ما هو الفحم الحجري وكيف يتكون وما هي أنواعه
الفحم الحجري هو وقود أحفوري غير متجدد يستعمل لإنتاج الكهرباء. تكمن مخاطر الفَحم الحجري في طرق التنقيب عنه تحت الأرض ، وفي احتراقه ما يشكل تهديدًا للبيئة وللمنقبين عنه. يُستعمَل الفَحم الحجري لإنتاج 50٪ من الكهرباء في الولايات المتحدة الأمريكية.
يتصف الفَحم الحجري بكونه حجرًا مترسبًا أسود اللون أو بنيًا شبيهًا بالأسود. ويُحرَق الفَحم الحجري كوقود، ويستعمل لإنتاج الكهرباء. يتكون الفحم الحجري أساسًا من الكربون والهيدروكربون الغني بالطاقة التي تُطلَق عند الاحتراق.
يُعتبَر الفحم الحجري المصدر الأكثر شيوعًا لإنتاج الكهرباء في العالم، كما أنه الوقود الأحفوري الأكثر انتشارًا في الولايات المتحدة الأمريكية.
كيف يتكون الفحم الحجري؟
الوقود الأحفوري مصنوع من بقايا الكائنات الحية القديمة. الفحم هو مورد غير متجدد ، يستغرق تكوينه ملايين السنين ، وهو موجود بكميات محدودة.
بدأت ظروف تكوين الفحم منذ 300 مليون سنة خلال الفترة الكربونية. خلال هذه الفترة كانت الأرض مغطاة بالبحار الشاسعة والغابات الكثيفة ، وفي بعض الأحيان فاضت البحار بالغابات ، مما أبقى النباتات محاصرة في عمق الأراضي المستنقعية. بمرور الوقت ، تم دفن النباتات والطحالب وضغطها تحت أوزان الطين والنباتات.
كلما ظل الغطاء النباتي منخفضًا تحت سطح الأرض ، ارتفعت درجات الحرارة والضغوط التي يواجهونها. عمل الطين والمياه الحامضة كطبقة واقية لبقايا النبات من ملامسة الأكسجين ، مما يسمح بعملية تحلل بطيئة للغاية تحافظ على الكربون النباتي (مصدر طاقة).
تسمى مناطق الغطاء النباتي المدفون “مستنقعات الخث”. يحتوي خث الوقود على كميات هائلة من الكربون على عمق عدة أمتار تحت سطح الأرض ، ويمكن حرقه كوقود ، وهو مصدر رئيسي لطاقة التدفئة في اسكتلندا وروسيا وأيرلندا.
في الظروف المناسبة ، يمكن تحويل الخث إلى فحم حجري من خلال عملية الكربنة. تتم عملية التفحم تحت حرارة وضغط شديدين. في المتوسط ، يتم ضغط طبقة تتكون من 3 أمتار من بقايا النبات إلى طبقة ثالثة ، أي طبقة تتكون من متر من الفحم.
تم العثور على الفحم في مجموعات تسمى طبقات الفحم. قد يصل سمك تشكيلات الفحم الحجري إلى 30 مترًا ، وقد تمتد لأكثر من 1500 كيلومتر. يوجد الفحم في جميع القارات ، ويوجد أكبر احتياطي للفحم في الولايات المتحدة الأمريكية ، وروسيا ، والصين ، وأستراليا ، والهند.
أنواع الفحم الحجري
يختلف الَفحم الحجري عن الأحجار المعدنية التي تتكون من مواد غير عضوية، إذ يتكون الفَحم الحجري من مواد نباتية لينة، ويخضع لتغيرات عديدة حتى يصبح بالهيئة المعروفة، السوداء واللماعة والمستعملة كوقود.
يخضع الَفحم الحجري لمراحل عديدة من عملية التفحيم، على مدى ملايين السنين، لذلك يمكن أن نجده في مراحل مختلفة من تكونه، في أماكن مختلفة في العالم
لا يُعتبَر خث الوقود حقًا فحمًا حجريًا، لكن بإمكانه أن يتحول إلى فحم حجري في ظروف ملائمة. الخث هو تراكم من النباتات التي تحللت جزئيًا والتي خضعت للقليل من عملية الكربنة.
ولكن الخث يُعتبَر من عائلة الفحم الحجري لاحتوائه على طاقة النباتات التي كونته. كما يحتوي الخث على كمية كبيرة من المواد القابلة للتبخر، مثل غاز الميثان والزئبق، والتي تنطوي على مخاطر على البيئة عند احتراقها.
