زغال سنگ چیست و چه کاربردهایی در صنایع دارد؟

زغال سنگ (Coal) سوخت رایجی است که در بسیاری از خانه ها و حتی در صنایع بزرگ استفاده می شود.

زغال سنگ از نظر منشاء اساساً یک سنگ رسوبی قابل احتراق است که در برخی نقاط زمین به عنوان بستر یا رگه های ذغال سنگ یافت می شود. رنگ این  ماده معمولاً سیاه یا قهوه ای مایل به سیاه است و شکل گیری آن معمولاً میلیون ها سال به طول می انجامد.

ذغال سنگ به طور عمده توسط فرآیندهای زمین شناسی تشکیل می شود و نوعی سوخت فسیلی است که سالها پیش از بقایای گیاهان مرده ایجاد شده است. این ماده به عنوان یک منبع انرژی غیر قابل تجدید طبقه بندی شده است و از عناصری مانند کربن ، گوگرد ، هیدروژن ، نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است بر این اساس فرمول زغال سنگ کاملا مشخص نیست. برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با این سوخت ارزشمند در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تاریخچه کشف زغال سنگ

کشف کاربرد آتش باعث متمایز شدن انسان از سایر حیوانات شد. سوخت های اولیه عمدتاً چوب (و زغال چوب حاصل از آن) ، کاه و کودهای خشک بود. ارسطو در نوشته های خود به اجسامی اشاره کرده است که دود بسیاری تولید می کنند و آنها را “موادی مانند ذغال سنگ” خواند.

اگرچه هیچ سابقه معتبری در دسترس نیست ، اما ممکن است از سال ۱۰۰۰ قبل از میلاد مسیح از معدن ذغال سنگ Fushun در شمال شرقی چین برای ذوب مس استفاده شده باشد. گفته می شود که سنگ هایی که به عنوان سوخت استفاده می شده در چین در زمان سلسله هان (۲۰۶ قبل از میلاد مسیح – ۲۲۰ م) تولید  شده است.

سیلندرهای ذغال سنگ که در میان ویرانه های رومی در انگلیس یافت شده است ، حاکی از آن است که رومی ها نیز قبل از میلاد مسیح  با کاربرد ذغال سنگ آشنا بوده اند. اولین مدرک مستند در مورد استخراج ذغال سنگ در اروپا توسط راهب Liège ارائه شد. بسیاری از ارجاعات به استخراج زغال سنگ در انگلستان و اسکاتلند و قاره اروپا در نوشته های قرن سیزدهم  وجود دارد.

البته در آن زمان از ذغال سنگ فقط در مقیاس محدود استفاده می شد تا اوایل قرن هجدهم ، زمانی که آبراهام داربی از انگلیس و سایرین روش های استفاده از آن  در کوره های بلند و کک های ساخته شده از زغال سنگ را ایجاد کردند. تحولات متالورژی و مهندسی پی در پی – به ویژه برجسته ترین اختراع موتور بخار ذغال سوز توسط جیمز وات – تقاضای تقریباً سیری ناپذیری برای ذغال سنگ ایجاد کرد.

تا زمان انقلاب آمریکا ، بیشترین ذغال سنگ مورد استفاده در مستعمرات آمریکا از انگلیس یا نوا اسکوشیا بود. در اوایل دهه ۱۸۳۰ شرکت های معدنی در امتداد رودهای اوهایو ، ایلینوی و می سی سی پی و در منطقه آپالاچی ظهور کردند. همانند کشورهای اروپایی ، معرفی لوکوموتیو بخار انگیزه فوق العاده ای به صنعت ذغال سنگ آمریکا داد. گسترش مداوم فعالیت های صنعتی در ایالات متحده و اروپا باعث افزایش استفاده از زغال سنگ شد.

کاربردهای زغال سنگ

تولید برق

ذغال سنگ به طور کلی در تولید برق حرارتی استفاده می شود بدین ترتیب که در دمای بالا می سوزد و آب را به بخار تبدیل می کند. از این بخار برای چرخاندن توربین ها با سرعت زیاد در یک میدان مغناطیسی قوی استفاده می شود و سرانجام برق تولید می شود. در درس علوم پایه چهارم و هشتم در این رابطه توضیحات کاملی ارائه شده است.

