يتشكل الفحم من مواد نباتية قديمة مدفونة ومتحولة بفعل الحرارة والضغط على مدى ملايين السنين، وأحصل عليه عن طريق تعدينه من باطن الأرض، إما على السطح أو في أعماق الأرض. عندما أنظر إلى كيفية صناعة الفحم، أرى عملية تبدأ بتحول بقايا النباتات إلى خث، ثم تتحول ببطء إلى أنواع مختلفة من الفحم. واليوم، يستخرج الناس الفحم في أكثر من 70 بلداً، حيث ينتج حوالي 6900 منجم 8.9 مليار طن سنوياً.
كيف يتكون الفحم
يتشكل الفحم عندما يتم دفن طبقات من النباتات الميتة وضغطها وتسخينها في أعماق الأرض، وتتحول ببطء من الخث إلى أنواع أكثر صلابة وغنية بالكربون من الفحم على مدى ملايين السنين. عندما أنظر إلى كيفية تكوّن الفحم، أرى تحولًا تدريجيًا يبدأ بالخث الإسفنجي الطري وينتهي بالأنثراسايت الصلب اللامع.
مراحل تكوين الفحم
دعني أوضح لك المراحل الرئيسية لتكوين الفحم. تُظهر كل مرحلة كيف تتغير المادة النباتية كلما دفنت بشكل أعمق وتعرضت لمزيد من الحرارة والضغط:
- الخث 🌱
أرى أن الخث هو الخطوة الأولى. يتكون من النباتات الميتة في المستنقعات والأماكن منخفضة الأكسجين. الخث طري ورطب ويحتوي على أقل محتوى من الكربون. - الفحم الحجري (الفحم البني) 🟫
عندما يتم دفن الخث وعصره، يتحول إلى ليجنيت. لا يزال الفحم الحجري طرياً وبني اللون، ولكنه يحتوي على كمية أكبر من الكربون وماء أقل من الخث. - الفحم البيتوميني ⚫
ومع زيادة الحرارة والضغط، يتحول الفحم الحجري إلى فحم قاري. هذا النوع أكثر صلابة وأكثر قتامة ويحترق أكثر حرارة. وغالباً ما يستخدم في صناعة الكهرباء والصلب. - أنثراسايت 💎
المرحلة الأخيرة هي الأنثراسايت. ويتكون تحت معظم الحرارة والضغط. أنثراسايت لامع وصلب ويحتوي على أعلى محتوى من الكربون. ويحترق بشكل نظيف وساخن.
إليك جدول يوضح كيف يتغير محتوى الكربون والأكسجين مع نضوج الفحم:
| مرحلة رتبة الفحم | المحتوى الكربوني التقريبي (%) | محتوى الأكسجين في المجموعات الوظيفية (بالوزن %) |
|---|---|---|
| الخث/الفحم الحجري | ~65.5 – 70.5 | مرتفع (OCOOH 8.0%) |
| شبه بيتوميني | ~75.5 – 81.5 | أقل (OCOOOH 0.3-0.6%) |
| بيتومين | ~85.5 – 88.6 | منخفض جدًا (OCOOOH بالقرب من 0%) |
| أنثراسايت | ~90.3 | الحد الأدنى (OCOOH 0%) |
وبينما يتحرك الفحم خلال هذه المراحل، لاحظت أن الكربون يرتفع ويقل الأكسجين. وهذا يجعل الفحم أكثر صلابة وأفضل للحرق.
ويستخدم العلماء اختبارات مثل الانعكاس الزجاجي وينظرون إلى أشياء مثل مؤشر الهيدروجين والعلامات الحيوية الجزيئية لتتبع هذه التغيرات. على سبيل المثال، في تكوين غوادواس، أرى أن الفحم ذو النضج الأعلى يحتوي على كمية أكبر من الكربون ورماد أقل وكبريت أقل.
الأنواع حسب التكوين
عندما أتحدث عن كيفية تشكل الفحم، أتناول أيضًا أنواع الفحم المختلفة التي تنتج عن هذه العملية. يتشكل كل نوع في ظروف مختلفة وله استخداماته الخاصة.
- الخث: لينة وبنية اللون ومليئة بقطع النباتات. يستخدم في الحدائق وأحياناً كوقود.
- الفحم الحجري: فحم بني اللون، أكثر إحكاماً وأعلى طاقة من الخث. يستخدم في محطات توليد الطاقة.
