زغال سنگ | کاربردها و ویژگی ها

درباره زغال سنگ؛ کاربردها و روش های تولید

زغال سنگ (Coal)، یک سنگ رسوبی با رنگ سیاه یا قهوه‌ای مایل به سیاه و قابل احتراق است که به صورت لایه‌های سنگی به شکل رگه‌های زغال سنگ تشکیل شده است. این ماده عمدتاً از کربن با مقادیر متغیر سایر عناصر، از جمله هیدروژن، گوگرد، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده است. زغال سنگ زمانی تشکیل می‌شود که مواد مرده گیاهی ابتدا به ذغال سنگ نارس تبدیل می‌شوند و در اثر گرما و فشار ناشی از دفن در عمق زمین در طی میلیون‌ها سال به ترکیب اصلی این تبدیل می‌شوند.

ذخایر وسیع زغال سنگ از تالاب‌های قدیمی، جایی به نام جنگل‌های زغال سنگ سرچشمه می‌گیرند که بسیاری از مناطق خشکی گرمسیری زمین را در اواخر دوره کربونیفر و دوران پرمین پوشش می‌‌داده است. بسیاری از ذخایر مهم زغال‌سنگ که جوان‌تر هستند، به این منابع تعلق دارند و از دوران مزوزوئیک و سنوزوئیک سرچشمه می‌گیرند.

Coal در درجه اول به عنوان سوخت استفاده می‌شود. در حالی که این ماده برای هزاران سال، شناخته شده و مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از آن تا انقلاب صنعتی محدود بود. با اختراع ماشین بخار، مصرف زغال‌سنگ نیز افزایش یافت. در سال ۲۰۲۰، زغال سنگ، حدود یک چهارم انرژی اولیه جهان و بیش از یک سوم برق کشورها را تامین می‌کرد. در برخی صنایع آهن و فولادسازی و سایر فرآیندهای صنعتی، زغال سنگ از طریق سوختن به مصرف می‌رسد.

نگاهی به تاریخچه زغال سنگ

اولین موارد استفاده از Coal مربوط به منطقه شنیانگ چین است؛ در ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد، ساکنان دوران نئولیتیک (نوسنگی) شروع به کنده کاری و تولید زیور آلات از زغال سنگ سیاه کردند. زغال سنگ‌های معدن فوشون در شمال شرقی چین در اوایل ۱۰۰۰ سال قبل از میلاد برای ذوب مس استفاده می‌شد. مارکوپولو، جهانگرد ایتالیایی که در قرن سیزدهم به چین سفر کرد، زغال سنگ را با عنوان “سنگ‌های سیاه … که مانند کُنده‌ها می‌سوزند” توصیف کرد و گفت که این ماده به قدری فراوان است که مردم می‌توانند هفته‌ای سه بار، حمام آب گرم بگیرند.

زغال سنگ‌هایی که در خارج از عمق زمین یافت می‌شد، در بریتانیا در طول عصر برنز (۳۰۰۰-۲۰۰۰ قبل از میلاد) استفاده می‌شد. در بریتانیای تحت حکومت رومی‌ها، رومی‌ها تا پایان قرن دوم پس از میلاد در تمام میدان‌های زغال‌سنگ اصلی انگلستان و ولز از زغال سنگ بهره‌برداری می‌کردند.

شواهدی از تجارت زغال سنگ، مربوط به حدود سال ۲۰۰ پس از میلاد، در سکونتگاه رومی در هرونبریج، نزدیک چستر یافت شده است. شواهدی مبنی بر استفاده از این ماده برای آهن‌کاری در شهر، در دوره رومیان یافت شده است.

هیچ مدرکی دال بر اهمیت زیاد زغال سنگ در بریتانیا قبل از حدود سال ۱۰۰۰ میلادی، یعنی قرون وسطی وجود ندارد. این منابع تا قرن سیزدهم به راحتی قابل دسترسی بودند.

