زغالسنگ به عقیده بعضی ها نام کانی سیاهرنگی است که میلیون ها سال پیش از پسماند مواد گیاهی در دل زمین یا به عبارتی دیگر از تغییرات بیولوژیکی که در اثر افزایش فشار و دما روی گیاهان ایجاد می شود، تشکیل شده است. قسمت عمده زغال سنگ از کربن و مابقی آن از ترکیباتی مانند هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد می باشد.
زغال سنگ حاوی مقادیر قابل توجهی ناخالصی می باشد که در هنگام استفاده باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی و فرآیندی می شود. بدین منظور برای اندازه گیری این ناخالصی ها باید زغال سنگ مورد آنالیز قرار گیرد و بدین منظور محاسبه دقیق زغال سنگ مورد استفاده حائز اهمیت می باشد. با استفاده از آنالیز زغال سنگ در واقع درجه زغال سنگ خاکستر و مقدار کالری آن است تعیین می گردد.
این ماده ارزشمند در طول سال های طولانی تغییر شکل داده و دارای انواع مختلف بوده که این طبقه بندی براساس درصد کربن، مواد فرار، خواص فیزیکی و شیمیایی می باشد که از انواع آنها می توان استفاده کرد.
مراحل تشکیل زغال سنگ از ابتدا تا مرحله آخر به صورت زیر می باشد:
- نخستین مرحله تشکیل زغال سنگ، شکل گیری تورب است.
- در مرحله بعدی زغال سنگی به نام لیگینت تشکیل می شود.
- مرحله ی سوم ماده ای به نام نیمه بیتومینه شکل می گیرد.
- سپس در مرحله چهارم زغال سنگ به نام بیتومینه ایجاد می شود.
- در مرحله آخر زغال سنگی به نام زغال سنگ آنتراسیت تشکیل می شود.
از زغال سنگ به عنوان سوخت و ماده اولیه برای تولید گاز، روغن، کک و غیره در صنایع شیمیایی مختلف استفاده می شود. از طرفی دیگر این ماده به عنوان منبع انرژی بدون آلاینده در بیشتر کشورها به دلیل دارا بودن ارزش حرارتی بالا مورد توجه قرار گرفته است و می توان از آن به عنوان مولد حرارتی استفاده نمود.
شکل 1: ذغال سنگ
محاسبات زغال سنگ
موارد بسیار مهمی در زغال سنگ باید مورد محاسبه قرار گرفته که این محاسبات مطابق با استاندارد ها و دستورالعمل های اتحادیه اروپا است که توسط سازمان بین المللی استانداردسازی (ISO) و سازمان تست و مواد آمریکایی (ASTM) صادر شده است. آنالیزها و تست های عمومی زغال سنگ به صورت زیر می باشند:
آنالیز ابتدایی که شامل:
- درصد رطوبت خشن
- درصد رطوبت کل
- درصد رطوبت سنج
- درصد خاکستر
- درصد مواد فرار
- درصد کک
- درصدکربن ثابت (نسبی)
آنالیز نهایی:
- تعیین کربن
- هیدروژن
- اکسیژن
- نیتروژن
- سولفور
- آنالیز خاکستر: تعیین عناصر جزیی و کلی در زغال سنگ و خاکستر زغال سنگ
وقتی که زغال سنگ سوخته می شود اجزای معدنی آن یک پسماند خاکستر ایجاد می کنند. این خاکستر از اکسیدهای اصلی شامل سیلیس، اکسید آلومینیوم، آهن، کلسیم، منیزیم، تیتانیوم، منگنز، سدیم و پتاسیم بوده و به صورت جزیی از سیلیکات ها، فسفات ها و سولفات ها تشکیل شده است. آنالیز خاکستر به صورت کلی بیان کننده کیفیت زغال سنگ بوده زیرا ترکیب مواد معدنی یک زغال سنگ بوسیله آنالیز کردن ترکیب شیمیایی زغال سنگ بدست می آید.
- تعیین مقدار کالری یا به عبارتی دیگر مقدار گرمایش یا انرژی خاص
تجزیه و تحلیل زغال سنگ ممکن است روی عناصر جزیی، سختی زغال سنگ، دمای ذوب یا گداختگی خاکستر، آنالیز سایز، فسفر، سلنیوم، آرسنیک، بور، فلوئور، کلر و غیره انجام گیرد.
پروسه استاندارد سازی و شرایط انجام آنالیز برای دستیابی به نتیجه صحیح از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.