- الفحم البيتوميني: أقسى وأسود ولامع. يستخدم للكهرباء وصنع الفولاذ.
- أنثراسايت: الأقسى والأكثر لمعاناً. يحترق الأكثر حرارة ونظافة. يستخدم للتدفئة.
وأجد أن نوع الفحم يعتمد على مدى عمقه المدفون ومقدار الحرارة والضغط الذي يشعر به. فكلما كان أعمق وأكثر سخونة، كان الفحم أكثر صلابة.
بدأ الجدول الزمني لتكوين الفحم في العصر الكربوني، عندما غطت النباتات العملاقة الأرض. ماتت هذه النباتات، وسقطت في المستنقعات، وبدأت الرحلة من الخث إلى الأنثراسايت. وعلى مدار ملايين السنين، أدت التغيرات الجيولوجية، والنشاط الميكروبي، والتفاعلات الكيميائية إلى تحويل بقايا النباتات إلى الفحم الذي نستخدمه اليوم.
أنواع الفحم
الخث
الخث هو الخطوة الأولى في عائلة الفحم. عندما أسير في منطقة مستنقعات، أرى أحياناً الخث يتشكل تحت قدمي مباشرة. يبدو مثل تربة إسفنجية داكنة اللون ورطبة الملمس. يأتي الخث من طبقات من النباتات الميتة التي تتراكم في الأماكن التي يحبس فيها الماء الهواء. وبسبب ذلك، لا تتعفن النباتات تماماً.
- الخث طري ومتفتت.
- يحتوي على الكثير من الماء.
- يستخدمه الناس أحياناً في الحدائق أو كوقود منخفض الطاقة.
أعتقد أن الخث هو "الطفل" في عالم الفحم. فهو يحتوي على أقل محتوى من الكربون ولا يحترق بحرارة الأنواع الأخرى. لا تستخدم معظم محطات توليد الطاقة الخث لأنه لا يعطي الكثير من الطاقة.
الفحم الحجري
الفحم الحجري هو الخطوة التالية بعد الخث وغالباً ما يطلق عليه الفحم البني. ألاحظ الفحم الحجري عندما أرى صخرة ناعمة سوداء مائلة للون البني تتفتت بسهولة. وهو يتشكل عندما يتم دفن الخث بشكل أعمق ويبدأ في الجفاف. يحتوي الفحم الحجري على كربون أكثر من الخث، لذا فهو يحترق بشكل أفضل، لكنه لا يزال غير قوي مثل أنواع الفحم الأخرى.
إليك ما يبرز في الفحم الحجري:
- يحتوي على نسبة طاقة أعلى من الخث، ولكن أقل من الفحم القاري.
- يُستخدم الفحم الحجري في الغالب في محطات توليد الطاقة القريبة من مكان تعدينه.
- وهي تشكل حوالي 81 تيرابايت 3 تيرابايت من سوق الفحم في الولايات المتحدة.
هل تعلم؟ تنتج دول مثل ألمانيا والهند والصين الكثير من الفحم الحجري. وأرى مناجم الفحم الحجري في أجزاء كثيرة من أوروبا وآسيا، حيث يعد مصدرًا مهمًا للكهرباء.
بيتومين
الفحم البيتوميني هو أكثر أنواع الفحم استخداماً في العالم. عندما أمسك بقطعة من الفحم البيتوميني، أرى صخرة سوداء صلبة تبدو أثقل وأكثر كثافة من الفحم الحجري. ويحتوي هذا الفحم على نسبة أعلى بكثير من الكربون، مما يعني أنه يحترق بدرجة حرارة أعلى وأطول.
دعني أوضح لك كيفية المقارنة بين هذه الأنواع:
| نوع الفحم | محتوى الكربون (%) | محتوى الطاقة | الحصة السوقية في الولايات المتحدة (%) | الحصة السوقية العالمية (%) |
|---|---|---|---|---|
| الخث | ~60 | منخفضة جداً | غير متاح | غير متاح |
| الفحم الحجري | 25 – 35 | الأقل | 8 | غير متاح |
| بيتومين | 45 – 86 | عالية | 46 | 35.67 |
يبرز الفحم البيتوميني لعدة أسباب:
- فهي تزود معظم محطات توليد الكهرباء في العالم بالطاقة.
