پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی
زغال سنگ چیست و نحوه تشکیل و کاربردهای آن
معرفی
زغال‌سنگ نام کانی سیاه‌رنگی است که از پسماند مواد گیاهی دوران‌های قدیم زمین‌شناختی (میلیون‌ها سال پیش) تشکیل شده‌است و به‌عنوان سوخت و نیز مادهٔ اولیهٔ برخی صنایع شیمیایی برای تولید گاز، کُک، روغن، قطران و غیره استفاده می‌شود.
البته برخی از زمین‌شناسان معتقدند که زغال‌سنگ کانی نیست. بخش بزرگی از جِرم زغال‌سنگ کربن است. از دیگر ترکیبات زغال‌سنگ هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد است. انواع زغال‌سنگ در دوران‌های گوناگون زمین‌شناسی و تحت شرایط مختلفی به وجود آمده‌اند. پوده (تورب)، نخستین مرحله تشکیل زغال‌سنگ است.
پس از آن به ترتیب لیگنیت، زغال‌سنگ نیمه بیتومینه، زغال‌سنگ بیتومینه و زغال‌سنگ آنتراسیت با درجات مختلف درون‌داشت مواد تشکیل‌دهنده قرار دارند.
زغال‌سنگ از فشرده شدن و تحمل گرما برخی گیاهان به وجود می‌آید که اکثراً از گیاه سرخس می‌باشد
مراحل تشکیل زغال سنگ
زغال‌سنگ کانی پر انرژی است، که از بقایای درختان، بوته‌ها و سایر گیاهان زندهٔ میلیون‌ها سال پیش به وجود می‌آید. نشو و نمای این گیاهان در دوره‌هایی که آب و هوای زمین ملایم و مرطوب بود، صورت گرفت. زغال‌سنگ، یک سنگ رسوبی است. به زغال‌سنگ ابتدایی که پوک است و مواد فرار زیادی دارد تورب می‌گویند تورب نامرغوبترین نوع زغال‌سنگ است قسمت اعظم این ذخایر تقریباً ۲۵۰ میلیون سال پیش پدید آمدند. سپس اوضاع برای رشد سرخس‌های دانه‌دار گرمسیری بسیار عظیم و درختان بدون گل غول پیکر، در باتلاق‌های وسیع فراهم شد. این گیاهان بعد از خشک شدن و از بین رفتن به داخل باتلاق‌ها می‌افتادند و بر اثر خروج اکسیژن، فساد بی‌هوازی تسریع می‌شد. پوشش گیاهی به ماده‌ای لجن مانند، به نام پیت (Peat) تبدیل شد. پیت در زیر فشار خشک و سخت شد و به زغال‌سنگ پیت (لنیت یا لیگنیت، که به زغال‌سنگ قهوه‌ای نیز موسوم است) تبدیل شد. فشار بیشتر و گذشت زمان، زغال‌سنگ قیردار را به وجود آورد، که هر ۶ متر ضخامت رسوب گیاهان نخستین به ۰٫۳ متر زغال‌سنگ تبدیل شده بود که به آن بیتومین می‌گویند و در نهایت سخت‌ترین و مرغوبترین نوع زغال‌سنگ، یعنی آنتراسیت (Anthracite) را به وجود آورد.
انواع زغال سنگ
آنتراسیت
آنتراسیت زغال سخت، سیاه و براقی که مرغوبترین کیفیت را دارد یعنی شامل کمترین مقدار آب و مواد فرار و بیشترین محتوی کربن است و با شعله کوچک و آبی‌رنگ و بدون دود می‌سوزد. آنتراسیت آخرین فراورده تغییر و تبدیل مواد گیاهی از طریق سلسله مراحل زغال نارس، لینیت و زغال بیتومینه است.
آنتراسیت، که اغلب به عنوان زغال سنگ نامیده می شود، زغال سنگ سخت و جمع و جور است که دارای یک بلور متالستیک است. این دارای بالاترین مقدار کربن، کمترین ناخالصی ها و بالاترین تراکم انرژی تمام انواع زغال سنگ به جز گرافیت است و بالاترین رتبه از زغال سنگ است.
آنتراسیت بیشترین نوع زغال سنگ دگرگون شده است ( اما هنوز هم نشان دهنده دگرگونی پایین است)، که در آن میزان کربن بین 92 تا 98 درصد است. اصطلاح برای آن دسته از انواع زغال سنگ استفاده می شود که در هنگام گرم کردن زیر نقطه ی احتراق از بخار یا سایر بخارات هیدروکربنی خنثی نمی کنند. انتراسیت با مشکلاتی روبرو است و با شعله های کوتاه، آبی و دودی مواجه می شود.
