چگونگی تولید زغال سنگ فرآوری شده
زغال سنگ، به عنوان یک منبع انرژی حیاتی، از دیرباز تاکنون نقش بسیار مهمی در تامین انرژی جهان ایفا کرده است. اما با پیشرفت فناوری، نیاز به بهینه‌سازی فرایند تولید زغال سنگ و بهبود کیفیت آن به‌منظور استفاده در فرایندهای صنعتی اهمیت بیشتری یافته است.
این مقاله به بررسی مراحل اصلی تولید زغالسنگ فراوری شده، از استخراج اولیه تا کک‌سازی و کربونیزاسیون می‌پردازد و نقش آن در فرایندهای صنعتی چون ذوب سنگ‌آهن و تولید چدن را مورد تجزیه‌وتحلیل قرار می‌دهد. همچنین، اهمیت فرآیند زغال شویی و فرآوری در بهبود خصوصیات زغالسنگ و افزایش بهره‌وری در صنایع مختلف را بررسی می‌کند.
تعریف زغالسنگ فراوری شده
زغالسنگ به عنوان یک سوخت فسیلی از مواد گیاهی کربنیزه تشکیل شده است و به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی متنوعی که دارد، می‌توان آن را به زغال سنگ اولیه و فرآورده‌ها تقسیم کرد. این دسته‌بندی شامل زغال سخت، زغال قهوه‌ای و زغال سنگ نارس می‌شود. هر یک از این انواع زغال سنگ، دارای ویژگی‌های خاص خود هستند که بر کاربردها و قابلیت‌های مختلف آنها تأثیر می‌گذارند.
به عنوان یکی از عوامل کاهش کیفیت زغال سنگ، درصد نسبتاً بالای گوگرد آن اشاره شده است. این موضوع می‌تواند از ذات زغال سنگ ناشی شود، اما با استفاده از فرایندهای زغال شویی می‌توان میزان مواد فرار، رطوبت، گوگرد و نمک‌ها را کنترل کرد. این اقدامات بهبود کیفیت زغال سنگ را تضمین می‌کنند و اثرات منفی آن بر محیط‌زیست را کاهش می‌دهند.
انواع زغال سنگ به ترتیب مراحل تشکیل آن
تشکیل زغال سنگ یک فرایند طولانی و پیچیده است که تحت‌فشار و دمای مختلف اتفاق می‌افتد. در زیر، مراحل مختلف تشکیل زغال سنگ را بررسی می‌کنیم:
تورب (پیت)
این مرحله ابتدایی‌ترین مرحله تشکیل زغال سنگ است. در این مرحله، بقایای گیاهان متراکم شده به تورب تبدیل می‌شوند. این توده متراکم از گیاهان هنوز به‌شدت تجزیه نشده‌اند و نمی‌توان آنها را زغال نامید.
لیگنیت
لیگنیت یا زغال سنگ قهوه‌ای از مرحله تورب به وجود می‌آید. این نوع زغال سنگ دارای پایین‌ترین درجه زغال شدگی است و از آن برای تولید انرژی الکتریسیته در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. اما لیگنیت دارای آسیب‌پذیری بالا برای سلامتی و محیط‌زیست است.
زغال شبه – بیتومینه (زغال سنگ تحت قیر)
این نوع زغال سنگ درجه‌ای از زغال شدگی بین لیگنیت و زغال بیتومینه دارد. از زغال شبه – بیتومینه برای تولید انرژی الکتریسیته استفاده می‌شود.
زغال سنگ بیتومینه (زغال سنگ قیر)
زغال بیتومینه دارای رنگ سیاه یا قهوه‌ای تیره است و اغلب همراه با نوارهای روشن و کدر است. از زغال بیتومینه به عنوان منبع اصلی برای تولید انرژی برق و همچنین تولید کُک (coke) استفاده می‌شود.
آنتراسیت
آنتراسیت دارای بالاترین درجه زغال شدگی است. این نوع زغال سنگ دارای ظاهری سیاه و براق است و دارای کمترین میزان آب و مواد فرار و بیشترین میزان کربن است. از آنتراسیت به عنوان یک منبع سوخت با کیفیت بالا استفاده می‌شود.
گرافیت
گرافیت نوعی از زغال سنگ است که به‌سختی قابل‌اشتعال است و معمولاً به عنوان سوخت مستقیم استفاده نمی‌شود. این ماده بیشتر به عنوان ماده مکمل در صنایع مختلف و برای تولید مغز مداد سیاه استفاده می‌شود.
زغال سنگ کامل
زغال سنگ کامل شامل انواع ذرات ریزدانه است که از لیپتینیت تشکیل شده‌اند. این نوع زغال سنگ دارای محتوای هیدروژن قابل‌توجه است و معمولاً از طریق تقطیر آن قطران زغال سنگ به دست می‌آید.