پخت و پز و گرم کردن خانه با زغال سنگ (علاوه بر هیزم) در دوره و مکان‌های مختلف در طول تاریخ بشر انجام شده است، به ویژه در دوره‌هایی که زغال سنگ سطح زمین، بیشتر در دسترس بوده و هیزم کمیاب بوده است، اما اتکای زیاد به این ماده برای کوره‌های خانگی هرگز وجود نداشته؛ تا زمانی که چنین تغییراتی در سوخت، در اواخر قرن شانزدهم و اوایل قرن هفدهم در لندن اتفاق افتاد.

توسعه انقلاب صنعتی منجر به استفاده گسترده از زغال سنگ شد. در سال ۱۷۰۰، پنج ششم زغال سنگ جهان در بریتانیا استخراج شد. آخرین معدن زغال سنگ عمیق در بریتانیا در سال ۲۰۱۵ بسته شد.

ماده‌ای با ترکیبی بین زغال سنگ و آنتراسیت، زمانی به عنوان “زغال سنگ مخصوص ماشین بخار” مصرف می‌شد زیرا به طور گسترده به عنوان سوخت برای لوکوموتیوهای بخار کاربرد داشت. زغال سنگ نقش مهمی در صنعت در قرن ۱۹ و ۲۰ ایفا کرد.

روش‌های تولید زغال سنگ

این ماده معدنی، میلیون‌ها سال پیش، زمانی که زمین با جنگل‌های باتلاقی بزرگ پوشیده شده بود، تشکیل شد؛ جایی که گیاهان – سرخس‌های غول‌پیکر، نی و خزه‌ها – رشد کردند. با رشد گیاهان، تعدادی از آن‌ها مردند و در آب‌های باتلاق افتادند. گیاهان جدید رشد کردند تا جای سایرین را بگیرند و زمانی که آن‌ها مردند، گیاهان دیگر باز هم رشد کردند.

با گذشت زمان، یک لایه ضخیم از گیاهان مرده در باتلاق، پوسید. سطح زمین تغییر کرد و خاک، شسته شد و روند پوسیدگی متوقف شد. گیاهان بیشتری رشد کردند، اما آن‌ها نیز مردند و روی زمین سقوط کردند و لایه‌های جداگانه‌ای را تشکیل دادند. پس از میلیون‌ها سال، لایه‌های بیشتری، یکی روی دیگری تشکیل شد. وزن لایه‌های بالایی و آب و خاک در لایه‌های پایینی، روی همه گیاهان مرده جمع شد.

در این شرایط، گرما و فشار باعث ایجاد تغییرات شیمیایی و فیزیکی در لایه‌های گیاه می‌شود؛ این حالت باعث خروج اکسیژن و ذخایر غنی کربن می‌شود. با گذشت زمان، موادی که روزی گیاهان زنده بودند به زغال سنگ تبدیل شدند.

این مواد عمدتاً به سه دسته یا نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: زغال سنگ قهوه‌ای، زغال سنگ قیری و آنتراسیت. این طبقه‌بندی‌ها بر اساس میزان کربن، اکسیژن و هیدروژن موجود در زغال سنگ است. زغال سنگ به عنوان یک سنگ، به آسانی قابل احتراق بوده و حاوی بیش از ۵۰ درصد وزنی کربن است.

انواع این ماده سیاه رنگ شامل هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، خاکستر و گوگرد است. برخی از ترکیبات شیمیایی نامطلوب در ترکیب آن عبارتند از کورین و سدیم. در فرآیند تبدیل (زغال‌سازی)، ذغال سنگ نارس به زغال سنگ، سپس زغال سنگ به ماده قیرمانند، زغال سنگ فرعی به زغال سنگ قیری و در نهایت، زغال سنگ به آنتراسیت تبدیل می‌شود.

خواص و کاربردهای زغال سنگ

ترکیب این ماده به صورت تقریبی دارای (رطوبت، مواد فرار، کربن ثابت و خاکستر) و همچنین به شکل دقیق‌تر شامل (خاکستر، کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد) است.