تولید فولاد

در صنعت فولاد از ذغال سنگ به طور غیر مستقیم برای ساخت فولاد استفاده می شود. آنچه در اینجا اتفاق می افتد این است که ذغال سنگ در کوره ها پخته می شود تا کک زغال سنگ ایجاد شود. پس از شکل گیری ، تولید کنندگان از کک ذغال سنگ برای ذوب سنگ آهن و ساخت فولاد استفاده می کنند. در همین حال ، گاز آمونیاک معمولاً از کوره های کک بازیابی می شود و از این ماده برای تولید اسید نیتریک ، نمک های آمونیاک و کودها استفاده می شود.

صنایع

ذغال سنگ برای تولید محصولات خاص استفاده می کنند. برخی از صنایع معروف که از ذغال سنگ استفاده می کنند شامل صنایع سیمان ، صنعت کاغذ و آلومینیوم ، صنایع شیمیایی و دارویی است. ذغال سنگ مواد اولیه بی شماری مانند بنوزل ، قطران ذغال سنگ ، سولفات آمونیاک ، کریوزوت و … را در صنایع شیمیایی تأمین می کند ولی بیشتر به عنوان منبع انرژی استفاده می شود.

تبدیل به گاز و مایع

ذغال سنگ می تواند به یک گاز مصنوعی تبدیل شود که مخلوطی از مونوکسیدکربن و هیدروژن است. این گازها یک محصول واسطه هستند که بیشتر به محصولات مختلف مانند اوره ، متانول ، هیدروژن خالص و غیره تبدیل شود. ذغال سنگ همچنین می تواند به مایع تبدیل شود که به عنوان سوخت های مصنوعی شناخته می شود.

با این حال مواد شیمیایی تولید شده از زغال سنگ در درجه اول برای تولید محصولات دیگر استفاده می شود. علاوه بر این ، بیشتر محصولات موجود در بازار حاوی ذغال سنگ یا حاوی محصولات فرعی ذغال سنگ به عنوان یکی از اجزاء خود هستند. برخی از آنها شامل آسپرین ، حلال ها ، صابون ، رنگ ، پلاستیک و الیاف شامل نایلون و ریون است.

محصولات تخصصی

ذغال سنگ همچنین یک ماده اساسی در تولید محصولات ویژه مانند کربن فعال ، فیبر کربن و فلزات سیلیکون است.

مصارف خانگی

در مناطق سردسیر و در کشورهای در حال توسعه یا توسعه نیافته هنوز از ذغال سنگ به عنوان سوخت برای پخت و پز و منبع گرما استفاده می شود.

انواع زغال سنگ

همانطور که فرآیندهای زمین شناسی با گذشت زمان به مواد بیوتیکی مرده فشار می آورند ، در شرایط مناسب  درجه دگرگونی آنها به طور پی در پی افزایش می یابد و منجر به تولید مواد زیر می شود:

پیت : پیش ماده ذغال سنگ

لیگنیت:  یا زغال سنگ قهوه ای پایین ترین گریدهای زغال سنگ است و بیشترین ضرر را برای سلامتی دارد و  تقریباً فقط به عنوان سوخت برای تولید برق استفاده می شود

جت : یک شکل فشرده از لیگنیت  که گاهی جلا داده می شود. در دوران پارینه سنگی به عنوان سنگ تزئینی استفاده می شده است

زغال سنگ تحت قیر: که خواص آن بین لیگنیت و ذغال سنگ قیر است و در درجه اول به عنوان سوخت برای تولید نیروی بخار الکتریکی استفاده می شود.

زغال سنگ قیر : سنگ رسوبی متراکم ، معمولاً سیاه ، اما گاهی قهوه ای تیره است که غالباً دارای نوارهای کاملاً مشخص از مواد روشن است. این ماده در درجه اول به عنوان سوخت در تولید برق با بخار و تولید کک استفاده می شود. در انگلیس به عنوان زغال سنگ بخار شناخته می شود و از نظر تاریخی برای تولید بخار در لوکوموتیوها و کشتی های بخار استفاده می شده است.

آنتراسیت : بالاترین گرید زغال سنگ است،  سیاه ، سخت و براق است < در درجه اول برای گرم شدن فضای مسکونی و تجاری استفاده می شود.

گرافیت : اشتعال گرافیت دشوار است و معمولاً به عنوان سوخت استفاده نمی شود. بیشترین استفاده را برای تولید مداد یا پودر شدن برای روانکاری دارد.