چرخه تولید زغال سنگ فرآوری شده
شستشوی زغال به دلیل ماهیت و پیچیدگی خود، از دیگر فراوری‌های مواد معدنی بسیار متفاوت است، نه‌تنها در مراحل شناسایی و تعیین هویت، بلکه در استفاده از روش‌های مختلف شستشو و طراحی فلوشیت‌های زغال شویی نیز از روش‌های دیگر مواد معدنی استفاده نمی‌شود. این تفاوت‌ها نیاز به بررسی و برنامه‌ریزی روش‌های مخصوص شستشوی زغال سنگ را ضروری می‌سازد.
مهم‌ترین هدف شستشوی زغال سنگ بهبود کیفیت زغال برای تولید کک متالورژی و سپس تولید فولاد است. مشکلاتی مانند وجود خاکستر و عناصر مضر در زغال سنگ، نیازمندی‌های شستشو را ضروری کرده و با افزایش خاکستر، مشکلاتی از جمله افزایش مصرف مواد، کاهش تولید فولاد، افزایش حجم سرباره، اکسایش کک، کاهش کارایی کوره و وجود گوگرد بیش از حد را به همراه دارد. بر اساس تحقیقات انجام شده، روش‌های متنوع شستشو، امکان به‌دست‌آوردن زغال با خصوصیات بهینه را فراهم کرده و در تولید کک متالوژی، بهبودهای چشمگیری را به دنبال داشته است.
این فرایند به طور کلی برای تولید کک مورد استفاده در کوره‌های ذوب سنگ آهن استفاده می‌شود. در اینجا یک خلاصه از مراحل اصلی این چرخه آورده شده است:
استخراج و فرآوری زغال سنگ:
زغال سنگ از معدن استخراج می‌شود، سپس به کارخانه زغال شویی منتقل می‌شود. در این مرحله زغال سنگ ابتدا به بخش سنگ شکن منتقل می‌شود. در اینجا، از یک نوع سنگ‌شکن چرخشی به نام برادفورد استفاده می‌شود که از یک سیلندر خارجی تشکیل شده و داخل آن یک سیلندر مشبک وجود دارد.
بار اولیه وارد این بخش می‌شود و به دلیل چرخش دستگاه، تحت‌تأثیر قطعات دیگر ضربه می‌خورد و نیز به دلیل نیروی ثقل پرتاب می‌شود و در نتیجه خرد می‌شود. سرعت عمل دستگاه معمولاً 12 تا 18 دور در دقیقه است و سیلندر مشبک دارای چشمه‌هایی با ابعاد حدود 38 میلیمتر است. زغال پس از خردشدن از چشمه‌ها عبور کرده و توسط نوار نقاله به سمت دپوی مواد باطله منتقل می‌شود.
زغال سنگ خرد شده پس از این مرحله وارد بخش دانه‌بندی می‌شود. دانه‌بندی یکی از مراحل اساسی در تمام فرایندهای استخراج و شستشو است و شامل جداسازی ترکیبات مختلف مواد ناهمگن به دو گروه درشت و ریز است. اهداف این مرحله عبارت‌اند از:
جلوگیری از ورود ذرات بسیار ریز موجود در بار اولیه زغال به‌منظور افزایش ظرفیت و بازدهی و کاهش خفگی در محفظه دستگاه و جلوگیری از خردشدن مجدد ذرات.
دانه‌بندی زغال پس از مراحل خردایش به‌منظور تهیه بار اولیه برای دستگاه‌های ثقلی مانند واسطه سنگین، جیگ و غیره.
بازیابی ذرات تشکیل‌دهنده واسطه سنگین (مانند ذرات مگنتیت) از دو بخش کنسانتره و باطله زغال.
آبگیری از زغال.
طبقه‌بندی به‌منظور جداسازی قطعات ناخالص باقی‌مانده بر روی سرند.
سرندها در صنایع شستشوی زغال به شش گروه تقسیم می‌شوند:
سرندهای جداکننده (per wet screen): برای جداسازی ناخالصی‌ها از نرمه‌های زغال قبل از عملیات خردایش.
سرندهای آماده‌ساز: برای طبقه‌بندی زغال به رده‌های مختلف جهت شستشو با وسایل مختلف (واسطه سنگین، فلوتاسیون).
سرندهای مقدماتی‌تر: برای حذف نرمه‌های زغال قبل از جداسازی مکانیکی ذرات زغال.
سرندهای واسطه سنگین: برای بازیابی واسطه سنگین و استفاده مجدد آن در مدار شستشو.
سرندهای نرمه‌گیری: برای حذف نرمه زغال.
سرندهای آبگیری: برای جداسازی آب از زغال.
کک‌سازی:
زغال سنگ در کارخانه زغال شویی فرآوری می‌شود و به کنسانتره تبدیل می‌شود. سپس تحت‌تأثیر حرارت، زغال سنگ به کک تبدیل می‌شود. ترکیب شیمیایی کک شامل حدود 85 تا 94 درصد کربن و مواد فرار دیگر مثل خاکستر، گوگرد و رطوبت است.
