مقاله تولید زغال فشرده از ضایعات خشک

بخشی از مقاله

چکیده:
در سال های اخیر به دلیل کاهش منابع تجدید ناپذیر سوخت های فسیلی, افزایش هزینه ی سوخت و وخیم ترشدن مسایل زیست محیطی, تحقیقات در زمینه ی منابع انرژی تجدیدپذیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. لذا برای کاهش آلودگی محیط زیست و گازهای گلخانه ای که در اثر سوختن یا یا دفن بقایای بیومس - زیست توده - ایجاد می شوند, زغال تولید شده از منابع تجدیدپذیر به ویژه زغال فشرده به عنوان سوخت جایگزین مورد توجه قرار گرفته است. زغال فشرده از ضایعات خشک نظیر چوب حاصل از هرس درختان, ضایعات حاصل از صنایع چوبی, خاک اره, پوسته شلتوک و کاه درختان به دست می آید. به دلیل کمبود منابع چوبی, وجود مناطق صعب العبور و مسائل زیست محیطی ایران بازار مناسبی برای تولید و مصرف زغال فشرده می باشد. از این رو در این پژوهش, امکان تولید زغال در ایران, مزایای حاصل از آن و پتانسیل های موجود بررسی شده است. این بررسی برای منطقه شهر اصفهان به طور موردی انجام شد. نتایج این تحقیق نشان داد که تولید زغال فشرده منجر به جلوگیری از قطع 201100 اصله درخت می شود. حفظ این تعداد درخت 5630800 کیلوگرم هوای آلوده را فیلتر, 583190000 لیتر آب باران را ذخیره و نیز سرمایی به اندازه 2011000 کولر گازی را در سال تولید می کند. از منظر دیگر زغال فشرده تولیدی در شهر اصفهان سبب تامین گاز 78 خانوار ایرانی می شود.

واژه های کلیدی: زغال فشرده, ضایعات خشک, انرژی تجدید پذیر, محیط زیست

.1مقدمه:
زغال همواره به عنوان یک منبع انرژی مورد استفاده انسان بوده است. در طول تاریخ بشر زغال را به گونه های مختلف مورد استفاده قرار می داده است. زغال1 دارای ویژگی های جذابی است. این ماده فاقد گوگرد و سرب می باشد و دارای مقادیر اندکی نیتروژن و خاکستر است. به راحتی قابل احتراق, ذخیره سازی و به کارگیری است. علاوه بر استفاده از آن به عنوان سوخت خانگی, زغال به عنوان کاهنده ی شیمایی در مقادیر زیادی در متالورژی به کار می رود.[3]آمریکا اولین کشوری بود که توانست در اواسط قرن 19 از تکنولوژی بریکت - زغال فشرده - 2 بهره بالایی ببرد. هزینه بالای زغال سنگ 3 در آن سالها باعث شد که آنها از پسماند معادن برای تولید بهینه زغال استفاده کنند.[1]

درطول جنگ جهانی دوم نیز, کمبود منابع سوختی باعث رواج تولید زغال فشرده از پسماندهایی نظیر خاک اره4 در کشورهای اروپایی, آمریکا و ژاپن شد . البته استفاده آنها از اتصال دهنده های ضعیف 5 جهت نگه داشتن ذرات کنارهم در زغال فشرده باعث شکل گیری نامنظم و شکننده بودن و فروریختن آنها درطول حمل و نقل و یا در اثر قرارگرفتن در معرض تغییرات آب و هوایی می شدند. تولید زغال فشرده که با استفاده از پسماند چوب انجام می شود از جمله روشهای بسیار اقتصادی تولید زغال است که سالهاست انسان از آن بهره می جوید.[1]در سال های اخیر به دلیل کاهش منابع تجدید ناپذیر سوخت های فسیلی, افزایش هزینه ی سوخت و وخیم ترشدن مسایل زیست محیطی, تحقیقات در زمینه ی منابع انرژی تجدیدپذیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است.

