زغال سنگ و گرافیت

زغال سنگ و کاربردهای آن در صنایع مختلف

زغال سنگ نوعی سوخت فسیلی است که معمولا به رنگ سیاه و قهوه ای می باشد. به دلیل وجود ترکیب غنی از کربن، قابلیت احتراق بالایی دارد. این کانی یکی از پرکاربردترین متریال ها در مصارف صنعتی و نیمه صنعتی مانند صنعت فولاد و سیمان است و بیشتر انرژی های در سطح جهانی را تولید می کند، به طوریکه حدود 40 درصد تولید برق دنیا توسط این سوخت تامین می شود. قیمت زغال سنگ معمولا تحت تاثیر صنایع مختلف ذکر شده است. زغال سنگ در دسته سوخت های تجدید ناپذیر گنجانده شده است، و حاوی انرژی زیادی است که از زندگی گیاهان و حیوانات در صدها میلیون سال پیش نشات می گیرد. بقایای موجودات و گیاهان در طی سال های متمادی و به تدریج، بر اثر فشار و حرارت زیاد، دچار تغییرات فیزیکی و شیمایی شده و در نهایت تبدیل به زغال سنگ می شوند.

آمریکا به همراه روسیه، السترالیا و چین دارای ذخایر بالایی از این کانی هستند. بیش از 1 تریلیون تن ذخایر زغال سنگ در سراسر جهان موجود است. معدن آنتلوپ روشل شمالی در وایومینگ ایالات متحده آمریکا بزرگترین معدن زغال سنگ محسوب می شود. فعالیت این معدن عمدتاً بر استخراج و تولید زغال‌سنگ ساب‌بیتومینوس متمرکز است. بنابراین برخی از کشورها خرید زغال سنگ از مبدا آمریکا را در دستور کار خود قرار می دهند.

نحوه تشکیل زغال سنگ

همانطور که قبلا اشاره شد زغال سنگ از بقایای موجودات و گیاهان در میلیبون ها سال گذشته ایجاد می شود. و طبق بررسی های صورت گرفته دانشمندان، مراحل تشکیل آن در دو مرحله تصفیه و زهکشی است. به تدریج و با گذشت زمان، گیاهانی مانند خزه و جلبک درون باتلاق و گل دفن می شدند و تحت تغییر شرایط دمایی و فشار تغییر حالت می دادند. در این حالت تماسی بین اکسیژن و گیاهان دفن شده وجود ندارد، بنابراین می توانند کربن خود را حفظ کنند. که در ابتدا به زغال سنگ نارس تبدیل می شود و پس از آن تشکیل زغال سنگ با فرآیند کربونیزاسیون تکمیل می شود. این فرآیند تحت فشار و دمای بالا صورت می گیرد.

ترتیب و توالی تشکیل زغال سنگ

1- پیت

این استحاله در اولین مرحله تجزیه بقایای گیاهان و جانوران صورت می گیرد. توده گیاهان مرده که آن را نمی توان زغال قلمداد کرد.

2- لیگنت

دارای خلوص پایینی بوده و به رنگ قهوه ای می باشد. برای تولید انرژی استفاده می شود، اما بیشترین آسیب را به محیط زیست وارد می کند.

3- زغال شبه-بیتومینه

میزان خلوص این زغال بین لیگنت و زغال بیتومینه است و از آن برای تولید برق نیز استفاده می شود.

4- زغال سنگ بیتومینه

این زغال سنگ نسبتا چگال تر بوده و از آن نیز برای تولید برق استفاده می شود.

5- بیتومینوس

این نوع حاوی 45 تا 86 درصد کربن است و در ایالات متحده آمریکا به وفور یافت می شود. به عنوان ماده اولیه صنعت فولاد استفاده می کنند. بنابراین خرید زغال سنگ بیتومینوس بیشتر توسط کارخانه های فولاد صورت می گیرد.

6- ساب‌بیتومینوس

این نوع حاوی 35 تا 45 درصد کربن است و در صنعت سیمان پرکاربرد است.

7-  آنتراسیت

در بین تمامی حالت های ذکر شده، این حالت بالاترین درجه خلوص را دارد، چون بیشترین میزان کربن و کمترین مقدار آب و مواد فرار را دارد، و به رنگ سیاه می باشد. استفاده از این نوع کانی در تصفیه آب نیز کاربرد فراوانی دارد.

