انواع مختلف زغال ­سنگ

زغال­ سنگ نیز مانند نفت و گاز یک ماده آلی است که در معرض تجزیه آهسته ناشی از فرآیندهای بیولوژیکی و زمین شناسی قرار گرفته است. زغال سنگ زمانی تشکیل می شود که مواد گیاهی انباشته شده در شرایط بدون اکسیژن دفن شده و در یک دوره زمانی طولانی (میلیون ­ها سال) در معرض افزایش دما و فشار قرار گیرند. بقایای گیاهی، اساس زغال ­سنگ را تشکیل می­دهند و به طور متوسط، احتراق یک کیلوگرم از این سوخت می­تواند تا 7 کیلووات در ساعت برق (توان الکتریکی) با راندمان 30 درصد (البته با انتشار حدود 3 کیلوگرم CO₂) تولید کند. روش های استخراج زغال سنگ به عمق شکل­ گیری آن بستگی دارد. در صورتی که عمق رگه­ ی زغال سنگ از 100 متر کمتر باشد، از روش استخراج روباز استفاده می شود. همچنین مواردی وجود دارد که با عمیق شدن معدن زغال سنگ، حفاری ذخایر زغال سنگ به روش استخراج زیرزمینی سودآورتر می­شود. در معادن روسیه، زغال­ سنگ از عمق کمی بیش از 1200 متر استخراج می شود. در یکی از استانداردهای طبقه­ بندی زغال سنگ، بسته به درجه تبدیل و مقدار نسبی کربن موجود در زغال­ سنگ، چهار نوع زغال سنگ وجود دارد: زغال ­سنگ قهوه­ ای، زغال­ سنگ سخت، آنتراسیت و گرافیت. در کشورهای غربی طبقه بندی زغال­ سنگ به این صورت است: به ترتیب زغال­ سنگ لیگنایت (شبه چوب)، زغال سنگ زیر قیر (ساب بیتمنس) ، زغال سنگ قیری (بیتمنس)، آنتراسیت و گرافیت. درجه دگرسانی ماده گیاهی بر اساس گریدهای زغال سنگ شامل زغال سنگ نارس، لیگنایت، زیر قیری، قیری و آنتراسیت معرفی می شود. به سه گرید آخر معمولاً زغال سنگ سیاه گفته می شود در حالی که زغال سنگ لیگنایت و نارس معمولاً زغال سنگ قهوه ­ای نامیده می شود.

توجه به این نکته مهم است که زغال­ سنگ­ استخراج شده از معادن بعد از قرار گرفتن تحت عملیات فرآوری و حرارتی می تواند انواع مختلفی از محصولات کربنی با ارزش های حرارتی و شیمیایی متفاوتی را پوشش دهد. انواع مختلف زغال­ سنگ حاوی موادی است که نمی سوزد و به صورت خاکستر باقی می­ماند. هر چه میزان خاکستر بیشتر باشد، ارزش زغال سنگ کمتر است. در بیشتر موارد برای حذف مقداری از خاکستر موجود در زغال­ سنگ (برای افزایش قیمت فروش یا افزایش ارزش آن)، زغال سنگ تصفیه یا شستشو می شود. همچنین، انواع مختلف زغال سنگ به طور طبیعی حاوی مقداری رطوبت هستند (البته در طول فرآیند استخراج ممکن است درصد رطوبت افزایش یا کاهش یابد). آب و هوا نیز بر میزان رطوبت جذب شده در زغال در هنگام حمل و نقل و ذخیره سازی تاثیر می گذارد. در اکثر قراردادهای فروش، حداکثر رطوبت را با اعمال جریمه تعیین می کنند، زیرا مشتریان نمی­خواهند قیمت زغال سنگ را برای رطوبت موجود در آن بپردازند. زغال‌سنگ‌ها ممکن است حاوی مقداری عناصر ناخالصی (مانند گوگرد یا فسفر) باشند که اگرچه ممکن است در مقادیر بسیار کم باشند، ولی اهمیت زیادی دارد، زیرا می‌توانند در هنگام سوختن، آلاینده‌های جوی ایجاد کنند یا بر خواص فولاد تولید شده تاثیر بگذارند.

