زغال سنگ از تغییرات بیولوژیکی ناشی از افزایش فشار و بالا رفتن دما بر روی گیاهان از روزگاران بسیار دور بوجود آمده است. کربن موجود در زغال ‌سنگ به صورت ترکیب‌های مختلف آلی از جمله اسیدهای کربوکسیلیک متراکم شده و به صورت ترکیبات آروماتیک با حلقه‌های ناجور (که علاوه بر کربن ، شامل هیدروژن ، اکسیژن ، نیتروژن و گوگرد نیز می‌باشند) در آمده است.

نگاه اجمالی

تقریبا از همه انواع زغال سنگ‌ها به‌منظور سوخت و تهیه زغال کک ، می‌توان استفاده کرد. بیش از 80 درصد مصرف زغال سنگ‌ها برای تولید برق ، بخار در صنایع ، حمل و نقل یا سوخت و فرآیندهای متالوژی و … بکار می‌روند. قسمت دیگر زغال سنگ نیز در فرآیند کربونیزاسیون برای تولید کک ، گاز زغال سنگ ، آمونیاک ، قطران زغال سنگ و محصولات نفتی سبک مصرف می‌شود. علاوه بر این ، مقادیر قابل توجهی از زغال سنگ به عنوان پُرکننده ، رنگدانه ، در تصفیه آب و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تاریخچه

بیش از دو هزار سال پیش ، در چین ، یونان و ایتالیا زغال سنگ به‌عنوان یک ماده سوختی مورد استفاده قرار می‌گرفت. البته استخراج آن از معدن در حدود قرن دهم میلادی در آلمان آغاز شد.

منشاء زغال سنگ

امروزه ، روشن است که زغال سنگ ، منشاء گیاهی دارد و طی فرآیندهای طولانی شیمیایی ، بیولوژیکی و ژئولوژیکی در دوران گذشته ، تشکیل شده و به صورت ذخیره‌های پرارزشی در آمده است که امروزه انسان از آن بهره‌برداری می‌کند. همه زغال سنگ‌ها ، به یک طریق بوجود نیامده‌اند، بلکه با توجه به دوران مختلف زمین شناسی و شرایط متفاوت آنها ، نوع تغییرات موثر در بوجود آوردن زغال سنگ‌ها نیز متفاوت بوده است. از اینرو ، امروزه ، چند نوع زغال سنگ در معادن وجود دارد.

فرآیندهای تشکیل زغال سنگ

مواد گیاهی اساسا از سه عنصر اصلی کربن ، هیدروژن و اکسیژن ، همچنین مقادیر اندکی از اجسام کانی و نیتروژن تشکیل یافته‌اند. قسمت عمده گیاهان را سلولز ، به فرمول C₆H₁₀O₅ ، تشکیل می‌دهد که ضمن فرآیندهای گوناگون بیوشیمیایی و ژئوشیمیایی به زغال سنگ مبدل می‌شود.

فرآیندهای بیوشیمیایی

وقتی یک ماده آلی شامل کربن و هیدروژن و اکسیژن ، مانند سلولز ، در هوای معمولی می‌سوزد، بطور کامل به دی‌اکسید کربن و آب تبدیل می‌شود، اما وقتی که همین مواد در شرایط کمبود اکسیژن می‌سوزند، عمل سوختن بطور ناقص صورت می‌گیرد و در نتیجه قسمتی از کربن و تمامی‌ اکسیژن و هیدروژن از سلولز حذف شده و جسم سیاهی برجا می‌ماند که زغال نامیده می‌شود.

تخریب مواد گیاهی ، نتیجه اکسید شدن آنها توسط باکتری‌ها و دیگر میکرواورگانسیم‌ها می‌باشد که خود به دو عامل بستگی دارد:

یکی میزان مقاومت قسمتهای مختلف گیاهان در برابر شرایط محیطی مردابها و دیگری نوع قارچ یا باکتری که موجب تخریب کامل گیاه می‌شود. تخریب مواد آلی در غیاب اکسیژن ، مثلا در زیر آب ، نیز به تشکیل زغال سنگ منتهی می‌شود که در این صورت ، هیدروژن به آب و قسمتی از کربن به دی‌اکسید و منوکسیدکربن تبدیل می‌شود و مقداری از هر دو به شکل متان خارج می‌شوند.

در فرآیندهای تبدیل سلولز به لیگنیت و زغال سنگ قیری ، محصول بدست آمده از تخریب مواد گیاهی که در حقیقت پیش‌ترکیب زغال سنگ است، پیت نامیده می‌شود که برای تشکیل آن ، مواد چوبی در جاهای مرطوب دستخوش تغییرات فیزیکی و شیمیایی اساسی می‌شوند. شرایطی که در آن ، در زمانهای گذشته پیت تشکیل شد، تفاوت چندانی با شرایط امروزی ندارد.