يحتفظ الخث برطوبة كافية ليكون إسفنجيًا، وبإمكانه امتصاص الماء والتمدد ليُكوِن مزيدًا من الخث، ما يحد من خطورة الفيضانات في الطبيعة. يستطيع الفلاحون استعمال الخث كوسيلة لتحصيل الماء في التربة، ثم تركه من أجل تغذية المحاصيل بالماء والمغذيات ببطء. يستَعمل الخث كمصدر للطاقة في بلدان عديدة مثل أيرلندا، وأسكوتلندا، وفنلندا فيُجفَف منه الماء، ثم يُحرَق كمصدر للحرارة.
فحم ليغنيت: أدنى أنواع الفحم الحجري من حيث الكربنة
يُصنَف فحم ليغنيت بأدنى درجات أنواع الفحم الحجري. تتجاوز درجة عملية الكربنة لديه درجة الكربنة لدى الخث، لكنه يحتوي على كمية قليلة من الطاقة، إذ يُشكل الكربون 25٪ من محتوى فحم ليغنيت. يبلغ عمر هذا النوع من الفحم نحو 250 مليون سنة.
يتميز فحم ليغنيت بكونه حجرًا بنيًا متفتتًا ويسمى بالفحم البني. يمكن للفحم البني أن يحافظ على الرطوبة أكثر من أي نوع آخر من الفحم، ما يجعل عملية التنقيب عنه مكلفة وخطيرة بالإضافة إلى صعوبة تخزينه ونقله. قد يحترق بطريقة عرضية فيطلق غازات غنية بالكربون. عادة ما يستعمل الفحم البني في أماكن قريبة جدًا من أمكنة التنقيب عنه.
يُستعمل فحم ليغنيت بهدف توليد الكهرباء عند احتراقه. يساهم هذا الفحم بتوليد نحو 25٪ – 50٪ من الكهرباء المولدة عن طريق الفحم في اليونان وألمانيا.
الفحم تحت البتيوميني
يبلغ عمر الفحم تحت البتيوميني نحو 100 مليون سنة. يحتوي هذا النوع من الفحم على كميات أكبر من الكربون مقارنة بفحم الليغنيت، إذ يشكل الكربون بين 35٪ و45٪ من مكوناته. ويمكن اعتبار الفحم تحت البتيوميني فحمًا بنيًا أيضًا. ويستعمل عادة كوقود لتوليد الكهرباء.
الفحم البتيوميني
يتكون الفحم البتيوميني تحت ضغط أشد وفي درجات حرارة أكثر ارتفاعًا ويبلغ من العمر بين 100 مليون سنة و300 مليون سنة. يعود أصل تسميته إلى كلمة “bitumen” أي المادة اللزجة شبيهة الزفت الموجودة في المواد البترولية. يحتوي الفحم الحجري البتيوميني على 45%- 86٪ من الكربون مما يجعله من أنواع الفحم المتوسطة.
الفحم هو حجر مترسب، ويحتوي الفحم البتيوميني بشكل خاص على أشرطة أو خطوط بدرجة لزوجة مختلفة تشير إلى طبقات النباتات التي ضُغِطَت لتُكون هذا الفحم. يمثل استهلاك الفحم البتيوميني نصف مجموع استهلاك الفحم في الولايات المتحدة الأمريكية.
فحم الإنتراسيت: أفضل أنواع الفحم الحجري المتاحة
يعتبر فحم أنثراسايت أفضل وأعلى درجة من الفحم. يتكون من 97٪ من الكربون ، لذا فهو الأكثر احتواءً على الطاقة مقارنةً بأنواع الفحم الأخرى. كما أن أنثراسايت أكثر لمعانًا وأكثر صلابة وكثافة من أنواع الفحم الأخرى. تم تجفيف الأنثراسيت من الماء وثاني أكسيد الكربون أثناء تكوينه ، ولا يحتوي على الأجزاء اللينة أو الليفية التي نجدها في الفحم الحجري والفحم اللجنايت.
عملية أنثراسايت نظيفة ولا ينبعث منها الكثير من السخام ، مما يجعلها واحدة من أفضل أنواع الفحم وأكثرها تكلفة. غالبًا ما يستخدم الأنثراسايت في الأفران والمواقد وفي أنظمة تنقية المياه نظرًا لاحتوائه على مسام أدق من الرمل ، مما يضمن حصولنا على مياه أكثر أمانًا للشرب والتنظيف.
