زغال سنگ یک سنگ رسوبی سیاه یا قهوه ای مایل به سیاه است که بیشتر از کربن و سایر مواد آلی ساخته شده است. از بقایای گیاهان باستانی که میلیون ها سال پیش می زیسته اند و به مرور زمان تحت فشار و حرارت بالایی قرار گرفته اند، به وجود آمده است. در درجه اول به عنوان سوخت برای تولید برق و گرما استفاده می شود و همچنین به عنوان ماده اولیه در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده می شود. زغال سنگ یک منبع محدود است و استخراج و استفاده از آن اثرات زیست محیطی قابل توجهی از جمله آلودگی هوا و آب و انتشار گازهای گلخانه ای دارد. بنابراین، تلاش‌های روزافزونی برای کاهش استفاده از آن و یافتن منابع جایگزین انرژی صورت گرفته است.
تاریخچه زغال سنگ
زغال سنگ سوخت فسیلی است که از گیاهان باستانی که میلیون‌ها سال پیش مرده‌اند به وجود آمده است. اولین بار در قرن چهارم قبل از میلاد توسط چینی ها برای گرم کردن و پخت و پز استفاده شد. استفاده گسترده از زغال سنگ به عنوان منبع انرژی در طول انقلاب صنعتی در قرن ۱۸ و ۱۹ آغاز شد، زمانی که از آن برای تامین انرژی موتورهای بخار و تولید برق استفاده می شد.
تقاضا برای زغال سنگ با توسعه صنایع بیشتر و بیشتر افزایش یافت که همین امر منجر به رشد معدن زغال سنگ شد. در اواسط قرن بیستم، زغال سنگ منبع اولیه انرژی برای اکثر نقاط جهان بود، اما استفاده از آن در سال های اخیر به دلیل نگرانی در مورد آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانه ای، و افزایش منابع انرژی جایگزین مانند گاز طبیعی و انرژی های تجدید پذیر مصرف آن کم شده است.
کاربرد های زغال سنگ
گفتن همه کاربردهای زغال سنگ ممکن نیست زیرا هزاران کاربرد برای این ماده متنوع وجود دارد. با این حال، برخی از رایج ترین کاربردهای زغال سنگ عبارتند از:
- تولید برق: زغال سنگ به طور گسترده ای برای تولید برق در نیروگاه ها در سراسر جهان استفاده می شود.
- تولید فولاد: زغال سنگ یک جزء حیاتی در تولید فولاد است که انرژی را برای فرآیند ذوب فراهم می کند.
- گرمایش و پخت و پز: برای قرن ها از زغال سنگ برای گرم کردن و پخت و پز استفاده می شود، به ویژه در مناطق روستایی که دسترسی به سایر منابع انرژی محدود است.
- فرآیندهای صنعتی: زغال سنگ به عنوان سوخت در طیف وسیعی از فرآیندهای صنعتی از جمله تولید سیمان، کاغذ و مواد شیمیایی استفاده می شود.
- حمل و نقل: زمانی زغال سنگ به طور گسترده برای سوخت کشتی های بخار و قطارها استفاده می شد.
- تصفیه آب: کربن فعال ساخته شده از زغال سنگ در سیستم های تصفیه و تصفیه آب استفاده می شود.
- کشاورزی: محصولات مبتنی بر زغال سنگ مانند گرد و غبار زغال سنگ و قطران زغال سنگ در کشاورزی به عنوان کود و آفت کش استفاده می شود.
- کاربردهای پزشکی: محصولات مبتنی بر زغال سنگ،مانند کربن فعال، در کاربردهای پزشکی مانند تصفیه هوا و در درمان مسمومیت استفاده می شود.
اینها تنها چند نمونه از کاربردهای فراوان زغال سنگ است. استفاده از زغال سنگ اثرات زیست محیطی قابل توجهی از جمله انتشار گازهای گلخانه ای و آلودگی هوا دارد، بنابراین منابع انرژی جایگزین به طور فعال در حال جستجو و توسعه هستند.
ترکیبات شیمیایی زغال سنگ
زغال سنگ مخلوط پیچیده ای از مواد آلی و معدنی است. ترکیب شیمیایی دقیق زغال سنگ به نوع زغال سنگ و محل تشکیل آن بستگی دارد، اما معمولاً حاوی عناصر زیر است:
- کربن (C): فراوان ترین عنصر در زغال سنگ، معمولاً بین ۴۵ تا ۹۸ درصد وزنی دارد.