یک زغال سنگ قیری معمولی ممکن است بر اساس وزن خشک و بدون خاکستر، مقادیر ۸۴.۴ درصد کربن، ۵.۴ درصد هیدروژن، ۶.۷ درصد اکسیژن، ۱.۷ درصد نیتروژن و ۱.۸ درصد گوگرد داشته باشد.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی 

سایر ترکیبات جزئی

کاربردهای زغال سنگ

این ماده ترکیبی است که در بسیاری از صنایع بزرگ و حتی در خانه‌ها استفاده می‌شود.

این ماده اساساً یک سنگ رسوبی قابل احتراق است که معمولاً در قسمت‌هایی به نام بستر زغال سنگ یا رگه‌های زغال سنگ وجود دارد. این ترکیب معمولاً سیاه یا قهوه‌ای مایل به سیاه رنگ است و به طور کلی میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا شکل بگیرد.

این ماده عمدتاً توسط فرآیندهای زمین شناسی تشکیل می‌شود و نوعی سوخت فسیلی است که سال‌ها پیش، از بقایای گیاهان مرده ایجاد شده است؛ و به عنوان یک منبع انرژی تجدید ناپذیر طبقه‌بندی شده است.

زغال سنگ به ظاهر ارزان ترین و ضروری ترین منبع انرژی است. در قسمت زیر، فهرستی از تمام کاربردهای اصلی زغال سنگ آورده شده است.

۱- تولید برق

این ماده به طور کلی در تولید برق استفاده می‌شود. جامد پودر شده در دماهای بالا می‌سوزد و آب را به بخار تبدیل می‌کند. از این بخار برای چرخاندن توربین‌ها با سرعت بالا در میدان مغناطیسی قوی استفاده می‌شود و در نهایت، برق تولید می‌شود.

۲- تولید فولاد

در صنعت فولاد از این ماده به طور غیر مستقیم برای تولید فولاد استفاده می شود. آنچه در این صنعت اتفاق می افتد این است که زغال سنگ در کوره ها پخته می شود تا کک زغال سنگ تشکیل شود. پس از تشکیل این ماده، از کک زغال سنگ برای ذوب سنگ آهن به آهن و ساخت فولاد استفاده می‌شود. در همین حال، گاز آمونیاک معمولاً از کوره‌های کک، بازیابی می‌شود، برای تولید اسید نیتریک، نمک‌های آمونیاک و کود به کار می‌رود.

۳-سایر صنایع

بسیاری از صنایع از زغال سنگ برای تولید محصولات خاص استفاده می کنند. صنعت سیمان، صنعت کاغذ و آلومینیوم، صنایع شیمیایی و داروسازی و غیره نمونه ای از این صنایع بزرگ هستند. این ترکیب سیاه رنگ، مواد خام متعددی مانند بنوزل (benozle)، قیر زغال سنگ، سولفات آمونیوم، کرئوزوت (creosote) و غیره را در اختیار صنایع شیمیایی قرار می‌دهد. زغال سنگ بیشتر به عنوان منبع انرژی در بیشتر صنایع استفاده می‌شود.

۴- تولید گاز و میعانات

این ماده را می توان به گاز مصنوعی که مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن است تبدیل کرد. این گازها یک محصول میانی هستند که بیشتر به محصولات مختلفی مانند اوره، متانول، هیدروژن خالص و غیره قابل تبدیل هستند. همچنین زغال سنگ می‌تواند به مایعی تبدیل شود که به عنوان سوخت مصنوعی معروف است.

با این حال، این مواد شیمیایی تولید شده از زغال سنگ در درجه اول برای تولید محصولات دیگر استفاده می‌شوند. علاوه بر این، بیشتر محصولات موجود در بازار دارای زغال سنگ یا محصولات جانبی آن به عنوان اجزای تشکیل دهنده هستند. برخی از آن‌ها عبارتند از آسپرین، حلال ها، صابون ها، رنگ ها، پلاستیک و الیاف که شامل نایلون و ابریشم مصنوعی است.

۵- تولید محصولات تخصصی

این ماده سیاه یک عنصر ضروری در تولید محصولات تخصصی مانند کربن فعال، فیبر کربن و فلزات سیلیکون است.