لذا برای کاهش آلودگی محیط زیست و گازهای گلخانه ای که در اثر سوختن یا یا دفن بقایای بیومس - زیست توده - ایجاد می شوند, زغال تولید شده از منابع تجدیدپذیر به ویژه استفاده از زغال فشرده به عنوان سوخت جایگزین مورد توجه قرار گرفته است. [2] این گزینه به ویژه در کشورهای آسیایی و آفریقایی مورد توجه بوده است. در واقع آسیا قلب تولید زغال فشرده در کشورهای رو به رشد است. به جز ژاپن, ایالات متحده و اروپا کشورهای چین و هندوستان نیز از جمله تولید کنندگان بسیار بزرگ زغال فشرده در جهان هستند.[1]گرچه از چوب به عنوان سنتی ترین و اصلی ترین ماده ی اولیه برای تولید زغال استفاده می شود اما کاهش شدید منابع چوبی دردسترس برای تولید زغال و تاکید کشورها بر حفاظت از محیط زیست و جلوگیری از نابودی درختان باعث شده است که انسان به دنبال منابع دیگری برای تولید زغال باشد.

بقایای - ضایعات خشک - کشاورزی و جنگل شامل مقادیر زیادی از اجزای آلی - سلولز, همی سلولز - 6هرگونه بسپار ناهمگنی است که به همراه سلولز در دیواره یاخته گیاهان حضور دارد - , لیگنین و غیره - با انرژی زیاد می باشند ومی توانند منابع مناسبی جهت تولید زغال باشند. زغال حاصل از بقایای - ضایعات خشک - جنگل و کشاورزی زغال بیومس - زیست توده - 1 نامیده می شود. از آنجاکه این بقایا - ضایعات خشک - حاصل واکنشهای فتوسنتزی می باشند, احتراق زغال بیومس را می توان از نظر آلایندگی خنثی در نظر گرفت. میزان تولید ترکیبات نیتروژن اکسید - - NOx و گوگرد دی اکسید در چنین احتراق هایی ناچیز است. به علاوه این بقایا - ضایعات خشک - منابع سوختی تجدید پذیر هستند و استفاده از آنها جهت تولید زغال بیومس - زیست توده - آسیبی به محیط زیست نمی رساند. از طرف دیگر تولید انبوه این نوع زغال - زغال بیومس - آنرا از نظر اقتصادی قابل رقابت با سایر زغال ها مانند زغال سنتی می سازد.

به طور کلی بازده کربن,2 بازده خاکستر3و مقدار رطوبت زغال کبابی از شاخص های مهم زغال می باشند. هرچه بازده کربن بیشتر باشد وبازده خاکستر و تولید دود درطول احتراق کمتر باشد زغال کبابی دارای کیفیت بهتری است. زغال بیومس با واکنش پذیری زیاد و کیفیت خوب سوختی بی ضرر و تمیز است و این سوخت می تواند به عنوان سوخت کبابی استفاده شود. با بهبود استاندارد های زندگی مصرف زغال کبابی افزایش یافته است . بنابراین آینده ی زغال حاصل از بقایای - ضایعات خشک - کشاورزی و جنگل روشن است.[2]انتقال راحت تر و دود کمتر سوختهای چوبی زغالی باعث محبوبیت این نوع سوخت شده است از آنجا که انتقال سوختهای نفتی و گازی به مناطق صعب العبور بسیار سخت, پر هزینه و گاه غیر ممکن می باشد, دسترسی به زغال در مناطق روستایی سبب بهبود کیفیفت زندگی آنها می شود.

هم چنین مناطق روستایی مصرف سوختهای زغالی را به مصرف سوختهای مدرن ترجیح می دهند. تولید زغال حاصل از بیومس در مناطق روستایی یک فعالیت درآمد زا نیز به شمار می آید چون نه تنها این زغال در بازار محلی به فروش می رسد بلکه با افزایش زیاد هزینه ی سوخت های تجاری استفاده از زغال بیومس به عنوان یک سوخت جایگزین در حال رواج است. [3]زغال حاصل از بیومس به شکل ذره و گرد تولید می شود. این ذرات سپس باید تحت فرایندهایی مانند اختلاط با اتصال دهنده قرار گرفته و به شکل قرص در بیایند. درفرایند پیرولیز - 4 فرایندی ترموشیمیایی است که طی آن مواد آلی در اثر گرما و در غیاب اکسیژن و یا عناصر هالوژنی تجزیه شده و به مواد سادهتری تبدیل میشوند - حدود 50 درصد بیومس به صورت مواد فرار در می آیند. مقدار انرژی زغال پیرولیز شده کمتر از زغال حاصل از چوب است.[3]

همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود, مکانیزم کلی تولید زغال بیومس به این صورت است که مواد زاید چوبی طی فرایند پیرولیز به کربن تبدیل شده سپس کربن حاصل درظرف اختلاط دهنده - میکسر - با مواد اتصال دهنده5 نظیر ملاس چغندر و نشاسته مخلوط می شوند و نهایتا بسته بندی می شوند. لازم به ذکر است که در این فرایند حدود 30-15 درصد بقایا - ضایعات خشک - به کربن تبدیل می شود و حدود 30-20 درصد اتصال دهنده مورد نیاز است. در این تحقیق درصد تبدیل بقایا - ضایعات خشک - به کربن 16,4 درصدو 25 درصد بقایا - ضایعات خشک - به عنوان اتصال دهنده در نظر گرفته شده است.

گرچه صنعت تهیه زغال از چوب یک صنعت جهانی است اما آثار بسیار سوء زیست محیطی آن به ویژه در بعضی از مناطق جهان آن را به یک تهدید زیست محیطی تبدیل کرده است. در کشور مالاوی, از سال 1981 تاکنون, بیش از 90 درصد انرژی مورد نیاز با سوخت های چوبی تامین می شود. این مسئله سبب انقراض جنگل ها شده است. جهت حفاظت از جنگل ها دولت تولید زغال از چوب جنگل ها را ممنوع اعلام کرده است. در این گونه کشورها تکنولوژی بیومس جایگزین مناسبی است و در صورتی که مدیریت سازماندهی و سیاست های بازاریابی توسعه یابد از نظر اقتصادی نیز به صرفه خواهد بود.[4]

تانزانیا جهت تامین انرژی خود به شدت به تولید زغال از چوب میومبو6 وابسته می باشد. اما چوب میومبو سبب انقراض جنگل ها می شود. از طرف دیگر, حدود 60 درصد سوخت استفاده شده در صنعت سیمان تانزانیا زغال سنگ است. در حالی که زغال می تواند جایگزین زغال سنگ شود. کشورهای تانزانیا, آفریقای شرقی و ایرینگا به دلیل کمبود امکانات در دفن بقایای خاک اره مشکلات زیادی دارند. از این جهت, کارخانه ها در این کشورها مایل به فراوری این بقایا - ضایعات خشک - و تبدیل آنها به دو نوع زغال دارند: زغال فشرده و زغال پودر. آنها مایلند برای مصارف خانگی زغال فشرده را جانشین زغال میوبو کنند و برای مصارف صنعت سیمان زغال پودر را جانشین زغال سنگ کنند.[5]

از کشورهای دیگر می توان به برزیل اشاره کرد که از بزرگترین تولید کننده های الکل و شکر از نیشکر در جهان می باشد. در اینکشور, از بقایا - ضایعات - نیشکر در تولید زغال فشره استفاده شده است. زغال فشرده گزینه ی جدیدی از سوخت های تجدید پذیر می باشد و استفاده از آن می تواند سبب کاهش جنگل زدایی شود و یا به عنوان سوخت چوبی به کار رود.[6]در سال 1993 نیز تحقیقی در زمینه ی تولید زغال فشرده در کشور پاکستان انجام شد. از آنجا که مصرف زغال سبب جنگل زدایی شدید شده بود. از نتا یج این مطالعه می توان اشاره کرد به اینکه مصرف کننده های خانگی به راحتی جایگزینی زغال فشرده را پذیرفتند در حالی که مصرف کننده های صنعتی به تدریج از این جایگزینی استفاده کردند .[7]

براساس اطلاعات نویسنده, در زمینه استفاده از زغال چوب و زغال فشرده در ایران تحقیقی گزارش نشده است. هدف این پژوهش بررسی نیاز مصرفی و تولید زغال از ضایعات خشک - بقایای حاصل از هرس, خاک اره, ضایعات نجاری و... - در محدوده ی شهر اصفهان در سال 1393 می باشد. مزایای زیست محیطی و انرژی حاصل از این روش نیز بررسی شد. در این تحقیق شهر اصفهان به عنوان نمونه در نظر گرفته شده است که می توان با شبیه سازی آن را به کشور ایران تعمیم داد.

