کاربرد زغال سنگ به عنوان مواد اولیه در تولید آجر

نمای سلجوقی
نماهای آجری در دوران سلجوقی
ژوئن 24, 2020
نگاهی به سیر تحول آجر سفال از ابتدای تاریخ تاکنون
ژوئن 27, 2020
زغال سنگ

زغال سنگ

سابقه استخراج زغالسنگ و استفاده از آن به عنوان سوخت به قرن ۱۹ میلادی می رسد. امروزه کشورهای انگلیس، آلمان، ژاپن، چین، فرانسه و دانمارک، مهمترین کشورهای استفاده کننده از زغال سنگ هستند. برای مثال، ۷۵ درصد انرژی مورد نیاز کشور چین از زغالسنگ تأمین می شود. این کشور برای ساخت اولین کارخانه تهیه سوخت مایع با مرغوبیت بالا از زغالسنگ با کشور آلمان در حال همکاری است.

این کارخانه قادر خواهد بود که در جنوب غربی ناحیه یانن سالانه ۴ میلیون بشکه بنزین و گازوییل از ۱/ ۷ میلیون تن زغالسنگ لیگنیت تولید نماید. مؤسسه تحقیقات زغالسنگ چین با همکاری دانشمندان آلمانی مشغول بررسی و طراحی این پروژه هستند و کارخانه مورد نظر در آینده آماده بهره برداری خواهد بود. خاکستر حاصل از سوخت زغالسنگ به عنوان ماده افزودنی در سیمان، بتن و آجر استفاده فراوانی دارد. خاکستر زغالسنگ بدلیل وجود ذرات بسیار ریز شباهت زیادی به خاک رس داشته و خاصیت سخت شوندگی آن بخصوص پس از اضافه کردن آب و همچنین خاصیت ارتجاعی آن برای مخلوط کردن با خاک رس و تولید آجر بسیار مناسب است. کلسیم موجود در خاکستر زغال سنگ گوگرد را به خود جذب می نماید.

معایب این خاکسترها، وجود بیش از اندازه اکسیدهای کلسیم، سولفاتها و اکسید آهن است. مقدار زیاد اکسید آهن درجه ذوب را هنگام پخت پایین آورده و چگالی آجر را افزایش میدهد. دیگر مواد موجود در این خاکسترها آلومینیوم، سیلیس، کلرید، کرم و فلزهای سنگین و گاهی گوگرد فراوان و یا مواد خطرناک، مانند ارسنیک است. در سال ۱۹۹۰ میلادی، آجر سبک با ۷۰٪ خاکستر بادی به دست آمده از سوخت زغال سنگ و ۳۰٪ خاک رس در هلند تولید شده است.

در کشورهای ایتالیا و ژاپن برای تولید آجر سبک از مخلوط خاکستر بادی و ته نشین شده، خاک رس و کمی گچ صنعتی از روش هیدروترمیک استفاده می شود. تکامل این روش از سال ۱۹۹۹ میلادی، در ایالات متحده امریکا ادامه دارد. تولید آجر از خاکستر زغالسنگ در کشورهای سوئد و امریکا سابقه ای طولانی داشته و همواره رو به افزایش است. تعداد تولید این آجرها در ایالتهای ایلی نویز، میشیگان، ایندیانا و ویسکانسین در سال ۲۰۰۰، در حدود ۲۷۸ میلیون و در سراسر امریکا۸ / ۹ میلیارد بوده است.

مقدار خاکستر موجود در این آجرها بین ۴۰٪ تا ۷۰٪ بوده است. در سال ۱۹۷۷، در ایالت ویرجینیا و پنسیلوانیا آجرهایی با ۷۲٪ خاکستر بادی زغالسنگ و ٪۲۰ خاکستر ته نشین شده و ۳٪ سیلیکات سدیم با روش فشاری خشک پیش از پخت تولید نمودند. تولید این آجرها در سال ۱۹۹۸، تنها ۱/۰٪ کل تولید آجر با خاکستر زغالسنگ در امریکا بوده و به دلیل مشکلات تولیدی چندان موفقیت آمیز نبوده است. استفاده از باطله کارخانه های زغال سنگ شویی برای تولید آجر سبک بدلیل مناسبتر بودن خاکستر حاصل از سوخت زغالسنگ به عنوان ماده افزودنی به آجر و فراوانی آن سابقه چندانی ندارد.