احتمالا در دوران گذشته ، هوا نسبتا گرمتر و میزان بارندگی بیشتر و منظم‌تر بود. در نتیجه ، رشد گیاهانی که سرانجام آنها ، پس از طی دوره‌های گوناگون زمین شناسی ، تبدیل شدن به پیت و زغال سنگ می‌باشد، بیشتر از امروز بود.

فرآیندهای ژئوشیمیایی

بطور کلی در این فرآیند ، پیت به انواع زغال سنگ تبدیل می‌شود. تبدیل پیت به زغال سنگ قیری نتیجه اثرات طولانی فشار و دما است و تبدیل آن به آنتراسیت به فشار و دمای باز هم بیشتر نیاز دارد که از فرآیند تشکیل کوهها و حرکت افقی پوسته زمین ناشی می‌شود. فرآیند تبدیل پیت به زغال سنگ ، با کاهش مقدار رطوبت ، اکسیژن ، هیدروژن و حجم مواد فرار (دی‌اکسیدکربن ، منوکسیدکربن و گازهای دیگر) موجود در آن و افزایش درصد کربن ثابت ، گوگرد و در بسیاری موارد ، محتویات خاکستر آن همراه است. این فرآیند تبدیل ، بطور کلی به عوامل ژئولوژیکی زیر مربوط است:

• فشار و حرارت : که این خود به عمق رگه‌های پیت در لایه‌های زیرزمینی مربوط می‌شود.
• زمان : هر چه زمان ذخیره‌سازی زغال سنگ طولانی‌تر باشد، عمل تشکیل زغال سنگ کاملتر است.
• دگرگونی ساختار
• حرارت ناخواسته ناشی از صخره‌های مجاور
• ترکیب و ساختار گیاه
• شرایط محیطی

پیرولیز زغال سنگ

تمام انواع زغال سنگ‌ها بر اثر گرما تجزیه می‌شوند و بر حسب نوع آنها و شرایط تجزیه (فشار و دما) ، به مواد گوناگون مفیدی تبدیل می‌شوند که از نظر کاربردهای صنعتی و تجاری اهمیت به‌سزایی دارند. بیشتر انواع زغال‌سنگ‌ها ، در دمای حدود 100 درجه سانتی‌گراد رطوبت خود را از دست می‌دهند و تا دمای 400 درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شوند و مقداری مواد روغنی و گازی شکل تولید می‌شود. با افزایش دما به میزان 1 تا 2 درجه سانتی‌گراد در هر دقیقه ، تا دمای 45 درجه سانتی‌گراد بیشترین مقدار محصولات بدست می‌آید که عمدتا شامل قطران زغال سنگ است.

این مواد ، ترکیبات گوناگون آروماتیکی مانند بنزن ، تولوئن ، گزیلن ، فنل‌ها ، نفتالین ، فتانترن) ، آنتراسن و غیره را در بر دارد و به روش تقطیر می‌توان آنها را از یکدیگر جدا کرد، اما اگر دما به 900 درجه برسد، قطران خود تجزیه می‌شود و از مقدار محصولات مفید کاسته می‌شود. مواد جامد حاصل از پیرولیز زغال سنگ عمدتا شامل زغال کک (با توان گرمایی پایین و توان گرمایی بالا) ، دوده (برای رنگدانه‌ها) ، گرانیت (برای الکترودها) ، کربن فعال و مواد ساختمانی است. بطور کلی ، در فرآیند پیرولیز حدود %70 زغال سنگ به کک و %5 آن به قطران تبدیل می‌شود.

کاربردهای مهم زغال سنگ

از زغال سنگ به عنوان سوخت در نیروگاه‌های حرارتی مولد برق ، در تولید بخار توسط توربین‌های بخار در کارخانجات صنعتی ، راه‌آهن و در کشتی‌ها و نیز به صورت سوخت خانگی در برخی از کشورها استفاده می‌شود. تقریبا 87% زغال سنگ جهان برای تولید گرما و دیگر انواع انرژی‌های مربوطه سوزانیده می‌شود. بدیهی است که ضمن سوختن زغال سنگ فرآورده‌های جنبی مانند گازهای سوختنی ، زغال کک و قطران نیز بدست می‌آید. باید توجه داشت که در برخی از کشورهای جهان ، قسمتی از گازهای سوختی شهری از زغال سنگ تهیه می‌شود.

برای این منظور ، زغال سنگ را با جریانی از بخار آب و اکسیژن در فشار 20 تا 30 اتمسفر مجاور می‌کنند. در این عمل قسمتی از زغال سنگ در مجاورت با بخار آب و اکسیژن به هیدروژن و منوکسید کربن تبدیل می‌شود. بعد ، این فرآورده‌های گازی را در مجاورت کاتالیزور آهن به هیدروکربن و یا بوسیله کاتالیزور روی و مس به متیل الکل تبدیل می‌کنند. علاوه بر مصارف سوختی ، از زغال سنگ در تهیه بسیاری از مواد مفید و مهم آلی و غیرآلی استفاده می‌شود که عمدتا از تقطیر قطران حاصل از پیرولیز زغال سنگ و یا مواد جامد باقی مانده از عمل پیرولیز تهیه می‌شود.

