ما هي قواعد هجرة وتطاير العناصر النزرة في فحم الكوك البترولي أثناء عملية التكليس؟

تتأثر أنماط هجرة وتطاير العناصر النزرة، مثل الصوديوم (Na) والفاناديوم (V) والنيكل (Ni) والكالسيوم (Ca)، في فحم الكوك البترولي أثناء عملية التكليس، بشكل مشترك بدرجة الحرارة، وأشكال وجودها، والتفاعلات الكيميائية. وفيما يلي الأنماط المحددة:

1. هجرة وتطاير الصوديوم (Na)

• مرحلة درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 1000 درجة مئوية): يوجد الصوديوم بشكل أساسي على هيئة أملاح غير عضوية (مثل كبريتات الصوديوم، كلوريد الصوديوم) أو مركبات عضوية، ذات تطاير منخفض. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يتحلل تدريجياً إلى أكاسيد غازية (مثل Na₂O) أو هيدروكسيدات (مثل NaOH).
• مرحلة درجات الحرارة العالية (>1000 درجة مئوية): تزداد تقلبات الصوديوم بشكل ملحوظ. المركبات المتكونة مع الكبريت والكلور (مثل Na₂S وNaCl) تتسامى أو تتحلل بسهولة عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى هروب الصوديوم في صورة غازية.
• العوامل المؤثرة: يتأثر تطاير الصوديوم بشكل كبير بجو التكليس (مؤكسد/مختزل). في ظل الظروف المختزلة، يزداد احتمال تطاير الصوديوم على شكل كبريتيدات.

2. هجرة وتطاير الفاناديوم (V)

• أشكال التواجد: يوجد الفاناديوم في فحم الكوك البترولي بشكل أساسي في أشكال مرتبطة بالمواد العضوية (مثل بورفيرينات الفاناديل) وأشكال مستقرة (مثل أكاسيد الفاناديوم، والسيليكات).
• مرحلة درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 1100 درجة مئوية): يتحلل الفاناديوم المرتبط بالمواد العضوية تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة، متحولاً إلى أشكال قابلة للذوبان في الماء، أو قابلة للتبادل الأيوني، أو مرتبطة بالكربونات. يتفاعل بعض الفاناديوم مع معادن الكالسيوم والحديد لتكوين مركبات يوتكتيكية ذات نقطة انصهار منخفضة.
• مرحلة درجات الحرارة العالية (>1100 درجة مئوية): تزداد تقلبات الفاناديوم بشكل حاد. يتحلل الفاناديوم المرتبط بالمواد العضوية بسرعة إلى أنواع غازية من VOₓ (مثل VO، V₂O₅)، بينما ينصهر الفاناديوم المستقر (مثل V₂O₃) جزئيًا ويطلق كمية صغيرة من الفاناديوم عند درجات الحرارة العالية.
• العوامل المؤثرة: يتأثر تطاير الفاناديوم بدرجة الحرارة ومعدل الاحتراق والتركيب المعدني. عند درجات الحرارة العالية، يشكل الفاناديوم هياكل نانوية بلورية مع السيليكون والكبريت، مما يؤدي إلى تطاير جزئي في صورة غازية.

3. هجرة وتطاير النيكل (Ni)

• أشكال التواجد: يوجد النيكل في فحم الكوك البترولي بشكل أساسي في شكل كبريتيدات (Ni₃S₂) أو أكاسيد (NiO) أو سيليكات.
• مرحلة درجات الحرارة المنخفضة (<900 درجة مئوية): يوجد النيكل على شكل Ni₃S₂، مع تقلب منخفض.
• مرحلة درجة الحرارة المتوسطة (900-1200 درجة مئوية): يتحول Ni₃S₂ تدريجياً إلى NiS في الخبث السائل، ليصل إلى ذروة محتوى NiS تبلغ حوالي 22.4٪ عند 1200 درجة مئوية، قبل أن يعود إلى Ni₃S₂ مع ارتفاع درجة الحرارة أكثر.
• مرحلة درجة الحرارة العالية (>1400 درجة مئوية): يتطاير النيكل على شكل مركبات غازية (مثل Ni(g) و NiS(g))، لكن Ni₃S₂ لا يتحول مباشرة إلى Ni(s) صلب.
• العوامل المؤثرة: تتأثر عملية تطاير النيكل بشكل كبير بعوامل التغويز (مثل الأكسجين والماء). وتؤدي إضافة الأكسجين إلى تثبيط تحويل كبريتيد النيكل الثلاثي إلى عنصر النيكل، كما تكبح تكوين مركبات الإسبينيل (مثل أكسيد النيكل والألومنيوم).

4. هجرة وتطاير الكالسيوم (Ca)

• أشكال التواجد: يوجد الكالسيوم في فحم الكوك البترولي بشكل أساسي في شكل كربونات (CaCO₃) أو كبريتات (CaSO₄) أو سيليكات.
• مرحلة درجات الحرارة المنخفضة (<800 درجة مئوية): تتحلل الكربونات إلى CaO و CO₂، بينما تتحلل الكبريتات إلى CaO و SO₃، مما يؤدي إلى إثراء الكالسيوم في شكل أكسيد.
• مرحلة درجة الحرارة المتوسطة (800-1200 درجة مئوية): يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع السيليكون والألومنيوم لتكوين معادن ذات نقطة انصهار منخفضة (مثل الأنورثيت CaAl₂Si₂O₈)، مع بقاء بعض الكالسيوم في شكل صلب.
• مرحلة درجة الحرارة العالية (>1200 درجة مئوية): يكون تقلب الكالسيوم منخفضًا، ولكن المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة قد تنصهر جزئيًا أو تتحلل عند درجات الحرارة العالية، مما يتسبب في هجرة الكالسيوم في شكل غازي أو سائل.
• العوامل المؤثرة: تتأثر هجرة الكالسيوم بشكل كبير بنسبة السيليكا إلى الألومينا ونسبة الحديد إلى الكالسيوم. فزيادة نسبة السيليكا إلى الألومينا تعزز تحويل FeV₂O₄ إلى V₂O₃، بينما زيادة نسبة الحديد إلى الكالسيوم تثبط تكوين CaAl₂Si₂O₈.

أنماط شاملة

• الاعتماد على درجة الحرارة: يزداد معدل تبخر العناصر النزرة مع درجة الحرارة، لكن نطاقات درجة حرارة التبخر تختلف اختلافًا كبيرًا بين العناصر (على سبيل المثال، يتبخر الفاناديوم بشكل حاد فوق 1100 درجة مئوية، بينما يصبح النيكل مهمًا فوق 1400 درجة مئوية).
• تأثير أشكال التواجد: العناصر النزرة المرتبطة بالمواد العضوية (مثل الفاناديوم العضوي) أكثر تطايرًا من الأشكال المستقرة (مثل أكاسيد الفاناديوم).
• التحكم في التفاعل الكيميائي: يتم التحكم في تطاير العناصر النزرة عن طريق التفاعلات مع الكبريت والكلور، مما يؤدي إلى تكوين مركبات ذات نقطة انصهار منخفضة أو مركبات غازية (مثل Na₂S، VOₓ).
• توجيهات تحسين العملية: يمكن للتحكم في درجة حرارة التكليس والجو والمواد المضافة (مثل معدلات نسبة السيليكا والألومينا) أن يثبط تطاير العناصر الضارة ويحسن جودة فحم الكوك المكلس.