- أرى أنه يستخدم في صناعة الصلب والأسمنت وحتى المواد الكيميائية.
- وهي تستحوذ على حوالي 35.671 تيرابايت 3 تيرابايت من سوق الفحم العالمي، مما يجعلها الخيار الأول للعديد من الصناعات.
إن الفحم البيتوميني أصعب في الاشتعال من الفحم الحجري، ولكن بمجرد أن يبدأ في الاحتراق، فإنه يعطي حرارة أكبر بكثير. ولهذا السبب أعتبره "العمود الفقري" لعائلة الفحم.
عندما أقارن الفحم القاري بفحم الليغنيت، ألاحظ أن الفحم القاري يحتوي على كمية أكبر من الكربون ورطوبة أقل وميل أقوى للتكويك. وهذا يجعله مثاليًا للتطبيقات الصناعية، خاصةً عند الحاجة إلى حرارة عالية أو فحم الكوك.
أنثراسايت
فحم الأنثراسايت هو أقسى أنواع الفحم وأكثرها لمعاناً وأكثرها امتلاءً بالطاقة. عندما أحمل قطعة من الأنثراسايت، ألاحظ مدى كثافتها ولمعانها. فهو يبدو تقريباً مثل حجر كريم أسود. ودائمًا ما أخبر الناس أن الأنثراسايت يتميز عن غيره من الفحم بسبب محتواه العالي من الكربون وحرارته القوية.
إليك ما يجعل الأنثراسايت مميزاً:
- نسبة عالية جداً من الكربون: عادةً ما بين 92% و98%. وهذا أعلى من أي نوع آخر من الفحم.
- أعلى قيمة للطاقة: يعطي أنثراسايت حرارة أكثر لكل رطل من الفحم، مما يجعله الخيار الأفضل عندما أحتاج إلى حرارة قوية وثابتة.
- مادة منخفضة التقلب: فهي لا تحتوي على الكثير من المواد التي تحترق بسرعة، لذا فهي تحتاج إلى غلايات خاصة لحرقها بشكل جيد.
- صلبة ولامعة: إنه صعب الكسر وله لمعان زجاجي.
- نادرة وثمينة: أنثراسايت نادر. في الولايات المتحدة، أجده كله تقريبًا في شمال شرق ولاية بنسلفانيا. وهو يشكل أقل من 1% من جميع الفحم المستخرج في البلاد.
ونظرًا لصعوبة العثور على الأنثراسايت وحاجته إلى معدات خاصة لحرقه، فعادةً ما أراه يستخدم في الصناعات المعدنية أو للتدفئة المنزلية حيث الحاجة إلى وقود نظيف وساخن.
وتشير الدراسات الفنية إلى أن محتوى أنثراسايت الكربون الثابت يتراوح بين حوالي 86% إلى 98%. وتعني رطوبته المنخفضة (3-6%) وانخفاض مادته المتطايرة (2-12%) أنه يحترق ببطء ونظافة. لقد قرأت أن ندرته تأتي من محدودية رواسبه والحاجة إلى طرق احتراق خاصة. وهذا هو السبب في أن فحم الأنثراسايت ثمين ولكنه لا يستخدم على نطاق واسع مثل أنواع الفحم الأخرى.
الاختلافات الرئيسية
تنبع الاختلافات الأساسية بين أنواع الفحم من محتواها الكربوني وقيمتها من الطاقة وسهولة احتراقها. أحب المقارنة بينهما جنباً إلى جنب حتى تتمكن من رؤية ما يميز كل منهما عن الآخر.
| نوع الفحم | محتوى الكربون (%) | قيمة الطاقة (BTU/رطل) | المادة المتطايرة (%) | الاستخدام النموذجي | اللون والملمس |
|---|---|---|---|---|---|
| الخث | ~60 | منخفضة جداً | عالية | حدائق، وقود منخفضة | بني، إسفنجي |
| الفحم الحجري | 25-35 | منخفضة | عالية | محطات توليد الطاقة | بني، متفتت |
| بيتومين | 45-86 | متوسطة إلى عالية | متوسط | الكهرباء والصلب | أسود، ناعم إلى صلب |
| أنثراسايت | 86-98 | الأعلى | منخفضة جداً | صناعة المعادن والحرارة | أسود، لامع، صلب، لامع |
- الخث ناعم ورطب، وليس رائعًا كوقود.
