منابع انرژی

ذغال سنگ

اصول ذغال سنگ
تشکیل زغال سنگ میلیون ها سال طول می کشد

ذغال سنگ یک سنگ رسوبی قابل احتراق سیاه یا قهوه ای مایل به سیاه با مقدار زیادی کربن و هیدروکربن است. ذغال سنگ به عنوان یک منبع انرژی غیر قابل تجدید طبقه بندی می شود زیرا تشکیل آن میلیون ها سال طول می کشد. ذغال سنگ حاوی انرژی ذخیره شده توسط گیاهانی است که صدها میلیون سال پیش در جنگل های باتلاقی زندگی می کردند.

در طول میلیون ها سال لایه های خاک و سنگ گیاهان را پوشانده است. فشار و گرمای حاصل از آن گیاهان را به ماده ای تبدیل می کند که ما آن را ذغال سنگ می نامیم.

انواع زغال سنگ

ذغال سنگ به چهار نوع یا رده اصلی طبقه بندی می شود: آنتراکیت، قیر، زیرسطح و لیگنیت. این رتبه بندی به انواع و مقادیر کربن موجود در زغال سنگ و میزان انرژی گرمایی زغال سنگ بستگی دارد. میزان رسوب ذغال سنگ با توجه به میزان فشار و گرمائی که با گذشت زمان بر گیاهان وارد می شود، تعیین می شود.

آنتراسیت حاوی 86٪ -97٪ کربن است و به طور کلی بالاترین مقدار گرمایی را در بین تمام سطوح ذغال سنگ دارد. انتراسیت کمتر از 1٪ از زغال سنگ استخراج شده در ایالات متحده در سال 2018 را تشکیل می دهد. تمام معادن آنتراکیت در ایالات متحده در شمال شرقی پنسیلوانیا هستند. آنتراسیت عمدتا توسط صنایع فلزات استفاده می شود.

زغال سنگ قیر حاوی 45٪ -86٪ کربن است. ذغال سنگ قیر در ایالات متحده بین 100 میلیون تا 300 میلیون سال قدمت دارد. زغال سنگ قیر فراوانترین رتبه ذغال سنگ در ایالات متحده است و حدود 47٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده در سال 2018 را تشکیل می دهد. ذغال سنگ قیر برای تولید برق استفاده می شود و یک سوخت و ماده اولیه مهم برای ساخت آهن و فولاد است. . ویرجینیای غربی، ایلینوی، پنسیلوانیا ، کنتاکی و ایندیانا پنج ایالت اصلی تولید کننده ذغال سنگ قیر در سال 2018 بودند که در مجموع 75 درصد از کل تولید قیر را تشکیل می دهند.

ذغال سنگ زیرسطحی به طور معمول حاوی 35٪ -45٪ کربن است و از نظر گرمایشی کمتر از ذغال قیر است. قدمت اکثر ذغال سنگهای زیرزمینی در ایالات متحده حداقل 100 میلیون سال است. حدود 45 درصد از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده در سال 2018 بسیار زیباترین و تقریباً 89 درصد از آن در وایومینگ تولید شده است.

لیگنیت حاوی 25٪ -35٪ کربن است و کمترین میزان انرژی را در بین تمام سطوح زغال سنگ دارد. ذخایر زغال سنگ لیگنیت نسبتاً جوان هستند و تحت فشار یا گرمای زیاد قرار نمی گیرند. لیگنیت خرد است و دارای رطوبت بالایی است که به ارزش گرمای پایین آن کمک می کند. لیگنین 8٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده در سال 2018 را تشکیل می دهد. حدود 52٪ در داکوتای شمالی استخراج شده و حدود 43٪ در تگزاس استخراج شده است. از لیگنیت بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. تاسیساتی در داکوتای شمالی نیز لیگنیت را به گاز طبیعی مصنوعی تبدیل کرده و آن را به مصرف کنندگان گاز طبیعی در شرق ایالات متحده تبدیل می کند.

استخراج و حمل و نقل ذغال سنگ
استخراج زغال سنگ

کارگران معدن زغال سنگ از ماشین های بزرگ برای حذف زغال سنگ از زمین استفاده می کنند. بسیاری از ذخایر ذغال سنگ ایالات متحده، به نام بستر یا درز ذغال سنگ، در نزدیکی سطح زمین قرار دارند، در حالی که دیگران در عمق زیر زمین قرار دارند. روش های مدرن استخراج به معدنچیان اجازه می دهد تا به راحتی به بیشتر ذخایر ذغال سنگ کشور رسیده و در طی یک ساعت سه برابر بیشتر از سال 1978 ذغال سنگ تولید کنند.