زغال سنگ کانل : که گاهی اوقات ذغال شمع نیز نامیده می شود شامل انواع ذغال ریزدانه ، رده بالا با محتوای هیدروژن قابل توجه است که عمدتا از لیپتینیت تشکیل شده است.

یکی دیگر از محصولات این ماده قطران زغال سنگ است. قطران به مایع متراکمی گفته می شود که از تقطیر مواد کربندار مانند زغال ‌سنگ بدست می‌ آید.

 فواید زغال سنگ

برخلاف نفت ، یا حتی گاز طبیعی ، یافتن زغال سنگ نسبتاً آسان و ارزان است و در بسیاری از مناطق زمین بسیار فراوان است. در نتیجه سهولت نسبی استخراج  ذغال سنگ با کمترین هزینه  می توان گفت ارزانترین سوخت فسیلی است که حدود یک سوم قیمت نفت یا گاز طبیعی برای هر واحد انرژی تولید شده هزینه دارد.

با این حال ، این قیمت ذغال سنگ در بازار همه هزینه های خارجی مربوط به استفاده از آن مانند تغییرات آب و هوایی را در نظر نمی گیرد و خرید زغال سنگ همچنان برای ادامه کار بسیاری از صنایع ضروری است.

ترکیباتی مانند زغال سنگ سوخت بسیار خوبی برای صنایع تولیدی فراهم می کنند زیرا در صورت نیاز می توانند بسوزند و در صورت نیاز برق تولید می کنند. اینها برای تولیدات برق آبی انعطاف پذیری بیشتری دارند زیرا اکثر انرژی های تجدیدپذیر ، از جمله تولید باد ، خورشید و موج هیچ کنترلی در هنگام تولید برق ندارند.

تاثیر زغال سنگ بر سلامت انسان

استفاده از ذغال سنگ به عنوان سوخت باعث به خطر افتادن سلامت انسان ها می شود زیرا استخراج و فرآوری آن باعث آلودگی هوا و آب می شود. کارخانه هایی که از این سوخت استفاده می کنند اکسیدهای نیتروژن ، دی اکسید گوگرد ، ذرات و فلزات سنگینی منتشر می کنند که بر سلامتی انسان تأثیر منفی می گذارد.

سوختن ذغال سنگ ساطع کننده اصلی دی اکسید گوگرد است که ذرات PM2.5 را ایجاد می کند که خطرناک ترین شکل آلودگی هوا است. انتشار دود ذغال سنگ باعث آسم ، سکته مغزی ، کاهش هوش ، انسداد شریان ها ، حملات قلبی ، نارسایی احتقانی قلب ، آریتمی های قلبی ، مسمومیت با جیوه ، انسداد شریانی و سرطان ریه می شود.

حدود ۱۰٪ ذغال سنگ خاکستر است که برای انسان و سایر موجودات زنده خطرناک و سمی است. خاکستر زغال سنگ حاوی عناصر رادیواکتیو اورانیوم و توریم است که باعث می شود کسانی که در مجاورت کارخانه های زغال سنگ زندگی می کنند در معرض تشعشعات و سموم محیطی قرار گیرند.

هزینه های بهداشتی سالانه استفاده از زغال سنگ در اروپا برای تولید برق تا ۴۳ میلیارد یورو برآورد شده است.

تاثیر زغال سنگ بر محیط زیست

استخراج ذغال سنگ و سوخت رسانی به نیروگاه ها و فرآیندهای صنعتی می تواند آسیب های زیادی به محیط زیست وارد کند.  نیروگاه هایی که زغال سنگ را می سوزانند مقادیر زیادی آب مصرف می کنند که این مسئله می تواند جریان رودخانه ها را تحت تأثیر قرار دهد و تأثیرات بعدی بر سایر کاربری ها دارد. در مناطق دچار کمبود آب ، مانند صحرای ثار در پاکستان ، نیروگاه های استخراج زغال سنگ و نیروگاه های آن مقدار قابل توجهی آب استفاده می کنند.

یکی از اولین اثرات شناخته شده این سوخت در چرخه آب ، باران اسیدی است. انتشار دی اکسید گوگرد از این سوخت فسیلی باعث می شود این ماده در جو به H2SO4 اکسید شود که تابش خورشید را پراکنده می کند ، از این رو افزایش آن در جو اثر خنک کننده بر آب و هوا دارد. این امر بخشی از گرم شدن ناشی از افزایش گازهای گلخانه ای را به خوبی پوشش می دهد.

