Coal زغال سنگ

1. Coalزغال سنگ

2. تعریف کلی زغال سنگ نام کانی سیاه رنگی است که از پسماند مواد گیاهی دوران های قدیم زمین شناسی تشکیل شده است و به عنوان سوخت و نیز ماده اولیه برخی صنایع شیمیایی برای تولید گاز، کک، روغن، قطران و غیره استفاده می شود . بخش بزرگی از جرم زغال سنگ کربن است . از دیگر ترکیبات زغال سنگ هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد است . انواع زغال سنگ در دوران های گوناگون زمین شناسی و تحت شرایط مختلفی به وجود آمده اند . تورب، نخستین مرحله تشکیل ذغال سنگ است . پس از آن به ترتیب لینییت، زغال سنگ قیری و آنتراسیت با درجات مختلف درون داشت مواد تشکیل دهنده قرار دارند .

3. روند مصرف زغال سنگ در جهان طي سالهاي 2001-1997 مصرف مهم و عمده زغال در توليد برق و ذوب آهن- فولاد است. معمولاً مصارف گوناگون زغال سنگ حرارتي در سه گروه زير مي‌باشد :- مصارف زغال سنگ حرارتي جهت احتراق و تأمين گرما بعنوان منبع انرژي گرمايي- مصرف زغال سنگ در صنايع فروآلياژ (اكسيداسيون، احيا و الكترودهاي مصرفي در اين صنعت)- تبديل زغال سنگ به نفت (مايع)، گاز و مشتقات شيمياييميانگين مصرف جهاني زغال سنگ در اين دوره ( 1997-2001) با نرخ رشد 1/3%، 9/3273 ميليون تن بوده که از 8/3316ميليون تن در سال 1997 به 6/2892 ميليون تن در سال 1999 و 6/3110 ميليون تن در سال 2001 رسيده است(جدول3). روند مصرف زغال سنگ در جهان طي سالهاي 2001-1997 (ميليون تن)

4. مصارف زغال سنگ در صنايع مختلف بعنوان منبع انرژي جايگزين نفت و گاز، در آينده اي نزديك اين ماده معدني را به يك ماده استراتژيك تبديل خواهد كرد. هر چند نرخ رشد ميانگين مصرف جهاني زغال سنگ با رقمي معادل 3 درصد نسبت به نرخ ميانگين توليد رقم بيشتري را داراست، با اين حال مصرف جهاني زغال سنگ طي سال هاي مذكور روند نوساني را متحمل بوده است. تغييرات محلي مصرف با توجه به شرايط مختلف زماني، مكاني و سياسي جهان متفاوت مي‌باشد. در شكل 3 نمودار مصرف جهاني زغال سنگ طي سال هاي 2001-1997 رسم گرديده است. بيشترين مصرف زغال سنگ در جهان طي سال هاي فوق در سال 2000 و با وجهي بالغ بر 4/4 ميليارد تن و كمترين ميزان مصرف زغال سنگ در سال 1998 و معادل 6/2 ميليارد تن بوده است.

5. clean coal technology • فناوری جديدی به نام: ووclean coal technology وو • يا ذغال پاک نسل جديدی از فرايند توليد انرژی که به طور چشم گيری • انتشارات گازهای گل خانه ای و آلوده کننده محيط زيست را نسبت به نيروگاه • های ذغال سنگ سنتی کاهش می دهد ، را رقم زده است . • در اين فناوری به جای سوزاندن مستقيم ذغال سنگ آن را توسط سامانه • ای به نام گازساز (gasifier) به گاز تبديل می نمايد و در يک نيروگاه گازی • سيکل ترکيبی که دارای بيشترين بازدهی است ، به مصرف سوخت می رساند . • علاوه بر اين سولفور موجود در ذغال سنگ را نيز جداسازی و ازت موجود در هوا را نيز • کنترل می کنند که در اسلاید های بعدی شرح اين سه فناوری  خواهد آمد .