امروزه به دلیل استفاده فراوان از این خاکستر در سیمان، بتن و آجر و بخصوص بتن ریزی زیر آب، دسترسی به نوع مناسب آن دچار اشکال گردیده و در کشور ایالات متحده امریکا مشغول بررسی چگونگی استفاده از باطله ریزدانه کارخانه های زغالسنگ شویی در صنعت آجرسازی هستند. از آنجایی که ماده اولیه هر دو محصول زغالسنگ است، شباهت زیادی بین مواد تشکیل دهنده آنها وجود داشته و در نتیجه از تجربیات موجود در صنعت تولید آجر با خاکستر حاصل از سوخت زغالسنگ می توان استفاده فراوان نمود.

برای مثال می دانیم که باطله مورد نظر باید دارای اکسید آلومینیوم، اکسید تیتان و سیلیس فراوان باشد تا برای آجرسازی مناسب باشد. وجود نمکهایی که به راحتی حل می شود مناسب نیست چرا که به سطح آجر منتقل شده و رنگ آن را نامطلوب می نماید. از جمله مواد دیگر نامناسب برای تولید این گونه آجرها، مقدار بیش از اندازه اکسیدهای کلسیم، سولفاتها و اکسید آهن است. مقدار خاک رس باید از یک حداقل کمتر نباشد تا خاصیت ارتجاعی لازم به خمیر آجر داده شود.

خاصیت ارتجاعی و شکل پذیری در مرحله اولیه پیش از پخت آجر بسیار مهم است. بعضی از کانی ها برای حفظ شکل آجر در هنگام پخت ضروری هستند. بعضی دیگر از کانیها برای تولید آجر مستحکم لازم است.

در ارتباط با رفتار پخت لازم است این واقعیت در نظر گرفته شود که اجزای آلی طبیعی موجود در خاک رس های آجرپزی و مواد آلی سوختنی که به منظور ایجاد تخلخل به خاکهای رسی اضافه میشوند ممکن است مشکلاتی ایجاد کنند. چون در مواردی سوختن ناقص این مواد، هسته های احیایی سیاه در قسمت داخلی آجر ایجاد میکند که در بعضی موارد دارای اثر بدی بر خواص بدنه سرامیکی است. بنابراین لازم است با استفاده از پخت های آزمایشی، برنامه های پخت مناسبی برای پیمانه های رسی مربوط تعیین گردد.

برخی از ذخایر خاک رس حاوی مقادیر نسبتا کمی سوخت طبیعی، شامل مواد قیری، کربنی یا زغال سنگی هستند که وجود آنها در خاک آجرپزی مفید بوده و باعث کاهش مقدار مصرف سوخت (نفت گاز یا گاز) مورد نیاز برای پخت می شود. در کشور ما در اطراف بعضی معادن زغال سنگ در مناطق کرمان، طبس و البرز، خاک یا آرژیلیت حاوی زغال سنگ یافت می شود. باطله این معادن برای مصرف بعنوان مواد اولیه آجرپزی می تواند انتخاب مناسبی باشد.

مواد آلی، مانند زغال سنگ یا هیدروکربنها، معمولا در رسهای خاکستری تیره، سیاه یا خاکستری مایل به آبی یافت می شوند. اغلب رسهای زرد، خاکستری روشن یا قرمز فاقد مواد آلی هستند. هیدروکربن ها در خاک می توانند باعث صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی هنگام پخت گردند. برای مثال، خاک رس منطقه فلتون انگلستان دارای ۵ درصد مواد آلی است که باعث می شود در مصرف سوخت ۸۰ تا ۸۰ درصد نسبت به مناطق دیگر صرفه جویی به عمل آید. مواد آلی ممکن است باعث ایجاد مغزههای سیاه در آجر شود.

بنابراین، چنین موادی باید قبل از آنکه اولین فازهای مایع در رسها تشکیل شود(حدود ۹۰۰ درجه سلسیوس)، به طور کامل سوخته و خارج گردد. تولید بلوکها و آجرهای سبک عایق حرارتی با افزودنیهای آلی قابل احتراق (مواد تخلخل زا) در مقادیر و دانه بندی مناسب قابل اجراست. وقتی پخت آجر کامل شد، این مواد در جای خود حفره هایی به جای می گذارند که با افزایش خاصیت عایق حرارتی در ارتباط است.

