205486 Coal Geology การจัดจำแนกชนิดถ่านหิน (Classification of Coals)

1. 205486 Coal Geologyการจัดจำแนกชนิดถ่านหิน(Classification of Coals) รองศาสตราจารย์ ดร. เบ็ญจวรรณ รัตนเสถียร ภาควิชาธรณีวิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

2. การเปลี่ยนแปลงหลักที่เกิดขึ้นในการเพิ่มระดับขั้นการกลายเป็นถ่านหิน การเปลี่ยนแปลงหลักในการสลายตัวของพืชจากระดับพีตไปเป็นถ่านหินที่สมบูรณ์ มีดังนี้ 1.มีการเพิ่มปริมาณคาร์บอนอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ 2..มีการลดปริมาณไฮโดรเจนอย่างช้า ๆ ในตอนแรก จนกระทั่งปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นถึง 89 เปอร์เซ็นต์ 3.มีการลดอัตราส่วนของสารระเหยซึ่งถูกขับออกมาจากการสลายตัว การกลั่นอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ ตามลักษณะของสารตั้งต้น 4.มีการเพิ่มค่าความร้อนจนกระทั่งปริมาณไฮโดรเจนลดลงต่ำกว่า 4.5 เปอร์เซ็นต์ การเปลี่ยนแปลงนี้จะเป็นการเปลี่ยนแปลงตามส่วนประกอบตั้งต้น

3. 5 .มีการลดปริมาณความชื้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความชื้นแฝง หรือ hydrocopic moisture (inherent moisture) จนกระทั่งถึงระดับแอนทราไซต์ 6.มีการเพิ่มความหนาแน่นสมบูรณ์ 7.มีการพัฒนาเกิดคุณสมบัติถ่านโค้กเมื่อระดับขึ้นถึงระดับที่เป็นถ่านโค้ก 8.มีการลดการละลายในสารละลายอัลคาไลน์ 9.มีการเพิ่มความเข้มของสี เพิ่มประกายและแสงสะท้อน 10.มีการลดปฏิกิริยาต่อสารออกซิไดซ์หรือสารเพิ่มไฮโดรเจน หรือมีปฏิกิริยากับสารเคมีลดลง

7. การวิเคราะห์ที่ใช้ในการจำแนกชนิดของถ่านหิน1. การวิเคราะห์หาปริมาณธาตุ (Ultimate analysis)ในการวิเคราะห์หาปริมาณธาตุนี้ ธาตุหลักที่วิเคราะห์ได้แก่ ปริมาณ คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน เป็นตัวหลัก นอกจากนั้นยังมีการวิเคราะห์หาปริมาณกำมะถันและไนโตรเจนประกอบด้วย เครื่องมือวิเคราะห์ ultimate analysis มักใช้วิธีเผาตัวอย่างให้เป็นออกไซด์ แล้วใช้สารเคมีดูดซับ แล้วหาน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นเป็นหลัก ส่วนออกซิเจนจะหาได้จากผลต่างของธาตุที่เหลือหรือวิเคราะห์โดยใช้กระบวนการทางเคมีในเครื่องมือเฉพาะ

8. 2. การวิเคราะห์แบบประมาณ (Proximate analysis)การวิเคราะห์วิธีนี้ใช้วิธีวิเคราะห์หาค่าความชื้น สารระเหย เถ้า และค่าคาร์บอนคงที่ วิธีวิเคราะห์ทำโดยอบตัวอย่างถ่านหินที่อุณหภูมิระดับต่าง ๆ ในเตาอบ หาปริมาณน้ำหนักที่หายไป สำหรับค่าความชื้นและสารระเหยและหาน้ำหนักของเถ้าถ่านหินจากการเผาให้เหลือแต่ขี้เถ้า ส่วนค่าคาร์บอนคงที่นั้น จะหาได้จากเอาเปอร์เซ็นต์ความชื้น สารระเหย หักออกจากร้อยเปอร์เซ็นต์

9. 3. การวิเคราะห์ค่าความร้อนจำเพาะ (Specific Energy)ค่าความร้อนจำเพาะจะสามารถหาได้จากการวิเคราะห์ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเผาตัวอย่างถ่านหินในเครื่องมือที่ใช้เฉพาะหาค่าความร้อน การวิเคราะห์ค่าความร้อนจะได้ค่าที่ถูกต้องก็ต่อเมื่อ หักค่าความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของกำมะถัน ซึ่งจะหาได้จากการหาปริมาณกำมะถันที่ยังคงอยู่ในภาชนะที่ใช้วิเคราะห์หาค่าความร้อน หรือคำนวนจากค่ากำมะถันที่วิเคราะห์โดยวิธีอื่น

