زغال سنگ به عنوان یک ماده سوختی قبل از قرن سیزدهم میلادي شناخته شد و امروزه بیشتر به عنوان مـاده خـام
جهت تهیه کک به مصرف می رسد. ترکیب شیمیایی این ماده سوختی تاکنون بطور کامل مشخص نشده است و مطالعاتی که از نظر ترکیب شیمیایی (ترکیب عنصر) زغال سنگ در موارد مختلف به عمل آمده نشـان داده شـده است که زغال سنگ یک محصول یکنواخت با ترکیب شیمیایی ثابت نمی باشـد.
تشـکیل زغـال سـنگ به طـور طبیعی ناشی از اعمالی است که در اثر مرور زمان انجام می گیرد و تا وقتی که زغـال سـنگ اسـتخراج شـده باشـد اعمال فوق ادامه دارد. بنابراین در طول مدت تشکیل زغال سنگ، از ابتداي تشکیل تا زمانی که اسـتخراج مـی شود ترکیب شیمیایی آن دائماً در حال تغییر و تحول می باشد که در حین عمل کک سازي مقـدار ز یـادي گـاز فرار از آن خارج می شود و این مقدار در حدود بیش از 40 درصد است که هر قدر از عمر زغـال سـنگ بیشـتر گذشته باشد به همان نسبت از مقدار گازهاي فرار آن کم می گردد و در این حال به همـین نسـبت بـر مقـدار کـربن موجود افزوده می گردد.
مثلاً در آنتراسیت درصد کـربن بـه 95 %و هیـدروژن بـه 2 درصـد و اکسـیژن بـه یـک درصد می رسد و مقدار گازهاي فرار آن در حین کک سازي از 4-3 درصـد تجـاوز نمـی کنـد .
دانشـمندان در مورد تشکیل زغال سنگ با اطلاعاتی در زمینه زمین شناسی نظریه هایی داده اند که زغال سـنگ از محصـولات تغییر شکل یافته از باقیمانده هاي نباتی گذشته در دوره کربنیفر که یکی از دورانهاي زمین شناسی است تشکیل شده است. باقیمانده هاي نباتی در باتلاقی قرار می گیرند و روي آنها توسط آب راکـد پوشـیده مـی شـود تغییـر ماهیت آن در اثر تماس ذرات بسیار جزئی از هوا منجر به تشکیل جرم سـیاه رنگـی بنـام هومـوس مـی شـود کـه عبارت است از توده گیاهی خاك دار. طبقه هوموس تشکیل شده از تماس هوا با جرم پوسیده لایه هاي پایین تر جلوگیري مـی کنـد و عملیـات بعـدي تشکیل زغال سنگ شروع می شود. به این طریق که ابتدا تولید یک نوع زغـال نـارس بنـام پیـت مـی نمایـد و در ضمن مقدار متنابهی دي اکسید کربن و آب از آن خارج می گردد و سپس تحت تغییرات پوسته زمین در طـی زمانهاي زیاد زغال نارس به طبقات زمین رفته و توسط لایه هایی از لجن سفت شده و پوشـیده مـی شـود.
تحـت شرایط فشار و درجه حرارت بالا بدون دسترسی به هوا، زغال پیت به آهستگی تبـدیل بـه زغـال سـنگ ل ینیـت و سپس زغال قیري و آنگاه تبدیل به زغال آنتراسیت می شود.
پدیده فـوق را کـه تشـکیل زغـال سـنگ از تبـدیل گیاهان می باشد بطور واضح در معادنی که عمر چندانی از آن نگذشته است. از نظر شکل و خواص شباهت بـه گیاهانی دارد که روي زمین هاي اطراف معادن مشاهده شده است.
به طور کلی می توان گفت که زغال سنگ جسـمی اسـت بی شـکل (آمورف) شـامل کـربن، هیـدروژن، اکسـیژن و مقدار جزئی ازت و گوگرد، اولین موضوع اصلی که در کک سازي مورد نظر قـرار مـی گیـرد عبـارت اسـت از تهیه کک براي کوره بلند.
کک کوره بلند ککی است که داراي مقاومت مکانیکی کـافی و سـایر خصوصـیات لازم براي عملیات کوره بلند و تهیه آهن مرغوب را داشته باشد. باید دانسـت کـه انـواع مختلـف زغـالی کـه در کک سازي مصرف می شود باید داراي خصوصیات لازم بري کک سازي باشـند . مـثلاً یکـی از خـواص زغـال سنگ در این است که موقعیکه آنرا بدون تماس با هوا گرم می کنیم کلوخه شده و منجر به تشکیل کک غلـیظ و متراکمی شود.
