زغال‌سنگ: گنجینه‌ای از گذشتهٔ زمین
زغال‌سنگ چگونه تشکیل می‌شود؟
تشکیل زغال‌سنگ یک داستان طولانی و شگفت‌انگیز است که به میلیون‌ها سال پیش برمی‌گردد. در آن زمان، زمین پوشیده از جنگل‌های عظیم و باتلاق‌هایی بود که گیاهان غول‌پیکر در آن می‌روییدند. وقتی این گیاهان می‌مردند، به جای تجزیه کامل در کف این باتلاق‌ها جمع می‌شدند. لایه‌های ضخیم از گل و لای و ماسه به نام رسوب۱ به تدریج روی این تودهٔ گیاهی را می‌پوشاندند. فشار و گرمای ناشی از این لایه‌های رسوبی، همراه با گذشت زمان بسیار طولانی، باعث شد تا این گیاهان مرده به تدریج تغییر شکل داده و به زغال‌سنگ تبدیل شوند. به این فرآیند کلی کربونیزاسیون۲ می‌گویند.
انواع زغال‌سنگ و ویژگی‌های آن‌ها
همهٔ زغال‌سنگ‌ها یکسان نیستند. بسته به میزان فشار، گرمایی که دیده‌اند و مدت زمان تشکیل، انواع مختلفی با کیفیت‌های گوناگون به وجود آمده‌اند. کیفیت زغال‌سنگ معمولاً با مقدار کربن۳ و انرژی‌ای که می‌تواند آزاد کند، سنجیده می‌شود.
| نوع زغال‌سنگ | مقدار کربن تقریبی | میزان انرژی | کاربردهای اصلی |
|---|---|---|---|
| پیت۴ | حدود ۶۰٪ | کم | کمپوست، سوخت محلی |
| لیگنیت۵ (زغال قهوه‌ای) | ۶۰-۷۰٪ | متوسط | تولید برق در نیروگاه‌های نزدیک به معدن |
| زغال‌سنگ بیتومینه۶ (نرم) | ۷۰-۸۵٪ | بالا | تولید برق، ساخت فولاد، گرمایش |
| آنتراسیت۷ (سخت) | بالای ۸۵٪ | بسیار بالا | گرمایش خانگی باکیفیت، صنایع متالورژی |
فرمول شیمیایی سوختن زغال‌سنگ
وقتی زغال‌سنگ می‌سوزد، در واقع یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد. زغال‌سنگ عمدتاً از کربن تشکیل شده است. این کربن با اکسیژن هوا ترکیب شده و انرژی به صورت گرما آزاد می‌کند. محصولات این واکنش، گاز دی‌اکسید کربن و آب هستند. این فرآیند را می‌توان به صورت یک معادلهٔ شیمیایی ساده نشان داد:
این معادله نشان می‌دهد: کربن + اکسیژن تولید می‌کنددی‌اکسید کربن + انرژی
البته زغال‌سنگ خالص فقط کربن نیست و حاوی مقادیری هیدروژن، گوگرد، نیتروژن و ناخالصی‌های دیگر نیز هست که سوختن آن‌ها هم واکنش‌های شیمیایی خاص خود را دارد.
کاربردهای زغال‌سنگ در زندگی و صنعت
زغال‌سنگ نقش بسیار مهمی در انقلاب صنعتی ایفا کرد و هنوز هم در بسیاری از کشورهای جهان یک منبع انرژی حیاتی است. مهم‌ترین کاربردهای آن عبارت‌اند از:
تولید برق: بیش از یک‌سوم برق جهان در نیروگاه‌های حرارتی تولید می‌شود. در این نیروگاه‌ها، زغال‌سنگ سوزانده می‌شود تا آب را به بخار با فشار و دمای بسیار بالا تبدیل کند. این بخار توربین‌های عظیمی را به چرخش درآورده و در نهایت ژنراتورها برق تولید می‌کنند.
تولید فولاد: صنعت فولادسازی یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان زغال‌سنگ است. زغال‌سنگ در کوره‌های بلند به کک۸ تبدیل می‌شود. کک به عنوان سوخت و همچنین عاملی برای احیای سنگ آهن (جداسازی اکسیژن از آهن) استفاده می‌شود. بدون زغال‌سنگ، تولید فولاد به این شکل و مقیاس ممکن نبود.
صنایع شیمیایی: از فرآورده‌های جانبی زغال‌سنگ می‌توان در تولید مواد شیمیایی مختلف مانند پلاستیک، کودهای شیمیایی، رنگ، دارو و حتی آسفالت جاده‌ها استفاده کرد.
