خليط الفحم والماء
أولاً: الخصائص والوظائف الفيزيائية
يُعدّ خليط الفحم والماء مزيجًا من الفحم والماء وكمية قليلة من المواد الكيميائية المضافة. وبحسب الغرض منه، يُصنّف خليط الفحم والماء إلى نوعين: خليط عالي التركيز كوقود، وخليط مخصص لتغويز أفران شركة تيكساكو. يُمكن ضخّ خليط الفحم والماء، وتذريره، وتخزينه، وإشعاله، وحرقه بشكل مستقر. يُمكن استبدال طن واحد من زيت الوقود بحوالي طنين من خليط الفحم والماء.
يُعدّ خليط الفحم والماء للحرق خيارًا مثاليًا لما يتميز به من كفاءة احتراق عالية، وتوفير في الطاقة، وفوائد بيئية، وهو عنصر أساسي في تكنولوجيا الفحم النظيف. ويمكن نقل هذا الخليط لمسافات طويلة عبر خطوط الأنابيب بتكاليف استثمارية وتشغيلية منخفضة. كما يمكن حرقه مباشرةً دون تجفيف بعد وصوله إلى المحطة، وتُعتبر عملية التخزين والنقل مغلقة تمامًا.
يُسبب الماء فقدانًا للحرارة، ولا يُمكنه توليد حرارة في عملية الاحتراق. لذا، يجب أن يصل تركيز الفحم إلى مستوى عالٍ نسبيًا - حوالي 65-70% عمومًا. تبلغ نسبة الإضافات الكيميائية حوالي 1%. يُمثل فقدان الحرارة الناتج عن الماء حوالي 4% من القيمة الحرارية لمحلول الفحم المائي. يُعد الماء مادة خام أساسية في عملية التغويز. من هذا المنطلق، يُمكن خفض تركيز الفحم إلى 62-65%، مما قد يُؤدي إلى زيادة احتراق الأكسجين.
لتسهيل تفاعلات الاحتراق والتغويز، يتطلب معلق الفحم المائي معايير محددة لنعومة الفحم. الحد الأقصى لحجم جسيمات معلق الفحم المائي المستخدم كوقود (بنسبة مرور لا تقل عن 98%) هو 300 ميكرومتر، ونسبة الجسيمات التي يقل حجمها عن 74 ميكرومتر (200 مش) لا تقل عن 75%. أما معلق الفحم المائي المستخدم للتغويز، فتكون نعومته أكبر قليلاً من معلق الفحم المائي المستخدم كوقود. يُسمح بحد أقصى لحجم الجسيمات يصل إلى 1410 ميكرومتر (14 مش)، ونسبة الجسيمات التي يقل حجمها عن 74 ميكرومتر (200 مش) تتراوح بين 32% و60%. ولتسهيل ضخ معلق الفحم المائي وتذريره، يتطلب أيضاً سيولة مناسبة.
عند درجة حرارة الغرفة ومعدل قص يبلغ 100 ثانية⁻¹، يُشترط عمومًا ألا تتجاوز اللزوجة الظاهرية 1000-1500 ملي باسكال.ثانية. أما معلق الفحم والماء المستخدم في نقل الفحم عبر خطوط الأنابيب لمسافات طويلة، فيتطلب لزوجة ظاهرية لا تتجاوز 800 ملي باسكال.ثانية عند درجات حرارة منخفضة (أدنى درجة حرارة في السنة للأنابيب المدفونة تحت الأرض) ومعدل قص يبلغ 10 ثانية⁻¹. إضافةً إلى ذلك، يُشترط أيضًا أن يكون لمعلق الفحم والماء لزوجة منخفضة في حالته السائلة، مما يُسهّل استخدامه؛ أما عند توقفه عن التدفق وسكونه، فيمكن أن يُظهر لزوجة عالية لتسهيل تخزينه.