- الفحم الحجري أفضل، ولكنها لا تزال غير قوية للغاية.
- بيتومين هو العمود الفقري المستخدم في معظم محطات الطاقة والصناعات.
- أنثراسايت هو ملك الحرارة، ولكنه نادر ويحتاج إلى عناية خاصة لاستخدامه.
أتذكر دائمًا: كلما زادت نسبة الكربون، زادت الطاقة التي يعطيها الفحم. يفوز الأنثراسايت في كلا الأمرين، ولكنني لا أراه في كل مكان لأنه نادر جدًا.
عندما أنظر إلى كيفية تفاعل أنواع الفحم المختلفة في دراسات التغويز، ألاحظ أن الفحم الذي يحتوي على مادة أكثر تطايرًا (مثل الفحم الحجري) ينتج غازًا أكثر ويتفاعل بشكل أسرع. أما الأنثراسايت، بمادة منخفضة التطاير، فيحترق بشكل أبطأ ويحتاج إلى درجات حرارة أعلى. ولهذا السبب يناسب كل نوع من أنواع الفحم وظيفة مختلفة، من وقود الحدائق إلى تشغيل المصانع الكبيرة.
كيف يتم استخراج الفحم
لفهم كيفية تطوير الفحم، نحتاج إلى معرفة كيفية دفنه بشكل عام.
يتم دفن الفحم بشكل عام بطريقتين، التعدين في حفرة مفتوحة والتعدين تحت الأرض على التوالي. ويعرّف التعدين السطحي على أنه في حدود 200 قدم من السطح، ويعرّف التعدين تحت الأرض بشكل عام على أنه أكثر من 200 قدم فوق السطح.
يتم تعدينها بطرق مختلفة. فالتعدين في الحفر المكشوفة أسهل، بينما التعدين تحت الأرض أكثر تعقيداً وخطورة على عمال مناجم الفحم.
التعدين المكشوف:
والتعدين التجريدي هو أسهل أشكال التعدين، حيث يكون خط التماس الفحم قريباً جداً من السطح. وعادة ما ينطوي التعدين على إزالة الغطاء الزائد، وإزالة التربة والصخور بالحفارات، وما إلى ذلك، ثم الحفر والتكسير والتجريد المنهجي بالحفارات، وأخيراً النقل بالشاحنة القلابة, مقطورة نصف قلابة أو نصف مقطورة قلابة
يمكن استخدام التعدين الشريطي في المناطق المنبسطة والتلال على حد سواء. ويسمى التعدين الشريطي في منطقة جبلية بالتعدين الكنتوري. ويتبع التعدين الكنتوري الحواف أو الخطوط الكنتورية حول التل.
ينطوي التعدين المكشوف عادةً على:
- إزالة جزء أو كل درز الفحم المدفون لكشفه.
- تخلص من المواد الزائدة في الوديان القريبة.
ينقسم التعدين العام إلى الخطوات الخمس التالية:
- أولاً، قم بإزالة طبقة الصخور وطبقة التربة فوق طبقة الفحم وبينها.
- بعد إزالة التماس الفحم، سيكون هناك الكثير من التربة والصخور الزائدة، والتي سيتم وضعها في الوادي المجاور.
- استخدم معدات جرف التربة الكبيرة لبدء حفر الفحم. اختر معدات مختلفة وفقًا لطريقة التعدين وحجمه.
- مع استمرار تعدين الفحم، قد يحتاج الأمر إلى إعادة تصنيفه وفقًا لظروف معينة.
- بعد الانتهاء من تعدين الفحم، عادة ما يتم استخدام طرق مثل تغطية الغطاء النباتي للحد من التلوث.
ماذا يفعل التعدين العاري بالأرض؟
يؤدي تعدين الفحم إلى إحداث ثقوب كبيرة في الأرض، لذلك عندما تتم إزالة الفحم، نحتاج إلى ترميم المنجم. نحن بحاجة إلى وضع خطة وإصلاحه تدريجياً.
التعدين تحت الأرض
عندما تكون طبقات الفحم عميقة تحت الأرض، أستخدم التعدين تحت الأرض. تتيح لي هذه الطريقة الوصول إلى الفحم الموجود تحت سطح الأرض. إليكم ما أفعله:
- 🕳️ أحفر أعمدة أو أنفاق وصولاً إلى خط التماس الفحم.