زغال­ سنگ سیاه

در یکی دیگر از استانداردهای طبقه­ بندی زغال سنگ، دو نوع اصلی زیرگروه محصولات زغال سنگ سیاه شامل زغال سنگ متالورژی و زغال سنگ حرارتی است. زغال سنگ متالورژیکی (زغال سنگ متالورژی یا زغال سنگ کک­شو) بیشتر در فرایند ذوب و تولید فولاد استفاده می شود. زغال سنگ حرارتی (که زغال سنگ بخار نیز نامیده می شود) برای تولید برق استفاده می شود.

زغال­ سنگ قهوه ­ای

زغال­ سنگ قهوه ­ای یک زغال ­سنگ نارس است. جوان­ترین نوع زغال سنگ حاوی 65 الی 70 درصد کربن و قهوه ای رنگ است. به عنوان سوخت خانگی و خوراک صنایع شیمیایی استفاده می شود. این زغال سنگ دارای درصد رطوبت بالا (حدودا 43 درصد) و در نتیجه حرارت احتراق پایین است. همچنین حاوی درصد زیادی مواد فرار (تا 50 درصد) است. زغال سنگ قهوه ­ای از مواد آلی مرده تحت فشار و دمای بالا در اعماق حدود 1 الی 3 کیلومتری زمین تشکیل می شود.

زغال­ سنگ آنتراسیت

آنتراسیت، قدیمی‌ترین نوع زغال سنگ، دارای بالاترین درجه زغال‌زایی و بالاترین ارزش حرارتی در بین تمام رتبه های زغال سنگ است. با چگالی و درخشندگی بالا مشخص می شود. . بسته به درجه زغال سنگ، محتوای کربن در زغال سنگ آنتراسیت از 75 الی 95 درصد متغیر است. به عنوان سوخت جامد پرانرژی با ارزش انرژی 6500 الی 8500 کیلو کالری بر کیلوگرم استفاده می شود. بین مواد کربنی، آنتراسیت دارای بیشترین ارزرش حرارتی است، اما به سختی قابل احتراق است. زغال آنتراسیت سخت در فشارها و دماهای بالا و در اعماق حدود 4 الی 6 کیلومتری زمین تشکیل شده است. این نوع زغال سنگ حاوی حداکثر 12 درصد رطوبت بوده و در مقایسه با زغال سنگ قهوه­ای حرارت احتراق بیشتری دارد. حاوی حداکثر 32 درصد مواد فرار بوده که باعث اشتعال پذیری بالاتری می شود.

زغال­سنگ قیری

زغال سنگ قیری حاوی 45 الی 85 درصد کربن است. این نوع زغال سنگ فراوان ترین در ایالات متحده می­باشد و حدود 46 درصد از کل تولید زغال سنگ ایالات متحده در سال 2023 را به خود اختصاص داده است.

زغال­سنگ زیر قیری

زغال سنگ زیر قیری معمولاً حاوی 35 الی 45 درصد کربن است و نسبت به زغال سنگ قیری ارزش حرارتی کمتری دارد.

زغال سنگ لیگنایت

زغال سنگ لیگنایت حاوی 25 الی 35 درصد کربن است و کمترین میزان انرژی حرارتی را در بین تمام رتبه های زغال سنگ دارد. ذخایر زغال سنگ لیگنایت، رگه­های زغال سنگ نسبتا جوان هستند و در معرض گرما یا فشار شدید قرار نمی گیرند. زغال سنگ لیگنایت خرد شده دارای رطوبت بالایی است که منجر به ارزش حرارتی پایین آن می­شود.