الغرافيت
الغرافيت هو متآصل كربوني، أي أنه يتكون من ذرات الكربون فقط، وهو يُعتبَر آخر مراحل عملية الكربنة. يُعد الغرافيت ناقلًا جيدًا للكهرباء، ويستعمل بكثرة في بطاريات الليثيوم، ويمكنه مقاومة درجات حرارة مرتفعة للغاية، تصل إلى 3000 درجة مئوية.
يُستخدَم الغرافيت في منتجات كالأبواب المضادة للحرائق، وأجزاء الصواريخ، كمقدمات الصواريخ. والاستعمال الأكثر شيوعًا للغرافيت هو استخدامه في أقلام الرصاص. تُعتبَر الصين والهند والبرازيل الدول الأكثر إنتاجًا للغرافيت.
التنقيب عن الفحم الحجري
يمكن استخراج الفَحم الحجري من الأرض عن طريق التنقيب السطحي أو التنقيب العميق. ما إن يُستخرَج يمكن استعمال الفحم مباشرة للتدفئة أو لتوليد الكهرباء أو كوقود.
التنقيب السطحي عن الفحم الحجري
يمكن استخراج الفحم عن طريق التنقيب السطحي، إذا ما كان الفحم الحجري على عمق أقل من 61 مترًا تحت سطح الأرض. خلال عملية التنقيب السطحي يزيل العاملون ببساطة الطبقات الترسبية التي تغطي الفحم بالإضافة إلى النباتات والصخور.
يعتبر التنقيب السطحي أقل تكلفة اقتصاديًا. يمكن للعامل في التنقيب السطحي استخراج كمية أكبر من الفحم المستخرَج عن طريق التنقيب العميق تصل إلى ضعفين ونصف في الساعة.
إن التأثيرات البيئية الناتجة عن التنقيب السطحي عن الفحم كبيرة، إذ تُنتزَع المناظر الطبيعية -حرفيًا- وتُدمَر المواطن الطبيعية للحيوانات والأنظمة الطبيعية. قد يتسبب التنقيب السطحي أيضًا في الانزلاقات الأرضية، ويسبب انبعاثاتٍ سامة في الهواء والموائد المائية.
التنقيب العميق عن الفحم الحجري
تقبع معظم احتياطات الفحم الحجري في العالم عميقًا تحت سطح الأرض. يمثل التنقيب العميق عملية استخراج الفحم الحجري من عمق يفوق الـ300 متر أحيانًا. ينزل المنقبون عن الفحم تحت سطح الأرض باستخدام المصعد الآلي، ثم يستعملون آلات ضخمة لاستخراج الفحم ثم نقله فوق سطح الأرض.
يمكن أن نتخيل أن التنقيب العميق لا يضر البيئة بقدر ما يفعل التنقيب السطحي لكنه في الحقيقة يترك عواقب خطيرة. هذه العواقب هي غالبًا ترسبات سامة تنتج عن عملية فصل الفحم عن المكونات الأخرى التي لا نحتاجها. قد تترسب هذه المواد السامة إلى الموائد المائية وتسممها.
تكمن أخطار التنقيب العميق بالنسبة لعمال المناجم في الانفجارات القوية ومخلفاتها، ما يسبب الاختناق من نقص الأوكسجين واستنشاق غازات سامة.
لحماية عمال المناجم يجب شفط غازات الميثان باستمرار. في 2009 مثلت انبعاثات الميثان الناجمة عن تهوئة المناجم العميقة 10٪ من إجمالي انبعاثات الميثان في الولايات المتحدة الأمريكية، كما تسبب المناجم السطحية 2٪ من إجمالي هذه الانبعاثات.
استعمالات الفحم الحجري
استعمل البشر أنواع الَفحم الحجري المختلفة لآلاف السنين للتدفئة وطبخ الطعام، واستخدم الرومان الفحم لتسخين الحمامات العامة، واستخدم الأزتك الفحم في مجال الزخرفة.
كان الفحم الحجري وقود الثورة الصناعية، فقد كان أقل تكلفة من فحم الحطب، وكان أكثر إنتاجًا للطاقة عند احتراقه، زود الفحم الحجري بالبخار والطاقة اللازمة للإنتاج الكبير، وتوليد الكهرباء، وإنتاج وقود السفن والقطارات الناقلة للسلع.