10. 3. การจัดจำแนกถ่านหินตามลำดับขั้นการกลายเป็นถ่านหิน (Classification of coal by ranks)การจัดจำแนกถ่านหินตามลำดับขั้นการกลายเป็นถ่านหิน มักจะใช้หลักตามมาตราฐานอเมริกัน (ASTM, 1977) ซึ่งพัฒนามาจากการวิเคราะห์แบบ proximate analysis ซึ่งมีมาตราฐานอยู่หลายวิธีเช่น มาตราฐานอเมริกัน part 26, มาตราฐานอังกฤษ BS, มาตราฐานออสเตรเลีย (ASTM, Part 26, 1977, 1988; BS 1016, 1973; AS 1035, 1979) โดยนำเอาค่าสารระเหยและค่าคาร์บอนคงที่มาหักเอาค่าความชื้นและปริมาณขี้เถ้าออก ประกอบกับค่าความร้อนที่หักปริมาณแร่อินทรีย์ออกพฤติกรรมการจับตัว (agglomerating properties) ในระยะต้น ๆ ยังมีการคำนวนถึงการผุพังหลังจากการเปิดหน้าดินหรือขุดออกมาใช้งานแล้วอีกด้วย

11. การจัดจำแนกถ่านหินตามลำดับขั้นการกลายเป็นถ่านหินนี้ แบ่งถ่านหินออกเป็น 4 ขั้น คือลิกไนต์ ซับบิทูมินัส บิทูมินัสและแอนทราไซต์โดยแต่ละขั้นยังแบ่งกลุ่มย่อยลงไปอีก โดยมีหลักเกณฑ์ดังต่อไปนี้

13. ขั้นที่ 1 แอนทราไซต์ (Anthracite)เป็นถ่านหินที่มีค่าความร้อนเท่ากับหรือมากกว่า 14,000 ทีบียู/ปอนด์ (ชื้นและหักค่าแร่อินทรีย์ออก) มีค่าคาร์บอนคงที่ (แห้งโดยหักค่าความชื้นและหักค่าแร่อินทรีย์แล้ว) เท่ากับหรือต่ำกว่า 86 เปอร์เซ็นต์ ค่าสารระเหย (แห้งโดยหักค่าความชื้นและหักค่าแร่อินทรีย์แล้ว) เท่ากับหรือต่ำกว่า 14 เปอร์เซ็นต์ ไม่มีคุณสมบัติเมื่อเผาแล้วไม่จับตัวเป็นก้อนแข็ง แอนทราไซต์แบ่งเป็นกลุ่มย่อยดังนี้1. เมตาแอนทราไซต์ (Meta-anthracite)ค่าคาร์บอนคงที่สูงกว่า 98 เปอร์เซ็นต์หรือสูงกว่า มีค่าสารระเหย 2 เปอร์เซ็นต์หรือต่ำกว่า2. แอนทราไซต์ (anthracite) มีค่าคาร์บอนคงที่ระหว่าง 92-98 เปอร์เซ็นต์ ค่าสารระเหยระหว่าง 2-8 เปอร์เซ็นต์3. เซมิแอนทราไซต์ (semi-anthracite)มีค่าคาร์บอนคงที่ระหว่าง 86-92 เปอร์เซ็นต์ ค่าสารระเหยระหว่าง 8-14 เปอร์เซ็นต์

14. ขั้นที่ 2 บิทูมินัส (bituminous) เป็นถ่านหินที่มีสมบัติไม่ผุพังและเมื่อเผาจะมีการจับตัวเป็นส่วนใหญ่ ค่าความร้อนโดยหักค่าสารอินทรีย์ออกแล้ว คงความชื้นตั้งแต่ 13,000 ทีบียู/ปอนด์ขึ้นไป มีค่าคาร์บอนคงที่ต่ำกว่า 86 เปอร์เซ็นต์ (หักความชื้นและสารอินทรีย์ออกแล้ว) ค่าสารระเหยสูงกว่า 14 เปอร์เซ็นต์ (หักความชื้นและสารอินทรีย์ออกแล้ว) ถ่านบิทูมินัสแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อยได้ดังนี้ 1. บิทูมินัสที่มีสารระเหยต่ำ (low volatile bituminous coal)มีค่าคาร์บอนคงที่ระหว่าง 78-86 เปอร์เซ็นต์ ค่าสารระเหยระหว่าง 14-22 เปอร์เซ็นต์ค่าความร้อนตั้งแต่ 14,000 บีทียู/ปอนด์ขึ้นไป2.บิทูมินัสที่มีสารระเหยปานกลาง (medium volatile bituminous coal)มีค่าคาร์บอนคงที่ระหว่าง 69-78 เปอร์เซ็นต์ ค่าสารระเหยระหว่าง 22-31 เปอร์เซ็นต์ค่าความร้อนตั้งแต่ 14,000 บีทียู/ปอนด์ขึ้นไป