يُعدّ استقرار معلق الفحم المائي أثناء التخزين والنقل بالغ الأهمية، فهو خليط من مواد صلبة وسائلة، ويسهل فصلها، لذا يُشترط عدم تكوّن أي ترسبات صلبة خلال هذه العمليات. ويُقصد بالترسبات الصلبة تلك الرواسب التي لا يمكن استعادتها إلى حالتها الأصلية بتحريك المعلق. وتُعرف قدرة معلق الفحم المائي على الحفاظ على هذه الخاصية بعدم تكوّن الترسبات الصلبة بـ"استقرار" المعلق. ويؤثر ضعف استقرار المعلق سلبًا على الإنتاج عند حدوث ترسبات أثناء التخزين والنقل.
ثانيًا: لمحة عامة عن تكنولوجيا تحضير ملاط الفحم والماء
يتطلب معلق الفحم المائي تركيزًا عاليًا للفحم، وحجمًا دقيقًا للجسيمات، وسيولة جيدة، واستقرارًا جيدًا لتجنب الترسيب الصلب. من الصعب تحقيق جميع الخصائص المذكورة أعلاه في آن واحد، لأن بعضها متعارض. على سبيل المثال، زيادة التركيز تؤدي إلى زيادة اللزوجة وتدهور السيولة. بينما تؤدي السيولة الجيدة واللزوجة المنخفضة إلى تدهور الاستقرار. لذلك، من الضروري مراقبة التركيز في الوقت الفعلي.لونمترمقياس الكثافة المحمول باليديتمتع بدقة تصل إلى 0.003 جم/مل، مما يتيح قياس الكثافة بدقة والتحكم بدقة في كثافة المعلق.
1. اختيار الفحم الخام المناسب لصناعة اللب
إضافةً إلى تلبية متطلبات المستخدمين النهائيين، يجب مراعاة خصائص اللب عند اختيار الفحم المستخدم في صناعة اللب، أي مدى صعوبة عملية اللب. فبعض أنواع الفحم يسهل إنتاج معلقات فحم-ماء عالية التركيز منها في الظروف العادية، بينما يصعب ذلك مع أنواع أخرى، أو يتطلب عملية لب أكثر تعقيدًا وتكلفة أعلى. وتؤثر خصائص اللب للمواد الخام المستخدمة في صناعة اللب تأثيرًا كبيرًا على الاستثمار وتكلفة الإنتاج وجودة معلقات الفحم-الماء في مصنع اللب. لذا، ينبغي فهم خصائص اللب للفحم، واختيار الفحم الخام المناسب وفقًا للاحتياجات الفعلية ومبادئ الجدوى التقنية والاقتصادية.
2. التقييم
لا يقتصر تحضير معلق الفحم المائي على ضرورة وصول حجم جزيئات الفحم إلى درجة النعومة المطلوبة فحسب، بل يتطلب أيضًا توزيعًا جيدًا لأحجام الجزيئات، بحيث تملأ جزيئات الفحم ذات الأحجام المختلفة بعضها بعضًا، مما يقلل الفراغات بينها، ويحقق كفاءة تكديس أعلى. يؤدي تقليل الفراغات إلى خفض كمية الماء المستخدمة، ويسهل تحضير معلق فحم مائي عالي التركيز. تُعرف هذه التقنية أحيانًا باسم "التصنيف".
3. عملية ومعدات صناعة اللب
في ظل خصائص حجم جسيمات الفحم الخام وظروف الطحن المحددة، فإن كيفية جعل توزيع حجم الجسيمات للمنتج النهائي من معلق الفحم والماء يحقق "كفاءة تكديس" أعلى يتطلب اختيارًا معقولًا لمعدات الطحن وعملية اللب.
4. اختيار الإضافات المتوافقة مع الأداء
لتحقيق تركيز عالٍ ولزوجة منخفضة وخصائص انسيابية واستقرار جيدة في معلق الفحم المائي، لا بد من استخدام كمية قليلة من المواد الكيميائية، تُعرف باسم "المضافات". تعمل جزيئات هذه المضافات على السطح الفاصل بين جزيئات الفحم والماء، مما يقلل اللزوجة، ويُحسّن تشتت جزيئات الفحم في الماء، ويعزز استقرار معلق الفحم المائي. تتراوح كمية المضافات عادةً بين 0.5% و1% من كمية الفحم. وتوجد أنواع عديدة من المضافات، ولا توجد تركيبة ثابتة لها، بل يجب تحديدها من خلال البحث التجريبي.
تاريخ النشر: 13 فبراير 2025