- هیدروژن (H): بین ۲-۱۴ درصد وزنی متغیر است.
- گوگرد (S): محدوده وزنی بین ۰.۵-۸٪ است.
- نیتروژن (N): محدوده وزنی بین ۰.۵-۲٪ است.
- اکسیژن (O): از ۰ تا ۴۵ درصد وزنی متغیر است.
- خاکستر: مواد معدنی و ناخالصی های باقی مانده از جمله مواد معدنی مانند سیلیس، آلومینیوم، آهن و کلسیم.
- عناصر کمیاب: مقادیر کمی از عناصر دیگر مانند جیوه، سرب، آرسنیک و سلنیوم نیز ممکن است در زغال سنگ وجود داشته باشد.
ترکیب خاص زغال سنگ می تواند بر محتوای انرژی، قابلیت سوختن و آلاینده هایی که هنگام سوزاندن تولید می کند تأثیر بگذارد. درک ترکیب شیمیایی زغال سنگ هم برای استخراج و هم برای بهره برداری و هم برای کاهش اثرات زیست محیطی آن مهم است.
نحوه نگهداری زغال سنگ
ذغال سنگ معمولاً بسته به نوع زغال سنگ، کاربرد مورد نظر و محل ذخیره سازی به روش های مختلفی ذخیره می شود. در اینجا چند روش متداول ذخیره زغال سنگ آورده شده است:
ذخیره سازی شمع:
توده های بزرگ زغال سنگ در فضای باز تشکیل می شوند و برای محافظت از زغال سنگ در برابر آب و هوا با برزنت یا مواد دیگری پوشانده می شوند. این روش معمولاً برای ذخیره سازی طولانی مدت یا برای ذغال سنگی که فورا مورد نیاز نیست استفاده می شود.
ذخیره سازی سیلو:
ذغال سنگ در سازه های بتنی یا فولادی بزرگ که به سیلو معروف هستند ذخیره می شود. ذخیره سازی سیلو برای ذخیره سازی میان مدت استفاده می شود و معمولاً برای زغال سنگ که برای استفاده در نیروگاه ها یا صادرات در نظر گرفته شده است استفاده می شود.
انبار ذخیره سازی:
زغال سنگ در پناهگاه های بزرگ و بتنی که اغلب در نزدیکی یک نیروگاه یا سایر تاسیسات صنعتی قرار دارند ذخیره می شود. از سنگرها برای ذخیره سازی کوتاه مدت زغال سنگ استفاده می شود که بلافاصله مورد استفاده قرار می گیرد.
ذخیره سازی ریل یا کامیون:
زغال سنگ را می توان برای مدت کوتاهی در واگن های راه آهن یا کامیون ها ذخیره کرد، معمولاً زمانی که از یک مکان به مکان دیگر منتقل می شود. ذخیره سازی مناسب زغال سنگ برای جلوگیری از آلودگی، محافظت از آن در برابر رطوبت و اطمینان از کیفیت و ایمنی آن اهمیت دارد.
روش‌های ذخیره‌سازی خاص مورد استفاده نیز می‌تواند بر سهولت حمل و نقل و جابجایی زغال‌سنگ تأثیر بگذارد.
اسید ها در زغال سنگ
زغال سنگ حاوی اسیدهای مختلفی است که می تواند هنگام استخراج، حمل و نقل و سوزاندن زغال سنگ در محیط آزاد شود. برخی از رایج ترین اسیدهای موجود در زغال سنگ عبارتند از:
اسید سولفوریک (H2SO4):
هنگامی که گوگرد موجود در زغال سنگ در حین استخراج و احتراق با هوا و آب واکنش می دهد تشکیل می شود. اسید سولفوریک می تواند باعث آلودگی محیطی از جمله باران اسیدی شود.
اسید نیتریک (HNO3):
هنگامی که نیتروژن موجود در زغال سنگ در طی احتراق با هوا واکنش می دهد تشکیل می شود. اسید نیتریک به تشکیل مه دود و سایر آلاینده های هوا کمک می کند.
اسید کربنیک (H2CO3):
هنگامی که دی اکسید کربن موجود در جو در آب حل می شود تشکیل می شود. اسید کربنیک می تواند باعث آلودگی آب شده و به اسیدی شدن سیستم های آب شیرین کمک کند.
