ما هو الفحم؟

يمكن أن يكون إنتاج الكهرباء من الفحم ضارًا بالبيئة

الفحم المعدني

صورة Brian Patrick Tagalog على Unsplash

الفحم هو وقود أحفوري يُستخرج من الأرض من خلال التعدين. أصله من تحلل المواد العضوية (بقايا الأشجار والنباتات) التي تراكمت تحت طبقة من الماء منذ ملايين السنين. يؤدي دفن هذه المادة العضوية عن طريق الطين والرواسب الرملية إلى زيادة الضغط ودرجة الحرارة مما يساهم في تركيز ذرات الكربون وطرد ذرات الأكسجين والهيدروجين (الكربنة).

يتم تقسيم الفحم حسب القيمة الحرارية ونسبة حدوث الشوائب ، حيث يعتبر منخفض الجودة (الليغنيت وشبه القار) والجودة العالية (البيتومين أو الفحم والأنثراسايت). وفقًا للمسح الجيولوجي للبرازيل ، يمكن تقسيم الفحم وفقًا لجودته ، والتي تعتمد على عوامل مثل طبيعة المادة العضوية التي تشكلت ، والمناخ والتطور الجيولوجي للمنطقة.

الخث

يتم استخراج الخث قبل تجفيف المنطقة ، مما يقلل من رطوبتها. غالبًا ما يتم ترسيبها في العراء لتفقد المزيد من الرطوبة.

الاستخدامات: يتم تقطيعها إلى كتل واستخدامها كوقود في الأفران ، ومحطات الطاقة الحرارية ، والحصول على غاز الوقود ، والشموع ، والبارافين ، والأمونيا ، والقطران (منتج تستمد منه الزيوت والمواد الأخرى ذات الاستخدام الكبير في الصناعة الكيميائية)

الليغنيت

يمكن أن يحدث في شكلين ، كمادة بنية أو سوداء ، وله أسماء مختلفة.

الاستخدامات: الغازات التي تحصل على القطران والشمع والفينولات والبارافينات. يمكن استخدام الرماد الناتج عن الاحتراق كأسمنت بوزولاني وسيراميك.

فحم

يمكن تقسيم الفحم الصلب إلى نوعين رئيسيين: فحم الطاقة والفحم المعدني. الأول ، الذي يُطلق عليه أيضًا الفحم البخاري ، يعتبر الأكثر فقرًا ويستخدم مباشرة في الأفران ، وخاصة في محطات الطاقة الحرارية. يعتبر الفحم المعدني ، أو فحم الكوك ، من النبلاء. الكوك مادة مسامية ، خفيفة وذات لمعان معدني ، تستخدم كوقود في علم المعادن (أفران الصهر). كما يستخدم الفحم في إنتاج القطران.

أنثراسايت

تتميز باحتراق بطيء وهي مناسبة للتدفئة المنزلية. كما أنها تستخدم في عمليات معالجة المياه.

تكوين وتطبيق الفحم

يتكون الفحم في أي من مراحله من جزء عضوي وجزء معدني. يتكون العضوي من الكربون والهيدروجين ونسب صغيرة من الأكسجين والكبريت والنيتروجين. يتكون المعدن من السيليكات التي تتكون منها الرماد.

نظرًا لأنه ينقسم إلى عدة أنواع ، فإن استخدامات الفحم كثيرة. الاستخدام الرئيسي للفحم كمصدر للطاقة. وفقا ل وكالة الطاقة الدولية (IEA)، الفحم مسؤول عن 40٪ من إنتاج الطاقة الكهربائية في العالم. كما يستخدم الفحم في قطاع التعدين.

نوع آخر من الفحم الموجود في الطبيعة هو الخضار ، والذي يتكون من كربنة الحطب. كثيرًا ما يستخدم الفحم النباتي في العمليات الصناعية ، ولكنه ليس مصدرًا مهمًا لإنتاج الطاقة الكهربائية.

حوافز لانتاج الكهرباء من الفحم الحجري

على الرغم من كونها غير متجددة ، إلا أن هناك حوافز قوية لإنتاج الكهرباء من الفحم. الحجتان الرئيسيتان لصالح إنتاج الطاقة من الفحم هما وفرة الاحتياطيات ، والتي تضمن أمن الإمداد والتكلفة المنخفضة للخام (مقارنة بالوقود الأحفوري الآخر) وعملية الإنتاج.