6. جداسازی گوگرد • در سال 1985 دو کشور آمريکا و کانادا تصميم گرفتند مشکل باران های اسيدی را که رودخانه ها ، درياچه ها ، جنگل ها و حتی ساختمان ها را تخريب می نمود که عمدتا به خاطر وجود نيروگاه های بزرگ ذغال سنگی  سنتی بود ، حل نمايند. • يک قسمت از اين پروژه جداسازی سولفور که عامل اصلی باران های اسيدی است ، از ذغال سنگ می باشد . سولفور يا گوگرد يک ماده زرد رنگ می باشد که بسته به نوع و محل ذغال سنگ بين 1 تا 10 درصد در ذغال سنگ وجود دارد . برای جداسازی گوگرد از ذغال سنگ قبل از اينکه در نيروگاه بسوزد و توليد آلودگی نمايد ، يک راه خرد کردن ذغال سنگ به قطعات ريزتر و سپس شستشوی آن است . برخی از مواد گوگردی که مانند لکه های کوچک در ذغال سنگ وجود دارند اين لکه ها”pyretic sulfur” ناميده می شوند زيرا گوگرد با آهن ترکيب شده و تشکيل پيريت می دهد و در غير اينصورت به دليل رنگ آن به طلای خيالی "fool’s gold " معروف است ) می تواند به اين روش شسته شده و پاک شوند . در عمل قطعات ذغال سنگ را وارد مخزن بزرگی از آب می نمايند که در نتيجه ذغال سنگ ها در روی آب شناور شده و ناخالصی های سولفور ته نشين می گردند. اما تمام گوگرد ها بدين ترتيب از بين نمی روند زيرا برخی از سولفورها با ذغال سنگ پيوند شيميايی دارند و به طور جدا و مستقل نيستند ، اين نوع سولفور را سولفور آلی -organic sulfur - می نامند که با شستشو از بين نمی روند و بايد از طريق فرايندهای شيميايی و ترکيب آنها با ذغال سنگ ، سولفور را از ذغال سنگ جداسازی نمود. اما بيشتر اين روش ها هزينه بر بوده و دانشمندان در پی يافتن راه های ساده تر و ارزان تر هستند که يک مورد عملی آن در زير شرح داده می شوند:

7. دی سولفوره کردن يا Scrubber • بيشتر نيروگاه های مدرن ساخته شده بعد از سال 1978 الزاما بايد دارای دستگاه دی سولفوره برای گازهای حاصل از سوخت ذغال سنگ باشند تا قبل از اينکه اين گازها از دودکش نيروگاه خارج گردند ، سولفور آن جداسازی شود . اين عمل را دی سولفوره کردن گازهای خروجی  -flue gas desulfurization - می نامند که به اسکرابر -scrubber - معروف گرديده است .

8. اسکرابرها چگونه کار می کنند ؟ اساس کار اسکرابرها در استفاده از ماده بسيار فراوان و ارزان در طبيعت به نام سنگ آهک Limestoneمی باشد که بدون اغراق تپه ها و کوههايی از آن در طبيعت نهفته است. سنگ آهک وقتی خرد و جدا سازی گردد تبديل به يک پودر سفيد رنگ (آهک) مي شود که تحت شرايط مناسب می تواند درست مانند اسفنجی که آب را جذب می کند، سولفور را جذب کند.    اگر چه ذغال سنگ اساسا ترکيبی از اتم های کربن (سياه ) و هيدروژن (قرمز) می باشد ، اما اتم های سولفور (زرد)  نيز در ذغال سنگ به دو صورت گير افتاده اند : در يک حالت سولفور به صورت اتم جداگانه اغلب با آهن  (سبز) لينک شده ولی هيچ اتصالی با اتم های کربن ندارد که در مرکز شکل آمده است .در حالت دوم سولفور به صورت ترکيب شيميايی با اتم های کربن پيوند خورده  که در بالای شکل آمده. در عمل آهک را با آب مخلوط  نموده ( آب آهک) و بر روی گازهای حاصل از احتراق ذغال سنگ (به نام “flue gases”) اسپری می کنند، آهک سولفور را جذب کرده و آن را پايين می کشد. ترکيب آهک و سولفور تشکيل ماده خميری شکلی که شبيه خمير دندان است را می دهد که در برخی روشهای جديد تر تبديل به پودر خشک می گردد و به هر حال سولفور ها جذب شده و از فرار آن به هوا جلوگيری می گردد. روشهای نوين اسکرابر نيز وجود دارد که اقتصادی تر و مؤثر تر عمل می نمايند  از آن جمله اسپری کردن آب آهک به داخل کانالهای ورودی به دودکش می باشد