اثر مواد قابل احتراق در محدوده پیش گرمکن کوره تونلی مورد استفاده در آجرپزی باعث کربنیزاسیون (فرآیند تبدیل یک ماده آلی به کربن با خروج سایر اجزای تشکیل دهنده) اجزا در دمای کمتر از دمای سوختن آنها می شود. در بعضی موارد، بوهای نامطبوع و محصولات مضر ناشی از تجزیه مواد آلی ایجاد می شود. خشتهای سرد، از دهانه ورودی وارد کوره می شوند. گازهای خروجی از سمت مخالف حرکت آجرها جریان می یابند و حرارتشان را از دست می دهند، که در نتیجه حرارت آجرها بتدریج زیاد میشود.

این بدان معناست که ترکیبات حاصل از کربنیزاسیون دمای کم که در گاز خروجی وجود دارد، تنها در قسمت های با دمای کمتر، یعنی در جایی که احتراق وجود ندارد ایجاد میشود. کربنیزاسیون فقط وقتی به احتراق معمولی تبدیل می شود که دما به بیش از دمای سوختن مواد کربنیزاسیون برسد در استانداردهای ملی ایران، در مورد آجرهای سبک چنین آمده است: آجرهای سبک با سوراخهای افقی و قائم و پنل های آجری سبک با سوراخ های افقی آجرهایی هستند که از رس، لوم یا مواد رسی با افزودنی ها (مواد هوازا) یا بدون آنها قالبگیری و پخته می شوند.

چگالی ظاهری این آجرها نباید بیشتر از ۱/۰ گرم بر سانتیمتر مکعب باشد. مواد افزودنی نباید در درازمدت اثر مخرب بر خواص آجرها داشته باشند هدف از تولید بلوکها و آجرهای رسی سبک آن است که چگالی بدنه سرامیکی به زیر ۱/۴ گرم بر سانتیمتر مکعب برسد تا خواص عایق حرارتی بهتری بدست آید. از طرف دیگر، با کاهش چگالی آجر، جرم ساختمانهایی که در جدارهایشان از آجر استفاده شده کم و در نتیجه مقاومت ساختمان در برابر نیروهای مخرب زلزله بیشتر می شود.

مشکل اصلی این است که چگونه می توان افت در مقاومت را که با تخلخل بیشتر در بدنه سرامیکی همراه است به حداقل رساند، به طوری که از ظرفیت باربری کافی آجرها و بلوکها اطمینان حاصل شود. سالهاست که از انواع مختلف افزودنی های سوختنی نظیر پلی استایرن، خاک اره، غبار زغال سنگ، لجن فاضلاب، باقی مانده سلولزی و غیره در تولید آجر و بلوک سبک به طور موفقیت آمیزی استفاده شده است [۱۸] غالبأ حد فن آوری برای چگالی های بدنه نزدیک ۱/۶ گرم بر سانتیمتر مکعب گزارش شده است.

تنها در بعضی موارد به حد ۱ / ۲ گرم بر سانتیمتر مکعب رسیده اند. این امر عمدتا به نوع و اندازه دانه های مواد تخلخل زا، آماده سازی و فرآوری آن و به شرایط بسیار متفاوت فرآیند شکل دهی، خشک کردن و پخت بستگی دارد. گزارش شده است که مقاومت بدنه سرامیکی را میتوان با افزودنیهای معدنی مختلف نظیر آهک یا سنگ آهک پودر شده، رس های با دمای سینتر شدن کم و بعضی محصولات فرعی صنعتی افزایش داد.

بنابراین، دورنمایی برای کاهش حد فن آوری به ۱ / ۲ گرم بر سانتیمتر مکعب وجود دارد مشروط بر آنکه با استفاده از اقدامات اضافی آماده سازی و افزودن مواد تخلخل زای ریز بتوان فرمول بدنه رسی را به خوبی تنظیم نمود تا از کاهش مقاومت آن در حد کمتر از ۴۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع جلوگیری به عمل آید پالادیو معمار معرف ایتالیایی در کتاب خود به نام “چهار کتاب معماری” که در سال ۱۰۷۱م. منتشر شد،

چنین نوشته است: “آجرهای بزرگتر باید دارای حفره هایی باشند تا خشک شدن و پخت یکنواخت تری را مطمئن سازد. طبیعتا این گونه آجرها را که با حفره ها سبکتر شده اند، نیز به راحتی می توان جابجا نمود.” امکان دیگر تولید آجرهای سبک، اضافه کردن مواد سوختنی، مثل لیگنیت آسیاب شده یا مواد طبیعی با اجزای قیری ریز پراکنده به خاک رس اولیه است. بدین ترتیب، حجم فضاهای خالی آجر افزایش می یابد و وزن آن کم می شود.