وفقًا لبيانات الوكالة الوطنية للطاقة الكهربائية (Aneel) ، يبلغ إجمالي احتياطيات الفحم العالمية 847.5 مليار طن. ستكون هذه الكمية كافية لتزويد إنتاج الفحم الحالي لفترة تقارب 130 عامًا. حافز آخر هو أنه ، على عكس النفط والغاز الطبيعي ، توجد احتياطيات الفحم بكميات كبيرة في 75 دولة - على الرغم من أن ما يقرب من 60 ٪ من الحجم الإجمالي يتركز في الولايات المتحدة (28.6 ٪) وروسيا (18 ، 5 ٪) والصين (13.5٪). تظهر البرازيل في المركز العاشر.

أكبر منتجي الفحم في العالم هما الصين والولايات المتحدة ، حسب الرابطة العالمية للفحمتليها الهند وإندونيسيا وأستراليا على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد معظم مصفوفة الطاقة ، في كل من الصين والولايات المتحدة ، على إنتاج الكهرباء من الفحم ، والتي تمثل أيضًا في مصفوفة الطاقة في البلدان الأخرى ، مثل ألمانيا وبولندا وأستراليا وجنوب إفريقيا .

ومع ذلك ، على الرغم من المزايا الاقتصادية ، فإن إنتاج الكهرباء من الفحم المعدني هو أحد أكثر أشكال إنتاج الطاقة عدوانية من وجهة نظر اجتماعية وبيئية. توجد عوامل خارجية سلبية طوال عملية الإنتاج بأكملها ، من استخراج الفحم.

استخراج الفحم

يمكن أن يكون استخراج الفحم أو التعدين تحت الأرض أو في حفرة مفتوحة. سيختلف هذا اعتمادًا على مدى عمق الفحم.

عندما تكون الطبقة التي تغطي الخام ضيقة ، أو التربة غير مناسبة (الرمل أو الحصى) ، يميل الاستكشاف إلى أن يتم في العراء. إذا كان المعدن في طبقات عميقة ، فمن الضروري بناء الأنفاق.

وفقًا لـ Aneel ، يعد التعدين في المناجم المفتوحة هو الشكل السائد لاستخراج الخام في البرازيل ، وهو أيضًا أكثر إنتاجية من تحت الأرض. هذا لا يتوافق مع الواقع الدولي ، حيث يسود التنقيب عن طريق التعدين تحت الأرض ، أي ما يعادل 60 ٪ من استخراج الفحم في العالم.

يعتبر تصريف الأحماض وإنتاج المخلفات من الآثار البيئية السلبية الشائعة لكلا النوعين من الاستخراج.

تصريف المناجم الحمضية (دام)

يتم الصرف الحمضي للمنجم عن طريق المضخات ، التي تطلق المياه الكبريتية في البيئة الخارجية ، مما ينتج عنه تغييرات في التربة ذات الترتيب المعدني (تكوين مركبات جديدة) ، والمواد الكيميائية (تقليل الأس الهيدروجيني) والفيزيائية (انخفاض قدرة الاحتفاظ بالمياه والنفاذية ) ، والتي تختلف حسب جيولوجيا التضاريس.

يعتبر الصرف الحمضي للمناجم أحد أهم آثار عمليات التعدين بشكل عام ، وفقًا لتقرير وزارة العلوم والتكنولوجيا.

نتيجة لهذه التغييرات في التربة ، تتأثر جودة المياه الجوفية أيضًا. قد يكون هناك انخفاض في قيمة الرقم الهيدروجيني للمياه ، مما يساهم في إذابة المعادن وتلوث المياه الجوفية والتي ، في حالة الابتلاع ، يمكن أن تؤثر على صحة الإنسان.

يعد التخفيف من مشاكل التربة الكيميائية والفيزيائية التي يسببها التعدين الخطوة الأولى في استعادة المناطق المتضررة.