بعضی از زغالها داراي چنین خصوصیاتی می باشند اما این زغالها در طول اعمال کک سازي به مقدار زیادي متورم می شوند و تغییر حجم می دهند و تولید فشار نستاً زیادي در داخل کـوره کـک سـازي مـی کنند و در نتیجه بدنه داخلی که از آجر نسوز درست شده است خراب می شـود .
موقعی کـه زغـال سـنگ بـدون تماس با هوا برشته و سرخ می شود ترکیب آن تغییر می نماید یعنی از آن گازهایی خارج می گردد کـه بـه آنهـا محصولات گازي می گویند. اگر زغال سنگ را در یک بوته چینی آزمایشـگاهی برشـته کنـیم ، پـس از خـروج گازها از آن باقیمانده سخت و کربنی بجا می ماند که آنرا کک گویند.
بوسیله این آزمایش می توان مرغوبیت زغال سنگ را براي کک سازي تعیـین کـرد. در صـورتیکه مقـدار کـک بدست آمده در حین کک سازي زیاد نباشد از بالاي کوره کک سازي مقدار نسبتاً زیادي گاز فـرار بـا ارزشـی بدست می آید که ماده اولیه بسیار خوبی براي صنایع شیمیایی و حرارتی مـی باشـد ، زغـا ل سـنگها را بـر اسـاس مقدار مواد فرار و قابلیت فرم پذیري و یا مقدار انبساط حجمی طبقه بندي می نماید.
طبقه بندي زغال سنگهاي مختلف بر حسب خواص آنها:
زغال شعله اي بلند fiame long
زغال گاز دار gas
زغال چاق rich
زغال کک coke
زغال بخاري coke stam
زغال لاغر leam
زغالی که امروزه براي کک سازي مصرف می شـود مخلوط مناسبی از زغالهاي مختلف است.
بلاند:
عبارت است از مخلوط زغالهاي T,L,G,S,K,R ،به عبارت دیگر می توان گفت که بلاند مخلوط زغالهـاي متفاوتی می باشند که از معادن مختلف بدست آمده است. هر یک از زغال هایی که از معادن مختلف بدست آمده در ترکیب بلاند وارد شده است اجزاء بلاند نامیده می شوند.
در صورتیکه زغالهاي معادن مختلف از نظر قابلیت کک شدن اختلاف کمی با هم داشته باشند با هم در یک گـروه واحـد کـه آنـرا گـروه معـدنی مـی نامنـد قـرار می گیرند. به عنوان مثال معادنی که از آن فقط زغال سنگ نوع G و یا فقط نـوع K و غیـره بدسـت مـی آیـد هـر کدام در یک گروه معدنی قرار می گیرند مطالعه در زغالها از نظر قابلیت کک شدن و انتخاب مناسب آنها براي تهیه بلاند باعث می شود که بتوانیم بهترین نوع کـک را تهیـه نمـائیم. امـا اسـتعداد کـک شـوندگی زغـالی کـه نمی تواند کاملاً توسط مشخصات مندرج در جدول فوق تعیین شود از روي مقدار گازهاي فرار به دست آمده و مشخصات کک باقیمانده، می توان نوع زغال سنگ را از نظـر کـک شـوندگی ً مشـخص نمـود. بـراي بدسـت آوردن نوع معین کک و یا به عبارت دیگر تهیه کک مناسب لازم است که خواص پلاستیکی زغالها را بدانیم.
وقتی که اعمال کک سازي در کوره کک سازي مورد بررسی قرار می گیـرد مشـاهده مـی شـود کـه ابتـدا وقتـی زغال سنگ بدون تماس با هوا می باشد در درجه حرارت معینی گداخته شده و تبدیل به یک نوع زغال با حالت خمیري می گردد یعنی کم و بیش حالت یک جرم پلاستیکی را بخود می گیرد و ایـن جـرم در حرارتهـاي بـالا ابتدا تبدیل به نیمه کک و سپس تبدیل به کک می شود و در این حالت است که اعمال کک سـازي در کـوره کامل می شود.