 هم اکنون در آغاز قرن جدید تعداد نسبتا زیادی از کارخانه های آجرپزی در آلمان با استفاده از افزودن لیگنیت (زغال سنگ قهوه ای نرم یا خاک اره به مواد خام، آجر سبک تولید میکنند در فرآیند سنتی مورد استفاده در آجرپزی، حداکثر مقدار قابل تصور انرژی که میتوان از طریق مواد آلی، یعنی افزودنیهای سوختنی به کار گرفت، ۱۰۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم (گرفته شده از آجرهای پخته است. مقادیر بیشتر از دیدگاه انرژی غیر عملی است و با کورههای معمول مورد استفاده، توانایی کنترل مهندسی فرآیند وجود ندارد.

بنابر این، روش های جدید کنترل فرآیند امکان افزایش مقدار محدود کننده یاد شده را هدف قرار می دهد. با وجود این، تا کنون هیچ نتیجه مثبتی در این مورد در دسترس نیست، بنابراین، در کوره های تونلی معمول برای آینده قابل پیش بینی این حد “۱۰۰۰” را باید به طور عمده برای مقدار انرژی به دست آمده از مواد افزودنی در نظر گرفت.

برای آگاهی درباره مقیاس حجمهایی که میتوان به خاک آجرپزی افزود، زغال سنگ را در نظر میگیریم. زغال سنگ دارای ارزش حرارتی حدود ۳۰۰۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم است. پس به منظور آن که از مرز ۱۰۰۰ فراتر نرویم، تنها یک سی ام خشت خام باید از زغال سنگ تشکیل شود. بنابراین، حداکثر ۳/ ۳ درصد زغال سنگ را باید با خاک آجرپزی مخلوط کرد بدون آن که با کوره های امروزی فرآیند پخت غیر قابل کنترل شود.

آزمایش های انجام شده در مورد اثر ایجاد شده از افزودنی های سوختنی از جمله لیگنیت به یخبندان شود. مواد افزودنی سوختنی، مانند زغال سنگ نسبت آن دسته از فضاهای خالی را زیاد میکند که آب به آن دسترسی دارد، اما وارد کانال آن (حفره های ته بسته نمی شود. در زمان یخبندان، این کانال ها یا حفره ها میتوانند فضای کافی برای یخ که بر اثر افزایش حجم آب بر اثر انجماد در داخل آجر تنش موضعی ایجاد میکند، فراهم نمایند مواد تخلخل زا به درجات مختلف، اثر بازکنندگی در بدنه سرامیکی دارند.

بنابراین، خاک رس های مورد استفاده در بلوکها و آجرهای بزرگ سبک عایق حرارتی باید حالت خمیری را در حد مناسبی حفظ کنند. افزودنی های بازکننده بر خواص چسبندگی اثر می گذارند، یعنی پایداری خشت خام را بلافاصله پس از اکسترود کردن کم می کنند و معمولا لازم است بدنه های رسی طی شکل دهی هواگیری شوند.

مواد قابل احتراقی که ممکن است به عنوان افزودنی های محتمل در نظر گرفته شوند، درجدول ۱-۱۲ نشان داده شده است. توجه ویژه ای که به ضایعات کربنی حاصل از باطله های معادن زغال سنگ (یعنی باطله فلوتاسیون و پس مانده ریزدانه و درشت دانه شستشو) گردیده، به علت پایین بودن قیمت آنهاست. خاکستر بادی و اجزای آلی زباله نیز مناسب و نسبتا ارزان است. مواد دارای مقدار کربن کم، بیشترین مزایا را دارند (جدول ۱-۱۳).

مقادیر افزودنی مورد نیاز به مقدار کربن افزودنی مربوط بستگی دارد. در شکل ۶، مقدار ماده افزودنی مورد نیاز برای ۲ / ۵ درصد وزنی کربن در کل بدنه ارائه شده است. برای پخت آجر معمولی ۲۵ کربن در خاک لازم است. برای پخت در کوره های تونلی با ساختار متداول فقط تقریبا ۲ / ۰ ٪ کربن در کل بدنه مجاز است. چیدمان باز، هوای خنک کننده در منطقه قبل از پخت و فرآیند مناسب پخت ضروری است. مقدار کم مواد فرار نیز هنگام پخت به صرفه جویی انرژی کمک می کند. عملیات خشک کردن معمولا مورد توجه قرار می گیرد

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *