صخر أسود أو بني اللون وغالبا يكون أسود اللون قابل للاشتعال والاحتراق، ويوجد في طبقات أرضية أو عروق، يتكوّن أساسا من الكربون، بالإضافة إلى نسب متفاوتة من عناصر أخرى (يتصدرها الهيدروجين، كبريت، أكسجين، ونيتروجين بالإضافة لعناصر أخرى).[1] الفحم هو صخر رسوبي يتكون كطبقات من الصخور تُسمى طبقات فحم. يتكون الفحم عندما تتحلل النباتات الميتة وتصبح خثًا، ويتم تحويلها بفعل الحرارة العالية وضغط الدفن عبر ملايين السنين. بالرغم من أنَّ الفحم-معظمه- يتكون في الرواسب الطبقية، قد تتعرض هذه الرواسب إلى درجات حرارة مرتفعة للغاية وضغوط ناتجة عن التدخلا النارية أو تشوه في عملية التكون (أي عمليات تكون الجبال)، مما قد يؤدي إلى تطور الأنثراسيت وحتى الجرافيت.[2]
الفحم هو وقود أحفوري استخدم عبر التاريخ كمصدر للطاقة الحرارية، فاستخدم للتدفئة، وكوقود للقاطرات في بداية عهد اختراع الآلة البخارية، إلا أنه هناك مشاكل جمّة للبيئة جراء استخدامه تتمثل بأثر صناعة الفحم على البيئة والإحترار العالمي كون الفحم أحد أكبر مصادر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون غير الطبيعية (أي كنتيجة لممارسات البشر). الاستخدام الأساسي اليوم لهذه الطاقة عالميا هو في إنتاج الكهرباء، كما يستعمل الفحم الحجري كذلك في إنتاج فحم الكوك وهو مادة خام أساسية في صناعة الحديد والفولاذ. وتنتج مواد أخرى عن عملية إنتاج فحم الكوك، يمكن استعمالها في صناعة الأدوية والأصباغ والأسمدة. أما في المنطقة العربية فتستخدم مصر الفحم الحجري في صناعة الأسمنت.[3]
تولد محطات إنتاج الكهرباء باحتراق الفحم الحجري ثلثي الكهرباء المستهلكة في العالم، رغم ان مولدات الكهرباء التي تستخدم الفحم تبعث حوالي 2000 رطل من ثاني أكسيد الكربون لتوليد كل ميجاواط/ساعة، وهو حوالي ضعف ما يبعثه الغاز الطبيعي لتوليد ذات الطاقة (المقدر ب1100 رطل). ففي عام 1999، كان مجمل الانبعاث العالمي من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الفحم كان 8666 مليون طن.[4] في 2011، قُدّر مجمل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الفحم الحجري ب14416 طن.[5] بسبب الفعّالية الأعلى للغاز الطبيعي في توليد الكهرباء، وانتقال السوق في الولايات المتحدة الأمريكية تحوّل للتقليل من توليد الكهرباء بالفحم الحجري وزيادته باستخدام الغاز، فإن انبعاث ثاني أكسيد الكربون هناك قد انخفض، والقراءات في الربع الأول من عام 2012 كانت الأقل مقارنة بأي قراءة في الربع الأول منذ عام 1992.[6] في عام 2013، أشار رئيس وكالة الأمم المتحدة للمناخ بإبقاء معظم مخزون الفحم الحجري في الأرض لتجنب احترار عالمي كارثي.[7]
المخزون العالمي للفحم لعام 2009 بالBTU
استخراج الفحم الحجري في ألمانيا عام 1965.
يستخرج الفحم من الأرض إما من المناجم العامودية، أو المناجم السطحية أو المفتوحة. تحتل الصين رأس قائمة منتجي الفحم منذ عام 1983 .[8] فأنتجت في عام 2011 3520 مليون طن من الفحم، – 49.5% من ال 7695 مليون طن الناتج عالميا. في 2011 كانت الولايات المتحدة الأمريكية(993 مليون طن) والهند(589) والاتحاد الأوروبي (576) وأستراليا (416) الدول الأكثر إستخراجا للفحم.[9] وفي 2010 كان أكبر المصدرين أستراليا (ب328 مليون طن، 27.1% من حجم التصدير العالمي) وإندونيسيا (ب316 مليون طن (26.1%))،[10] بينما كان أكبر المستوردين هم اليابان ب207 مليون طن ((17.5% من حجم الإستيراد العالمي للفحم)، والصين ب195 مليون طن (16.6%) وكوريا الجنوبيةب 126 مليون طن (10.7%).[11]
أصل الكلمة
أخذت الكلمة في الأصل الشكل col في اللغة الإنجليزية القديمة، والتي بدورها يُفترض أنها تأتي من «الفحم الحي». وتشمل الكلمات المشتركة في قديم الفريزية كولي، الهولندية الوسطى كول، الهولندية كوول، الألمانية العليا القديمة تشول، الألمانية Kohle والإسكندنافية القديمة كول، وبالإيرلندية gual هي أيضًا مشابه لها عبر الجذرالهندو-أوروبي.
الجيولوجيا
يتكون الفحم من المعادن والماء. وربما الأحافير والعنبر قد يكونا موجودين في الفحم.
نموذج عن التركيبة الكيميائية للفحم الحجري
يسمى تحويل الغطاء النباتي الميت إلى فحم بالتحالف. في أوقات مختلفة في الماضي الجيولوجي، كانت الأرض تحتوي على غابات كثيفة في مناطق الأراضي الرطبة المنخفضة. في هذه الأراضي الرطبة، وبدأت عملية coalification عندما كان ميتا فعاش المواد النباتية محمى من التحلل والتأكسد، وعادة من الطين أو المياه الحمضية، وتحويلها إلى الجفت. أدى هذا إلى حبس الكربون في مستنقعات ضخمة دفنت في النهاية بعمق بواسطة الرواسب. ثم، على مدى ملايين السنين، تسببت حرارة وضغط الدفن العميق في فقدان الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون وزيادة نسبة الكربون.[12] الصف الفحم المنتجة تعتمد على الضغط الأقصى وصلت درجة الحرارة، مع الليغنيت (وتسمى أيضا «الفحم البني») المنتجة تحت ظروف معتدلة نسبيا، والفحم شبه القاري، الفحم الحجري، أو أنثراسايت (وتسمى أيضا «الفحم الصلب» أو «الفحم الأسود») ينتج بدوره مع زيادة درجة الحرارة والضغط.[13]
من بين العوامل التي تدخل في عملية التحصين، تعتبر درجة الحرارة أكثر أهمية من الضغط أو وقت الدفن. يمكن أن يتشكل الفحم الحجري في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 35 إلى 80 درجة مئوية (95 إلى 176 درجة فهرنهايت) بينما يتطلب أنثراسيت درجة حرارة لا تقل عن 180 إلى 245 درجة مئوية (356 إلى 473 درجة فهرنهايت).[14]
على الرغم من أن الفحم هو معروف عن معظم فترات الجيولوجية، أودعت 90٪ من جميع طبقات الفحم في فترات العصرالكربوني والعصر البرمي، والتي تمثل 2٪ فقط من التاريخ الجيولوجي للأرض.[15] ومن المفارقات أن هذا كان خلال العصر الجليدي المتأخر من حقب الحياة القديمة، وهو وقت التجلد العالمي. ومع ذلك، فإن الانخفاض في مستوى سطح البحر العالمي المصاحب للجليد كشف عن الجرف القاري الذي كان مغمورًا في السابق، وأضيف إليهادلتا الأنهار العريضة الناتجة عن زيادة التآكل بسبب الانخفاض في مستوى القاعدة. وفرت هذه المناطق الواسعة من الأراضي الرطبة ظروفًا مثالية لتكوين الفحم. انتهى التكوين السريع للفحم بفجوة الفحم فيحدث الانقراض بين العصر البرمي والترياسي، حيث يكون الفحم نادرًا.[16]
الجغرافيا المواتية وحدها لا تفسر طبقات الفحم الكربونية الواسعة. العوامل الأخرى التي ساهمت في سرعة الترسيب السريع للفحم كانت مستويات الأكسجين العالية، التي تزيد عن 30٪، والتي أدت إلى حرائق الغابات الشديدة وتكوين الفحم الذي كان غير قابل للهضم عن طريق الكائنات الحية المتحللة. ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون التي عززت نمو النبات؛ وطبيعة الغابات الكربونية، والتي تضمنت أشجار الليكوفيت التي يعني نموها المحدد أن الكربون لم يتم تقييده في خشب القلب من الأشجار الحية لفترات طويلة.[17]
اقترحت إحدى النظريات أنه منذ حوالي 360 مليون سنة، طورت بعض النباتات القدرة على إنتاج اللجنين، وهو بوليمر معقد يجعل جذوع السليلوز أكثر صلابة وأكثر خشبية. أدت القدرة على إنتاج اللجنين إلى تطور الأشجار الأولى. لكن البكتيريا والفطريات لم تطور على الفور القدرة على تحلل اللجنين، لذلك لم يتحلل الخشب بالكامل ولكنه أصبح مدفونًا تحت الرواسب، وتحول في النهاية إلى فحم. منذ حوالي 300 مليون سنة، طور الفطر والفطريات الأخرى هذه القدرة، منهية فترة تكوين الفحم الرئيسية في تاريخ الأرض.[18] ومع ذلك، دحضت دراسة أجريت عام 2016 هذه الفكرة إلى حد كبير، ووجدت أدلة واسعة على تدهور اللجنين خلال العصر الكربوني، وأن التحولات في وفرة اللجنين لم يكن لها أي تأثير على تكوين الفحم. اقترحوا أن العوامل المناخية والتكتونية كانت تفسيرًا أكثر منطقية.
الفحم معروف من طبقات ما قبل الكمبري، والتي تسبق النباتات الأرضية. يُفترض أن هذا الفحم قد نشأ من بقايا الطحالب.[19]
في بعض الأحيان تكون طبقات الفحم (المعروفة أيضًا باسم طبقات الفحم) متداخلة مع رواسب أخرى في cyclothem. يُعتقد أن Cyclothems لها أصلها في الدورات الجليدية التي أنتجت تقلبات في مستوى سطح البحر، والتي كشفت بالتناوب ثم غمرت مساحات كبيرة من الجرف القاري.[19]
كيمياء الائتلاف[]
الخث الحديث هو في الغالب اللجنين. يتراوح مكون السليلوز والهيميسليلوز من 5٪ إلى 40٪. توجد أيضًا مركبات عضوية أخرى مختلفة، مثل الشمع والمركبات المحتوية على النيتروجين والكبريت.[20] اللجنين عبارة عن بوليمرات من مونوليجنول، وهي عائلة من الكحوليات التي تشترك في حلقة البنزين مع سلسلة جانبية من الكحول الأليل. يتم تشابك هذه بواسطة سلاسل الكربوهيدرات لتشكيل اللجنين، الذي يحتوي على تركيبة عامة تقارب (C 31 H 34 O 11) n السليلوز عبارة عن بوليمر جلوكوز مع الصيغة التقريبية (C 6 H10 س 5) ن.[21] يتكون وزن اللجنين من حوالي 54٪ كربون و 6٪ هيدروجين و 30٪ أكسجين، بينما يحتوي السليلوز على تركيبة وزن تبلغ حوالي 44٪ كربون و 6٪ هيدروجين و 49٪ أكسجين.يتكون الفحم البيتوميني من حوالي 84.4٪ كربون، 5.4٪ هيدروجين، 6.7٪ أكسجين، 1.7٪ نيتروجين، و 1.8٪ كبريت، على أساس الوزن. هذا يعني أن العمليات الكيميائية أثناء عملية التحصين يجب أن تزيل معظم الأكسجين والكثير من الهيدروجين، تاركًا الكربون، وهي عملية تسمى الكربنة.[18]
تتم عملية الكربنة في المقام الأول عن طريق الجفاف، ونزع الكربوكسيل، وإزالة الميثان. يزيل الجفاف جزيئات الماء من الفحم الناضج عبر تفاعلات مثل[22]
2 R – OH → R – O – R + H 2 O
2 R-CH2-O-CH2-R → R-CH = CH-R + H 2 O
إزالة الكربوكسيل يزيل ثاني أكسيد الكربون من الفحم الناضج ويتحقق عن طريق تفاعل مثل
RCOOH → RH + CO 2
بينما تستمر عملية إزالة الميثان من خلال تفاعل مثل
2 R-CH 3 → R-CH 2 -R + CH 4
في كل من هذه الصيغ، يمثل R باقي جزيء السليلوز أو اللجنين الذي ترتبط به المجموعات المتفاعلة.
يحدث الجفاف ونزع الكربوكسيل في وقت مبكر من عملية التحصين، بينما تبدأ عملية إزالة الميثان فقط بعد أن وصل الفحم بالفعل إلى مرتبة البيتومين.[23] تأثير نزع الكربوكسيل هو تقليل النسبة المئوية للأكسجين، في حين أن إزالة الميثان يقلل من نسبة الهيدروجين. يعمل الجفاف على حد سواء، ويقلل أيضًا من تشبع العمود الفقري للكربون (زيادة عدد الروابط المزدوجة بين الكربون).
مع استمرار الكربنة، يتم استبدال المركبات الأليفاتية (مركبات الكربون التي تتميز بسلاسل من ذرات الكربون)بمركبات عطرية (مركبات الكربون التي تتميز بحلقات من ذرات الكربون) وتبدأ الحلقات العطرية في الاندماج في العديد من المركبات العطرية المركبات (حلقات مترابطة من ذرات الكربون).[24] تشبه البنية بشكل متزايد الجرافين، العنصر الهيكلي للجرافيت.
التغييرات الكيميائية مصحوبة بتغيرات فيزيائية، مثل انخفاض متوسط حجم المسام. تتكون العناصر المعدنية (الجزيئات العضوية) من الليغنيت من الهومينايت، وهو ترابي في المظهر. عندما ينضج الفحم إلى الفحم شبه القاري، يبدأ الهومينايت في الاستعاضة عنه بالفيترينيتالزجاجي (اللامع).[25] يتميز نضج الفحم الحجري بالبيتومين، حيث يتم تحويل جزء من الفحم إلى البيتومين، وهو مادة هلامية غنية بالهيدروكربونات. يتميز النضج إلى أنثراسايت بإزالته (من إزالة الميثان) وزيادة ميل أنثراسايت للانفصال عن طريق كسر محاري، على غرار طريقة كسر الزجاج السميك.[26]
أنواع
الفحم الحجري
نظرًا لأن العمليات الجيولوجية تمارس ضغطًا على المواد الحيوية الميتة بمرور الوقت، في ظل ظروف مناسبة، تزداد درجتها المتحولة أو رتبتها بالتتابع إلى:
- الخث، مقدمة من الفحم
- الليغنيت، أو الفحم البني، وهو أدنى رتبة من الفحم، والأكثر ضررًا على الصحة [27]، يُستخدم بشكل حصري تقريبًا كوقود لتوليد الطاقة الكهربائية
- يستخدم الفحم شبه القاري، الذي تتراوح خصائصه بين خصائص الليغنيت وخصائص الفحم القاري، في المقام الأول كوقود لتوليد الطاقة البخارية والكهربائية.
- الفحم الحجري، صخرة رسوبية كثيفة، عادة ما تكون سوداء، ولكن في بعض الأحيان بنية داكنة، وغالبًا ما تكون ذات نطاقات محددة جيدًا من مادة مشرقة وباهتة. يتم استخدامه بشكل أساسي كوقود في توليد الطاقة البخارية والكهربائية ولصنع فحم الكوك. يُعرف بالفحم البخاري في المملكة المتحدة، ويستخدم تاريخيًا لرفع البخار في القاطرات البخارية والسفن
- أنثراسايت، أعلى مرتبة من الفحم، هو فحم أسود أكثر صلابة ولامعة يستخدم بشكل أساسي لتدفئة المساحات السكنية والتجارية .
- يصعب اشتعال الجرافيت ولا يشيع استخدامه كوقود؛ هو الأكثر استخداما في أقلام الرصاص، أو مسحوق للتزييت .
فحم القناة (يُطلق عليه أحيانًا «فحم الشمعة») هو مجموعة متنوعة من الفحم عالي الحبيبات عالي الجودة مع محتوى هيدروجين كبير، والذي يتكون أساسًا من الليبتينايت .
هناك العديد من المعايير الدولية للفحم.[28] يعتمد تصنيف الفحم بشكل عام على محتوى المواد المتطايرة . لكن أهم تمييز هو بين الفحم الحراري (المعروف أيضًا باسم الفحم البخاري)، والذي يتم حرقه لتوليد الكهرباء عن طريق البخار؛ والفحم المعدنية (المعروف أيضا باسم فحم الكوك)، والذي أحرق في درجة حرارة عالية لجعل الصلب.
قانون هيلت هو ملاحظة جيولوجية (داخل منطقة صغيرة) كلما زاد عمق الفحم، كلما ارتفعت رتبته (أو درجته). يتم تطبيقه إذا كان التدرج الحراري عموديًا بالكامل؛ ومع ذلك، فإن التحول قد يسبب تغيرات جانبية في الرتبة، بغض النظر عن العمق. على سبيل المثال، تم تحويل بعض طبقاتالفحم في حقل الفحم في مدريد ونيو مكسيكو جزئيًا إلى فحم أنثراسايت عن طريق تحول التلامس من عتبة نارية بينما بقيت الطبقات المتبقية كفحم قاري.[29]
قطار سكك حديد آلاسكا ينقل الفحم في طريقه نحو أنشوراج عام 1917
أقدم استخدام معروف هو من منطقة شنيانغ في الصين حيث بحلول 4000 قبل الميلاد بدأ سكان العصر الحجري الحديث نحت الحلي من الليغنيت الأسود.[30] الفحم من منجم فوشون في شمال شرق الصين لصهرالنحاس منذ عام 1000 قبل الميلاد. ماركو بولو، الإيطالي الذي سافر إلى الصين في القرن الثالث عشر، وصف الفحم بأنه «الحجارة السوداء ... التي تحترق مثل جذوع الأشجار»، وقال إن الفحم وفير جدًا، ويمكن للناس أن يأخذوا ثلاثة حمامات ساخنة في الأسبوع.[31] في أوروبا، أقدم مرجع لاستخدام الفحم كوقود هو من الأطروحة الجيولوجية عن الأحجار (اللفة 16) للعالم اليوناني ثيوفراستوس(حوالي 371 - 287 قبل الميلاد):[32]
من بين المواد التي تم حفرها لأنها مفيدة، تلك المعروفة باسم الجمرة (الفحم) مصنوعة من الأرض، وبمجرد إشعال النار فيها، فإنها تحترق مثل الفحم. تم العثور عليها في ليغوريا ... وفي إليس عندما يقترب المرء من أولمبيا على الطريق الجبلي؛ ويتم استخدامها من قبل أولئك الذين يعملون في المعادن. -
تم استخدام الفحم النتوء في بريطانيا خلال العصر البرونزي (3000-2000 قبل الميلاد)، حيث شكل جزءًا من محارق الدفن . في بريطانيا الرومانية، مع استثناء من حقلين الحديثة «، والرومان تم استغلال الفحم في جميع حقول الفحم الرئيسية في إنجلترا وويلز بحلول نهاية القرن الثاني الميلادي». العثور على أدلة على التجارة في الفحم، تعود إلى حوالي 200 بعد الميلاد، في مستوطنة رومانية في هيرونبريدج، بالقرب من تشيستر.وفي فنلاند، حيث الفحم منتم نقل ميدلاندز عبر كار دايك لاستخدامها في تجفيف الحبوب.[33] تم العثور على الرماد الفحم في المواقد من الفيلات والحصون الرومانية، وخاصة في نورثمبرلاند، يعود تاريخها إلى حوالي 400. AD في غرب إنجلترا، وصفت الكتاب المعاصرين عجب من نحاس دائم من الفحم على مذبح مينرفا في أكوي سوليس (باث الحديثة)، على الرغم من أن الفحم السطحي الذي يمكن الوصول إليه بسهولة مما أصبح حقل الفحم في سومرست كان شائع الاستخدام في المساكن المنخفضة جدًا محليًا.[34] تم العثور على أدلة على استخدام الفحم في أعمال الحديد في المدينة خلال الفترة الرومانية. في إيشفايلر، راينلاند، استخدم الرومان رواسب الفحم الحجري لصهر خام الحديد.[35]
عمال في حقل فحم أومبيلين في سومطرة حوالي 1860-1900
لا يوجد دليل على ان تصغير المنتج كان ذا أهمية كبيرة في بريطانيا قبل حوالي 1000 بعد الميلاد، أو في العصور الوسطى العليا.[36] يشار إلى الفحم باسم «فحم البحر» في القرن الثالث عشر. رصيف المرفأ الذي وصلت إليه المواد إلى لندن كان يُعرف باسم الفحم البحري ، لذلك تم تحديده في ميثاق الملك هنري الثالث الممنوح عام 1253. البداية، تم إعطاء الاسم لأنه تم العثور على الكثير من الفحم على الشاطئ، بعد أن سقط من السطح المكشوف طبقات الفحم على المنحدرات فوق أو التي تم غسلها من نتوءات الفحم تحت الماء، ولكن بحلول زمن هنري الثامن، كان من المفهوم أنها مشتقة من الطريقة التي تم بها نقله إلى لندن عن طريق البحر.[37]
أصبحت هذه المصادر التي يسهل الوصول إليها مستنفدة إلى حد كبير (أو لم تستطع تلبية الطلب المتزايد) بحلول القرن الثالث عشر ، عندما تم تطوير الاستخراج تحت الأرض عن طريق تعدين العمود .و كان الاسم البديل «بيتكوال» لأنه جاء من المناجم. أدى تطور الثورة الصناعية إلى استخدام الفحم على نطاق واسع ، حيث استولىالمحرك البخاري على عجلة المياه . في عام 1700، تم تعدين خمسة أسداس الفحم العالمي في بريطانيا. كانت بريطانيا ستنفد من المواقع المناسبة للطواحين المائية بحلول ثلاثينيات القرن التاسع عشر إذا لم يكن الفحم متاحًا كمصدر للطاقة.[38] في عام 1947 كان هناك حوالي 750.000 عامل مناجم في بريطانيا لكن آخر منجم للفحم العميق في المملكة المتحدة تم إغلاقه في عام 2015.[]
كانت الدرجة بين الفحم الحجري والأنثراسايت تُعرف سابقًا باسم «الفحم البخاري» حيث كان يستخدم على نطاق واسع كوقود للقاطرات البخارية . في هذا الاستخدام المتخصص ، يُعرف أحيانًا باسم «فحم البحر» في الولايات المتحدة. «الفحم البخاري» الصغير ، والذي يُطلق عليه أيضًا صواميل البخار الصغيرة الجافة (أو DSSN)، كوقودلتسخين المياه المنزلي .[41]
لعب الفحم دورًا مهمًا في الصناعة في القرنين التاسع عشر والعشرين. استند سلف الاتحاد الأوروبي ، الجماعة الأوروبية للفحم والصلب ، إلى تجارة هذه السلعة.
يستمر الفحم في الوصول إلى الشواطئ في جميع أنحاء العالم من التآكل الطبيعي لطبقات الفحم المكشوفة وانسكابات الرياح من سفن الشحن. تجمع العديد من المنازل في مثل هذه المناطق هذا الفحم كمصدر مهم ، وأحيانًا رئيسيًا ، لوقود التدفئة المنزلية.[42]
شدة الانبعاث
تعتبركثافة الانبعاثات هي غازات الاحتباس الحراري المنبعثة على مدى عمر المولد لكل وحدة من الكهرباء المولدة. كثافة الانبعاثات من محطات توليد الطاقة بالفحم عالية ، حيث تنبعث منها حوالي 1000 جرام من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة يتم توليدها ، بينما الغاز الطبيعي كثافة انبعاثات متوسطة عند حوالي 500 جرام من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلو وات في الساعة. تختلف كثافة انبعاثات الفحم باختلاف النوع وتكنولوجيا المولدات وتتجاوز 1200 جرام لكل كيلو وات ساعة في بعض البلدان.[43]
كثافة الطاقة[]
تبلغ كثافة طاقة الفحم حوالي 24 ميغا جول لكل كيلوغرام (حوالي 6.7 كيلوواط / ساعة لكل كيلوغرام). بالنسبة لمحطة توليد الطاقة بالفحم بكفاءة 40٪ ، فإنها تحتاج إلى 325 كجم (717 رطلاً) من الفحم لتشغيل مصباح 100 واط لمدة عام واحد.[44]
تم توفير 27.6٪ من الطاقة العالمية عن طريق الفحم في عام 2017، واستخدمت آسيا ما يقرب من ثلاثة أرباعها.
كيمياء
تكوين
يتم الإبلاغ عن تكوين الفحم إما كتحليل تقريبي (الرطوبة ، المادة المتطايرة ، الكربون الثابت ، والرماد) أو التحليل النهائي (الرماد والكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والكبريت). لا توجد «المادة المتطايرة» في حد ذاتها (باستثناء بعض غاز الميثان الممتص) ولكنها تحدد المركبات المتطايرة التي يتم إنتاجها وإخراجها عن طريق تسخين الفحم. قد يكون للفحم القار النموذجي تحليل نهائي على أساس جاف وخالي من الرماد بنسبة 84.4٪ كربون و 5.4٪ هيدروجين و 6.7٪ أكسجين و 1.7٪ نيتروجين و 1.8٪ كبريت ، على أساس الوزن.[46]
فحم الكوك واستخداماته لصهر الحديد
فحم الكوك مقتبس من سكك حديدية في ولاية أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية
فحم الكوك عبارة عن بقايا كربونية صلبة مشتقة من فحم الكوك (فحم قاري منخفض الرماد ومنخفض الكبريت ، يُعرف أيضًا باسم الفحم المعدني)، والذي يستخدم في تصنيع الفولاذ ومنتجات الحديد الأخرى، يُصنع فحم الكوك من فحم الكوك عن طريق الخبز في فرن بدون أكسجين عند درجات حرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى التخلص من المكونات المتطايرة ودمج الكربون الثابت والرماد المتبقي معًا. يستخدم فحم الكوك المعدنية بمثابة الوقود ونتيجة لعامل مختزل في صهر الحديد الخام في فرن الانفجار.[48] أول أكسيد الكربون الناتج عن احتراقه يقلل الهيماتيت (أكسيد الحديد)للحديد.
كما يتم إنتاج نفايات ثاني أكسيد الكربون مع الحديد الخام، وهو غني جدًا بالكربون المذاب ، لذا يجب معالجته مرة أخرى لصنع الفولاذ.
كمية فحم الكوك تكون منخفضة في الرماد ، وذلك لأن الكبريت والفوسفور لا يتحدان مع هذا المعدن. يجب أن يكون فحم الكوك قويًا بما يكفي لمقاومة وزن الأثقال في الفرن العالي[47] ، وهذا هو سبب أهمية فحم الكوك في صنع الفولاذ باستخدام الطرق التقليدية. فحم الكوك من الفحم لونه رمادي ، وصلب ، ومسامي وقيمة تسخينه 29.6 ميجا جول / كجم. بعض العمليات لصناعة فحم الكوك تنتج مشتقات، بما في ذلك قطران الفحم ، الأمونيا والزيوت الخفيفة، وغاز الفحم .
اما فحم الكوك البترولي فهو البقايا الصلبة التي يتم الحصول عليها في تكرير النفط ، والتي تشبه فحم الكوك ولكنها تحتوي على الكثير من الشوائب لتكون مفيدة في التطبيقات المعدنية.
الاستخدم في مكونات المسبك
يعتبر الفحم الحجري المطحون الناعم ، والمعروف في هذا التطبيق باسم الفحم البحري ، هو أحد مكونات رمل المسبك. أثناء وجود المعدن المنصهر في القالب ، يحترق الفحم ببطء ، مما يؤدي إلى تقليل الغازات عند الضغط ، وبالتالي منع المعدن من اختراق مسام الرمال. كما أنه موجود في «غسل القالب»، وهو معجون أو سائل له نفس الوظيفة المطبقة على القالب قبل الصب.[49] يمكن خلط فحم البحر مع البطانة الطينية («الجسم») المستخدمة في قاع فرن القبة . عند تسخينه ، يتحلل الفحم ويصبح الجسم هشًا إلى حد ما ، مما يسهل عملية فتح الثقوب لاستخراج المعدن المنصهر.[50]
بدائل فحم الكوك
يمكن إعادة تدوير خردة الفولاذ في فرن القوس الكهربائي؛ والبديل لصنع الحديد عن طريق الصهر هو الحديد المختزل المباشر ، حيث يمكن استخدام أي وقود كربوني في صنع الإسفنج أو الحديد المحبب.و تعتبر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تقلل من الهيدروجين ويمكن استخدام وكيل الحد والكتلة الحيوية أو النفايات كمصدر للكربون.[51] تاريخيًا ، تم استخدام الفحم كبديل لفحم الكوك في فرن الصهر ، حيث يُعرف الحديد الناتج باسم حديد الفحم .