نوع کک تهیه شده به مقدار نسبتاً زیادي بستگی به خواص پلاستیکی حاصله ضمن اعمال کـک سازي دارد. یعنی با ملاحظه به رفتار زغال سنگ در حالت پلاستیکی می توانیم در مورد نوع ککی کـه از زغـال سنگ فوق حاصله می شود اظهار نظر نمائیم. اظهـار نظـر دربـاره کـک شـدن زغـال سـنگ بـر اسـاس خـواص پلاستیکی آن اساس آزمایش پلاستومتري می باشـد کـه توسـط پروفسـور سـاپوزنیکف Sapozhnikov ابـداع شده است مطابق این روش وقتی زغال سنگ را در دستگاه پلاستومتر مورد آزمایش قرار می دهیم تغییراتی کـه در آن مورد نظر قرار می گیرد عبارت است از قطر لایه پلاستیکی Y و تغییر حجم پلاستیکی X .
مثلاً در مطالعه اي که روي مقدار زیادي از زغالها از نوع «دون باس» بر اسـاس روش پلاسـتومتري بعمـل آمـده معلوم شده است که با تعیین Y و X بر حسب میلیمتر می توان مشخصات زغال را جهت تهیه کک معلوم کـرد.
بر اساس روش پلاستومتري امروزه بعوض اینکه زغالهـا را بـر حسـب مـواد فـرار حاصـله و یـا مشخصـات کـک باقیمانده طبقه بندي کنند. آنها را بر حسب خواص پلاستیکی Y و یا X به گروههاي معـدنی تقسـیم مـی کننـد .
بنابراین براي تهیه بلاند خوب که خواص پلاستیکی آن براي تهیه کک مورد قبول می باشد لازم است که کلیه خواص پلاستیکی کلیه زغالهاي موجود در بلاند را بخوبی بدانیم ضخامت لایه هاي پلاستیکی بلاند را می تـوان از روي ضخامت هر یک از اجزاء متشکله آن حساب نمود.
y – 30*40 – 23*15 – 14*10 – *18*20 – 19*15)/100 21.8mm
تغییر حجم پلاستیکی زغال را از مجموعه انقباضات هر یک از اجزاء متشکله بلاند می توان بدست آورد.
طبق نظریه ساپوژ نیکو بلاندهاي مناسب براي کک سازي بایستی داراي خواص پلاستیکی زیر باشد تـا بتـوان از
آنها ککهاي مناسب براي کوره بلند نمود.
x=20mm و y=16 تا 23mm
در کک سازي براي آمیختن صحیح زغال سنگ جهت تهیه بلاند باید علاوه بر مقاومت خصوصیات دیگـري را نیز معین کرد و آنها عبارتند از :
1-اندازه دقیق از قطعات زغال سنگ
2-کافی بودن و با اندازه بودن (نه کم و نه زیاد) حجم بین قطعات
3-در نظر گرفتن انقباض کک حاصله بر آسانتر خارج شدن کک از کوره در زغال سنگ معمولاً مقداري ناخالصی وجود دارد که از ارزش زغالسنگ می کاهد .
این ناخالصی عبارتنداز:
1-خاکستر که بصورت ناخالص غیر قابل احتراق می باشد.
2-گوگرد به صورت ترکیبات گوگردي می باشد.
خاکستر موجود در زغال سنگ که در حین عمل کک سازي تمامـاً در کـک بـاقی مـی مانـد یکـی از مهمتـرین مشخص کننده هاي نوع زغال سنگ می باشد. بعلاوه بعلت خارج شدن گازهاي فرار، وزن کک به دست آمـده کمتر از زغال سنگی است که کک از آن حاصل شده است. بنابراین درصد خاکستر موجود در کک بیشـتر از درصد خاکستر موجود در بلاند اولیه می باشد خاکستر موجود جسم مضري در کوره بلند بوده و باعث می شود که اولاً درصد ماده قابل احتراق در کک کم گردد ثانیاً براي اینکه ذوب شود و سیاله گردد احتیاج بـه حـرارت اضافی دارد بنابراین موقعیکه کوره بلند با ککی که داراي خاکسـتر زیـاد مـی باشـد کـار کنـد رانـدمان آن کـم می شود و مصرف کک افزایش می یابد، لذا براي بدست آوردن کک خوب لازم است که خاکستر موجود در زغال سنگ از 11 %تجاوز نکند و زغالهایی که بیش از این مقدار خاکستر دارند قبل از مصرف در کـک سـازي باید از خاکستر پاك شوند، یعنی قسمتی از خاکستر آن بایستی گرفته شود تا مقدار خاکستر حداکثر 11 %باشد.