اسید هیدروکلریک (HCl):
زمانی که کلر موجود در زغال سنگ با هوا و آب در حین استخراج و احتراق واکنش می دهد، تشکیل می شود. اسید هیدروکلریک می تواند مشکلات تنفسی ایجاد کند و به تشکیل دود کمک کند.
مدیریت و کنترل صحیح این اسیدها برای به حداقل رساندن اثرات منفی آنها بر محیط زیست حائز اهمیت است. این می‌تواند شامل کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌های زغال‌سنگ، دفع صحیح زباله‌های زغال‌سنگ، و استفاده از بهترین شیوه‌ها در استخراج زغال سنگ برای جلوگیری از رواناب اسیدی و سایر اثرات زیست‌محیطی باشد.
معایب زغال سنگ
زغال سنگ یک منبع انرژی پرمصرف است، اما چندین معایب قابل توجه نیز دارد، از جمله:
آلودگی محیط زیست و تخریب زمین:
استخراج زغال سنگ، حمل و نقل و احتراق همگی می توانند در آلودگی هوا و آب، از جمله انتشار گازهای گلخانه ای، ذرات معلق، دی اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن نقش داشته باشند.
استخراج زغال سنگ می تواند منجر به تخریب زمین، از جمله تخریب زیستگاه ها و جابجایی جوامع شود.
- اثرات سلامتی: انتشار زغال سنگ می تواند اثرات منفی بر سلامت انسان از جمله مشکلات تنفسی، بیماری قلبی و سرطان داشته باشد.
- استفاده از آب: تولید و استفاده از زغال سنگ می تواند پر مصرف آب باشد که منجر به رقابت برای منابع آبی و آلودگی بالقوه آب می شود.
- تولید زباله: احتراق زغال سنگ باعث تولید مواد زائد از جمله خاکستر و لجن می شود که برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست باید به درستی مدیریت شود.
- ذخایر محدود: زغال سنگ یک منبع محدود است و ذخایر به طور فزاینده ای در حال کاهش است که در نهایت منجر به کاهش تولید و افزایش قیمت می شود.
- تغییرات آب و هوا: سوزاندن زغال سنگ مقادیر زیادی دی اکسید کربن را در جو آزاد می کند که به گرم شدن کره زمین و تغییرات آب و هوایی کمک می کند.
در حالی که زغال سنگ برای سال‌های متمادی منبع مهم انرژی بوده است، بهتر است که اثرات منفی مربوط به استفاده از آن را در نظر بگیریم و منابع انرژی جایگزین را که اثرات زیست محیطی کمتری دارند، کشف کنیم.
روش تولید زغال سنگ
زغال سنگ از طریق فرآیندی به نام معدن تولید می شود. روش های مختلفی برای استخراج زغال سنگ وجود دارد که عبارتند از:
استخراج سطحی و زیرزمینی:
این روش شامل برداشتن لایه بالایی خاک و سنگ برای دسترسی به ذخایر زغال سنگ نزدیک به سطح است. معمولاً برای زغال سنگی استفاده می شود که نزدیک سطح است و می توان آن را با استفاده از تجهیزات حفاری بزرگ استخراج کرد.
این روش شامل دسترسی به ذخایر زغال سنگ در اعماق زیرزمین از طریق تونل ها است. استخراج زیرزمینی معمولاً برای زغال سنگی استفاده می‌شود که استخراج آن با روش‌های سطحی عمیق‌تر و دشوارتر است.
معدن برداشتن قله کوه:
این روش شامل برداشتن قله کوه برای دسترسی به ذخایر زغال سنگ است. این یک روش بسیار بحث برانگیز به دلیل تأثیر زیست محیطی قابل توجهی است.
روش خاص مورد استفاده برای استخراج زغال سنگ به نوع زغال سنگ، محل آن و عمق ذخایر بستگی دارد. هنگامی که زغال سنگ استخراج شد، به یک مرکز فرآوری منتقل می شود که در آنجا تمیز، طبقه بندی و برای استفاده آماده می شود. علاوه بر معدن، زغال سنگ را می توان از طریق فرآیندهایی مانند گازسازی، مایع سازی و تجزیه در اثر حرارت نیز تولید کرد که زغال سنگ را به اشکال دیگر انرژی یا مواد شیمیایی تبدیل می کند. از این روش ها می توان برای افزایش کارایی استفاده از زغال سنگ و کاهش اثرات زیست محیطی آن استفاده کرد.