آنتراسیت به درجه استاندارد طبقه بندی می شود که عمدتا در تولید برق و درجه بالا (HG) و فوق العاده بالا (UHG) استفاده می شود که استفاده اصلی آن در بخش متالورژی است. انتراسیت حدود 1 درصد از ذخایر زغال سنگ جهانی را تشکیل می دهد و تنها در چند کشور در سراسر جهان استخراج می شود. چین اکثریت تولید جهانی را تشکیل می دهد؛ تولید کنندگان دیگر روسیه، اوکراین، کره شمالی، آفریقای جنوبی، ویتنام، انگلستان، استرالیا، کانادا و ایالات متحده هستند. کل تولید در سال 2010 به 670 میلیون تن رسید آنتراسیت میتواند کدورت آب را برطرف کند و کمی هم آهن و منگنز را از بین می برد.
بیتومینوس
این نوع حاوی حدود 45% تا 86% درصد کربن می‌باشد. این ماده در ایالات متحده آمریکا 100 میلیون تا 300 میلیون سال قدمت دارد. معمولا از بیتومینوس برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. همچنین از آن هم به عنوان سوخت و هم به عنوان مواد اولیه در صنعت آهن و فولاد استفاده می‌شود. حدود 53% از منابع این ماده مربوط به این نوع می‌باشد.
ساب بیتومینوس (نیمه بیتومین)
این ماده حدود 35% تا 45% کربن دارد و بر اثر سوختن حرارت کمتری نسبت به بیتومینوس تولید می‌کند. این نوع، حدود 30% از ذخایر زغال سنگ جهان را شامل می‌شود و بیشتر در صنعت سیمان کاربرد دارد.
زغال سنگ قهوه‌ای
لیگنیت، نوعی زغال سنگ به رنگ قهوه‌ای مایل به سیاه است، که درجه زغال‌شدگی آن، بین زغال نارس و زغال بیتومینه می‌باشد. قدرت حرارتی زغال قهوه‌ای کمتر از ۸۳۰۰ بی.تی. یو است. معمولاً اثراتی از ساخت اولیه گیاهی در آن پیدا می‌باشد. ذخیره ته‌نشستی از سنگواره‌های کربنی، جامد، سیاه مایل به قهوه‌ای و آتشگیر است.
روش های استخراج زغال سنگ
تعیین شیوه مناسب برای استخراج زغال‌سنگ به متغیرهای مختلفی وابسته است. ویژگی‌های زمین‌شناسی و محیطی نقشی مهم در این بین ایفا می‌کنند، اما در نهایت عمق و غنای رگه، تعیین‌کننده همه چیز است. براساس مکانی که رگه قرار گرفته (بستر سودآور زغال‌سنگ)، استخراج این کانی ممکن است نیاز به گزینه‌های مختلفی داشته باشد.
معدنکاری زغال‌سنگ به‌طور معمول به ۲ روش انجام می‌شود: معدنکاری سطحی و حفاری‌های عمیق. تکنیک‌های مختلفی برای هرکدام از این ۲ شیوه بهره‌برداری از معادن زغال‌سنگ وجود دارد، اما در نهایت مطالعات امکان‌سنجی باید تعیین کند که کدام فرآیند، بهترین است. این مطالعات براساس شرایط زمین‌شناسی منطقه‌ای ازجمله ویژگی‌های مکانی، پیوستگی رگه‌های زغال‌سنگ، ضخامت، ساختار، کیفیت، عمق و شدت آن انجام می شود.
استخراج زیرزمینی
در استخراج زیر سطحی دو روش اصلی وجود دارد: روش اتاق_ستون و روش جبهه کار طولانی
در روش اتاق_ستون، شبکه‌ای از اتاق‌ها در شکاف معدن ایجاد می‌شود و ستون‌هایی از زغال سنگ به منظور جلوگیری از ریزش سقف در هر اتاق ایجاد شده و رها می‌شود و سپس ذخایر آن استخراج می‌شود. این ستون‌ها حدود 40% از حجم معدن را شامل می‌شوند. هر چند این coal گاهی در مراحل بعدی قابل بازیابی است. این امر میتواند تحت عنوان فرآیندی به اسم “عقب نشینی معدن” حاصل شود. در این فرآیند با عقب نشینی کارگران، ذخایر از ستون‌ها استخراج می‌شود، سپس سقف سقوط می‌کند و در نهایت معدن متروک می‌شود.
روش جبهه کار طولانی با استفاده از برش‌های مکانیکی استخراج کامل از شکاف معدن صورت می‌گیرد. در این روش قبل از شروع فرآیند استخراج باید برنامه‌ریزی دقیقی انجام گیرد تا اطمینان حاصل شود زمین‌شناسی مطلوبی در تمام بخش‌های معدن وجود دارد. انتخاب روش استخراج معدن معمولا بر اساس ملاحظات اقتصادی است. در بعضی مواقع از هر دو روش بالا به صورت ترکیبی استفاده می‌شود.