آثار التعدين المكشوف

تولد عمليات التنقيب عن كميات كبيرة من التربة الصخرية آثارًا بيئية واضحة على الغطاء النباتي والحيواني ، حيث تكون مسؤولة عن تدهور المساحات الكبيرة والتلوث البصري ، ناهيك عن تكثيف عمليات التعرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام الآلات والمعدات يؤدي أيضًا إلى تلوث ضوضاء (ضوضاء).

آثار التعدين تحت الأرض

فيما يتعلق بصحة العمال ، فإن المشكلة الرئيسية هي الالتهاب الرئوي لعمال الفحم (PTC). Pneumoconioses هي الأمراض التي يسببها استنشاق الجسيمات فوق قدرة الجهاز المناعي على التخليص. هو التعرض المزمن لاستنشاق غبار الفحم ، يليه تراكم الغبار في الرئتين وتغيير أنسجة الرئة.

يطلق PTC عملية التهابية ، والتي قد تتطور إلى تليف تدريجي هائل FMP ، وهو مرض يعرف باسم "الرئة السوداء".

وفقًا لتقرير وزارة الصحة ، تم تشخيص أكثر من 2000 حالة من حالات الالتهاب الرئوي بين عمال مناجم الفحم.

الآثار الأخرى المرتبطة بالتعدين تحت الأرض هي انخفاض منسوب المياه الجوفية ، والذي يمكن أن يساهم في انقراض المصادر ، والتأثير على الشبكة الهيدرولوجية السطحية والاهتزازات التي تسببها الانفجارات.

معالجة الفحم

وفقًا للرابطة البرازيلية للفحم المعدني ، فإن الإثراء هو مجموعة العمليات التي يخضع فيها الفحم الخام (التشغيل المنجم - ROM) ، الذي يتم الحصول عليه مباشرة من المنجم ، لإزالة المواد العضوية والشوائب ، من أجل ضمان جودتها. تعتمد معالجة الفحم على خصائصه الأصلية والاستخدام المقصود.

وفقًا لتقرير Aneel ، تولد المعالجة نفايات صلبة يتم ترسيبها عادة في المنطقة القريبة من منطقة التعدين ويتم إطلاقها مباشرة في مجاري المياه أو سدود المخلفات ، مما يؤدي إلى إنشاء مناطق واسعة مغطاة بمادة سائلة. يتم تخفيف المواد السامة الموجودة في المخلفات في مياه الأمطار (الترشيح) ، والتي ، على شكل سائل ، تخترق ببطء التربة (الترشيح) ، وتلوث المياه الجوفية.

تحتوي هذه المخلفات عادةً على تركيزات كبيرة من البيريت (كبريتيد الحديد - FeS2) أو مواد كبريتيد أخرى ، والتي تساهم في توليد حمض الكبريتيك وتكثيف عملية "تصريف المناجم الحمضي".

المواصلات

وفقًا لـ Aneel ، يعد النقل هو النشاط الأكثر تكلفة في عملية إنتاج الفحم. لهذا السبب ، عادةً ما يكون الفحم الذي يتم نقله هو الفحم الذي يحتوي على نسبة منخفضة من الشوائب وقيمة اقتصادية مضافة أكبر.

عندما يكون الاستخدام المقصود للفحم هو توليد الكهرباء ، يتم بناء المحطة الكهروحرارية بالقرب من منطقة التعدين ، كما يحدث في خمس محطات كهروحرارية تعمل بالفحم وتعمل في الدولة.

من وجهة نظر اقتصادية ، من الأفضل الاستثمار في خطوط النقل لتوزيع الكهرباء المنتجة بالفعل أكثر من نقل الفحم لمسافات طويلة.

بالنسبة للمسافات القصيرة ، فإن الطريقة الأكثر فعالية هي النقل بالحزام الناقل. تُستخدم خطوط الأنابيب أيضًا ، والتي يتم من خلالها نقل الفحم الممزوج بالماء في شكل ملاط.

توليد الطاقة من الفحم

بعد استخراجه من باطن الأرض ، يتم تجزئة الفحم وتخزينه في صوامع. ثم يتم نقلها إلى محطة طاقة حرارية.

وفقًا لفرناس ، يتم تعريف المحطة الكهروحرارية على أنها مجموعة من الأعمال والمعدات بوظيفة توليد الكهرباء من خلال عملية مقسمة تقليديًا إلى ثلاث مراحل.