یکی دیگر از مشخصاتی که از نظر خلوص زغال سنگ اهمیت دارد گوگرد موجـود در آن اسـت مقـدار بسـیار ناچیز گوگرد در حین عمل کک سازي بصورت ترکیبات گازي از زغال سنگ خارج مـی شـود ولـی قسـمت اعظم آن در کک باقی می ماند یعنی اینکه اگر کک بدست آمده را توزین نمائیم مقدار کمـی از زغـال سـنگ در حین عمل کک سازي مصرف شده و تحلیل می رود امـا درصـد گـوگرد موجـود در کـک تقریبـاً بـه همـان اندازه که در مخلوط زغال اولیه وجود داشت باقی می ماند.
باید دانست که گوگرد موجود در کک زیان بخش تر از خاکستر موجود در آن در طی اعمال کوره بلند اسـت ،زیرا در کوره بلند شده از مرغوبیت چـدن حاصـله کاسـته و آنـرا تـرد و شـکننده مـی نماینـد و از طرفـی فعـل و انفعالاتی که گوگرد در حین اعمال کوره بلند انجام می دهد باعث پایین آمدن راندمان کـوره بلنـد مـی شـود و مصرف کک افزایش می یابد.
ماکزیمم مقدار گـوگرد بـیش از 30 %در زغالهـاي نـوع ( Kirel ) مشـاهده شـده اسـت. از آنجائیکـه قسـمتی از گوگرد موجود در زغال سنگ بصورت ترکیبات معدنی پیریت بوده که تشکیل دهنده خاکستر کک می باشـد.
بنابراین موقعیکه زغال سنگ را از نظر خاکستر موجود در آن تخلـیص مـی کنـیم همزمـان بـا آن تـا حـدودي از گوگرد موجود در زغال سنگ نیز تقلیل یابد. رطوبت موجود در زغال سنگ که در کوره کک سـازي مصـرف می شود نباید بیش از 6-8 درصد باشد و اگر مقدار رطوبت بیشتر باشد مقدار نسبتاً زیـادي از حـرار ت موجـود در کوره کک سازي صرف تبخیر آب خواهد شد و عملیات کک سازي را طویل المدت می کند و در نتیجـه راندمان اقتصادي و مکانیکی کوره را پائین می آورد.
تجربه هاي عملی یک نوع زغال سنگ به نام ranofmine که در تاسیسات زغال سنگ قسـمت شـمال کشـور روسیه مورد مصرف می باشد در جدول درج شده است. همچنین نتایج حاصل از تخلیص و آماده سازي این زغال سنگ براي کک سازي در زیر داده شده است.
جدول آنالیز یک نوع زغال سنگ از روسیه
نوع آنالیز نمونه خام نمونه تخلیص شده
9/4 3/5 % رطوبت
26/4 25 % فرار مواد
7/2 17 % خاکستر
1-2 2/7 % گوگرد
پس از انجام عملیات اولیه مانند تغلیظ کلاسه بندي، تهیه بلاند و غیره در روي زغـال سـنگ آنـرا در اطاقکهـاي کوره کک سازي شارژ می کنند. در اثروجود حرارتی کـه از دیـواره هـاي اطاقـک بـه زغـال سـنگ مـی رسـد تبدیل لازم براي تهیه کک انجام مـی شـود. حـرارت سـطح دیوارهـا در حـدود 1000 تـا 1050 درجـه اسـت.
دستگاه هاي گرم کننده هر اطاقک در تمام مدت جریان کک سازي گرماي یکنواختی را ایجاد مـی کننـد و در نتیجه گرم شدن اطاقک هاي محتوي زغال سنگ گازهاي فرار، بخار آب و غیره متصاعد شده و در انتهـاي عمـل ،کک که همان باقیمانده است حاصل می شود.
عمل کک سازي تحت جریان پیچیده تبدیلات حرارتی و بـدون دخالت هوا انجام می گیرد. در مدت عمل کک سازي در اثر افزایش درجه حـرارت از ابتـداي شـارژ تـا انتهـاي عمل در حرارتهاي مختلف مواد متفاوتی به ترتیب زیر حاصل می شود:
1-نیم کک(درجه حرارت نهایی در حدود 600-500 درجه سانتیگراد)
2-کک تهیه شده در حرارت متوسط (درجه حرارت نهایی 750 درجه سانتی گراد)
3-کک تهیه شده در حرارت زیاد(درجه حرارت نهایی (950-1050 ( درجه سانتیگراد
تغییرات حاصله در زغال سنگ در اثر تغییر درجـه حـرارت واضـح اسـت کـه پـس از ریخـتن زغـال سـنگ در اطاقک کک سازي بتدریج گرم می شود، بنابراین در لحظات مختلف تحت اثر حرارتهاي معین قرار می گیـرد تاثیر درجه حرارتهاي مزبور روي گاز خارج شونده به شرح زیر است :
1- هنگام گرم شدن تا 100 سی سی درجه سانتی گراد رطوبت از زغال خارج می شود و در اثر ایجاد بخـار آب
گازهائیکه در منافذ ریززغال سنگ وجود دارد از آن خارج می شود.