مخلوط‌سازی و کربونیزاسیون:
در این مرحله، چند نوع کک با یکدیگر مخلوط می‌شوند. مخلوط کک به کوره‌های مخصوص منتقل می‌شود و در آنجا تحت عمل کربونیزاسیون، کک تولید می‌شود. کک در فرایند ذوب سنگ‌آهن نقش مهمی دارد و گازهای احیا کننده تولید می‌کند.
استفاده در کوره‌های ذوب:
کک به عنوان سوخت در کوره‌های ذوب سنگ‌آهن استفاده می‌شود. در اینجا وظیفه آزاد کردن اکسیژن از سنگ‌آهن و تولید گازهای احیا که در فرایند تولید چدن مورد استفاده قرار می‌گیرند، بر عهده کک است.
نقش اقتصادی:
فرآیند زغال شویی و فرآوری زغال سنگ باعث حذف مواد ناخالصی مانند خاکستر، گوگرد و رطوبت می‌شود. این اقدامات باعث افزایش کیفیت کک و در نهایت تاثیر مستقیم بر کیفیت و کارایی فرایند ذوب می‌شوند.
در نتیجه، چرخه تولید زغال سنگ و کک شو یک سری اقدامات پیچیده و متراکم است که به‌منظور تولید کک باکیفیت برای استفاده در فرایند ذوب سنگ‌آهن صورت می‌گیرد.
کاربرد زغال سنگ در صنایع مختلف
کاربردهای زغال سنگ به عنوان یک منبع انرژی و ماده اولیه در صنایع مختلف بسیار گسترده است. در زیر به برخی از کاربردهای اصلی زغال سنگ اشاره شده است:
تولید برق: کاربرد اصلی زغال سنگ در تولید برق است. زغال سنگ به عنوان سوخت سوزانده می‌شود تا بخار تولید کند، سپس توربین‌ها و ژنراتورها را به حرکت درآورده و برق تولید کند. این فرایند به عنوان تولید برق حرارتی شناخته می‌شود.
تولید فلز: زغال سنگ متالورژی (کک) در فولادسازی به عنوان یک عنصر اساسی استفاده می‌شود. بیش از ۷۰ درصد فولاد جهان با استفاده از زغال سنگ تولید می‌شود.
تولید سیمان: زغال سنگ به عنوان یک منبع انرژی کلیدی در تولید سیمان استفاده می‌شود. محصولات جانبی احتراق زغال سنگ همچنین در تولید سیمان نقش مهمی دارند.
تولید گاز و مایع: زغال سنگ با بخار گرم و تحت فشار قرار می‌گیرد تا گاز شهر برای مصارف مختلف مانند روشنایی خانگی، گرمایش و پخت و پز تولید شود. همچنین، ممکن است زغال سنگ به مایع تبدیل شده و به عنوان سوخت مایع در موتورها و سیستم‌های حمل و نقل استفاده شود.
تولید مواد شیمیایی: گازهای سنتز حاصل از زغال سنگ می‌توانند برای تولید مواد شیمیایی مانند متانول، آمونیاک و اوره استفاده شوند.
صنایع متنوع: زغال سنگ در صنایع کاغذ، نساجی، شیشه، تولید فیبر کربن و مواد تخصصی مانند فلزات سیلیکون نیز استفاده می‌شود. از زغال سنگ در ساخت محصولات مصرفی و مواد اولیه برای برخی از صنایع خانگی نیز استفاده می‌شود.
به همین دلیل، زغال سنگ تاکنون یک منبع انرژی و ماده اولیه مهم برای صنایع مختلف بوده است، اما باید توجه داشت که به دلیل اثرات منفی زیست‌محیطی و تغییرات اقلیمی، تلاش‌هایی نیز برای کاهش استفاده از زغال سنگ و جلوگیری از اثرات مخرب آن انجام شده است.
سخن پایانی
مراحل مختلف تشکیل و فرآوری زغال سنگ را در این مقاله تشریح کردیم و شما را با فرایند پیچیده‌ای که برای تبدیل بقایای گیاهی به یکی از انرژی‌های مهم و رایج مانند زغال سنگ صورت می‌گیرد، آشنا کردیم.
همچنین انواع مختلف زغال سنگ از تورب گرفته تا زغال سنگ کانل و گرافیت را به تفصیل توضیح دادیم. هر نوع زغال سنگ دارای خصوصیات و کاربردهای خاص خود است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، به مسائل محیطی و آثار زغال سنگ بر سلامتی و محیط‌زیست نیز اشاره کردیم.
در نهایت، با توجه به اطلاعات جامع ارائه شده در این مقاله، امیدواریم که خوانندگان قادر باشند بهترین تصمیمات را در زمینه مسائل مرتبط با تولید و استفاده از زغال سنگ بگیرند و از این منابع انرژی با احتیاط و در جهت حفظ محیط‌زیست استفاده نمایند.