عملية التغويز
يتم استخدام تغويز الفحم ، كجزء من محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم ذات الدورة المتكاملة للتغويز (IGCC)، لإنتاج الغاز التخليقي ، ومزيج من أول أكسيد الكربون (CO) وغاز الهيدروجين (H 2) لإطلاق التوربينات الغازية لإنتاج الكهرباء. الغاز المتزايد يمكن أيضا تحويلها إلى وقود وسائل النقل، مثل البنزين والديزل ، من خلال عملية فيشر تروبش . بدلاً من ذلك ، يمكن تحويل غاز التخليق إلى ميثانول ، والذي يمكن مزجه في وقود مباشرةً أو تحويله إلى بنزين عبر عملية تحويل الميثانول إلى بنزين. التحويل إلى غاز مع تقنية Fischer-Tropsch بواسطة ساسول شركة كيماويات في جنوب إفريقيا لتصنيع المواد الكيميائية ووقود السيارات من الفحم.
خلال تغويز، الفحم مختلطة مع الأكسجين وبخار في حين يجري أيضا والتدفئة والضغط. أثناء التفاعل ، تعمل جزيئات الأكسجين والماء على أكسدة الفحم في أول أكسيد الكربون (CO)، بينما تطلق أيضًا غاز الهيدروجين (H 2). كان يتم ذلك في مناجم الفحم تحت الأرض ، وأيضًا لصنع غاز المدينة الذي كان يتم نقله إلى العملاء ليحرق للإضاءة والتدفئة والطهي.
3C + O 2 + H 2 O → H 2 + 3CO
رسم يوضح تفاعل فيشر-تروبش
إذا أرادت شركة التكرير إنتاج البنزين ، يتم توجيه غاز التخليق إلى تفاعل فيشر-تروبش. يُعرف هذا باسم تسييل الفحم غير المباشر. ومع ذلك ، إذا كان الهيدروجين هو المنتج النهائي المطلوب ، يتم تغذية الغاز التخليقي في تفاعل تحويل غاز الماء ، حيث يتم تحرير المزيد من الهيدروجين:
أول أكسيد الكربون + H 2 O → CO 2 + H 2
إسالة
مخطط يظهر عملية اسالة الفحم
يمكن تحويل الفحم مباشرة إلى وقود اصطناعي مكافئ للبنزين أو الديزل عن طريق الهدرجة أو الكربنة.[53] تسييل الفحم ينبعث من ثاني أكسيد الكربون أكثر من إنتاج الوقود السائل من النفط الخام . الخلط في الكتلة الحيوية واستخدام احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه من شأنه أن ينبعث منه أقل قليلاً من عملية النفط ولكن بتكلفة عالية.[54] تدير شركة شاينا انرجي انفستمنت المملوكة للدولة مصنع تسييل الفحم وتخطط لبناء 2 آخرين.[55]
قد يشير تسييل الفحم أيضًا إلى مخاطر البضائع عند شحن الفحم.[56]
إنتاج الكيماويات
تم إنتاج المواد الكيميائية من الفحم منذ الخمسينيات. يمكن استخدام الفحم كمادة وسيطة في إنتاج مجموعة واسعة من الأسمدة الكيماوية والمنتجات الكيماوية الأخرى. كان الطريق الرئيسي لهذه المنتجات هو تغويز الفحم لإنتاج الغاز التخليقي . وتشمل المواد الكيميائية الأولية التي يتم إنتاجها مباشرة من الغاز الصنعي الميثانول ، الهيدروجين وأول أكسيد الكربون ، والتي هي اللبنات الكيميائية التي يتم تصنيعها على مجموعة كاملة من المواد الكيميائية المشتقة، بما في ذلك الأوليفينات ، حمض الخليك ، الأمونيا ، اليوريا وغيرها. براعة الغاز التخليقي كسابق للمواد الكيميائية الأولية والمنتجات المشتقة عالية القيمة يوفر خيار استخدام الفحم لإنتاج مجموعة واسعة من السلع. ومع ذلك ، في القرن الحادي والعشرين ، أصبح استخدام ميثان طبقة الفحم أكثر أهمية.[57]
لأن قائمة من المنتجات الكيميائية التي يمكن أن يتم عن طريق تحويل الفحم إلى غاز يمكن في المواد الأولية استخدام أيضا العامة المستمدة من الغاز الطبيعي والبترول ، والصناعة الكيميائية تميل إلى استخدام كل ما المواد الأولية هي الأكثر فعالية من حيث التكلفة. لذلك ، اتجه الاهتمام باستخدام الفحم إلى الزيادة بسبب ارتفاع أسعار النفط والغاز الطبيعي وخلال فترات النمو الاقتصادي العالمي المرتفع الذي ربما أدى إلى إجهاد إنتاج النفط والغاز.[58]
توليد الكهرباء
علاج ما قبل الاحتراق
الفحم المكرر هو نتاج تقنية ترقية الفحم التي تزيل الرطوبة وبعض الملوثات من أنواع الفحم المنخفضة الجودة مثل الفحم شبه القار والليغنيت (البني). إنه أحد أشكال المعالجات والعمليات السابقة للاحتراق للفحم الذي يغير خصائص الفحم قبل حرقه. يمكن تحقيق تحسينات الكفاءة الحرارية من خلال التجفيف المسبق المحسّن (خاصة ذات الصلة بالوقود عالي الرطوبة مثل الليغنيت أو الكتلة الحيوية).[59] تتمثل أهداف تقنيات الفحم قبل الاحتراق في زيادة الكفاءة وتقليل الانبعاثات عند حرق الفحم. يمكن استخدام تقنية الاحتراق المسبق في بعض الأحيان كمكمل لتقنيات ما بعد الاحتراق للتحكم في الانبعاثات من الغلايات التي تعمل بوقود الفحم.