- 🚇 أقوم ببناء ممرات حتى يتمكن فريقي وآلاتي من الوصول إلى الفحم.
- ⛏️ قطعت الفحم من التماس باستخدام الآلات أو الأدوات اليدوية.
- 🚂 أنقل الفحم إلى السطح باستخدام سيور ناقلة أو عربات.
- 🛑 أدعم الأنفاق بالفولاذ أو الخشب للحفاظ على سلامتها.
يتطلب التعدين تحت الأرض المزيد من التخطيط وفحوصات السلامة. أراقب المخاطر مثل الانهيارات أو تسرب الغاز. يرتدي فريقي معدات السلامة ويتبع قواعد صارمة. كما أنني أستخدم آلات خاصة لقياس جودة الهواء وقوة النفق.
تعدين الغرف والأعمدة
متى يتم استخدام هذه الطريقة؟
تُستخدم الغرفة والعمود عادةً للرواسب المستوية.
كيف تعمل؟
في تعدين الغرف والأعمدة، يتم تعدين رواسب الفحم عن طريق قطع شبكة من "الغرف" في درز الفحم وترك وراءها "أعمدة" من الفحم أيضًا. يتم تعدين رواسب الفحم عن طريق قطع شبكة من "الغرف" في درز الفحم وترك وراءها "أعمدة" من الفحم لدعم سقف المنجم. يمكن أن تصل هذه الأعمدة إلى 401 تيرابايت في 3 تيرابايت من إجمالي الفحم في التماس - على الرغم من أنه يمكن استرداد هذا الفحم في بعض الأحيان في مرحلة لاحقة.
تعدين الحوائط الطويلة
متى يتم استخدام هذه الطريقة؟
يستخدم التعدين بالجدار الطويل لتعدين جدار طويل من الفحم في شريحة واحدة.
كيف تعمل؟
ينطوي التعدين باستخدام الجدران الطويلة على استخراج الفحم بالكامل من جزء من خط التماس، أو "وجه" باستخدام آلات القص الميكانيكية. يمكن أن يتراوح طول "وجه" الفحم من 100-350 متر. التقدم الذاتي، أو "الوجه" باستخدام المقصات الميكانيكية. يمكن أن يتراوح طول "وجه" الفحم من 100-350 متر.
تعمل الدعامات ذاتية الدفع التي تعمل بالطاقة الهيدروليكية على تثبيت السقف مؤقتًا أثناء استخراج الفحم. وعندما يتم استخراج الفحم من المنطقة، يُسمح للسقف بالانهيار. يمكن استخراج أكثر من 751 تيرابايت 3 تيرابايت من الفحم الموجود في الرواسب من ألواح الفحم التي يمكن أن تمتد لمسافة 3 كم عبر خط التماس الفحم.
النقل والمواصلات
وأخيراً، انقل الفحم من المنجم إلى حيث يحتاجه الناس. هكذا يتم نقل الفحم إلى محطات توليد الطاقة أو المصانع أو الموانئ للشحن. أستخدم القطارات مقطورات نصف مقطورة قلابةوالصنادل وحتى أحزمة النقل.
الخاتمة
وعادة ما تعتمد طرق تعدين الفحم الشائعة لهذين النوعين من التعدين على الوضع الفعلي الذي يختارونه. بغض النظر عن نوع طريقة التعدين المستخدمة، يجب ألا نتجاهل التأثير على البيئة بعد الانتهاء من التعدين. نحن بحاجة إلى إصلاح البيئة ببعض الوسائل.
راجع: https://en.wikipedia.org/wiki/Coal
الأسئلة الشائعة
ما هي خطوات تكوين الفحم؟
يتكون الفحم على أربع مراحل: الخث، والفحم البني، والفحم القاري، والأنثراسايت. إذا كان هناك المزيد من الضغط والحرارة في المكان الذي دُفن فيه الفحم، فسيتم إنتاج فحم أنثراسايت أفضل.
هل الفحم مصدر للطاقة المتجددة
لا، الفحم مصدر طاقة غير متجدد. وبالمثل، فإن الوقود الأحفوري، مثل الفحم، هو مصدر طاقة غير متجدد، وكذلك النفط والغاز الطبيعي. فجميعها يستغرق إنتاجها مئات الملايين من السنين.
