الفحم المكرر

يُعرف جزء كبير من الفحم في غرب الولايات المتحدة باسم "الفحم منخفض الرتبة"، والذي يندرج ضمن فئتي "الفحم شبه البيتوميني" و"الفحم الليغنيتي". يتميز هذا الفحم بمستويات رطوبة عالية، حيث تتراوح نسبة الماء فيه بين 20% و30%. هذه النسبة العالية نسبيًا من الرطوبة، مقارنةً بأنواع الفحم "عالية الرتبة" كالفحم البيتوميني والأنثراسيت، تجعل الفحم منخفض الرتبة أقل كفاءة. يبلغ متوسط ​​المحتوى الحراري للفحم شبه البيتوميني المستهلك في الولايات المتحدة حوالي 8500 وحدة حرارية بريطانية (9000 كيلوجول) لكل رطل. تستخدم عملية K-Fuel® الحرارة والضغط لإزالة حوالي 30% من الرطوبة من الفحم الخام منخفض الرتبة، مما يرفع محتواه الحراري إلى حوالي 11000 وحدة حرارية بريطانية لكل رطل. ^{[ 1 ]} بالإضافة إلى رفع القيمة الحرارية للفحم، تتم إزالة كمية كبيرة، تصل إلى 70%، من الزئبق العنصري الموجود في الفحم، وبسبب كفاءته العالية، يتم تحقيق انبعاثات أقل من الكلوريد وأكاسيد النيتروجين لكل كيلوواط ساعة مولدة. ^{[ 3 ]} 

تتمثل مزايا عملية تكرير الفحم في كفاءة النقل، وقدرة شركات الطاقة على التحول إلى وقود مصنوع من الفحم المكرر بنسبة 100% أو مزيج من الفحم الخام والمكرر لتحقيق انبعاثات أقل وكفاءة أعلى. ^{[ 4 ]} أما من عيوبها، فهي حاجة هذه الصناعة إلى دعم حكومي كبير. وتشير الإحصاءات الحكومية إلى أنه في عام 2007، حصل الفحم المكرر على 29.81 دولارًا أمريكيًا من الدعم الفيدرالي مقابل كل ميغاواط/ساعة مُولّدة، بينما حصلت الطاقة الشمسية على 24.34 دولارًا، وطاقة الرياح على 23.37 دولارًا، والطاقة النووية على 1.59 دولارًا. ^{[ 5 ]}

طُوِّرت منهجية تحسين الفحم بتقنية كولدري لأول مرة في المختبر الكيميائي بجامعة ملبورن على يد الدكتور بي إيه جون في ثمانينيات القرن الماضي. وبيعت هذه التقنية في عام 1994 وطُوِّرت لعرض تجريبي في منجم مادينجلي ، باخوس مارش ، فيكتوريا، قبل أن تُمنح ترخيصًا لمزيد من التسويق التجاري في عام 2005.

تحتوي ولاية فيكتوريا على ما يقارب 25% من احتياطيات الفحم البني (الليغنيت) المعروفة في العالم. ويُعدّ هذا الفحم من بين أكثر أنواع الفحم رطوبةً في العالم، حيث تبلغ نسبة الرطوبة فيه 60% من وزنه. هذه النسبة العالية من الرطوبة تجعل الفحم البني الفيكتوري مصدراً غير فعال للوقود، وهي السبب الرئيسي وراء اعتبار محطة هازلوود لتوليد الطاقة في وادي لاتروب أكثر محطات توليد الطاقة بالفحم تلويثاً للبيئة في العالم. تستخدم عملية كولدراي القص الميكانيكي منخفض الضغط لإحداث تفاعل طارد للحرارة طبيعي داخل الفحم، مما يؤدي إلى طرد 80% من نسبة الرطوبة بشكل طبيعي. ثم تُجمع الرطوبة المطرودة وتُستخلص على شكل ماء مقطر. يتميز الفحم البني الفيكتوري المُعالَج بعملية كولدراي بمحتوى حراري مرتفع يبلغ 5874 كيلو كالوري/كيلوغرام، وهو ما يُضاهي معظم أنواع الفحم الأسود الأسترالي المُخصّص للتصدير.