.2مواد و روش:
جمع آوری اطلاعات در این پژوهش از روش مراجعه به اطلاعات ثبت شده در شهرداری شهر اصفهان,[8] سازمان صنعت و معدن[9] ,سازمان جهاد کشاورزی اصفهان,[10] تعدادی از سایت های رسمی کشور, توزیع 150پرسشنامه به صورت تصادفی در بین مردم[11] و بازرسی از کارخانه های تولید زغال چوب[12] بوده است. متاسفانه علیرغم تلاش زیاد اجازه بازدید از تنها کارخانه تولید زغال قالبی - فشرده - ایران که در کاشان واقع است داده نشد.همانطور که در جدول 1 مشاهده می شود, بر اساس اطلاعات دریافتی از شهرداری اصفهان در سال ,1393 تعداد درختان هرس شده در محدوده ی شهر اصفهان طبق اعلان سازمان پارک ها و فضای سبز شهرداری 2600000 اصله, میزان هرس بازیافتی درختان شهر اصفهان طبق سازمان اعلان بازیافت 2500 تن, جمع بازیافت ناشی از هرس درختان محدوده ی شهراصفهان 5600 تن, جمع کل هرس درختان غیرمثمر در عرصه های کشاورزی 11 تن و میزان چوب بدست آمده از هرس درختان 17000 تن می باشد.

براساس آمار سازمان صنعت و معدن اصفهان در سال 1391 میزان پسماندهای چوبی صنایع چوبی 550 تن و میزان پسماندهای اصناف 2560 تن در سال می باشد[13] - مصاحبه شخصی با مهندس فتح ا...معین عضو شورای شهر اصفهان - .طبق سازمان جهاد کشاورزی درسال 93 سطح کشت شده برنج در شهر اصفهان 14 هکتار می باشد. در هر هکتار برنج حدود 8 تن برنج به دست می آید که 30 درصد برنج حاصل پوسته شلتوک خواهد بود.[14] در این پژوهش 35 درصد لحاظ شده است. طبق تجزیه و تحلیل پرسشنامه ها, حدود15636,5 تن زغال چوب در سال در این شهر مصرف می شود.
. براساس پرسشنامه ها و نیز مقاله ای توسط قیلاردی, [15] زغال مصرفی بیشترجهت تهیه ی غذا استفاده می شود.هردرخت به طور متوسط حدود 100کیلوگرم می باشد. [16] طبق سازمان حفظ و بازسازی جنگل های آمریکا [17] و نیز شهرداری اصفهان, هر درخت به طور متوسط می تواند 28 کیلوگرم هوای آلوده را فیلتر کند و 2900 لیتر آب باران را ذخیره و سرمایی به اندازه 10کولر گازی در سال تولید کند.طبق داده های پایگاه خبررسانی خبرنگاران, میزان مصرف گاز متوسط سالانه هر خانوار ایرانی 36000 مترمکعب در سال است. [18] انتالپی احتراق کربن393,5 1 کیلوژول بر مول و انتالپی احتراق گاز شهری - عمدتا حاوی متان - 54 کیلوژول برگرم است. طبق قانون آواگادرو, هرمول گاز در شرایط STP - دمای صفر درجه سانتی گراد و فشار 1 اتمسفر - حجم 22,4 لیتر را اشغال می کند. جرم مولکولی کربن برابر 12 و متان برابر با 16 کیلوگرم بر کیلومول می باشد.

با توجه به بررسی میدانی و تحقیقاتی در نظرگرفته شده است که 16,4 در صد ضایعات چوبی به کربن تبدیل می شود و اتصال دهنده به میزان 25 درصد ضایعات چوبی مورد نیاز است.با استفاده از داده های آماری ضایعات چوبی شهرداری اصفهان سال 1393 - جدول - 1 و سازمان صنعت و معدن در در سال 1391 - جدول - 2و با استفاده از انتالپی احتراق کربن, قانون آواگادرو و با توجه به جرم مولکولی کربن و متان میزان انرژی حاصل از زغال بیومس و میزان جلوگیری از آلودگی محیط زیست در صورت جایگزینی زغال فشرده با زغال چوب در مصارف خانگی شهر اصفهان محاسبه و مورد بررسی قرار گرفت.