کارگران معدن زغال سنگ از دو روش اصلی برای حذف زغال سنگ استفاده می کنند

استخراج سطحی غالباً هنگامی استفاده می شود که ذغال سنگ زیر 200 فوت زیر زمین باشد. در استخراج سطحی ، ماشین های بزرگ سطح خاک و لایه های سنگ معروف به سنگین را حذف می کنند تا درزهای زغال سنگ را نشان دهد. حذف بالای کوه نوعی استخراج سطحی است که در آن قله کوه ها برای دستیابی به درزهای زغال سنگ پویا شده و برداشته می شوند. پس از برداشتن زغال سنگ ، منطقه آشفته ممکن است برای کاشت چمن و درختان با خاک پوشانده شود. حدود دو سوم تولید زغال سنگ ایالات متحده از معادن سطحی است زیرا هزینه استخراج سطحی نسبت به استخراج زیرزمینی کمتر است.

استخراج زیرزمینی، که گاهی اوقات استخراج عمیق نامیده می شود، هنگامی ضروری است که ذغال سنگ چند صد فوت زیر سطح باشد. عمق بعضی از معادن زیرزمینی هزار فوت پا با تونل هایی است که ممکن است کیلومترها از شاخه های عمودی معدن خارج شوند. کارگران معدن با آسانسور به پایین شاخه های عمیق معدن می روند و با قطارهای کوچک در تونل های طولانی برای رسیدن به زغال سنگ حرکت می کنند. کارگران معدن از ماشین های بزرگ برای استخراج زغال سنگ استفاده می کنند.

فرآوری زغال سنگ

پس از برداشتن زغال سنگ از زمین، کارگران معدن ممکن است آن را به کارخانه آماده سازی نزدیک محل استخراج ارسال کنند. این گیاه برای از بین بردن سنگها، خاک، خاکستر، گوگرد و سایر مواد ناخواسته زغال سنگ را تمیز و پردازش می کند. این فرآیند باعث افزایش مقدار گرمایش زغال سنگ می شود.

حمل زغال سنگ

ذغال سنگ را می توان از طریق معادن و کارخانه های فرآوری به چندین روش مختلف به مصرف کنندگان منتقل کرد:

  • نوار نقاله، تراموا و کامیون ها زغال سنگ را در اطراف معادن، مسافت های کوتاه از معادن تا مصرف کنندگان نزدیک به معادن یا سایر روش های حمل و نقل از راه دور منتقل می کنند.
  • قطارها تقریباً 70 درصد از زغال سنگ تحویل گرفته شده در ایالات متحده را حداقل برای بخشی از معادن به مصرف کنندگان حمل می کنند.
  • کشتی ها زغال سنگ را در رودخانه ها و دریاچه ها حمل می کنند.
  • کشتی ها زغال سنگ را در دریاچه های بزرگ و اقیانوس ها به مصرف کنندگان در ایالات متحده و سایر کشورها منتقل می کنند.
  • خطوط لوله دوغاب مخلوط زغال سنگ خرد شده و آب را به حرکت در می آورد. این روش در حال حاضر در ایالات متحده استفاده نمی شود.

حمل و نقل ذغال سنگ می تواند گران تر از هزینه استخراج زغال سنگ باشد. برخی از مصرف کنندگان زغال سنگ، مانند نیروگاه های الکتریکی با زغال سنگ، برای کاهش هزینه های حمل و نقل در نزدیکی معادن ذغال سنگ هستند.

دریافت (تولید) زغال سنگ
جایی که ایالات متحده زغال سنگ خود را می گیرد

در سال 2018، حدود 756 میلیون تن زغال سنگ کوتاه در 23 ایالت آمریکا تولید شده است. معادن سطحی منبع 63٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده بوده و 63٪ از کل معادن را تشکیل می دهند. حدود 0.7 میلیون تن، یا حدود 0.1٪ از کل تولید زغال سنگ، زغال سنگ بازیافت زباله بود .