استخراج سطحی
در روش سطحی به‌طور کلی از طریق حرکت به سمت ذخایر زغال‌سنگ انجام شده و در آن حفاری‌های عمیق انجام نمی‌شود. این شیوه کار شامل ۳ تکنیک مختلف است: روش روباز، سطح‌برداری و انفجار قله کوه. به‌طور کلی، این ۳ روش شامل شکستن و انتقال خاک و سنگ‌های روی معدن از طریق انفجار است. این روند تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که رگه‌های زغال‌سنگ آشکار شوند. در این روش از کامیون‌ها و خاکبردارها برای حمل ضایعات و خاکبرداری استفاده می‌شوند. در هر صورت، در این روش‌ها درصد بالاتری از ذخایر زغال‌سنگ استخراج می‌شود.
معدنکاری لایه‌برداری به‌ویژه زمانی که بدنه کانسنگ‌ها در نزدیکی سطح زمین است، عاقلانه به نظر می‌رسد. این اقدام از طریق استفاده از برخی ماشین‌آلات بزرگ در سطح زمین انجام می‌شود. آنها لایه‌های عظیمی از خاک و سنگ را را جابه‌جا می‌کنند تا به ذخایر معدنی برسند و پس از آن شروع به بهره‌برداری از زغال‌سنگ‌ها می‌کنند. معدنکاری روباز از طریق انفجار و انتقال باطله‌ها انجام می‌شود.
در این روش حفاری‌های عمیق‌تری انجام شده و در سطح زمین چاله‌هایی ایجاد می‌شود. شکستن قله کوه نیز نیازمند انفجارهایی است تا باطله‌ها را از نقاط مرتفع کوه انتقال دهد و به این طریق به رگه‌های زغال‌سنگ برسند که گاهی ۴۰۰ متر زیرزمین هستند.
مهمترین ایراد معدنکاری سطحی آن است که این روش، سطح وسیعی از زمین را از بین می‌برد و برای رسیدن به زغال‌سنگ، چشم‌انداز و زیستگاه طبیعی را تخریب می‌کند.
استخراج سطحی، جایگزینی مناسب
در این حال، می‌توان ادعا کرد که عمر معدنکاری زیرزمینی به انتها رسیده و تکنیک‌های معدنکاری سطحی جای خود را بیش از پیش در صنعت معدن جهان باز می‌کنند. در معدنکاری سطحی می‌توان با روش‌های اقتصادی‌تری اقدام به استخراج ذخایر زغال‌سنگ کرد. یکی از مهمترین مزایای این روش‌ها، صرفه‌جویی در زمان است. مهمترین دلایل کاهش زمان، نیاز نداشتن به حفاری‌های گسترده و انتقال خاکبرداری‌ها به سطح زمین است. فعالیتی که معمولا زمان و البته انرژی زیادی را در گذشته به خود اختصاص می‌داد. معدنکاری سطحی بر خلاف حفاری‌های عمیق این امکان را فراهم می‌کند که به سرعت استخراج شروع شود و با شروع آن هم میزان استخراج بسیار بالاتر و سریع‌تر است. خاکریزهای تولیدی این روش هم بسیار هموار و باثبات هستند و خطر نشست وجود ندارد ضمن اینکه به طور همزمان نیز امکان بهره‌برداری از لایه‌های مجزا را فراهم می‌کند.
البته بسیاری از فعالان محیط‌زیست به شدت از معدنکاری سطحی انتقاد می‌کنند. به گفته آنها، روش‌های معدنکاری سطحی، به دلیل از بین بردن وسیع پوشش گیاهی و اثر گذاشتن بر جانوران ناحیه، به شدت بر اکوسیستم‌های منطقه اثر می‌گذارند. یکی از مهمترین مخاطرات این روش بهره‌برداری و استخراج، احتمال افزایش خطر سیلاب است (به دلیل تخریب پوشش گیاهی نواحی).
در سال‌های گذشته، بسیاری از مناطقی که در آنها معدنکاری سطحی انجام شده بود، طعمه سیلاب‌ها شده‌اند. البته تخریب محیط‌زیست و اثرگذاری بر گیاهان و جانوران آن منطقه در استخراج‌های زیرزمینی هم وجود دارد؛ هر چند دامنه و میزان آن به این سطح نمی‌رسد. از دیگر انتقادهای شدید نسبت به استخراج‌های سطحی، ایجاد آلودگی هوا و صوتی بوده است. علاوه بر آن، آلوده کردن آب و خاک هم از دیگر مشکلات این روش‌ها است.
با این حال پیشرفت صنعت ماشین‌آلات سنگین سبب شده که امکان بهره‌برداری کم صدا و با آلودگی کمتر فراهم شود. تنها مشکلی که هنوز راه‌حل قطعی برای آن پیدا نشده است، تخریب پوشش گیاهی و اثر آن بر جانوران منطقه است. شاید یکی از راهکارهای آن ایجاد دوباره پوشش گیاهی یا موانع مصنوعی برای انحراف جریان‌های سیلابی باشد. اما در هر صورت، در زمان تصمیم‌گیری برای انتخاب شیوه مناسب استخراج باید از کارشناسان محیط‌زیست مشورت خواست تا با بررسی آن منطقه خاص امکان استخراج سطحی منابع تعیین شود.
