آنالیز و شناخت زغال‌سنگ؛ از پیدایش تا کاربرد صنعتی:
زغال‌سنگ (Coal) یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین سوخت‌های فسیلی جامد در جهان است که طی میلیون‌ها سال از تجزیه و دگرگونی تدریجی بقایای گیاهان در محیط‌های مردابی و فاقد اکسیژن، تحت فشار و دمای بالا تشکیل می‌شود.
این فرآیند طبیعی را زغال‌زایی (Coalification) می‌نامند. در طی زغال‌زایی، مواد آلی گیاهی ابتدا به تورب (Peat) تبدیل شده و سپس در اثر افزایش فشار و دما به انواع مختلف زغال‌سنگ با درجه‌های متفاوتی از کربن، رطوبت و مواد فرار دگرگون می‌شوند. با پیشرفت این فرآیند، درصد کربن و ارزش حرارتی زغال‌سنگ افزایش یافته و در مقابل، رطوبت و مواد فرار آن کاهش می‌یابد.
زغال‌سنگ ماده‌ای آلی-معدنی ترکیبی است، اما ماهیت اصلی آن آلی است.
اصل تشکیل: زغال‌سنگ از تجزیه و دگرگونی بقایای گیاهان در طول میلیون‌ها سال شکل می‌گیرد، بنابراین پایه و اساس آن را مواد آلی مانند کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد تشکیل می‌دهد.
مواد معدنی موجود: علاوه بر بخش آلی، زغال‌سنگ حاوی خاکستر و عناصر معدنی مانند سیلیس، آهن، آلومینیوم و کلسیم است که به‌عنوان ناخالصی در آن حضور دارند.
خلاصه:
ماهیت اصلی: آلی
جزء معدنی: خاکستر و عناصر معدنی موجود
می‌توان گفت زغال‌سنگ یک سوخت فسیلی آلی با ترکیبات معدنی محدود است.
نکته تکمیلی: در زغال‌سنگ، ماسرال‌ها همان کانی‌ها و بخش‌های معدنی ریز در داخل ماتریکس آلی هستند که نقش مهمی در رفتار حرارتی و تولید خاکستر دارند.
ترکیب شیمیایی زغال‌سنگ:
ترکیب اصلی زغال‌سنگ کربن (C) است، اما معمولاً شامل هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و مواد معدنی (خاکستر) نیز می‌باشد.
این عناصر تعیین‌کننده‌ی ویژگی‌های احتراقی، ارزش حرارتی و رفتار زغال‌سنگ در فرآیندهای صنعتی هستند.
به همین دلیل، آنالیز دقیق زغال‌سنگ برای ارزیابی کیفیت و تعیین نوع کاربرد آن اهمیت زیادی دارد.
انواع زغال‌سنگ از نظر زمین‌شناسی (Rank Classification)
زغال‌سنگ‌ها بر اساس درجه‌ی دگرگونی (Rank) و میزان کربنی شدن به چهار گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
لیگنیت (Lignite):
زغال‌سنگ قهوه‌ای با کربن پایین (حدود ۳۰٪)، مواد فرار زیاد و ارزش حرارتی پایین. بیشتر در نیروگاه‌های حرارتی استفاده می‌شود.
زغال‌سنگ نیمه‌بیتومینه (Sub-bituminous):
دارای کربن متوسط، رطوبت کمتر و ارزش حرارتی بالاتر نسبت به لیگنیت.
زغال‌سنگ بیتومینه (Bituminous):
با کربن بالا (۴۵ تا ۸۵٪) و مواد فرار کمتر. این نوع به‌دلیل خاصیت چسبندگی، برای تولید کک متالورژیکی کاربرد دارد.
آنتراسیت (Anthracite):
خالص‌ترین و سخت‌ترین نوع زغال‌سنگ با ۸۵ تا ۹۸٪ کربن، کمترین مواد فرار و بیشترین ارزش حرارتی.
در مرحله‌ی نهایی زغال‌زایی، گرافیت طبیعی (Graphite) تشکیل می‌شود که به‌دلیل ساختار کریستالی پایدار، دیگر خاصیت سوختی ندارد.