خطرات ناشی از معادن زغال سنگ

یکی از عوامل خطرات بهداشتی و جانی که کارکنان صنایع زغال سنگ با آن مواجه هستند، گاز متان است که معمولا در معادن زغال سنگ وجود دارد، زیرا مخلوط 5 تا 15 درصد آن با هوا انفجار‌آمیز است. از این رو ، مقدار گاز متان در معادن زغال سنگ باید دقیقا کنترل شود. البته علاوه بر متان ، گازهای دیگری مانند منوکسید کربن ، دی‌اکسید گوگرد نیز همراه با آن در معادن زغال سنگ وجود دارند که نه از نظر انفجار بلکه از نظر مسموم کنندگی می‌توانند برای سلامتی کارگران معدن زیان‌آور باشند.

برای جلوگیری از خطرات ناشی از این گاز ، معمولا آن را با دستگاه ویژه‌ای از معدن زغال سنگ خارج می‌کنند. اکسیداسیون پیریت در هوا ممکن است به تشکیل اسید سولفوریک منتهی شود که از طریق آبهای جاری وارد منابع ذخیره آب شده و موجب آلودگی آن شود. تنفس گرد و غبار زغال سنگ نیز موجب بروز بیماری پنوموکونیوزیز می‌شود که به بیماری سیاه‌ریه نیز موسوم است. در این بیماری ذرات زغال سنگ ریه‌ها را از لایه سیاه رنگی می‌پوشانند و عمل تنفس را با دشواری روبرو می‌کند.

انواع زغال سنگ

زغال‌سنگ به انواع مختلفی طبقه‌بندی می‌شود. در این طبقه‌بندی درصد کربن ثابت ، درصد مواد فرار و دیگر خواص فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرار دارد.

آنتراسیت

این نوع زغال سنگ خود به انواع زیر تقسیم می‌شود:

• متا آنتراسیت : دارای %98 کربن ثابت و %2 مواد فرار است. این نوع زغال سنگ به ندرت یافت می‌شود و کارایی سوختی ندارد.
• آنتراسیت : دارای %92 تا %91 کربن ثابت و %2 تا %8 مواد فرار با رنگ خاکستری است و با شعله آبی کم رنگ کوتاه همراه با بو می‌سوزد. از سوختن آن کک تشکیل نمی‌شود. ارزش سوختی آن از سمی‌آنتراسیت و یا زغال سنگ قیری مرغوب کمتر است.
• سمی‌آنتراسیت : دارای %86 تا %92 کربن ثابت و %8 تا %14 مواد فرار است. به دلیل افزایش درصد مواد فرار در آن ، با شعله کوتاه زرد رنگ می‌سوزد و چون سریعتر از آنتراسیت می‌سوزد، دارای کارایی و مصرف سوختی بیشتری است.

زغال سنگ‌های قیری

• زغال سنگ قیری با فراریت کم : دارای %76 تا %78 کربن ثابت و %14 تا%22 مواد فرار است و بدون دود می‌سوزد.
• زغال سنگ قیری با فراریت متوسط : دارای %69 تا %78 کربن ثابت و %22 تا %31 مواد فرار است، بدون دود می‌سوزد.
• زغال سنگ قیری با فراریت بالا (A) : دارای توان گرمایی Mj 14.8 است.
• زغال سنگ قیری با فراریت بالا (B) : دارای توان گرمایی Mj 13.7 است.
• زغال سنگ قیری با فراریت بالا (C) : دارای توان گرمایی Mj 12.1 است.

زغال سنگ پست

این نوع زغال سنگ نیز به سه دسته با توان گرمایی بین Mj8.8 تا Mj12.1 تقسیم می‌شود و گاهی «لیگنیت سیاه» نیز نامیده می‌شود.

زغال سنگ شیار

این نوع زغال سنگ دارای مواد فرار و هیدروژن زیاد است و با شعله‌های طویل و با دمای بسیار بالا می‌سوزد. به علت نداشتن مواد چرب ، نوعی بافت منظم و دانه‌ای دارد که در دیگر انواع زغال سنگ‌ها دیده نمی‌شود. این نوع زغال سنگ مانند شیشه می‌شکند و دارای چگالی 1.2 تا 1.3 گرم بر سانتیمتر مکعب است.

لیگنیت

این نوع زغال سنگ خود به خود به دو گروه ، یکی گروه لیگنیتی و دیگری گروه زغال سنگ قهوه‌ای تقسیم می‌شود. خواص فیزیکی و شیمیایی و حتی رنگ هر دو گروه خیلی به هم نزدیک است. بطوری که ممکن است اشتباها یکی به جای دیگری گرفته شود. توان گرمایی لیگنیت‌ها کمتر از Mj8.8 است.