آن‌ها بر اساس منبع انرژی یا همان منبع سوخت دسته‌بندی می‌شوند. کوره‌های صنعتی انرژی خود را از منابع برق، گاز و یا نفت تامین می‌کنند. کوره ذغال‌های صنعتی بر اساس نوع و ساختار دستگاه نیز طبقه‌بندی می‌شوند. این طبقه‌بندی نیز بر سه دسته است که شامل کوره‌های جداره‌ای، کوره‌های ذغال چند منظوره و کوره‌های ذغال کومپیند می‌شوند.

•  کوره جداره‌ای

دستگاه کوره جداره ‌ای (Reverberatory Furnace) یا همچنین به عنوان کوره دارای جداره شناخته می‌شود. این نوع کوره‌ها، در طراحی و ساخت خود از مواد جداره (معمولاً آجر آتش ‌سنگ) برای حفظ و محافظت از دیواره داخلی کوره استفاده می‌کنند. دستگاه کوره جداره‌ای از مواد با خصوصیات حرارتی بالا تشکیل شده است که قادر به تحمل درجه حرارت‌های بسیار بالا تا چند هزار درجه سانتی‌گراد می‌باشند. اصلی‌ترین وظیفه جداره کوره، محافظت از دیواره داخلی کوره در مقابل حرارت، فشار، خوردگی و سایر آسیب‌های ناشی از فرایند سوختن و احتراق مواد درون کوره است.

• کوره ذغال چند منظوره

یکی از مهمترین انواع آن، کوره جی پلاس است که نحوه کار در این کوره به این گونه است که گرما در یک اتاقک که برای این نوع کوره در نظر گرفته شده است جمع شده و انرژی و دمای بالایی که در آن جمع شده است بیرون نمی‌رود. در اثر این فشار ذغال‌ها در بهترین شکل ممکن و بدون شکستگی در قالب تعیین شده آماده می‌شوند و آماده فروش می‌شوند. چون در این کوره‌ها اتاقک‌های مخصوص وجود دارد، در شکل ذغال‌ها مشکلی به وجود نمی‌آید.

• کوره کومپیند

نحوه کار در این کوره ذغال به این صورت است که برای ساخت ذغال از خاک اره استفاده می‌شود. هنگامی که فرآیند تولید زغال شروع می‌شود، با گذشت زمان و افزایش دمای داخل کوره کومپیند شاهد این موضوع خواهیم بود که در داخل کوره و در نقاط مختلف آن به هیچ عنوان اختلاف دما وجود ندارد. در فرآیند تولید ذغال در کوره کومپیند گازگیری به صورت کامل انجام می‌شود و این مورد از ایجاد سردرد جلوگیری می‌کند.

مواد اولیه شیمیایی و ارگانیک مورد نیاز در تولید ذغال

خاک اره، پوسته برنج، پوسته بذر، پوسته نارگیل، بامبو، پوست گردو، شاخه‌ها، پوست، تنه، بقایای شراب، بقایای سرکه، پوسته بادام زمینی ، پسماندهای زباله انگور، بادام، پسته، ضایعات چوب کارخانه‌های مبل سازی و سایر وسایل چوبی و انواع چوب‌های سخت دیگر از مواد اولیه در ذغال‌سنگ‌هایی که به روش مدرن ساخته می‌شوند، محسوب می‌شوند. ذغال سنتی نیز بیشتر از مواد چوبی مانند کاج اروپایی و توس تشکیل می‌شود. در حال حاضر ذغال‌های مدرن با استقبال بیشتر مردم رو به رو شده‌اند؛ زیرا مواد اولیه بیشتری دارند و نرخ کربن در آن‌ها بسیار بالاست.

جمع‌بندی

ذغال یکی از مواد آلی است که در صنایع گوناگون کاربرد دارد؛ برای مثال از آن برای تولید برق و یا فولاد بهره می‌برند. ذغال‌ها انواع مختلفی دارند که بر اساس رتبه‌هایشان به چهار نوع آنتراسیت، قیری، زیرقیری و قهوه‌ای تقسیم می‌شوند. در این مقاله پس از توضیح درمورد هر یک از آن‌ها، سعی کردیم نحوه تولید ذغال را با روش‌های مختلفی که صورت می‌گیرد، بررسی نماییم. در انتهای مقاله نیز مواد اولیه ارگانیک و شیمیایی استفاده شده در هر یک از این روش‌ها را نیز نام بردیم.