تتكون الخطوة الأولى من حرق الوقود الأحفوري لتحويل ماء الغلاية إلى بخار. في حالة الفحم ، قبل عملية الحرق ، يتحول إلى مسحوق. هذا يضمن أكبر استخدام حراري لعملية الاحتراق.

الخطوة الثانية هي استخدام البخار الناتج تحت ضغط عالٍ لتشغيل التوربين وتشغيل مولد كهربائي. يؤدي مرور البخار عبر التوربين إلى حركة التوربين وأيضًا للمولد المرتبط بالتوربين ، مما يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

يتم إغلاق الدورة في الخطوة الثالثة والأخيرة ، حيث يتم تكثيف البخار ونقله إلى دائرة تبريد مستقلة ، ويعود إلى الحالة السائلة ، مثل ماء المرجل

يتم نقل الطاقة المتولدة من المولد إلى المحول عبر كبلات الموصل. يقوم المحول بدوره بتوزيع الكهرباء على مراكز الاستهلاك من خلال خطوط النقل.

الانبعاثات

عندما يتم حرق الفحم ، تتطاير العناصر الموجودة فيه (تتبخر) وتنبعث إلى الغلاف الجوي جنبًا إلى جنب مع جزء من المادة غير العضوية التي يتم إطلاقها في شكل جزيئات الغبار (الرماد المتطاير).

هنا

الفحم مادة ذات تركيز عالٍ من الكربون. وهكذا ، عند حرق الفحم ، ينبعث منه تركيزات كبيرة من أول أكسيد الكربون.

أول أكسيد الكربون هو غاز سام ضار للغاية بصحة الإنسان ويمكن أن يؤدي في حالات التسمم الحاد إلى الوفاة. وفقًا لشركة البيئة في ولاية ساو باولو (Cetesb) ، فإن الطريق الرئيسي للتسمم بأول أكسيد الكربون هو الجهاز التنفسي. بمجرد استنشاقه ، تمتص الرئتان الغاز بسرعة وترتبط بالهيموجلوبين ، مما يمنع النقل الفعال للأكسجين. لذلك ، يرتبط التعرض المطول لأول أكسيد الكربون بزيادة حدوث النوبات القلبية بين كبار السن.

أيضًا ، مرة واحدة في الغلاف الجوي ، يمكن أن يتأكسد أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون.

نشبع

يمكن أن ينبعث ثاني أكسيد الكربون مباشرة من احتراق الفحم وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى ، أو يمكن أن يتشكل في الغلاف الجوي من تفاعلات كيميائية ، على سبيل المثال ، من تفاعل أكسدة أول أكسيد الكربون.

يعتبر ثاني أكسيد الكربون أحد الغازات الرئيسية في عملية تكثيف ظاهرة الاحتباس الحراري ، حيث يرتبط بزيادة الاحتباس الحراري. وهو أيضًا أحد الأنواع الرئيسية للغازات المنبعثة من حرق الفحم.

من المهم الإشارة إلى أن الاحتراق هو مرحلة من سلسلة إنتاج الفحم حيث يوجد أكبر انبعاثات لثاني أكسيد الكربون ، ولكن مراحل تخزين وتخزين المخلفات تساهم أيضًا في إجمالي الانبعاثات. ومع ذلك ، وفقًا لتقرير وزارة العلوم والتكنولوجيا ، فإن نقص المعرفة بوقت تخزين الخام في كل حالة هو عامل مقيد لحساب إجمالي الانبعاثات.

كبريت

وفقًا لتقرير الجمعية البرازيلية لتخطيط الطاقة ، من بين جميع الانبعاثات من محطات توليد الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم ، فإن انبعاثات الكبريت هي الأكثر إثارة للقلق. عند الاحتراق ، يشكل الكبريت سلسلة من المركبات الغازية التي يتم إطلاقها في الغلاف الجوي إذا لم تكن هناك معدات لالتقاطها. من بين هؤلاء ، يبرز ثاني أكسيد الكبريت (SO2) فوق كل شيء.