تركزت أغلب مناجم الفحم خلال فترة الثورة الصناعية في شمال إنجلترا إذ شكلت كمية الفحم المستخرجة هناك 80٪ من إجمالي استخراج الفحم في القرن الثامن عشر.
يستخدم البشر حتى اللحظة الراهنة الفحم الحجري بطريقة مباشرة (التدفئة)، وغير مباشرة أيضًا (توليد الكهرباء)، وهو يُعتبَر ضروريًا لصنع الفولاذ.
الفحم الحجري كوقود
يستعمل الفحم الحجري في كل مكان كوسيلة للتدفئة، فهو يمثل الخيار الأمثل لبلدان نامية عديدة. ارتفع الاستهلاك العالمي للفحم بأكثر من 30٪ مقارنة بـِ2011.
يحرق الناس الفَحم الحجري لتدفئة منازلهم أو في أفران صناعية كبيرة. ينتج الفَحم الحجري عند احتراقه حرارة توفر الراحة والاستقرار. كما يمكن استعمال الفحم الحجري لتسخين المياه.
توليد الكهرباء
محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم هي الطريقة الأكثر موثوقية لتوليد وتوزيع الكهرباء. تعتمد هذه الطريقة على حرق الفحم لتسخين الماء حتى الغليان. عندما يغلي الماء ، فإنه يطلق بخار الماء كقوة دافعة تحرك المحرك وتنشط مولدًا لإنتاج الكهرباء.
الحدادة
يلعب الفحم دورًا رئيسيًا في صناعة الفولاذ حيث يتم تسخين الحديد لفصله عن المكونات الأخرى. كان الفحم يستخدم سابقًا لتسخين الحديد ، ولكن عندما يحترق فإنه يطلق شوائب (مثل الكبريت) مما يجعل الفولاذ الناتج عن هذه العملية ضعيفًا.
خلال القرن التاسع ، وجد العلماء طريقة لإزالة الشوائب من الفحم عند حرقه. يوضع الفحم في فرن لمدة 12-36 ساعة عند درجة حرارة 1000-1100 درجة مئوية ، مما يسمح بإزالة الشوائب مثل غاز الفحم وأول أكسيد الكربون والميثان والزيوت والأسفلت. الفحم الناتج عن هذه العملية غني بالكربون ولا يحتوي إلا على كمية صغيرة من الشوائب.
يتم حرق الفحم من العملية السابقة عن طريق تسخين فرن لدرجة حرارة 1200 درجة مئوية. يحتوي الفرن على الحديد الخام والهواء الذي ينتج الفولاذ. يوفر الفحم المستخدم خصائص حرارية وكيميائية تمنح الفولاذ القوة والمرونة اللازمة لبناء الجسور وناطحات السحاب والطائرات والسيارات.
يتم استخدام الغازات الناتجة عن احتراق الفحم في العملية السابقة كمصدر للطاقة للإضاءة والتدفئة. يمكن استخدام الفحم لإنتاج خليط غازي من الأكسجين وأول أكسيد الكربون ، ويستخدم هذا الخليط كوقود للسيارات ، تمامًا مثل البترول والديزل. يمكن أيضًا استخدام الغازات المنبعثة من الفحم عند الاحتراق في صنع مواد أخرى مثل الأسفلت والبلاستيك والأسمدة.
علاقة الفحم الحجري والانبعاثات الغازية
ينتج عن عملية احتراق الفحم الحجري غازات وجزيئات ضارة بالبيئة. يُعتبَر ثنائي أكسيد الكربون الغاز الناتج الرئيسي في هذه العملية. يمثل ثنائي أكسيد الكربون جزءًا أساسيًا من الغلاف الجوي للأرض فهو يمتص الحرارة ويساعد على الحفاظ على درجات حرارة معتدلة على الأرض. عادة ينتقل الكربون وثنائي أكسيد الكربون باستمرار بين الأرض والمحيطات والغلاف الجوي والكائنات الحية والمتحللة، ويمكن للكربون أن يُخزَن تحت سطح الأرض ما يساهم في توازن دورة الكربون.
لكن تنتج انبعثات كثيرة من الكربون عند استخراج الفحم وحرقه، ويستقر في الغلاف الجوي ويؤثر بشكل سلبي على المناخ ودرجات الحرارة والأنظمة البيئية.