با این حال ، گوگرد به صورت باران اسیدی طی چند هفته بعد از انتشار فرو می ریزد در حالی که دی اکسید کربن صدها سال در جو باقی می ماند. انتشار SO2 همچنین به اسیدی شدن گسترده اکوسیستم ها کمک می کند.

معادن زغال سنگ استفاده نشده نیز می تواند مسائلی را ایجاد کند.  مثلا فرونشست آنها می تواند در بالای تونل ها رخ دهد و به زیرساخت ها یا زمین های زراعی آسیب برساند. استخراج زغال سنگ همچنین می تواند باعث آتش سوزی های طولانی مدت شود.

تولید کک از زغال سنگ  باعث تولید آمونیاک ، قطران ذغال سنگ و ترکیبات گازی به عنوان محصولات جانبی می شود که در صورت تخلیه در زمین ، هوا یا آبراهه ها می تواند محیط را آلوده کند. کارخانه فولاد Whyalla یکی از نمونه های تأسیسات تولید کک است که در آن آمونیاک مایع به محیط دریایی تخلیه می شود.

بزرگترین و طولانی ترین اثر استفاده از زغال سنگ آزاد شدن دی اکسید کربن ، یک گاز گلخانه ای است که باعث تغییرات آب و هوایی و گرم شدن کره زمین می شود. نیروگاه هایی که از این سوخت استفاده می کنند بزرگترین عامل در رشد انتشار CO2 در جهان در سال ۲۰۱۸ بودند. استخراج زغال سنگ نیز می تواند متان ، گاز گلخانه ای دیگری را منتشر کند.

رئیس آژانس آب و هوایی سازمان ملل متحد توصیه می کند که ذخایر ذغال سنگ جهان برای جلوگیری از گرم شدن فاجعه بار کره زمین دیگر استخراج نشوند. برای حفظ گرمایش جهانی زیر ۱.۵ یا ۲ درجه سانتی گراد ، صدها یا احتمالاً هزاران نیروگاه که با زغال سنگ کار می کنند باید زودتر تعطیل شوند

قیمت زغال سنگ

زغال سنگ برای قرن ها مرکز پیشرفت صنعتی بوده است. از نظر تاریخی، زغال سنگ عمدتاً برای گرم کردن و پخت و پز استفاده می شد، اما در طول انقلاب صنعتی، استفاده از آن به طور چشمگیری گسترش یافت. از زغال سنگ برای سوخت موتورهای بخار استفاده می شد که باعث توسعه راه آهن و ماشین آلات صنعتی می شد. زغال سنگ برای تولید برق در سراسر جهان استفاده می شود. نیروگاه ها برای گرم کردن آب در دیگ های بخار زغال سنگ می سوزانند و بخار ایجاد می کنند. سپس این بخار توربین های متصل به ژنراتورها را می چرخاند و برق تولید می کند.

زغال سنگ برای تولید فولاد بسیار مهم است، به ویژه به شکل کک، سوختی با کربن بالا و کم ناخالصی. در فولادسازی، کک به عنوان یک عامل کاهنده در کوره بلند عمل می کند و تبدیل سنگ آهن به آهن را تسهیل می کند. همچنین گرمای مورد نیاز برای فرآیند ذوب را فراهم می کند. اتکای صنعت فولاد به زغال سنگ آن را به یکی از بزرگترین مصرف کنندگان صنعتی این سوخت فسیلی تبدیل کرده است.

زغال سنگ نیز در تولید سیمان مهم است. از آن برای گرم کردن کوره سیمان تا دمای لازم برای فرآیند کلسینه کردن استفاده می شود، جایی که سنگ آهک و سایر مواد به کلینکر، عنصر اصلی سیمان تبدیل می شوند. دماهای بالای مورد نیاز برای این فرآیند، زغال سنگ را با توجه به محتوای انرژی بالای آن به سوخت ایده آل تبدیل می کند.

علیرغم سودمندی در انواع فرآیندهای مختلف صنعتی، استفاده از زغال سنگ به دلیل تأثیرات زیست محیطی به سمت منابع انرژی پایدارتر در حرکت است. با این حال، اهمیت زغال سنگ در چشم انداز انرژی جهانی، به ویژه در مناطقی که گزینه های جایگزین هنوز قابل دوام نیستند، همچنان ادامه دارد. برای آگاهی از قیمت زغال سنگ می توانید به سایت های فروش سوخت فسیلی مراجعه نمایید.