15. 3.บิทูมินัสที่มีสารระเหยสูงขั้นเอ (High volatile A bituminous coal)มีค่าคาร์บอนคงที่ต่ำกว่า 69 เปอร์เซ็นต์ ค่าสารระเหยตั้งแต่ 31 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไปแต่มีค่าความร้อนตั้งแต่ 14,000 บีทียู/ปอนด์ขึ้นไป4.บิทูมินัสที่มีสารระเหยสูงขั้นบี (High volatile B bituminous coal)มีค่าคาร์บอนคงที่และค่าสารระเหยอยู่ในเกณฑ์คล้ายถ่านหินบิทูมินัสที่มีสารระเหยสูงขั้นเอแต่มีค่าความร้อนระดับ 13,000- 14,000 บีทียู/ปอนด์ขึ้นไป5.บิทูมินัสที่มีสารระเหยสูงขั้นซี (High volatile C bituminous coal)มีค่าคาร์บอนคงที่และค่าสารระเหยอยู่ในเกณฑ์คล้ายถ่านหินบิทูมินัสที่มีสารระเหยสูงขั้นเอมีค่าความร้อนระดับ 11,000- 13,000 บีทียู/ปอนด์นอกจากนั้น ถ่านหินที่มีสารระเหยสูง ถ้าเผาแล้วไม่จับตัวเป็นก้อน จะถูกจัดเข้าในกลุ่มที่มีสารระเหยสูงขั้นซีทั้งหมด

16. ขั้นที่ 3 ซับบิทูมินัส (Sub-bituminous) ถ่านหินในขั้นซับบิทูมินัส จะเป็นถ่านหินที่เมื่อเผาแล้วจะไม่จับกัน และทิ้งไว้จะผุพังเองได้ มีค่าคาร์บอนคงที่เมื่อหักความชื้นและแร่อนินทรีย์ออกแล้วต่ำกว่า 69 เปอร์เซ็นต์ มีค่าสสารระเหยเมื่อหักค่าหักความชื้นและแร่อนินทรีย์ออกแล้วเกินกว่า 31 เปอร์เซ็นต์ มีค่าความร้อนอยู่ในช่วง 8,300- 11,000 บีทียู/ปอนด์ แบ่งออกเป็นกลุ่มย่อยตามค่าความร้อนดังนี้1. ซับบิทูมินัสเอ (Sub-bituminous A coal)มีค่าความร้อนอยู่ในช่วง 11,000- 13,000 บีทียู/ปอนด์2. ซับบิทูมินัสบี (Sub-bituminous B coal)มีค่าความร้อนอยู่ในช่วง 9,500-11,000บีทียู/ปอนด์3. ซับบิทูมินัสซี (Sub-bituminous C coal)มีค่าความร้อนอยู่ในช่วง 8,300-9,500 บีทียู/ปอนด์

17. ขั้นที่ 4 ลิกไนต์ (lignite)ถ่านหินลิกไนต์เป็นถ่านหินที่มีค่าคาร์บอนคงที่ เมื่อหักค่าความชื้นและค่าแร่อนินทรีย์ออกแล้วต่ำกว่า 69 เปอร์เซ็นต์ มีค่าสสารระเหยเมื่อหักค่าหักความชื้นและแร่อนินทรีย์ออกแล้วเกินกว่า 31 เปอร์เซ็นต์ มีค่าความร้อนไม่เกิน 8,300 ีบีทียู/ปอนด์ ทิ้งไว้ในอากาศจะผุพังเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย และเมื่อเผาจะไม่จับตัวเป็นก้อน ลิกไนต์แบ่งเป็น 2 กลุ่มตามค่าความร้อนดังนี้1.ลิกไนต์เอ (Lignite A)เป็นกลุ่มที่มี) มีค่าความร้อนอยู่ในช่วง 6,300-8,300 บีทียู/ปอนด์2.ลิกไนต์บี (Lignite B)เป็นกลุ่มที่มี) มีค่าความร้อนต่ำกว่า 6,300 บีทียู/ปอนด์

18. การจัดจำแนกโดยใช้การวิเคราะห์เปอร์เซ็นต์ธาตุเป็นหลัก การจัดจำแนกโดยการใช้ผลวิเคราะห์เปอร์เซ็นต์ธาตุเป็นหลักนี้ จะใช้เปอร์เซ็นต์คาร์บอนและไฮโดรเจน เมื่อหักเปอร์เซ็นต์ของขี้เถ้าและความชื้นออกแล้วเป็นหลัก ที่รู้จักกันมามากและใช้กันมานานในการซื้อขายได้แก่ การจำแนกของไซเลอร์ (Seyler's classification) ซึ่งได้กำหนดไว้ตั้งแต่ปี 1899 Seyler's classification ได้กำหนดการจำแนกตามผลวิเคราะห์คาร์บอนออกเป็น species สี่กลุ่มด้วยกัน คือ แอนทราไซต์ (Anthracite) คาร์บอเนเชียส (Carbonaceous) บิทูมินัส (Bituminous) และลิกนิตัส (Lignitus) และแต่ละกลุ่มยังแบ่งออกเป็น genera ตามปริมาณไฮโดรเจน

19. ขั้นที่ 1 แอนทราไซด์ (Anthracite)ค่าคาร์บอนจะอยู่ตั้งแต่ 93.3 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไป แบ่งออกเป็น 2 จีนัส คือ เซมิแอนทราไซด์ ค่าไฮโดรเจนอยู่ที่ 4.0-4.5 เปอร์เซ็นต์ และออโทรแอนทราไซด์ ค่าไฮโดรเจนอยู่ที่ 4 เปอร์เซ็นต์หรือต่ำกว่าขั้นที่ 2 คาร์บอเนเชียส (Carbonaceous) ค่าคาร์บอนจะอยู่ตั้งแต่ 91.2-93.3 เปอร์เซ็นต์ แบ่งเป็นสปีชี่ย่อย เช่น ซูโดบิทูมินัส (ไฮโดรเจน 5.0-5.8 เปอร์เซ็นต์) เซมิบิทูมินัส(ไฮโดรเจน 4.0-4.5 เปอร์เซ็นต์) คาร์บอเนเชียส (ไฮโดรเจน 4.0-4.5 เปอร์เซ็นต์) และซูโดแอนทราไซด์(ไฮโดรเจน 4 เปอร์เซ็นต์หรือต่ำกว่า)

20. ขั้นที่ 3 บิทูมินัส (bituminous) ถ่านหินที่เรียกว่าบิทูมินัสนั้น จะมีค่าคาร์บอนอยู่ระหว่าง 84-91.2 เปอร์เซ็นต์แล้วยังแบ่งย่อยตามค่าคาร์บอนเป็น 3 ระดับ คือ เมตา-(คาร์บอน 89-91.2 เปอร์เซ็นต์) ออโธ-(คาร์บอน 87-89 เปอร์เซ็นต์) และพารา-(คาร์บอน 84-87 เปอร์เซ็นต์) แล้วยังแบ่งย่อยไปตามค่าไฮโดรเจนอีก โดยที่ค่าไฮโดรเจนมากกว่า 5.8 เปอร์เซ็นต์ จะเป็นเปอร์บิทูมินัสระหว่าง 5.0-5.8 เปอร์เซ็นต์ จะเป็นบิทูมินัส ระหว่าง 4.5-5.0 เปอร์เซ็นต์ จะเป็นเซมิ-บิทูมินัสระหว่าง 4.0-4.5 เปอร์เซ็นต์ จะเป็นคาร์บอเนเชียส (เรียก ซูโดคาร์บอเนเชียสหรือใช้คำนำหน้า ซับ เติมลงไปและค่าไฮโดรเจนต่ำกว่า 4.0 เปอร์เซ็นต์ จะเป็นแอนทราซิติค โดยจะเป็นซูโดแอนทราไซด์ หรือเติมคำนำหน้า ซับ ลงไปขั้นที่ 4 ลิกนิตัส (Lignitus)เป็นถ่านหินที่มีค่าคาร์บอนระหว่าง 75-84 เปอร์เซ็นต์ โดยแบ่งเป็นเมตาและออร์โธ (คาร์บอน 80-84 และ 75-80 เปอร์เซ็นต์ตามลำดับ๗ แต่การแบ่งย่อยตามปริมาณไฮโดรเจน แบ่งออกเป็น 3 ขั้น คือ เปอร์ลิกนิตัส (ไฮโดรเจนมากกว่า 5.8 เปอร์เซ็นต์) และซับลิกนิตัส (ไฮโดรเจน 4.5-5.0 เปอร์เซ็นต์)