 

  • پنج ایالت حدود 71٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده را در سال 2018 به خود اختصاص داده اند:

 

  • وایومینگ 40٪
  • ویرجینیا غربی 13٪
  • پنسیلوانیا
  • ایلینوی
  • کنتاکی

ذغال سنگ به طور عمده در سه منطقه یافت می شود: منطقه ذغال سنگ آپالاچی، منطقه ذغال سنگ داخلی و منطقه ذغال سنگ غربی (شامل حوضه رودخانه پودر)

منطقه زغال سنگ آپالاچی

 

  • منطقه زغال سنگ آپالاچی شامل آلاباما، کنتاکی شرقی، مریلند، اوهایو، پنسیلوانیا، تنسی، ویرجینیا و ویرجینیا غربی است.
  • حدود 26٪ از زغال سنگ تولید شده در ایالات متحده از منطقه ذغال سنگ آپالاچی تهیه شده است.
  • ویرجینیای غربی بزرگترین ایالت تولید کننده زغال سنگ در منطقه و دومین ایالت بزرگ تولید کننده زغال سنگ در ایالات متحده است.
  • معادن زیرزمینی 77٪ زغال سنگ تولید شده در منطقه آپالاچی را تأمین می کردند.
  • معادن زیرزمینی در منطقه اپالاچی 56٪ از کل تولید معدن ذغال سنگ زیرزمینی ایالات متحده را تولید می کند.
منطقه زغال سنگ داخلی
  • منطقه زغال سنگ داخلی شامل آرکانزاس، ایلینوی، ایندیانا، کانزاس، لوئیزیانا، می سی سی پی، میسوری، اوکلاهما، تگزاس و کنتاکی غربی است.
  • حدود 18 درصد از کل زغال سنگ ایالات متحده در منطقه ذغال سنگ داخلی استخراج شد.
  • ایلینوی بزرگترین تولید کننده زغال سنگ در منطقه ذغال سنگ داخلی بود، 36٪ از تولید زغال سنگ منطقه و 7٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده را تشکیل می داد.
  • معادن زیرزمینی 63٪ تولید زغال سنگ منطقه و معادن سطحی 37٪ تولید می کردند.
منطقه ذغال سنگ غربی
  • منطقه ذغال سنگ غربی شامل آلاسکا، آریزونا، کلرادو، مونتانا، نیومکزیکو، داکوتای شمالی، یوتا، واشنگتن و وایومینگ است.
  • حدود 55٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده در منطقه ذغال سنگ غربی استخراج شد.
  • وایومینگ، بزرگترین ایالت تولید کننده زغال سنگ در ایالات متحده، 40٪ از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده و 73٪ از زغال سنگ استخراج شده در منطقه ذغال سنگ غربی را تولید می کند.
  • شش مورد از ده معدن تولید کننده ذغال سنگ برتر ایالات متحده در وایومینگ بود و همه این معادن معادن سطحی هستند.
  • معادن سطحی 92٪ ذغال سنگ را در منطقه ذغال سنگ غربی تولید کردند.
موارد استفاده از زغال سنگ

در سال 2018، حدود 687 میلیون تن زغال سنگ در ایالات متحده مصرف شده است. بر اساس محتوای انرژی، این مقدار در حدود 13٪ از کل انرژی مصرفی ایالات متحده در سال 2018 بود. بخش انرژی الکتریکی بیشترین مصرف ذغال سنگ ایالات متحده را تشکیل می دهد. مصرف ذغال سنگ ایالات متحده در سال 2007 به اوج خود رسید و از آن زمان در بیشتر سالها کاهش یافته است، دلیل اصلی آن کاهش استفاده از زغال سنگ برای تولید برق است.

مقدار و درصد کل مصرف ذغال سنگ ایالات متحده توسط بخش های مصرف کننده در سال 2018 بوده است

  • توان الکتریکی – 636.5 MMst – 92.6٪
  • کل صنعت – 49.9 میلی متر – 7.3٪
    • کارخانه های تولید کک صنعتی – 18.3 MMst – 2.7٪
    • گرما و توان ترکیبی صنعتی – 12.5 میلی متر – 1.8٪
    • سایر صنایع – 19.1 میلی متر – 2.8٪
  • تجاری – 1.0 میلی متر – کمتر از 1٪
  • مسکونی و حمل و نقل – هر کدام کمتر از 1 میلیمتر – کمتر از 1

 

 

 

برق

زغال سنگ منبع تولید حدود 27٪ از کل تولید برق ایالات متحده در سال 2018 بود. نیروگاه ها با سوزاندن ذغال بخار تولید می کنند و بخار باعث تبدیل توربین ها (ماشین های تولید نیروی مکانیکی چرخشی) برای تولید برق می شود.