يخضع ثاني أكسيد الكبريت (SO2) للأكسدة في الغلاف الجوي ويشكل ثالث أكسيد الكبريت (SO3) والذي بدوره ، عند الارتباط بمياه الأمطار (H2O) ، سيشكل حمض الكبريتيك (H2SO4) ، مما يؤدي إلى هطول أمطار حمضية.

للأمطار الحمضية تأثيرات مباشرة على الحياة النباتية والحيوانية ، وخاصة المائية. في الخضروات يؤدي إلى تغيرات في التصبغ والتشكيل والنخر. في الحيوانات ، يتسبب في موت الكائنات الحية مثل الأسماك والضفادع. يتسبب المطر الحمضي أيضًا في تلف السلع المادية ، لأنه يفضل العمليات المسببة للتآكل.

وبحسب وزارة البيئة ، فإن تأثيرات ثاني أكسيد الكبريت على صحة الإنسان قد تكون مرتبطة بزيادة الإصابة بمشاكل الجهاز التنفسي بشكل عام والربو ، وهو ما يدل عليه زيادة حالات دخول المستشفيات.

الميثان

الفحم يحتوي على نسبة عالية من الميثان (CH4). يؤدي احتراق الفحم إلى إطلاق غاز الميثان في الغلاف الجوي ، والذي يمكن أن يترافق مع بخار الماء وثاني أكسيد الكربون ويعتبر أحد الغازات الدفيئة الرئيسية.

يتكون الميثان من عملية تحلل المواد العضوية. لهذا السبب ، يرتبط حدوثه بالوقود الأحفوري.

من المهم ملاحظة أنه على الرغم من إطلاق عملية احتراق الفحم كميات كبيرة من الميثان في الغلاف الجوي ، فإن انبعاثات الميثان في عملية إنتاج الفحم تحدث من استخراج الخام ، خاصة في المناجم تحت الأرض وفي تخزين المواد بعد التعدين ، كما يمكن رؤيته في تقرير وزارة العلوم والتكنولوجيا

أكاسيد النيتروجين (NOx)

يحتوي الفحم أيضًا على نسبة عالية من النيتروجين. لذلك ، ينبعث من احتراق الفحم أكاسيد النيتروجين في الغلاف الجوي. تتكون غازات الاحتراق عادة من أكسيد النيتروجين.عندما يدخل الغلاف الجوي ، يتأكسد بسرعة إلى ثاني أكسيد النيتروجين.

ينتج ثاني أكسيد النيتروجين ، عند الارتباط بمياه الأمطار (H2O) ، حامض النيتريك (HNO3) الذي يتسبب أيضًا ، مثل حمض الكبريتيك (H2SO4) ، في هطول أمطار حمضية.

بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر التركيزات العالية من NO2 على تكوين أوزون التروبوسفير وعمليات الضباب الدخاني الضوئية.

الجسيمات (PM)

وفقًا لـ Cetesb ، فإن المواد الجسيمية هي مواد صلبة وسائلة تظل معلقة في الغلاف الجوي بسبب صغر حجمها. تتكون الجسيمات أيضًا في الغلاف الجوي من ثاني أكسيد الكبريت المذكور أعلاه (SO2) وأكاسيد النيتروجين (NOx)

يرتبط حجم الجسيمات ارتباطًا مباشرًا بإمكانية التسبب في مشاكل صحية.

الزئبق

بالإضافة إلى الغازات التي سبق ذكرها ، يحتوي الفحم أيضًا على كميات كبيرة من الزئبق ، والذي يتطاير في الغلاف الجوي من خلال احتراق الخام.

الاثنين إلى وكالة حماية البيئة - وكالة حماية البيئة محطات الطاقة التي تعمل بالفحم هي أكبر مصدر من صنع الإنسان لانبعاثات الزئبق.

يتم دمج الزئبق المتطاير الموجود في الغلاف الجوي في دورة المطر ، ويصل إلى المسطحات المائية ويؤدي إلى تلوث البيئة وإلحاق الضرر بالحياة المائية. يعتبر التلوث بالزئبق أيضًا من قضايا الصحة العامة ، حيث أن استهلاك الكائنات المائية الملوثة بالزئبق يمكن أن يؤدي إلى تسمم حاد ، وفي بعض الحالات يؤدي إلى الوفاة.