تقسیم‌بندی صنعتی زغال‌سنگ بر اساس کاربرد:
از دیدگاه صنعتی، زغال‌سنگ‌ها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
زغال‌سنگ حرارتی (Thermal Coal):
مورد استفاده در نیروگاه‌ها و صنایع حرارتی برای تولید انرژی و بخار.
معمولاً از نوع لیگنیت یا نیمه‌بیتومینه بوده و دارای مواد فرار بالا، رطوبت بیشتر و ارزش حرارتی پایین‌تر است.
زغال‌سنگ کک‌شو (Coking Coal):
دارای ترکیب ویژه‌ای از مواد فرار و خاصیت چسبندگی است که هنگام حرارت‌دهی در غیاب هوا، به کک متخلخل و مقاوم تبدیل می‌شود.
این نوع زغال‌سنگ معمولاً از نوع بیتومینه با کربن بالا است و در صنایع فولادسازی و متالورژی استفاده می‌شود.
در نتیجه، زغال‌سنگ‌های حرارتی برای تولید انرژی و برق مناسب‌اند، در حالی که زغال‌سنگ‌های کک‌شو در فرآیندهای احیا و ذوب فلزات کاربرد دارند.
پارامترهای کلیدی در آنالیز زغال‌سنگ
برای انتخاب و ارزیابی زغال‌سنگ در مصارف صنعتی، آزمایشگاه‌ها مجموعه‌ای از آزمون‌های فیزیکی و شیمیایی را انجام می‌دهند.
مهم‌ترین پارامترهایی که در آنالیز زغال‌سنگ اندازه‌گیری می‌شوند عبارت‌اند از:
درصد کربن ثابت (Fixed Carbon): شاخص اصلی ارزش حرارتی و توان احیاکنندگی زغال‌سنگ.
مقدار مواد فرار (Volatile Matter): عامل تعیین‌کننده در رفتار احتراقی و چسبندگی زغال‌سنگ در حین سوختن.
رطوبت (Moisture Content): هرچه میزان رطوبت کمتر باشد، انرژی خالص قابل استحصال افزایش می‌یابد.
خاکستر (Ash Content): نشان‌دهنده مقدار مواد معدنی غیرقابل احتراق است؛ افزایش آن موجب افت راندمان و ایجاد رسوبات در سیستم احتراق می‌شود.
گوگرد (Sulfur Content): یکی از عناصر ناخواسته که در فرآیند احتراق باعث آلودگی، خوردگی تجهیزات و کاهش کیفیت کک می‌شود.
آنالیز ارزش حرارتی زغال‌سنگ (Calorific Value Analysis)
🔹 مفهوم ارزش حرارتی
ارزش حرارتی یا گرمای احتراق (Calorific Value) مقدار انرژی گرمایی است که از احتراق کامل واحد جرم زغال‌سنگ در حضور اکسیژن آزاد می‌شود. این شاخص یکی از مهم‌ترین معیارهای سنجش کیفیت سوخت و بازده انرژی در زغال‌سنگ به شمار می‌آید.
هرچه ارزش حرارتی بیشتر باشد، توان انرژی‌دهی زغال‌سنگ بالاتر بوده و برای کاربردهای صنعتی مانند نیروگاه‌ها، کوره‌ها و فرآیندهای متالورژیکی مناسب‌تر است.
🔹 انواع ارزش حرارتی
ارزش حرارتی معمولاً به دو صورت اصلی بیان می‌شود:
ارزش حرارتی ناخالص (Gross Calorific Value – GCV)
مقدار کل انرژی آزادشده در هنگام احتراق کامل، شامل گرمای نهان میعان بخار آب حاصل از سوختن هیدروژن و رطوبت.
این مقدار بیشترین انرژی نظری قابل‌دسترس از زغال‌سنگ است.
ارزش حرارتی خالص (Net Calorific Value – NCV)
برابر است با GCV منهای انرژی بخار آب (رطوبت و هیدروژن).