بسیاری از صنایع و مشاغل دارای نیروگاه های اختصاصی خود هستند و برخی از آنها برای تولید برق از زغال سنگ استفاده می کنند، بیشتر در نیروگاه های ترکیبی گرما و نیروگاه

صنعت

بسیاری از صنایع از فرآورده های فرعی زغال سنگ و زغال سنگ استفاده می کنند. صنایع بتن و کاغذ مقادیر زیادی زغال سنگ را برای تولید گرما می سوزانند. صنعت فولاد به طور غیر مستقیم از زغال سنگ برای تولید فولاد استفاده می کند. کک زغال سنگ با پخت زغال در کوره ها ساخته می شود. صنعت فولاد با استفاده از کک زغال سنگ ذوب سنگ آهن را به آهن تولید می کند. دمای بالا که در اثر سوزاندن کک ذغال ایجاد می شود، به فولاد قدرت و انعطاف پذیری لازم برای پلها، ساختمانها و اتومبیل ها را می دهد.

تبدیل زغال سنگ به گاز و مایعات

ذغال سنگ را می توان به گازها و مایعات تبدیل کرد که می تواند به عنوان سوخت استفاده شود و یا برای تولید محصولات دیگر به مواد شیمیایی تبدیل شود. این گازها یا مایعات را بعضی اوقات سوخت های مصنوعی یا سوخت های سوختی می نامند. سوخت های مصنوعی با گرم کردن زغال سنگ در کشتی های بزرگ ساخته می شوند. این سوخت ها هنگام سوزاندن کمتر از سوزاندن مستقیم ذغال سنگ آلاینده های هوا تولید می کنند.

در داکوتای شمالی، کارخانه Greatfins Plains Synfuels زغال سنگ را به گاز طبیعی مصنوعی (syngas) تبدیل می کند. سینگاس تولید شده از زغال سنگ همچنین می تواند برای تولید برق و هیدروژن استفاده شود. در حال حاضر، هیچ تأسیسات تجاری در ایالات متحده از زغال سنگ مایعات تولید نمی کند، اما ذغال سنگ در آفریقای جنوبی برای دهه ها به مایعات تبدیل شده است.

زغال سنگ و محیط زیست

زغال سنگ یک منبع سوخت فراوان است که تولید و تبدیل آن به انرژی مفید نسبتاً ارزان است. با این حال، تولید و استفاده از زغال سنگ بر محیط زیست تأثیر می گذارد.

اثرات استخراج زغال سنگ

معادن سطحی (که بعضا معادن نواری نامیده می شوند ) منبع حدود 65٪ ذغال سنگ استخراج شده در ایالات متحده در سال 2017 بودند. این عملیات استخراج خاک و سنگ را از بالای رسوبات ذغال سنگ یا درزها از بین می برد. بزرگترین معادن سطحی ایالات متحده در حوضه رودخانه پودر رودخانه وایومینگ است که ذخایر ذغال سنگ نزدیک به سطح زمین و ضخامت آنها تا 70 فوت است.

حذف کوه و استخراج دره در مناطق وسیعی از کوههای آپالاچی در ویرجینیای غربی و کنتاکی را تحت تأثیر قرار داده است. در این شکل از استخراج زغال سنگ، قله کوه ها با استفاده از مواد منفجره برداشته می شود. این روش باعث تغییر چشم انداز می شود و رودخانه ها گاهی با سنگ و خاک پوشانده می شوند. تخلیه آب از این دره های پر ممكن است حاوی آلاینده هایی باشد كه می تواند به حیات وحش آب های پایین دست آسیب برساند. اگرچه استخراج کوه از سال 1970 وجود دارد، اما استفاده از آن از دهه 1990 گسترده تر و بحث برانگیزتر شد.

طبق قوانین ایالات متحده باید رواناب گرد و غبار و آب از مناطق تحت تأثیر عملیات استخراج زغال سنگ کنترل شود و این منطقه باید نزدیک به شرایط اولیه خود احیا شود.

مین های زیرزمینی به طور کلی کمتر از مین های سطحی چشم انداز را تحت تأثیر قرار می دهند. با این حال ، زمین بالای تونل های معدن می تواند سقوط کند ، و آب اسیدی می تواند از معادن زیرزمینی متروکه تخلیه شود.