محطة توليد الكهرباء
الفحم الذي يحرق بمثابة الوقود الصلب في محطات توليد الطاقة من الفحم لتوليد الكهرباء يسمى الفحم الحراري. يستخدم الفحم أيضًا لإنتاج درجات حرارة عالية جدًا من خلال الاحتراق. قدرت الوفيات المبكرة بسبب تلوث الهواء بـ 200 لكل جيجاوات في السنة ، لكنها قد تكون أعلى حول محطات الطاقة حيث لا يتم استخدام أجهزة تنقية الغاز أو أقل إذا كانت بعيدة عن المدن.[60] أدت الجهود حول العالم للحد من استخدام الفحم إلى تحول بعض المناطق إلى الغاز الطبيعي والكهرباء من مصادر منخفضة الكربون.
عند استخدام الفحم لتوليد الكهرباء ، عادة ما يتم سحقه ثم حرقه في فرن به غلاية.[61] تعمل حرارة الفرن على تحويل ماء الغلاية إلى بخار ، والذي يستخدم بعد ذلك لتدوير التوربينات التي تدير المولدات وتولد الكهرباء.[62] و الكفاءة الحرارية من هذه العملية تتراوح ما بين 25٪ و 50٪ اعتمادا على معالجة ما قبل الاحتراق، وتكنولوجيا التوربينات (مثل مولد البخار فوق الحرجة) وعمر المولد.[63]
تم بناء عدد قليل من محطات الطاقة ذات الدورة المركبة المتكاملة للتغويز (IGCC)، والتي تحرق الفحم بشكل أكثر كفاءة. بدلا من تحطيم الفحم وحرقه مباشرة كوقود في المراجل توليد البخار، ويتم مغزز الفحم لخلق الغاز المتزايد ، والذي أحرق في توربينات الغاز لإنتاج الكهرباء (تماما مثل يتم حرق الغاز الطبيعي في التوربينات). تُستخدم غازات العادم الساخنة من التوربين لرفع البخار في مولد بخار لاسترداد الحرارة والذي يعمل على تشغيل توربين بخاري إضافي . يمكن أن تصل الكفاءة الكلية للمحطة عند استخدامها لتوفير الحرارة والطاقة المشتركة إلى 94٪.[64] تنبعث من محطات توليد الطاقة العاملة بنظام IGCC تلوثًا محليًا أقل من المحطات التقليدية التي تعمل بالفحم المسحوق ؛ ومع ذلك ، فإن تقنية التقاط الكربون وتخزينه بعد التغويز وقبل الحرق أثبتت حتى الآن أنها مكلفة للغاية لاستخدامها مع الفحم.[65] الطرق الأخرى لاستخدام الفحم وقود ملاط الفحم والماء (CWS)، والذي تم تطويره في الاتحاد السوفيتي ، أو في دورة MHD . ومع ذلك ، لا يتم استخدامها على نطاق واسع بسبب قلة الربح.
في عام 2017، جاء 38٪ من كهرباء العالم من الفحم ، وهي نفس النسبة المئوية التي كانت موجودة قبل 30 عامًا.[66] في عام 2018، كانت السعة المركبة العالمية 2 تيراواط (منها 1 تيراواط في الصين) والتي كانت تمثل 30٪ من إجمالي قدرة توليد الكهرباء. الدولة الرئيسية الأكثر اعتمادًا هي جنوب إفريقيا ، مع أكثر من 80٪ من الكهرباء المولدة من الفحم.
تم الوصول إلى الحد الأقصى من استخدام الفحم في عام 2013.[67] في عام 2018 بلغ متوسط عامل سعة محطة الطاقة التي تعمل بالفحم 51٪ ، أي أنها تعمل لنحو نصف ساعات التشغيل المتاحة.