تكمن ميزة عملية كولدري في قدرتها على تمكين محطات توليد الطاقة من التحول إلى مزيج من الفحم البني الخام المستخرج من المناجم وحبيبات كولدري لتحقيق انبعاثات أقل في الغلايات الحالية غير الفعالة، أو تحقيق انبعاثات أقل بكثير عن طريق إدخال غلايات الفحم الأسود واستخدام حبيبات فحم كولدري المكرر بنسبة 100% كبديل للفحم الأسود. وتوفر عملية كولدري ميزة إضافية تتمثل في خلق مصادر دخل جديدة لمحطات توليد الطاقة من خلال إنتاج منتج يمكن تصديره إلى دول أخرى كبديل للفحم الأسود. وعلى عكس عمليات تكرير الفحم الأخرى، تُعد عملية كولدري منهجية تجارية لا تتطلب دعمًا حكوميًا.

أنشأت شركة إيفرغرين إنرجي مصفاة فحم متكاملة بالقرب من جيليت، وايومنغ، وبدأت تشغيلها في أواخر عام 2005. صُممت المصفاة في الأصل لتكون محطة تجارية، إلا أنها واجهت مشاكل في التصميم والتشغيل. أوقفت إيفرغرين تشغيل المصفاة في مارس 2008 ^{[ 6 ]} ، واستخدمتها بدلاً من ذلك كمنصة لتطوير العمليات بالتعاون مع شركة بيكتل باور كوربوريشن، المتعاقدة معها في مجال الهندسة والإنشاء والمشتريات.

تسعى شركة إيفرغرين الآن إلى بناء مصفاة فحم باستخدام تصميم بيكتل المحسن في مواقع في الغرب الأوسط للولايات المتحدة وفي آسيا. ^{[ 7 ]}

تم إنشاء محطة تجريبية كاملة النطاق بسعة 16000 طن سنويًا في منجم مادينجلي بالقرب من باخوس مارش، فيكتوريا، والتي بدأت التشغيل في أوائل عام 2004. تمت إضافة عملية استعادة المياه بتمويل من حكومة فيكتوريا في عام 2007.

قامت شركة GBCE ببناء وتشغيل أول منشأة في العالم لتحسين جودة الفحم على نطاق صناعي. تبلغ طاقتها الإنتاجية مليون طن سنويًا من الفحم الخام، وتقع في هولينغول، بمنطقة منغوليا الداخلية، أكبر منطقة منتجة للفحم البني في الصين. ^{[ 8 ]} يتميز الفحم المستخدم عادةً بمحتوى رطوبة عالٍ (35-40% من إجمالي الكتلة) وقيمة حرارية تتراوح بين 3200 و3400 كيلو كالوري. وبحسب متطلبات السوق، تنتج المنشأة فحمًا بقيمة حرارية تتراوح بين 5000 و5500 كيلو كالوري بمحتوى رطوبة منخفض للغاية (أقل من 10%). تستخدم المنشأة تقنية LCP لتحسين جودة الفحم ، وهي عملية تحلل حراري تستخدم الحرارة والضغط في بيئة خالية من الأكسجين لاستكمال عملية تكوين الفحم التي تحدث طبيعيًا في باطن الأرض. يتميز الفحم المُعالج بهذه التقنية بخاصية كره الماء وسهولة النقل، مما يعني أنه لا يمتص الرطوبة مرة أخرى ولا يتفتت إلى مسحوق أثناء النقل.

الفحم المكثف هو نتاج تقنية تحسين الفحم المعروفة باسم عملية التبريد ، والتي تزيل الرطوبة من أنواع الفحم منخفضة الجودة مثل الفحم شبه البيتوميني والفحم البني / الليغنيت . ترفع عملية التكثيف القيمة الحرارية للفحم منخفض الجودة لتساوي أو تتجاوز قيمة العديد من أنواع الفحم الأسود المخصصة للتصدير. يُعتبر الفحم المكثف الناتج عن عملية التبريد مكافئًا أو بديلًا للفحم الأسود . ^{[ 9 ]}

تُعدّ عملية كولدراي تقنيةً حاصلةً على براءة اختراع لتحسين جودة الفحم، يجري تطويرها في ولاية فيكتوريا الأسترالية من قِبل شركة "إنفايرومنتال كلين تكنولوجيز ليمتد " ^{[ 10 ]،} وتعتمد على "تكثيف الفحم البني". وقد طُوّرت هذه التقنية خصيصًا لتحسين جودة الفحم البني منخفض الرتبة ( الليغنيت ) وبعض أنواع الفحم شبه البيتوميني، وذلك عن طريق إزالة معظم محتوى الرطوبة الطبيعي فيه؛ وتصليده وتكثيفه؛ ورفع قيمته الحرارية؛ وتحويله إلى منتج مستقر (أقل عرضةً للاحتراق التلقائي) وقابل للتصدير، يُعادل الفحم الأسود ، لاستخدامه في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم الأسود لإنتاج الكهرباء، أو كمادة خام لعمليات لاحقة مثل تحويل الفحم إلى غاز، والنفط، وغيرها من المواد الكيميائية عالية القيمة.