گاز متان که در ذخایر زغال سنگ وجود دارد ، در صورت تمرکز در معادن زیرزمینی ، می تواند منفجر شود. این متان با ذغال سنگ باید از معادن خارج شود تا معادن مکانهای ایمن تری برای کار داشته باشند. در سال 2016 ، میزان انتشار متان از معادن ذغال سنگ و معادن متروک زغال سنگ حدود 9٪ از کل انتشار متان ایالات متحده و تقریباً 1٪ از کل انتشار گازهای گلخانه ای ایالات متحده را تشکیل داده است (بر اساس پتانسیل گرم شدن کره زمین). بعضی از معادن متان ذغال سنگ استخراج شده از معادن را گرفته و استفاده می کنند یا می فروشند.

انتشارات ناشی از سوختن زغال سنگ

چندین انتشار اصلی از احتراق ذغال سنگ حاصل می شود:

  • دی اکسید گوگرد (SO2)، که به باران اسیدی و بیماری های تنفسی کمک می کند
  • اکسیدهای نیتروژن (NOx)، که در دود و بیماری های تنفسی نقش دارند
  • ذرات معلق، که به دود، مه و بیماری های تنفسی و بیماری های ریوی کمک می کند
  • دی اکسید کربن (CO2)، گاز اصلی گلخانه ای است که از سوختن سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی) تولید می شود
  • جیوه و سایر فلزات سنگین که با آسیب عصبی و رشدی در انسان و سایر حیوانات ارتباط دارند
  • خاکستر پرواز و خاکستر ته، که بقایای ایجاد شده در هنگام سوختن زغال سنگ توسط نیروگاه های برق است

در گذشته، خاکستر بادی از طریق دود دود به هوا منتقل می شد، اما طبق قوانین اکنون اکثر انتشارات خاکستر بادی توسط دستگاه های کنترل آلودگی گرفته می شود. در ایالات متحده، خاکستر بادی و خاکستر کف به طور کلی در نزدیکی نیروگاه ها ذخیره می شوند یا در محل های دفن زباله قرار می گیرند. شستشوی آلودگی از ذخیره خاکستر و محل دفن زباله ها به آبهای زیرزمینی و چندین توده بزرگ خاکستر که پاره شده است، نگرانی های زیست محیطی است.

کاهش اثرات زیست محیطی استفاده از زغال سنگ

قانون هوای پاک و قانون آب پاک نیاز به صنایع دارند تا آلاینده های منتشر شده در هوا و آب را کاهش دهند.

صنعت ذغال سنگ چندین روش برای کاهش گوگرد و سایر ناخالصی های حاصل از زغال سنگ پیدا کرده است. این صنعت همچنین روشهای موثرتری برای پاکسازی زغال سنگ پس از استخراج آن پیدا کرده است و برخی از مصرف کنندگان زغال سنگ از زغال سنگ کم گوگرد استفاده می کنند.

نیروگاه ها برای پاک سازی گوگرد از دود، قبل از اینکه از دودهای خود خارج شود، از تجهیزات گوگردزدایی گاز دودکش که به آن اسکرابر نیز می گویند استفاده می کنند. علاوه بر این، صنعت ذغال سنگ و دولت ایالات متحده برای توسعه فن آوری هایی که می توانند ناخالصی های موجود در زغال سنگ را از بین ببرند و یا می توانند زغال سنگ را با انرژی کارآمدتر همکاری کنند ، همکاری کرده اند که این باعث کاهش میزان زغال سنگ در هر واحد انرژی مفید تولید شده می شود.

از تجهیزات عمدتا برای کاهش SO2 ، NOx و ذرات معلق نیز می توان برای کاهش انتشار جیوه از برخی انواع زغال سنگ استفاده کرد. دانشمندان همچنین در حال کار بر روی روش های جدید برای کاهش انتشار جیوه از نیروگاه های زغال سنگ هستند.

تحقیقات برای رسیدگی به انتشار دی اکسید کربن از احتراق ذغال سنگ در حال انجام است. یک روش جذب کربن است که CO2 را از منابع انتشار جدا می کند و آن را در یک جریان غلیظ بازیابی می کند. سپس می توان CO2 را برای ذخیره سازی دائمی یا ترسیب در زیر زمین تزریق کرد .

استفاده مجدد و بازیافت همچنین می تواند اثرات زیست محیطی تولید و استفاده از زغال سنگ را کاهش دهد. زمین هایی که قبلاً برای استخراج زغال سنگ استفاده می شد ، می توانند برای فرودگاه ها، محل های دفن زباله و زمین های گلف مورد استفاده قرار گیرند. از مواد زائد اسکرابر می توان برای تولید محصولاتی مانند سیمان و گچ مصنوعی برای رومیزی استفاده کرد.