بشكل عام يولد الفحم حوالي 40٪ من كهرباء العالم وحوالي 25٪ من الطاقة الأولية في العالم، ومع ذلك ليس كل الفحم المستخدم يكون هو نفسه، حيث يأتي الفحم في مستويات مختلفة من الكربون والتي بدوها تحدد نوعية الفحم، ويعتمد الترتيب على أنواع وكميات الكربون التي يحتويها الفحم على كمية الطاقة الحرارية التي يمكن أن ينتجها الفحم.
ما هو الفحم الحجري؟
هو عبارة عن صخور رسوبية قابلة للاحتراق، وهو أيضاً أحد المصادر الرئيسية لإنتاج الطاقة في جميع أنحاء العالم، حيث يتم توليد طاقة الفحم عندما يتم حرق الوقود الأحفوري لتوليد الحرارة وإنتاج البخار، ويعمل البخار على تدوير مولدات التوربينات التي تنتج الكهرباء، وإلى جانب المحرك البخاري ساعدت طاقة الفحم في تحفيز الثورة الصناعية واستدامتها، حيث كان الفحم يمثل حوالي 40 بالمائة من إنتاج الطاقة في بعض دول العالم مثل: الولايات المتحدة.
أصل الفحم الحجري
نشأ الفحم من بقايا بعض النباتات التي تم ضغطها وتصلبها وتحويلها بالحرارة والضغط والتفاعلات الكيميائية على مدار الزمن الجيولوجي، حيث أنه كان يتشكل في النظم البيئية للمستنقعات في الأحواض الرسوبية المنخفضة مثل مستنقعات الخث، وغالباً ما يطلق على أماكن تكوين الفحم هذه “غابات الفحم”.
وعندما تموت النباتات في مستنقعات الخث هذه تترسب كتلتها الحيوية في البيئات المائية اللاهوائية، حيث تمنع مستويات كمية الأكسجين المنخفضة تحللها الكامل بواسطة البكتيريا والأكسدة، ومن أجل الحفاظ على بعض كتل المواد العضوية غير المتحللة وتشكيل فحم ذي قيمة اقتصادية يجب أن تظل البيئة ثابتة لفترات طويلة من الزمن، ويجب أن تظل المياه التي تغذي مستنقعات الخث خالية من الرواسب، وهذا يتطلب الحد الأدنى من التعرية في مرتفعات الأنهار التي تغذي مستنقعات الفحم والحبس الفعال للرواسب.
أنواع الفحم الحجري
عادةً يشكل الكربون أكثر من حوالي 50 في المائة من حيث الوزن وأكثر من 70 في المائة من حيث حجم الفحم، وتختلف هذه الأرقام بناءً على نوع أو رتبة الفحم، حيث تحتوي أنواع الفحم ذات التصنيف الأعلى تدريجياً على كمية أكبر من الكربون – وأقل من الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين، وبناءً على ذلك يصنف الفحم إلى الأنواع التالية مدرجة بترتيب تصاعدي:
- اللجنايت: الذي يشار إليه أيضاً بالفحم البني، وهو أدنى مرتبة من الفحم ويحتوي على نسبة عالية من الرطوبة ومحتوى الرماد، وقد يتم استخدامه بشكل حصري تقريباً كوقود لتوليد الطاقة البخارية والكهربائية، ويعد النفاث (فحم اللهب الطويل) هو شكل مضغوط من الليغنيت الذي يكون مصقولًا في بعض الأحيان، وكان يستخدم كحجر للزينة منذ العصر الحديدي.
- الفحم الحجري شبه القاري: تتراوح خصائص هذا الفحم بين خصائص الفحم الحجري وخصائص الفحم القاري، وهو يستخدم بشكل أساسي كوقود لتوليد الطاقة البخارية والكهربائية.
- الفحم البيتوميني: هو عبارة عن فحم كثيف، وعادةً ما يكون أسود اللون وأحياناً بني غامق، وغالباً ما يكون هذا الفحم متواجد مع نطاقات محددة جيداً من مادة مشرقة وباهتة، وهو يحتوي على مادة قد تشبه القطران تسمى البيتومين، ويتم استخدامه بشكل أساسي كوقود في توليد الطاقة البخارية والكهربائية مع كميات كبيرة تستخدم أيضاً لتطبيقات الحرارة والطاقة في التصنيع وصنع فحم الكوك.
- أنثراسايت: وهذا هو أعلى تصنيف للفحم، حيث أنه يحتوي على الكربون بنسبة حوالي 92 إلى 98٪، وقد يتم استخدامه بشكل أساسي لتدفئة المساحات السكنية والتجارية.
مكونات أنواع الفحم الحجري:
يحتوي الليجنايت وغيره من أنواع الفحم المنخفض الجودة على كمية كبيرة من الماء ومكونات أخرى، وبسبب أن هذه الأنواع من الفحم كثيرة الرطوبة فإنها تكون بشكل عرضي، لهذا يتم محاصرة جزيئات الفحم، وبالإضافة إلى ذلك يحتوي الفحم منخفض المستوى على مستويات عالية من الكربوهيدرات مثل السليلوز، حيث ترتبط ذرات الهيدروجين والأكسجين بذرات الكربون؛ وذلك لأن الفحم عادةً يتم تحويله من مادة كربوهيدراتية إلى كربون من خلال عملية إضافية، لذلك يعتمد محتوى الكربون في الفحم بشكل كبير على درجة حفظ مكون السليلوز هذا في الفحم.
كما تشتمل المكونات الأخرى للفحم على بعض المواد المعدنية، وعادةً ما تكون من معادن السيليكات مثل: الطين والإيلايت والكاولينيت، بالإضافة إلى معادن الكربونات مثل السيدريت والكالسيت والأراجونيت، وتعد معادن كبريتيد الحديد مثل: البيريت من المكونات الشائعة للفحم.
وأيضاً إن غاز الميثان هو مكون آخر من مكونات الفحم، ولكن يعتبر الميثان الموجود في الفحم خطيراً، حيث يمكن أن يتسبب في انفجار طبقات الفحم – خاصة في المناجم تحت الأرض، وقد يتسبب في احتراق الفحم تلقائياً، ومع ذلك يمكن أن يشمل التعدين الدقيق عملية استخراج الميثان وهو وقود قيم.