تطورت عملية كولدري من العمل النظري والاختباري في قسم الكيمياء العضوية بجامعة ملبورن، فيكتوريا، بالتعاون مع شركة سي آر إيه للتطوير التقني المتقدم، ملبورن في عام 1989. ^{[ 11 ]} استند هذا العمل إلى عمل نظري سابق حول الفحم المكثف أجراه قسم الكيمياء العضوية بجامعة ملبورن في 1980-1981.

تم تحديد إمكانية تكوين فحم كثيف بعد ملاحظات أجريت في منجم مادينجلي بالقرب من باخوس مارش ، فيكتوريا . لاحظ مشغل المنجم أن أسطح الطرق المتصلبة الشبيهة بالبيتومين تتشكل بشكل طبيعي بعد هطول الأمطار بفترة وجيزة، عندما كانت الشاحنات تُثير غبار الفحم البني مع الرطوبة عند دخولها وخروجها من المنجم. في الأيام التي تلت هطول الأمطار، كانت أسطح الطرق في المنجم تتصلب مثل الإسفلت وتفقد قدرتها على امتصاص الماء. حدد الدكتور جونز وزملاؤه أن عملية قص ميكانيكي منخفض قد حدثت، حيث أدى اختلاط الفحم البني بكمية قليلة من الرطوبة وتعرضه لقص ميكانيكي منخفض المستوى إلى تدمير بنية الفحم المسامية بشكل كبير، مما أدى إلى إطلاق عملية تفاعل طارد للحرارة طبيعية معتدلة داخل الفحم، مما أدى إلى تحريك محتواه من الرطوبة وتبخره لاحقًا. ^{[ 12 ]}

يُعدّ مُكافئ الفحم الأسود (BCE) منتجًا مُصدّرًا من الفحم، مُستخلصًا من عملية كولدراي، وهي تقنية مُسجّلة ببراءة اختراع لتحسين جودة الفحم، تُشغّلها شركة Environmental Clean Technologies Limited في ولاية فيكتوريا ، أستراليا . تُطبّق عملية كولدراي على الفحم البني ( الليغنيت ) الذي تبلغ نسبة رطوبته النموذجية 60% من وزنه، وتحوّله إلى منتج فحم مُكثّف ذي قيمة حرارية مُساوية أو أفضل (5800 كيلو كالوري/كجم) من الفحم الأسود المُصدّر ، مع محتوى أقل من الرماد والكبريت. ويُعتبر مُكافئ الفحم الأسود المُستخلص من الفحم البني وقودًا أنظف احتراقًا من مُعظم أنواع الفحم الأسود.

اكتشف آر بي جونز وزملاؤه في مختبر الكيمياء العضوية بجامعة ملبورن الفحم المكثف، وهو منتج مكافئ للفحم الأسود مشتق من الفحم البني، وذلك بعد ملاحظات أجروها في منجم مادينجلي بالقرب من باخوس مارش ، فيكتوريا . وقد حدد جونز وزملاؤه أن تطبيق عملية قص ميكانيكي منخفض على الفحم البني الممزوج بكمية قليلة من الرطوبة من شأنه أن يحفز تفاعلًا طاردًا للحرارة داخل الفحم، مما يؤدي إلى طرد محتواه من الرطوبة. ^{[ 13 ]} تُغير هذه العملية بشكل جذري الروابط الكيميائية الدقيقة داخل الفحم، مما يقلل محتوى الرطوبة بشكل طبيعي إلى حوالي 11%، ويرفع القيمة الحرارية إلى حوالي 5800 كيلو كالوري/كجم، وينتج عنه منتج "فحم مكثف" كاره للماء، وغير قابل للاشتعال التلقائي، وسهل النقل.