به طور کلی از لحاظ تجاری، زغال سنگ حرارتی (زغال انرژی یا زغال بخار) و زغال سنگ متالورژیکی دو نوع پرکاربرد زغال سنگ هستند که در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. تفاوت اصلی بین زغال سنگ حرارتی و زغال سنگ متالورژی، ارزش حرارتی، محتوای کربن، مواد فرار، درصد خاکستر و خواص کیک شدن (پخت) آنها است. زغال‌های کک‌شو (سنگ متالورژی) که برای تولید کک جهت استفاده در کوره‌های فولادسازی استفاده می‌شوند، دارای ویژگی‌های خاصی هستند که به آن اجازه می‌دهد در فرآیند کک‌سازی که شامل گرمایش در اتمسفری با درصد پایین اکسیژن است، یک کک با مشخصات متالورژیکی موردنظر تولید شود. تعدادی از ویژگی­های مهم زغال سنگ شامل مقدار مواد فرار، قابلیت پخت، سختی و استحکام کک تولید شده، شاخص تورم آزاد (میزان تورم مواد در طول فرآیند) است. این ویژگی­ ها بر روش استخراج زغال سنگ تاثیر نمی گذارد، اما بر ارزش محصول نهایی تاثیرگذار است. درجات مختلفی از زغال سنگ کک­شو وجود دارد، از زغال­ سنگ کک ­شو سخت (بهترین درجه)، تا زغال­ سنگ کک­شو متوسط و نرم، و حتی زغال­ سنگ کک­ شو نیمه سخت و نیمه نرم. زغال‌های کک‌شو، زغال‌هایی هستند که وقتی بدون تماس با هوا گرم می‌شوند، مواد فرار درون آن حذف می‌شود و ذرات کربن به یکدیگر می‌پیوندند و یک توده سلولی متخلخل با استحکام کافی به نام کک متالورژی تشکیل می‌دهند. به این زغال‌ها زغال‌های متالورژیکی نیز می‌گویند. زغال­سنگ کک­ شو بخشی از گروه زغال­ سنگ قیری را تشکیل می دهد. زغال سنگ ­های نارس، زیرقیری،  نیمه آنتراسیت و آنتراسیت همگی زغال سنگ غیرکک ­شو هستند. برخی از زغال‌های قیری نیز همین‌طور هستند. زغال‌های غیرکک‌شو عمدتاً برای تولید برق استفاده می‌شوند. زغال سنگ حرارتی برای تولید کک مناسب نیست و همانطور که از نام آن پیداست برای گرمایش و تولید انرژی (الکتریکی یا حرارتی) استفاده می شود و اغلب در نیروگاه های تولید برق استفاده می شود و درصد کمی از آن در کارخانه­ های تولید سیمان، دیگ ­های بخار کوچک و سایر بازارهای تخصصی مورد استفاده قرار می­گیرد. در تولید برق، زغال سنگ حرارتی در بویلرها سوزانده می شود تا بخار آب تولید شود و برای توربین هایی را که ژنراتورها را به حرکت در می آورند انرژی تامین کنند. این نوع زغال­ سنگ دارای چگالی انرژی کمتری نسبت به زغال­سنگ متالورژیکی است و برای سوختن کارآمد به جریان هوای قابل توجهی نیاز دارد. معمولاً زغال سنگ حرارتی به دلیل محتوای کربن کم، محتوای گوگرد بیشتری نسبت به زغال سنگ متالورژیکی داردبه طور کلی، زغال سنگ حرارتی به دلیل محتوای انرژی بالاتر، گران تر از زغال سنگ متالورژیکی است. امکان اختلاط انواع مختلف زغال سنگ، برخی از زغال‌ها را که قابلیت کک­ شوندگی خوبی ندارند، قادر می‌سازد تا با زغال‌های درجه بالاتر مخلوط شوند تا ترکیب قابل قبولی تشکیل دهند. پیشرفت در فناوری کوره­ های ذوب فولاد (به ویژه تزریق زغال­سنگ پودر شده) این امکان را فراهم کرده است که از زغال سنگ با کیفیت پایین­تر در فولادسازی به جای بخشی از کک استفاده شود.