تحليل الفحم

تُعدّ الرطوبة خاصيةً مهمةً للفحم، إذ يُستخرج الفحم رطباً. تُعرف المياه الجوفية والرطوبة الخارجية الأخرى بالرطوبة العرضية ، وهي تتبخر بسهولة. أما الرطوبة الموجودة داخل الفحم نفسه فتُعرف بالرطوبة الذاتية ، ويتم تحليلها كمياً. قد توجد الرطوبة في الفحم بأربعة أشكال محتملة:

• الرطوبة السطحية : الماء الموجود على سطح جزيئات الفحم أو مكوناته العضوية
• الرطوبة المسترطبة : الماء المحتجز بفعل الخاصية الشعرية داخل الشقوق الدقيقة للفحم
• رطوبة التحلل : الماء المحتجز داخل المركبات العضوية المتحللة للفحم
• الرطوبة المعدنية : الماء الذي يشكل جزءًا من التركيب البلوري للسيليكات المائية مثل الطين.

يتم تحليل إجمالي الرطوبة عن طريق قياس فقدان الكتلة بين عينة غير معالجة وعينة بعد تحليلها. ويتم ذلك بإحدى الطرق التالية:

1. تسخين الفحم بالتولوين
2. التجفيف في فرن ذي مساحة خالية دنيا عند درجة حرارة 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت) داخل جو من النيتروجين  
3. تم التجفيف في الهواء عند درجة حرارة تتراوح بين 100 و 105 درجة مئوية (212 إلى 221 درجة فهرنهايت) وتحديد الفقد النسبي للكتلة  

تُناسب الطريقتان 1 و2 الفحم منخفض الرتبة، بينما تُناسب الطريقة 3 الفحم عالي الرتبة فقط، إذ قد يُؤدي تجفيف الفحم منخفض الرتبة بالهواء إلى زيادة الأكسدة. ويتم تحليل الرطوبة الكامنة بطريقة مماثلة، وإن كان من الممكن إجراؤها في فراغ.

تشير المواد المتطايرة في الفحم إلى مكونات الفحم، باستثناء الرطوبة، التي تنطلق عند درجات حرارة عالية في غياب الهواء. وهي عادةً مزيج من الهيدروكربونات قصيرة وطويلة السلسلة، والهيدروكربونات العطرية، وبعض الكبريت. كما تُستخدم المواد المتطايرة لتقييم قدرة الفحم على امتصاص المواد المتطايرة باستخدام الكربون المنشط . ويتم تحديد المواد المتطايرة في الفحم وفقًا لمعايير صارمة. في المختبرات الأسترالية والبريطانية ، يتضمن ذلك تسخين عينة الفحم إلى 900 ± 5 درجة مئوية (1650 ± 10 درجة فهرنهايت) لمدة 7 دقائق. كما أن نسبة المواد المتطايرة في الفحم تقل مع ارتفاع رتبته.

يمثل محتوى الرماد في الفحم البقايا غير القابلة للاحتراق المتبقية بعد احتراق الفحم. وهو يمثل المادة المعدنية الأساسية بعد تبخر الكربون والأكسجين والكبريت والماء (بما في ذلك الماء الموجود في الطين) أثناء الاحتراق. يُعد تحليل الرماد بسيطًا نسبيًا، حيث يُحرق الفحم تمامًا ويُعبّر عن محتوى الرماد كنسبة مئوية من وزنه الأصلي. كما يُمكن أن يُشير محتوى الرماد إلى جودة الفحم. يُمكن تحديد محتوى الرماد على أساس التجفيف الهوائي أو التجفيف في الفرن. والفرق الرئيسي بينهما هو أن الطريقة الثانية تُحدد بعد إزالة الرطوبة من عينة الفحم.

يمثل محتوى الكربون الثابت في الفحم الكربون المتبقي في المادة بعد إزالة المواد المتطايرة . ويختلف هذا عن محتوى الكربون النهائي في الفحم، لأن جزءًا من الكربون يُفقد في الهيدروكربونات مع المواد المتطايرة. يُستخدم الكربون الثابت كتقدير لكمية فحم الكوك التي ستُستخلص من عينة الفحم. ويُحدد الكربون الثابت بطرح كتلة المواد المتطايرة، التي حُددت بواسطة اختبار التطاير المذكور أعلاه، من الكتلة الأصلية لعينة الفحم.

تعتمد الكثافة النسبية أو الوزن النوعي للفحم على رتبة الفحم ودرجة شوائبه المعدنية. وتُعد معرفة كثافة كل طبقة فحم ضرورية لتحديد خصائص المواد المركبة والمخاليط. كما أن كثافة طبقة الفحم ضرورية لتحويل الموارد إلى احتياطيات.

تُحدد الكثافة النسبية عادةً بفقدان وزن العينة في الماء. ويُفضل استخدام الفحم المطحون ناعماً، لأن العينات الكبيرة مسامية للغاية. مع ذلك، لتحديد كميات الفحم الموجودة في الموقع، من المهم الحفاظ على الفراغات عند قياس الكثافة النوعية.