انبعاثات سامة أخرى
تطلق عملية احتراق الفحم غازات أخرى مثل ثنائي أكسيد الكبريت، وأكسيدات النيتروجين، ما يسبب أمطارًا حمضية، وأمراض الجهاز التنفسي. وتطلق عملية احتراق الفحم الحجري الزئبق، الذي لا يشكل عنصر تهديد في الغلاف الجوي، ولكنه يصبح خطرًا إذا تحول إلى ميثيل الزئبق السام والذي يتراكم في الأسماك والكائنات المستهلكة لها مثل البشر.
رماد الفحم المتطاير
يحتوي الرماد المتطاير والرماد المترسب الناتجان عن عملية احتراق الفحم على جزيئات قد تكون سامة، مثل ثنائي أكسيد السيليكون وأكسيد الكالسيوم والزرنيخ والكادميوم.
تفرض الولايات المتحدة الأمريكية على المنشآت التي تستعمل الفحم الحجري تركيب أجهزة لتنظيف الرماد. عادة ما يخزن الرماد في مقالب القمامة أو محطات التوليد لكنه قد يتسرب إلى الموائد المائية، لذلك استعمل الصناعيون هذا الرماد في صناعة الإسمنت كمحاولة للتقليل من مخاطر رماد الفحم الحجري.
حرائق الفحم الحجري
في ظروف ملائمة من الحرارة والتهوئة والضغط يمكن لشقوق الفحم الحجري أن تشتعل تلقائيًا وأن تحترق تحت الأرض. يمكن للصواعق وحرائق الغابات أن تشعل أجزاء مكشوفة من الفحم، ثم تنتقل الشرارة إلى حقل الفحم بالكامل.
تطلق حرائق الفحم الحجري أطنانًا من الغازات الكربونية في الغلاف الجوي. حتى إذا أُخمدَت الحرائق فوق سطح الأرض قد يواصل الفحم الاحتراق لسنوات دون علمنا، ثم يسبب حرائق غابية مجددًا.
مزايا الفحم الحجري
يعتبر الفحم جزءًا رئيسيًا من ميزانية الطاقة العالمية لأنه غير مكلف نسبيًا ويمكن العثور عليه في جميع أنحاء العالم. على عكس العديد من الطاقات المتجددة (الرياح والطاقة الشمسية) ، لا يعتمد الفحم على الطقس والمناخ ، لذلك يمكن إنتاجه على مدار الساعة.
نستخدم أنواعًا مختلفة من الفحم ونعتمد على العديد من منتجاتها مثل التدفئة والكهرباء. كما تعتمد عليها صناعة الصلب المستخدمة في الجسور والمباني الأخرى. يمكن استخدام المواد الناتجة عن احتراق الفحم في صناعة وقود المحركات.
يوفر تعدين الفحم الاستقرار الاقتصادي لملايين الأشخاص في العالم. تعتمد صناعة الفحم على العديد من التخصصات ، مثل الجيولوجيين والمهندسين وعمال المناجم والكيميائيين والجغرافيين والمديرين. تعتمد جميع البلدان المتقدمة والنامية على صناعة الفحم.
مساوئ الفحم الحجري
لا يعتبر الفَحم الحجري مصدرا متجددًا للطاقة، فقد استغرق ملايين السنين ليتكون، وكميته متناهية. يمثل الفحم الحجري مصدرًا فعالًا للطاقة الآن، إلا أنه سينتهي في المستقبل.
تعتبر مهنة التنقيب عن الفحم الحجري من أخطر المهن في العالم، فعمال المناجم يعانون عادة من أمراض الجهاز التنفسي، ويموت آلاف العمال سنويًا في انفجارات المناجم والانهيارات وحوادث أخرى.
عندما يحرق الفحم الحجري يطلق سمومًا وغازات سامة مثل ثنائي أكسيد الكربون الذي يؤثر فورًا على نوعية الهواء، ويساهم في عملية الاحتباس الحراري.
يسبب التنقيب السطحي عن الفحم الحجري تغييرات كبيرة في المناظر الطبيعية، إذ تُدمَر جبال بأكملها أحيانًا، بالإضافة إلى تدمير الأنظمة البيئية، ما يزيد خطر حدوث الانجرافات والفيضانات.
يؤثر التنقيب عن الفحم الحجري سلبًا على الإمدادات المائية، مثل اعتراض مسارات التيارات المائية، كما أن السموم التي يطلقها الفحم عند احتراقه قد تتسرب إلى الموائد المائية والتيارات. يبقى الفحم الحجري أحد أكثر مصادر الطاقة إثارة للجدل ففوائده الاقتصادية والاجتماعية عديدة، لكنه يهدد البيئة ويدمرها.