مقدار واقعی انرژی است که در فرآیند احتراق در دسترس قرار می‌گیرد و معمولاً در طراحی نیروگاه‌ها و سیستم‌های احتراقی از آن استفاده می‌شود.
آنالیز پلاستومتری زغال‌سنگ (Coke Reactivity / Plastometer Test)
🔹 مفهوم آنالیز پلاستومتری
پلاستومتری (Plastometry) روشی برای بررسی ویژگی‌های پلاستیک و ذوب‌پذیری زغال‌سنگ کک‌شو است.
این آزمایش مشخص می‌کند که زغال‌سنگ در دماهای بالا، در شرایط گرما و فشار محدود، چگونه رفتار می‌کند و به چه میزان نرم، چسبنده و قابل کک شدن است.
ویژگی‌های پلاستیک زغال‌سنگ اهمیت زیادی در صنایع فولاد دارد، زیرا:
تعیین می‌کند زغال‌سنگ توانایی تولید کک متخلخل و مقاوم را دارد یا خیر.
مقدار مواد فرار و ترکیب آن‌ها چگونه بر چسبندگی و جریان ذرات کک اثر می‌گذارد.
کمک می‌کند مخلوط‌های زغال‌سنگ برای تولید کک صنعتی بهینه شوند.
اهمیت آنالیز زغال‌سنگ در صنعت:
آنالیز دقیق زغال‌سنگ نقش مهمی در کنترل کیفیت، بهینه‌سازی فرآیند احتراق، افزایش بازده انرژی و کاهش آلاینده‌ها دارد.
در صنایع مختلف از جمله فولادسازی، نیروگاه‌ها و صنایع شیمیایی، نتایج این آزمایش‌ها مبنای تصمیم‌گیری فنی و اقتصادی است.
خدمات آزمایشگاهی آنالیز زغال‌سنگ:
در آزمایشگاه‌های تخصصی آنالیز زغال‌سنگ، آزمون‌های مختلف بر اساس استانداردهای بین‌المللی ASTM و ISO انجام می‌شود.
این خدمات شامل موارد زیر است:
آنالیز پروگزیمیت (Proximate Analysis): اندازه‌گیری رطوبت، مواد فرار، خاکستر و کربن ثابت.
آنالیز اولتیمیت (Ultimate Analysis): تعیین درصد عناصر C، H، O، N و S.
اندازه‌گیری ارزش حرارتی (Heating Value / Calorific Value).
سنجش ترکیبات معدنی و فلزی در خاکستر با روش‌های XRF و ICP.
جمع‌بندی:
شناخت دقیق ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی زغال‌سنگ، پایه‌ی اصلی در انتخاب، طراحی و بهره‌برداری بهینه از منابع زغالی در صنایع مختلف است.
به همین دلیل، آنالیز علمی و استاندارد زغال‌سنگ نه تنها در کنترل کیفیت سوخت، بلکه در کاهش هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی نقش اساسی دارد.
هزینه آنالیز ذغالسنگ چقدر است؟
هزینه آنالیز زغال‌سنگ بسته به نوع آزمایش درخواستی متفاوت است:
آنالیز ارزش حرارتی: برای تعیین مقدار انرژی قابل استخراج از زغال‌سنگ، هزینه این آنالیز ۹۰۰ هزار تومان می‌باشد.
آنالیز پروگزیمیت (رطوبت، درصد مواد فرار و درصد کربن): این مجموعه آزمون‌ها با هزینه ۸۰۰ هزار تومان انجام می‌شود.
آنالیز ترکیبات گوگرد و عناصر معدنی: برای بررسی میزان گوگرد و سایر عناصر معدنی موجود در زغال‌سنگ، هزینه ۱ میلیون و ۵۰۰ هزار تومان است.
تمامی آنالیزها توسط تجهیزات پیشرفته و مطابق استانداردهای بین‌المللی انجام شده و گزارش نهایی با دقت و قابلیت استناد ارائه می‌شود.
آنالیز ذغالسنگ چقدر طول می کشد؟
بستگی به نوع درخواست دارد اما از زمان دریافت نمونه تا تحویل نتیجه معمولا ۱۰ روز زمان می برد.