يعتمد توزيع حجم جزيئات الفحم المطحون جزئيًا على رتبة الفحم، التي تحدد هشاشته، وعلى عمليات المناولة والتكسير والطحن التي خضع لها. يُستخدم الفحم عادةً في الأفران وأفران الكوك بحجم معين، لذا يجب تحديد قابلية تكسير الفحم وقياس سلوكه. من الضروري معرفة هذه البيانات قبل استخراج الفحم، حتى يتسنى تصميم آلات تكسير مناسبة لتحسين حجم الجزيئات لنقلها واستخدامها.

تختلف كثافة طبقات الفحم وجزيئاته النسبية، والتي تتحدد بمحتوى الفترينيت ، ورتبته، ونسبة الرماد إلى محتواه المعدني، ومساميته . يُغسل الفحم عادةً بتمريره فوق حوض من سائل ذي كثافة معروفة. تُزيل هذه العملية الجزيئات ذات نسبة الرماد العالية، وتزيد من قابلية بيع الفحم، بالإضافة إلى محتواه من الطاقة لكل وحدة حجم. لذا، يجب إخضاع الفحم لاختبار الطفو والترسيب في المختبر، والذي يُحدد الحجم الأمثل للجزيئات المراد غسلها، وكثافة سائل الغسل اللازمة لإزالة أعلى نسبة من الرماد بأقل جهد.

يتم إجراء اختبار الطفو والغرق على الفحم المسحوق والمطحون في عملية مشابهة للاختبارات المعدنية على الخام المعدني .

التآكل خاصية للفحم تصف ميله وقدرته على إتلاف الآلات والطحن الذاتي. في حين أن المواد الكربونية في الفحم لينة نسبيًا، فإن الكوارتز والمكونات المعدنية الأخرى فيه شديدة التآكل. يُختبر ذلك في مطحنة معايرة تحتوي على أربع شفرات ذات كتلة معلومة. يُحرّك الفحم في المطحنة لمدة 12000 دورة بمعدل 1500 دورة في الدقيقة (أي 1500 دورة لمدة 8 دقائق). يُحدد مؤشر التآكل بقياس فقدان كتلة الشفرات المعدنية الأربع.

إلى جانب التحليلات الفيزيائية والكيميائية لتحديد خصائص الفحم من حيث المناولة والملوثات، تُحدد الطاقة الناتجة عن الفحم باستخدام مسعر قنبلة يقيس الطاقة النوعية الناتجة عن احتراق الفحم احتراقًا كاملًا. وهذا ضروريٌّ خاصةً للفحم المستخدم في توليد البخار.

يُعدّ سلوك رماد الفحم المتبقي عند درجات الحرارة العالية عاملاً حاسماً في اختيار أنواع الفحم لتوليد الطاقة البخارية. تُصمّم معظم الأفران لإزالة الرماد على شكل مسحوق. أما الفحم الذي ينصهر رماده ليُشكّل خبثاً زجاجياً صلباً يُعرف باسم الكلنكر، فعادةً ما يكون غير مناسب للأفران لأنه يتطلب تنظيفاً. مع ذلك، يُمكن تصميم الأفران للتعامل مع الكلنكر، وذلك عادةً بإزالته كسائل منصهر.

تُحدد درجات انصهار الرماد من خلال معاينة عينة مصبوبة من رماد الفحم عبر نافذة مراقبة في فرن ذي درجة حرارة عالية. يُسخّن الرماد، على شكل مخروط أو هرم أو مكعب، بشكل مطرد إلى ما يزيد عن 1000 درجة مئوية، وصولاً إلى أعلى درجة حرارة ممكنة، ويفضل أن تكون 1600 درجة مئوية (2910 درجة فهرنهايت) . تُسجل درجات الحرارة التالية:  

• درجة حرارة التشوه : يتم الوصول إلى هذه الدرجة عندما تصبح زوايا القالب مستديرة لأول مرة.
• درجة حرارة التليين (الكروية) : يتم الوصول إلى هذه الدرجة عندما يتخذ الجزء العلوي من القالب شكلاً كروياً.
• درجة حرارة نصف الكرة : يتم الوصول إلى هذه الدرجة عندما يتخذ القالب بأكمله شكل نصف الكرة.
• درجة حرارة التدفق (السائل) : يتم الوصول إلى هذه الدرجة عندما ينهار الرماد المنصهر إلى زر مسطح على أرضية الفرن.

أبسط اختبار لتقييم مدى ملاءمة الفحم لإنتاج فحم الكوك هو اختبار مؤشر التورم الحر. يتضمن هذا الاختبار تسخين عينة صغيرة من الفحم في بوتقة قياسية إلى حوالي 800 درجة مئوية (1500 درجة فهرنهايت). بعد التسخين لفترة محددة، أو حتى تبخر جميع المواد المتطايرة، تبقى كتلة صغيرة من فحم الكوك في البوتقة. يُحدد مؤشر التورم الحر من خلال مقارنة المقطع العرضي لهذه الكتلة بمجموعة من المقاطع العرضية القياسية.