۶- مصارف خانگی

در مناطق سردسیر و در کشورهای در حال توسعه یا توسعه نیافته، زغال سنگ هنوز به عنوان سوخت برای پخت و پز و منبع گرما استفاده می‌شود.

ایمنی

استفاده از زغال سنگ به عنوان سوخت باعث بیماری و مرگ و میر می‌شود. استخراج و فرآوری این ماده باعث آلودگی هوا و آب می‌شود. نیروگاه‌های مصرف کننده این ماده، اکسیدهای نیتروژن، دی اکسید گوگرد، آلودگی ذرات معلق و فلزات سنگین را منتشر می‌کنند که بر سلامت انسان تأثیر منفی می‌گذارد. استخراج متان از بستر زغال سنگ برای جلوگیری از حوادث معدنی بسیار مهم است.

سوزاندن زغال سنگ عامل اصلی انتشار دی اکسید گوگرد است که ذرات معلق با اندازه PM2.5 را ایجاد می‌کند که خطرناک‌ترین شکل آلودگی هوا است. انتشار دود آن باعث آسم، سکته مغزی، کاهش هوش، انسداد عروق، حملات قلبی، نارسایی احتقانی قلب، آریتمی قلبی، مسمومیت با جیوه، انسداد شریانی، و سرطان ریه می‌شود.

استخراج زغال سنگ و سوخت نیروگاه‌ها و فرآیندهای صنعتی می‌تواند آسیب‌های زیست محیطی عمده‌ای ایجاد کند. سیستم های آب تحت تأثیر استخراج این ماده قرار می‌گیرند. استخراج معادن بر سطح آب‌های زیرزمینی و سطح آب و اسیدیته تأثیر می‌گذارد.

تولید کک از زغال سنگ می‌تواند ترکیباتی از جمله آمونیاک، قطران زغال سنگ و ترکیبات گازی را به عنوان محصولات جانبی تولید کند که در صورت تخلیه به زمین، هوا یا آبراه‌ها می‌تواند محیط را آلوده کند.

ذخیره و نگهداری 

ذغال سنگ به صورت فله‌ای حمل و نقل می‌شود و در مکان‌های روباز یا داخل مخازن بزرگ، ذخیره و نگهداری می‌شوند. این ماده بهتر است به دور از منابع رطوبت نگهداری شود. این ترکیب، یک ماده خام است که به صورت دست نخورده در صنایع به مصرف می‌رسد تا ویژگی‌های خود را نمایان سازد. در برخی موارد از کیسه‌های مقاوم و جامبوبگ برای ذخیره انبوه در مکان‌های انبار استفاده می‌شود.

بسته بندی زغال سنگ

بسته بندی زغال سنگ در کیسه های ۱۰۰۰ کیلوگرمی و یا حمل به صورت فله‌ای انجام می‌گیرد. این ماده با تناژ بالا به فروش می‌رسد و چون حجم خرید مشتری، زیاد است، حمل فله‌ای و با مخازن یا کانتینرهای روباز انجام می‌شود.

بازار و خرید و فروش و قیمت زغال سنگ

در بازار خرید و فروش زغال سنگ معمولاً با چند نام تجاری مختلف روبرو هستیم. زغال سنگ حرارتی، زغال سنگ کک شو، زغال سنگ نیمه کک، قطران، یا کوره بلند، برخی از این نام‌ها هستند. در فرآوری این ماده، به ترتیب بر حسب کیفیت و درصد عناصر تشکیل دهنده، نوع یا گرید آن نیز تغییر می‌کند. مثلاً زغال سنگ حرارتی، فقط برای تولید برق و حرارت کاربرد دارد اما نوع کوره بلند آن برای کارخانه فولاد به کار می‌رود.

برای استعلام قیمت انواع زغال سنگ و خرید عمده می توانید به لیست محصولات شیمیکو مراجعه فرمایید.

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Coal

https://byjus.com/chemistry/uses-of-coal/

http://www.coaleducation.org/q&a/how_coal_formed.htm