22. Syler’s Chartที่ใช้ในการซื้อขายถ่านหิน

23. Seyler’s classification จะใช้ได้ก็เฉพาะถ่านหินที่มีระดับสูงตั้งแต่บิทูมินัสไปเท่านั้น ถ่านหินอายุเทอร์เชียรี่ของประเทศไทย ค่าคาร์บอนคงที่ยังสูงไม่ถึงระดับต่ำสุดของการจำแนกจึงไม่สามารถใช้กับถ่านหินประเทศไทยได้กับทุกอายุถ่านหิน นอกจากถ่านหินที่สะสมตัวในอายุคาร์บอนิเฟอรัส เท่านั้น อย่างไรก็ตาม Seyler ได้นำการวิเคราะห์ธาตุไปหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าความร้อนสารระเหยและแปรกลับค่าสารระเหยและค่าความร้อนมาเป็นปริมาณไฮโดรเจน และไฮโดรเจนได้ ดังสมการต่อไปนี้ค่าแคลลอรี (Q) = 388.12 H + 123.92 C – 4269 Cal/ ค่าสารระเหย (VM) = 10.61 H – 1.24 C + 84.15% ไฮโดรเจน H = 0.069 (Q/100 +VM) – 2.86 % คาร์บอน C = 0.59 (Q/100 – 0.398 VM) + 43.4 %

24. การจัดจำแนกโดยใช้ทั้ง Ultimate analysis และ Proximate analysisการจัดจำแนกโดยวิธีนี้ ใช้ใน international classification of hard coal by type ซึ่งจะจัดแบ่งลักษณะต่างๆ เป็นตัวเลขสามตัว ประกอบไปด้วย สมบัติในการจับตัว สมบัติในการเป็นถ่านโค้กและค่าสารระเหย โดยมีหลักการในการให้ตัวเลขและอ่านดังนี้ ตัวเลขตัวแรก จะเป็นค่าสารระเหย (มีค่าจาก 0-5 เป็นค่าสารระเหยตั้งแต่ 0-33% ส่วนตัวเลขตั้งแต่ 6-9 จะมีค่าความร้อนประกอบด้วย เนื่องจากค่าสารระเหยจะมากกว่า 33%ตัวเลขตัวที่ 2 จะเป็นค่าการจับตัวของถ่านหิน มีค่า 0-4 ถ้าไม่จับเลยจะมีค่าเป็น 0 และจับตัวแข็งมากที่สุด จะเป็น 4 ตัวเลขตัวที่ 3 จะเป็นตัวเลขแสดงสมบัติการเป็นถ่านโค้ก ซึ่งวัดได้จากวิธี Dilatometer หรือ Grey-King Assay มีค่าจาก 0-5 ดังตาราง 3.3 ซึ่งการจัดจำแนกดังกล่าว จะใช้ไม่ได้ดีกับถ่านหินอายุเทอร์เชียรีในประเทศไทย เพราะค่าส่วนใหญ่จะตกอยู่ในเกณฑ์ 600, 700, 800 หรือ 900 เท่านั้น ทั้งนี้เพราะถ่านหินอายุเทอร์เชียรีของประเทศไทย จะไม่จับตัวหรือแสดงสมบัติเป็นถ่านโค้กเมื่อเผา

25. 4. การหาค่าดัชนีการพองตัว (Swelling index)การพองตัวเป็นสมบัติเฉพาะของถ่านหินที่อยู่ในระดับถ่านขั้นบิทูมินัส ซึ่งเป็นสมบัติของถ่านหินที่ใช้ทำถ่านโค้ก วิธีการสามารถทำได้โดยวิธี crucible swelling index หรือใช้วิธีหาโดยใช้ dilatometer การเผาจะเผาที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส ถ่านหินแต่ละแหล่งจะมีอัตราการพองตัวคงที่ สามารถจะวัดดัชนีการพองตัวได้

26. 5. การหาลักษณะการจับตัว (Agglomerating properties)เป็นสมบัติเฉพาะของถ่านหินระดับบิทูมินัส เป็นสมบัติเฉพาะของถ่านหินที่ใช้ทำถ่านโค้ก การวิเคราะห์อาจจะทำไปพร้อมกับการหา crucible swelling index โดยดูจากลักษณะการจับตัวของถ่านหินที่เผาที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส ว่ามีการจับตัวแน่นแข็งแกร่งขนาดไหน