تأثیرات زیست‌محیطی و راه‌حل‌های نوین
با وجود کاربردهای گسترده، سوزاندن زغال‌سنگ بدون کنترل، مشکلات زیست‌محیطی جدی به همراه دارد. انتشار گاز دی‌اکسید کربن ($ CO_2 $) که یک گاز گلخانه‌ای اصلی است، موجب تشدید پدیده گرمایش زمین می‌شود. همچنین، انتشار گاز دی‌اکسید گوگرد ($ SO_2 $) و اکسیدهای نیتروژن ($ NO_x $) می‌تواند باعث باران‌های اسیدی و مشکلات تنفسی شود.
برای کاهش این اثرات منفی، فناوری‌های مختلفی توسعه یافته‌اند:
- فناوری‌های پاک‌سازی دود: مانند اسکرابر که گوگرد را از گازهای خروجی دودکش جدا می‌کند.
- افزایش بازده نیروگاه‌ها: با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، برای تولید همان مقدار برق، زغال‌سنگ کمتری سوزانده می‌شود و در نتیجه آلودگی کمتری تولید می‌شود.
- گسترش انرژی‌های تجدیدپذیر: سرمایه‌گذاری روی منابعی مانند انرژی خورشیدی، بادی و آبی که آلودگی بسیار کمتری دارند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، زغال‌سنگ یک سنگ به معنای زمین‌شناختی آن (مانند گرانیت یا آهک) نیست. زغال‌سنگ یک سوخت فسیلی است که منشأ آلی (گیاهی) دارد. اگرچه سخت است و از زمین استخراج می‌شود، اما در دسته‌بندی علمی، در گروه سنگ‌های رسوبی آلی قرار می‌گیرد.
خیر. فرآیند تشکیل زغال‌سنگ میلیون‌ها سال طول می‌کشد. انسان‌ها با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت تشکیل آن، زغال‌سنگ را مصرف می‌کنند. بنابراین، این منبع انرژی تجدیدناپذیر است و روزی به پایان خواهد رسید.
دو روش اصلی برای استخراج زغال‌سنگ وجود دارد: معادن روباز و معادن زیرزمینی. در معادن روباز، اگر لایه‌های زغال‌سنگ نزدیک به سطح زمین باشند، خاک و سنگ‌های روی آن برداشته می‌شوند. در معادن زیرزمینی، که برای رسیدن به لایه‌های عمیق‌تر استفاده می‌شود، تونل‌ها و شفت‌های عمیقی در زمین حفر می‌شوند تا به زغال‌سنگ دسترسی پیدا کنند.
پاورقی
۱رسوب (Sediment): به مواد جامدی گفته می‌شود که در اثر فرسایش سنگ‌ها به وجود آمده و توسط آب، باد یا یخ حمل و در نهایت در جایی ته‌نشین می‌شوند.
۲کربونیزاسیون (Carbonization): فرآیندی که در آن مواد آلی (مانند چوب) تحت تأثیر فشار و حرارت بالا و در غیاب اکسیژن، به تدریج به کربن تبدیل می‌شوند.
۳کربن (Carbon): یک عنصر شیمیایی غیرفلزی با نماد C که پایه و اساس شیمی آلی و تمام موجودات زنده است.
۴پیت (Peat): ماده‌ای قهوه‌ای-سیاه و اسفنجی که اولین مرحله از تشکیل زغال‌سنگ محسوب می‌شود و هنوز به طور کامل سنگواره نشده است.
۵لیگنیت (Lignite): نوعی زغال‌سنگ قهوه‌ای رنگ با کیفیت پایین که مقدار رطوبت نسبتاً بالایی دارد.
۶زغال‌سنگ بیتومینه (Bituminous Coal): رایج‌ترین نوع زغال‌سنگ که به دلیل محتوای بالای قیر (بیتومن) به این نام خوانده می‌شود و کاربرد صنعتی گسترده‌ای دارد.
۷آنتراسیت (Anthracite): باکیفیت‌ترین و سخت‌ترین نوع زغال‌سنگ که دارای بیشترین مقدار کربن و درخشندگی فلزی است.
۸کک (Coke): ماده‌ای جامد و متخلخل با کربن بسیار بالا که از حرارت دادن زغال‌سنگ بیتومینه در غیاب هوا به دست می‌آید و در صنعت فولادسازی کاربرد اساسی دارد.