از جمله استانداردهای مورد استفاده به صورت زیر می باشد:
- استفاده از استاندارد TS 1999 ISO 1170 ذغال سنگ و کک – محاسبه تجزیه و تحلیل براساس مختلف
- استفاده از استاندارد TS ISO 1928(سوخت های معدنی جامد ) جهت تعیین مقدار کالری ناخالص بااستفاده از روش کالری سنج بمب و محاسبه مقدار خالص کالری
- ASTM D3180 روش استاندارد برای محاسبه آنالیززغال سنگ و کک
- ASTM D5865-12 روش آزمون استاندارد برای ارزش کالری زغال سنگ و کک
- ASTM D3302 روش استاندارداستاندارد برای رطوبت کل موجود در زغال سنگ
- ASTM D388 طبقه بندی استاندارد زغال سنگ بر اساس سطح
- بخشنامه تجارت الکترونیک ۲۰۰۳ / ۸۷ / EC اتحادیه اروپا
تکنیک های تحلیلی ابزاری آنالیز زغال سنگ
از تکنیک های تحلیلی ابزاری نیز می توان برای آنالیز زغال سنگ استفاده نمود. امروزه با پیشرفت تکنولوژی باعث شده که می توان برای دستیابی به اطلاعات مورد نیاز که در بخش های قبلی ذکر شده در مورد زغال سنگ در کسری از ثانیه دست یافت. همچنین قابلیت انجام آنالیز در جایی که این ماده استخراج، فرآوری یا منتقل و استفاده می شود نیز میسر شده است. از جمله آنالیزهای متداول که برای شناسایی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
- آنالیزهای طیف سنجی
- آنالیز پراش اشعه ایکس یا XRD که بهترین و پیشرفته ترین روش درشناسایی فازهای معدنی و مواد معدنی ناشناخته در زغال سنگ می باشد. نتایج XRD این نمونه ها اطلاعات کیفی و کمی مهمی از ترکیبات مواد معدنی زغال سنگ و اثر متقابل یا کنش و واکنش آنها در طول فرآیند تبدیل را نشان می دهد.
از مزایای این روش به سرعت بالا، غیر مخرب بودن، نیاز به میزان نمونه ی کم جهت آمایش و آماده سازی می توان اشاره کرد. از آنجایی که به صورت کلی دو نوع XRD ، پراش تک کریستال (Single crystal diffraction) و پراش پلی کریستال یا پودر (powder or Polycrystalline diffraction) وجود دارد که از مورد آخری برای آنالیز غال سنگ استفاده می گردد.
- آنالیز XRF که عمدتا برای تعیین سولفور در زغال سنگ به کار می رود. همچنین برای تعیین غلظت عناصر جزیی و کلی در خاکستر زغال سنگ به کار می رود. این روش دقیق، ساده و سریع می باشد. از طریفی دیگر با این روش می توان مواد فرار در نمونه را ابتدا خارج کرد و سپس آنالیز را انجام داد.
- آنالیز بعدی XAS که نام کلی آن X-ray absorption spectroscopy می باشد. XAS یک ابزار واحد، برای مطالعه کردن در مقیاس مولکولی و اتمی، پیرامون ساختار اصلی عناصر منتخبی که در ماده ای احاطه می شوند می باشد.
- روش دیگر آنالیز SAXS یا Small-angle x-ray scattering بوده که روشی بسیار جذاب و قابل اعتماد برای ارزیابی تخلخل های زغال سنگ می باشد زیرا این اشعه به آسانی در کل نمونه نفوذ می کند و از این طریق می توان به شکل و توزیع منافذ دست یافت.
- آنالیز FTIR، ابزاری قدرتمند برای تعیین گروههای عاملی در زغال سنگ می باشد.
- میکروسکوپ الکترونی
- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای بررسی موفولوژی و سطح مقطع زغال سنگ به کار می رود و اطلاعاتی از سایز ذرات و ساختار زغال سنگ یا خاکستر ارائه می دهد.
- میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) یا میکروسکوپ الکترونی عبوری با رزولوشن بالا (HRTEM) تصاویری از ساختار، شبکه و صفحات اتمی نمونه و همینطور توزیع عناصر براساس درصد وزنی یا اتمی را مشخص می کند.
- طیف سنج اتمی
- طیف سنجی جذب اتمی(AAS) جهت تعیین عاصر با میزان زیاد، کم و جزیی در زغال سنگ به کار میرود.
- طیف سنج نشر اتمی (OES) که گاها به صورت (AES) هم شناخته می شود. براساس روش اتمی سازی چندین نوع AES مانند AES شعله، AESجرقه ای یا آرک و پلاسمای جفت شده القایی (ICP-AES) می باشد. از جمله روش های بسیار مناسب برای آنالیز کمی در مقادیر بسیار ناچیر عناصر موجود در نمونه می باشد و روش القایی به جهت شناسایی مقادیر کم نسبت به سایر روش های این دسته برتری دارد.
- طیف سنج جرمی یا (MS) بوسیله یونیزاسیون ترکیبات شیمیایی که مولکول ها یا اجزای باردار تولید می کند و اندازه گیری نسبت جرم به بار کار می کند.
- ICP-MS در این دسته قرار می گیرد و برای شناسایی مقادیر در حد ppb
در زغال سنگ استفاده می شود. این روش قادر به شناسایی چندین عنصر می باشد و در مقایسه با روش های AAS , ICP-AES به دلیل اینکه قابلیت اندازه گیری در ppt مزیت دارد.