2- هنگام افزایش درجه حرارت تبدیلات حرارتی شروع می شود. در حرارت 380– 280 درجه سـانتیگراد فعـل
CH4CO2 و انفعالات شیمیایی آغاز می شود و گازهایی مانند هیدروکربنها و انواع فنل ها بوجود می آیند.
3- در حرارت 550– 500 درجه سانتیگراد اجسام صمغی بوجود می آید.
4- در ادامه عمل گرم کردن تا حرارت 95 سی سی گازهاي مختلف با سرعت متغییر بوجود می آید.
5 -در بالاتر از 950 درجه سانتی گراد مقدار گازها به سرعت کم می شوند.
تجهیزات مواد باقیمانده در اثر تغییرات درجه حرارت به قرار زیر است است:
1 – در اثر خروج گازها و تجزیه حرارتی زغال در درجه حرارت 480-380 درجه سـانتیگراد عمـل کلوخـه بنـدي انجام می شود در این هنگام محصول بدست آمده استحکام کافی را ندارد.
2- با اضافه شدن درجه حرارت تا 900 تا 1000 درجه دوام و استحکام کافی در کک حاصل می شود.
موارد استفاده اصلی کک در متالوژي فلزات سیاه و رنگین می باشـد. همچنـین از آن بـراي تولیـد نیـرو اسـتفاده
می شود.
بر حسب اینکه کک در ریخته گري، تهیه الکترود، تولید نیرو و یا موارد دیگر مصـرف مـی شـود بایـد داراي خواص معینی باشد. خواص کک به ریزي و درشتی آن نیز بستگی دارد. مـثلاً از ککهـاي درشـت بـدلیل استحکام مکانیکی بیشتر در ریخته گري چدن و براي مصرف در کوره هاي بلند استفاده مـی شـود.
معمـولاً در عملیات ریخته گري چدن از ککی استفاده می شود که اندازه دانه هاي آن 40 میلی متر کمتـر نباشـد . همچنـین بایستی در این مورد مقدار گـوگرد موجـود در کـک حـداقل باشـد. از ککهـاي 25-10 میلـی متـر بـراي تولیـد
آلیاژهاي آهن و از ذرات ریز کک براي کلوخه شدن سنگ آهن استفاده می شود.
باید توجه داشت که خواص احیاء کنندگی و گداخته شدن کک بایستی زیاد باشد، معمـولاً کـک تـا انـدازه اي اسفنجی است.
مقدار این خلـل و فـرج را بـا توجـه بـه حجـم ظـاهري و حجـم واقعـی آن تعیـین مـی کننـد وزن مخصوص کک بین 430-480 کیلو گرم بر متر مکعب است.
محصولات فرعی کک سازي:
تا نیمه اول قرن نوزدهم به هیچ وجه از مواد فرار حاصل از زغال سنگ استفاده نمی شد به تدریج که در سالهاي بعد با تکمیل کوره هاي کک سـازي ، مـواد فرعـی کـه ارزش اقتصـادي آنهـا بـین 20 تـا 30 درصـد کـل مـواد کربونیزه شده را تشکیل می دادند بازیابی می شدند. مسلماً نوع محصولات بستگی به جنس زغال و روش تقطیر دارد و تا حدودي قابل تنظیم است که در فصل دوم مفصل تر مورد بحث و برسی قرار خواهد گرفت.
مقدار درصد محصولات کک سازي و جنس آنها شبیه جدول زیر است (زغال با 27 %مواد فرار)
کک خشک شده 770 کیلوگرم
گاز 160 کیلوگرم یا 320 مترمکعب
قطران 35کیلوگرم با حدود 5 %آب
بنزول خام 11 کیلوگرم
ازت 1/2 کیلوگرم که تولید 10 کیلوگرم سولفات می کند
نفتالین 1 کیلوگرم که از گاز استخراج و جدا می شود
کک در اینجا محصول اصلی است و جداگانه بررسی شد. مواد فرعی را نیز به ترتیب بررسی می کنیم.