9. جلوگيری از انتشار اکسيدهای ازت NOx) • گاز ازت بيشترين درصد هوايی را که ما تنفس ميکنيم يعنی %80 هوا را به خود اختصاص داده است . به شکل طبيعی اتم های ازت دو به دو با يکديگر ترکيب شده و به صورت N2 در هوا شناورند اما هنگامی که مثلا ذغال سنگ در کوره بويلر می سوزد، اتم های مولکول N2 گاز ازت از يکديگر جدا شده و می توانند با اکسيژن هوا ترکيب شده تشکيل پيوند اکسيدهای ازت بدهند که ناکس  “NOx” هم گفته می شود. گاهی NOx ها به واسطه ازت گير افتاده در داخل ذغال سنگ نيز بوجود می آيند. • به هر حال وجود NOx ها در هوا به عنوان آلوده کننده ها هستند و باعث دود آلود بودن هوا به شکل مه قهوه ای رنگ که در شهرهای بزرگ قابل مشاهده است ، می گردد. هم چنين يکی از آلودگيهايی است که کمک به  توليد بارانهای اسيدی نيز می کند و ضمنا باعث تشکيل ازون زمينی “ground level ozone” نيز می گردد که نوع ديگری از آلودگی است و هوا را نيز به شکل تيره رنگ و بی حال dingy) در می آورد

10. به طور کلی NOx  ها هنگامی بوجود می آيند که سوخت حرارت زيادی ايجاد نمايد ، مثلا اتومبيل ها وقتی توليد NOx  می نمايند که از گازوئيل استفاده کنند زيرا ارزش گرمايی گازوئيل بيشتر از بنزين است . اما بيشتر NOx  ها از نيروگاه های با سوخت ذغال سنگ توليد می گردد و فناوری نوين ذغال سنگ پاک (Clean Coal Technology ) روش هايی را برای کاهش و به حداقل رساندن NOx ها پديد آورده است که به شرح آن می پردازيم . بهترين روش جلوگيری از انتشار NOx ، جلوگيری آن از مبدا توليد خود می باشد ، لذا دانشمندان روشی را ابداع نموده اند که در احتراق ذغال سنگ ( يا ساير سوخت ها ) مقدار سوخت بيشتر از مقدار هوا باشد ، تحت اين شرايط ، بيشتر اکسيژن موجود در هوا با سوخت ترکيب می شود تا با ازت  آنگاه سوخت به کوره بعدی منتقل شده و اين عمل تکرار می شود تا اينکه تمام سوخت بسوزد. اين ايده به نام احتراق مرحله ای “staged combustion” گفته می شود زيرا در آن ذغال سنگ به صورت مرحله ای و قدم به قدم می سوزد. بدين ترتيب نسل جديدی از کوره های ذغال سنگ به نام مشعل هایباOx  Nپايين “low- NOx burners” توسعه يافت، اين نوع کوره ها مقدار NOx منتشره در هوا را به نصف کاهش دادند. امروزه بر اثر پژوهش های فناوری ذغال سنگ پاک (clean coal technology) بيش از نصف نيروگاه های بزرگ امريکا از اين نوع کوره ها استفاده می نمايند و تا سال 2010 از هر 4 نيروگاه در امريکا 3 نيروگاه با روش نوين ذغال پاک کار خواهد کرد . روشهای ديگری نيز که مشابه اسکرابر (scrubber) عمل می کنند وجود دارند و NOx را از گازهای دودکش (flue gases) پاک می کنند که برخی از آنان از مواد شيميايی ويژه ای که کاتاليست (catalyst) ناميده می شود و NOx را به گاز های غير آلوده کننده تجزيه می کنند، استفاده می شود. اگرچه استفاده از اين وسايل گران تر از فناوری “low- NOx burners” می باشد ، اما قادر هستند تا %90 آلودگی NOx را پاک نمايند. در آيندهای نزديک راه های پاک تر از اين هم به بازار خواهند آمد( در حال حاضر در مرحله پژوهش می باشند) که در آن ذغال سنگ نمی سوزد تا آلودگی ايجاد کند!

11. بويلر با بستر سيال  fluidized bed boiler) در سال 1979 دانشمندان و مهندسين در دانشگاه جورج تاون اولين بويلر از نوع چرخش در بستر سيال يا fluidized bed را راه اندازی نمودند که يک گام بزرگ به پيش در فناوری ذغال سنگ پاک بود . در بويلر های عادی ذغال سنگی ، ذغال سنگ به قطعات کوچکتر خرد شده و سپس به صورت پودر به داخل بويلر دميده می شود و توليد شعله ای دراز و تنبل می کند. در گونه ای ديگر ذغال سنگ ها بر روی شبکه آهنی قرار می گيرند و جريان هوا از پايين به بالا برای احتراق دميده می شود . اما در فناوری فلويدايز قطعات کوچک ذغال سنگ بر اثر جت هوا که از پايين شبکه دميده می شود به صورت شناور در هوا شعله ور می شوند درست مانند گدازه های آتشفشان