معیار کیفی ذغال سنگ

معیار کیفی و رتبه بندی زغال سنگ معمولا با درصد کربن سنجیده می شود، و روی قیمت زغال سنگ تاثیر می گذارد. این معیار تحت تاثیر پارامترهای زیر است؛

1- نوع گیاهی که زغال سنگ از آن شکل می گیرد

2- عمق دفن گیاه و یا موجودات

3- -دما، فشار و زمان

فواید و کاربرد زغال سنگ

با همه اثرات منفی زغال سنگ روی طبیعت و زندگی انسان، تقریبا در تمامی نقاط کره زمین قبل از شروع انقلاب صنعتی از ترکیبات زغال سنگ برای تولید برق استفاده می کنند. با توجه به دسترسی راحت به این کانی، حتی به راحتی می توان خرید اینترنتی زغال سنگ حرارتی را در دستور کار قرار داد. در ادامه به بررسی کاربرد این کانی و خرید زغال سنگ از جانب خریداران خواهیم پرداخت.

1- تولید برق

زغال سنگ یک منبع مهم و اقتصادی برای تامین انرژی می باشد.  اساس کار تولید برق به اینگونه است که زغال سنگ پودر شده در دمای بالا سوزانده می شود و در این فرآیند آب را به حالت بخار تبدیل می‌کند. و این بخار توربین ها را در سرعت‌های بالا می چرخاند و باعث می شود برق تولید شود.

2- صنعت فولاد

استفاده از کک در صنعت فولاد بسیار رایج است و یک پارامتر کلیدی در این صنعت به حساب می آید. گرمای زیاد ناشی از سوزاندن زغال سنگ برای ذوب آهن و فولاد در صنعت متالورژی استفاده می‌شود.

3- صنایع مختلف

صنایع مختلفی از زغال سنگ استفاده می کنند که عبارتند از: صنعت سیمان، تولید کاغذ، پلاستیک، مواد شیمیایی و ... بنابراین می توان نتیجه گرفت که اکثر صنایع تولید به این کانی متکی هستند. بنابراین همه این صنایع روی قیمت زغال سنگ تاثیر مستقیم می گذارند.

علی‌رغم کاربرد و فوآید بیشمار زغال سنگ، بایستی تاثیر منفی این ماده در آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانه‌ای را در نظر گرفت. به همین خاطر همواره به دنبال یافتن جایگزین برای آن هستند.

تاثیر زغال سنگ روی محیط زیست و سلامتی انسان

استفاده از این کانی به عنوان یک منبع انرژی تجدید ناپذیر همواره تاثیرات منفی روی سلامت انسان و مسائل زیست محیطی دارد. دلیل این موضوع این است که استخراج زغال سنگ با تولید عناصر مضر و فلزات سنگین نظیر اکسیدهای نیتروژن و گوگرد همراه است. بیماری هایی نظیر آسم، سرطان ریه، سکته مغزی  و مشکلات مربوط به قلب و عروق از پیامد های استفاده از زغال سنگ می باشد. استفاده طولانی مدت از آن و خرید زغال سنگ از جانب صنایع مختلف باعث گرمایش جهانی می شود، به همین خاطر از سال 2008 تصمیم بر این شده است که مصرف آن کنترل شده باشد. از طرف دیگر برای سوزاندن زغال سنگ در نیروگاه ها، به مقدار زیادی آب نیاز هست، که می تواند مقدار آب مناطق مختلف را تحت تاثیر قرار دهد.

انواع زغال سنگ از لحاظ کاربردی

ذغال سنگ براساس استفاده آن به چهار نوع اصلی تقسیم می‌شود: آنتراسیت، قیری، زیرقیری. که در ادامه به بررسی هر کدام از آنها خواهیم پرداخت.

آنتراسیت

این کانی بیشترین ارزش حرارتی را داراست، بنابراین قیمت زغال سنگ آلتراسیت از همه انواع آن بالا می باشد. تمامی معادن این نوع کانی در اختیار ایالات متحده آمریکا در منطقه شمال شرقی پنسیلوانیا است.

زغال سنگ قیری

این زغال سنگ حاوی 45 تا 86 درصد کربن می باشد. و پس از آنتراسیت از لحاظ کیفی در رتبه دوم قرار دارد ولی فراوانی این کانی در مقایسه با آنتراسیت بیشتر است. عمدتا در تولید برق و نیروی بخار مورد استفاده قرار می گیرد.

