زغال برای قرن‌ها یک منبع مهم انرژی و تولید حرارت بوده است، از سوخت گرفته تا داروسازی. درک چگونگی تبدیل چوب به زغال از طریق یک سری مراحل شیمیایی درون کوره صنعتی زغال، هم جالب و هم ضروری برای بهبود کارآیی تولید و پایداری محیط زیستی است.
زغال چیست؟
زغال باقی‌مانده سبک و سیاه است که از کربن و خاکستر تشکیل شده و با حذف آب و سایر مواد فرار از مواد سوختنی به دست می‌آید. به طور تاریخی، زغال از چوب تولید شده است، اما از مواد آلی و قابل سوختن دیگری هم نیز می توان برای تولید زغال استفاده نمود. دو نوع اصلی زغال وجود دارد: زغال چوب و بریکت. زغال چوب به طور مستقیم از چوب سخت تولید می‌شود، در حالی که بریکت از گرد زغال فشرده شده (خاک اره) و افزودنی‌ها تولید می‌شود.
چوب و ترکیبات آن
برای درک چگونگی تبدیل چوب به زغال، لازم است بدانیم که چوب از چه چیزی تشکیل شده است. چوب عمدتاً از سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل شده است که پلیمرهای آلی پیچیده‌ای هستند. سلولز و همی‌سلولز کربوهیدرات‌ها هستند، در حالی که لیگنین یک پلیمر پیچیده است که به چوب سختی می‌بخشد. سایر ترکیبات شامل آب، رزین‌ها و مواد معدنی مختلف هستند.
آماده‌سازی چوب برای تولید زغال
قبل از اینکه چوب به زغال تبدیل شود، باید به درستی آماده شود. اولین مرحله انتخاب نوع چوب مناسب است، به طور معمول چوب‌های سخت مانند بلوط، هیکوری یا افرا برای تولید زغال استفاده می شود زیرا آن‌ها به زغال با کیفیت بهتری تبدیل می شوند. سپس چوب باید خشک شود تا محتوای رطوبت آن کاهش یابد، زیرا این امر فرآیند پیرولیز را تسهیل می‌کند و کیفیت محصول نهایی را بهبود می‌بخشد.
پیرولیز: فرآیند اصلی
اصلی ترین مرحله تولید زغال پیرولیز است، یک فرآیند تجزیه حرارتی که در غیاب اکسیژن رخ می‌دهد. پیرولیز شامل گرم کردن چوب تا دماهای بالا است که باعث تجزیه شیمیایی آن می‌شود. این فرآیند را می‌توان به چندین مرحله تقسیم کرد که هر کدام برای تبدیل چوب به زغال حیاتی هستند.
مرحله گرمایش اولیه
در مرحله اولیه، چوب به آرامی تا حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۲ درجه فارنهایت) گرم می‌شود. این مرحله دما پایین برای حذف رطوبت از چوب ضروری است. با افزایش دما، آب موجود در چوب تبخیر می‌شود و برخی از ترکیبات آلی فرار شروع به تجزیه می‌کنند و گازهایی مانند دی‌اکسید کربن و متان آزاد می‌کنند.
تجزیه سلولز و همی سلولز
زمانی که دما به حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۵۷۲ درجه فارنهایت) می‌رسد، سلولز و همی‌سلولز شروع به تجزیه می‌کنند. سلولز که فراوان‌ترین جزء در چوب است، به ترکیبات ساده‌تری تجزیه می‌شود که عمدتاً گازهای فرار و قطران هستند. همی‌سلولز که پایداری حرارتی کمتری نسبت به سلولز دارد، در دماهای کمی پایین‌تر تجزیه می‌شود و اسید استیک، متانول و سایر ترکیبات فرار را آزاد می‌کند.
تجزیه لیگنین
لیگنین که استحکام ساختاری به چوب می‌دهد، در دامنه دمایی وسیع‌تری (۲۰۰ درجه سانتیگراد تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد) تجزیه می‌شود. تجزیه لیگنین پیچیده‌تر است و منجر به تولید انواع ترکیبات فنلی می‌شود. تجزیه تدریجی لیگنین برای تشکیل زغال پایدار حیاتی است، زیرا به مقدار زیادی به محتوای کربن محصول نهایی کمک می‌کند.
انتشار گازها و دیگر مشتقات
در طول فرآیند پیرولیز، گازها و محصولات جانبی مختلفی آزاد می‌شوند. گازهای معمول شامل دی‌اکسید کربن، مونوکسید کربن، متان و هیدروژن هستند. محصولات جانبی مانند قطران، الکل چوب و متانول نیز تولید می‌شوند. این محصولات جانبی می‌توانند جذب شده و در صنایع دیگر استفاده شوند که باعث بهبود کارآیی و حفظ محیط زیستی فرآیند می‌شود.
مرحله کربونیزاسیون
با افزایش دما به بین ۴۰۰ درجه سانتیگراد تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد (۷۵۲ درجه فارنهایت تا ۱۲۹۲ درجه فارنهایت)، مرحله کربونیزاسیون شروع می‌شود. در این مرحله، مواد آلی باقی‌مانده تغییرات شیمیایی بیشتری را تجربه می‌کنند که منجر به تشکیل ساختارهای جامد کربنی می‌شود. این مرحله دما بالا برای تولید زغال با کیفیت بالا با محتوای کربن بالا و ناخالصی‌های کم ضروری است.
خنک‌کردن و جامد شدن
پس از مراحل پیرولیز و کربونیزاسیون، زغال باید به تدریج خنک شود تا از سوختن آن در حضور هوا جلوگیری شود. این مرحله خنک‌کردن ساختارهای کربنی تشکیل شده در طی کربونیزاسیون را جامد می‌کند و منجر به محصول نهایی زغال می‌شود.
چه عواملی بر کیفیت زغال موثر هستند؟
چندین عامل بر کیفیت زغال تولید شده تأثیر می‌گذارند. نوع و چگالی چوب استفاده شده نقش مهمی دارند، زیرا چوب‌های متراکم‌تر معمولاً زغال سخت‌تر و بادوام‌تری تولید می‌کنند. دما و مدت زمان فرآیند پیرولیز نیز بر محصول نهایی تأثیر می‌گذارند، با دماهای بالاتر عموماً تولید زغال با محتوای کربن بالاتر و ناخالصی‌های کمتر را به همراه دارد.
تأثیرات زیست‌محیطی
تولید زغال تأثیرات زیست‌محیطی قابل توجهی دارد، به ویژه در مورد انتشار کربن و جنگل‌زدایی. با این حال، اتخاذ روش‌های پایدار، مانند استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر برای پیرولیز و استفاده از محصولات جانبی، می‌تواند این تأثیرات را کاهش دهد. علاوه بر این، تلاش‌ها برای جنگل‌کاری و مدیریت مسئولانه منابع چوب به تولید زغال پایدارتر کمک می‌کند.
کاربردهای زغال
زغال کاربردهای گسترده‌ای دارد. به طور معمول به عنوان سوخت برای آشپزی و در فرآیندهای صنعتی که دماهای بالا نیاز دارند استفاده می‌شود. علاوه بر این، زغال فعال، که شکل پردازش شده زغال با سطحی افزایش یافته است، در تصفیه آب، تصفیه هوا و درمان‌های پزشکی برای مسمومیت‌ها استفاده می‌شود. در کشاورزی، بیوچار (نوعی زغال) برای بهبود باروری خاک و تثبیت کربن استفاده می‌شود.