ذغال سنگ زیر قیری

حاوی 35٪ تا 45٪ کربن می باشد و ارزش کمتری در مقایسه با ذغال سنگ قیر دارد. زغال سنگ زیر قیری از لحاظ کیفی بین زغال سنگ زغال سنگ قهوه ای و زغال سنگ قیری قرار دارد.

قدمت زغال سنگ زیر قیری در مقایسه با آنتراسیت و زغال سنگ قیری بسیار کم است؛ درنتیجه از لحاظ کیفی ضعیف تر از آنها می باشد. این ماده به عنوان سوخت برای تولید برق استفاده می‌شود.

زغال سنگ قهوه ای

این زغال سنگ دارای 25 تا 35 درصد کربن است و کمترین میزان انرژی گرمایی و عیار را در بین تمام گونه های زغال سنگ دارد. به سطح زمین نزدیک تر هستند و دسترسی به آنها در مقایسه با انواع دیگر راحت است. این زغال سنگ تحت فشار و گرمای بالا بعد از گذشت چندین سال به زغال سنگ های با کیفیت بالا و در نهایت به آنتراسیت تبدیل می شود. زغال سنگ قهوه ای در سال 2021، 8 درصد از کل تولید ذغال سنگ ایالات متحده را شامل می شد.

روش‌های استخراج زغال سنگ از معادن

معمولا بسیاری از بسترهای ذخایر زغال سنگ نزدیک سطح زمین و یا در اعماق نزدیک زمین هستند، این عامل باعث می شود تا این معادن به راحتی قابل دستیابی باشد. روش های استخراج براساس دو نوع است که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت؛

استخراج سطحی زغال سنگ

وقتی زغال سنگ در عمق کمتر از 200 فوت زیر زمین باشد، به روش سطحی عمل استخراج صورت می گیرد. ماشین های بزرگ صنعتی خاک و سنگ های سطحی را لایروبی می کنند، و پس از آن به بستر زغال سنگ می رسند. در انتخاب روش استخراج، هزینه های اقتصادی نیز بایستی در نظر گرفته شود. لازم به ذکر است که هزینه تولید روی قیمت زغال سنگ نیز تاثیر خواهد گذاشت. با توجه به هزینه نسبتا پایین استخراج سطحی، حدود 70 درصد زغال سنگ به این صورت استخراج می شود.

استخراج زیر سطحی زغال سنگ

در عمق بیش از 200 فوت این نوع از استخراج صورت می گیرد. دارای شبکه پیوسته ای از تونل و چاه های عمودی است که توسط ریل ها متریال استخراج شده به بیرون منتقل می شود. از ماشین آلات و تجهیزات بزرگ در این روش استفاده می شود.

پس از استخراج فرآیند های خاصی روی زغال سنگ خام صورت می گیرد تا سنگ ها، خاکستر، گوگورد و سایر ناخالصی ها از آن جدا شود. این عمل باعث افزایش راندمان زغال سنگ می شود.

قیمت زغال سنگ

قیمت زغال سنگ در هر کشوری همواره تحت تاثیر قیمت فولاد و صنعت تولید آن است. با توجه به حساسیت بالای صنعت فولاد و نقش استراتژیک آن، قیمت روز زغال سنگ همواره تحت کنترل باقی می ماند. در ایران نیز منابع غنی از زغال سنگ در اطراف استان البرز وجود دارد. عواملی که در قیمت روز زغال سنگ تاثیر گذارند عبارتند از؛ نوع، درجه خلوص، وزن و سختی زغال سنگ. درصد کربن بالا، باعث مرغوبیت زغال سنگ شده و در نتیجه قیمت هر کیلو زغال سنگ را تحت تاثیر قرار می دهد.

زغال سنگ در ایران

ایران همانطور که پیش تر اعلام شد از میزان زغال سنگ قابل توجهی به خصوص در استان البرز برخوردار است. و همواره بازار صادرات آن نیز فعال بوده است. به دلیل روابط تجاری خوب ایران و ترکیه، همواره صادرات زغال سنگ به ترکیه در دستور کار دو کشور قرار دارد و همواره از رونق خوبی برخوردار است.