الفحم مقابل الفحم النباتي: الأنواع، والاستخدامات، والإنتاج، والتعدين، والاختلافات الرئيسية

الفحم والفحم النباتي كلاهما مواد غنية بالكربون. وكثيراً ما يُستخدمان كوقود، وقد تبدو أسماؤهما متشابهة. إلا أنهما يأتيان من مصادر مختلفة ويتم إنتاجهما بطرق متباينة تماماً.

ببساطة، الفحم هو أحفورة قديمة "يتم استخراجها" من باطن الأرض، بينما يتم صنع الفحم النباتي عن طريق "حرق" المواد النباتية الحديثة.

تشرح هذه المقالة ماهية الفحم والفحم النباتي، وكيفية الحصول عليهما، وأنواعهما الرئيسية، واستخداماتهما، والاختلافات المهمة بينهما.

مقارنة	الفحم	فحم
المصدر والتكوين	A الوقود الأحفوري الطبيعي تتكون من نباتات قديمة من خلال عمليات جيولوجية؛ غير متجددة	A المنتج المصنّع مصنوع من خلال تفحيم الخشب الحديث أو الخيزران في درجات حرارة عالية؛ قابل للتجديد عند الحصول عليه من مصادر مستدامة
التركيب والشوائب	يتكون أساساً من الكربون، ممزوجاً بشوائب معدنية مثل الكبريت والفوسفور والتربة والصخور	مكان نظيف نسبياً،,مادة غنية بالكربون يتم إنتاجه من خلال عملية الكربنة بدرجة حرارة عالية
خصائص الاحتراق	ينتج حرارة شديدة ولكنه قد يطلقغازات نفاذة وضارةتاركاً وراءه صعوبةخبث الفحم والرماد	يوفر حرارة ثابتة معدخان ورائحة أقلتاركاً وراءه النوررماد الخشب
التطبيقات الرئيسية	الطاقة الصناعية واسعة النطاق، بما في ذلك توليد الطاقة الحرارية، وصناعة الصلب، والغلايات الصناعية	الاستخدامات اليومية والتجارية، بما في ذلك الشواء، تحضير الشاي، التدفئةو إنتاج الكربون المنشط

ما هو الفحم؟

المملكة المتحدة وكندا تقودان تحالفاً عالمياً ضد الفحم – بي بي سي نيوز

الفحم صخر رسوبي طبيعي. يحتوي على نسبة عالية من الكربون، بالإضافة إلى الهيدروجين والأكسجين والكبريت والنيتروجين والمواد المعدنية.

بدأ الفحم كمواد نباتية في الغابات القديمة والأراضي الرطبة. وعندما ماتت النباتات، تجمعت في بيئات مشبعة بالمياه. وقد حمى الطين والماء بعض هذه المواد من التحلل الكامل.

على مدى ملايين السنين، غطت طبقات جديدة من الرواسب بقايا النبات. وحوّل الضغط والحرارة المادة تدريجياً إلى فحم. تُسمى هذه العملية البطيئة بـعملية تحول الفحم.

تحدد كمية الحرارة والضغط والوقت اللازمين تصنيف الفحم. يحتوي الفحم ذو التصنيف المنخفض على نسبة رطوبة أعلى ونسبة كربون أقل. أما الفحم ذو التصنيف العالي فهو عموماً أكثر صلابة، وأغنى بالكربون، وقادر على إطلاق طاقة أكبر.

الفحم مصدر طاقة غير متجدد. بمجرد استخراجه وحرقه، لا يمكن استبداله خلال فترة زمنية محددة.

استخدامات الفحم

لقد دعم الفحم التنمية الصناعية لقرون. ورغم أن العديد من الدول تقلل اعتمادها عليه، إلا أن الفحم لا يزال مهماً في توليد الكهرباء وصناعة الصلب وإنتاج الإسمنت والصناعات الكيميائية.

1. توليد الكهرباء

يُعد توليد الطاقة أحد أكبر استخدامات الفحم.

في محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، يُحرق الفحم لتسخين الماء. يتحول الماء إلى بخار عالي الضغط. يقوم هذا البخار بتشغيل توربين، والذي بدوره يشغل مولدًا كهربائيًا وينتج الكهرباء.

يُستخدم الفحم الحراري عادةً لهذا الغرض. ويُسمى أيضاً بالفحم البخاري.

تستطيع محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم توفير كهرباء مستقرة لفترات طويلة. إلا أن احتراق الفحم يُطلق ثاني أكسيد الكربون، ومركبات الكبريت، وأكاسيد النيتروجين، وجزيئات دقيقة، وملوثات أخرى. وقد تستخدم المحطات الحديثة مرشحات وأجهزة تنقية وأنظمة أخرى للحد من هذه الانبعاثات.

2. إنتاج الصلب

يلعب الفحم دوراً هاماً في صناعة الصلب.

يمكن تحويل أنواع معينة من الفحم الحجري إلى فحم الكوك. فحم الكوك مادة صلبة مسامية غنية بالكربون، ويتم إنتاجه بتسخين الفحم في درجات حرارة عالية دون وجود كمية كافية من الأكسجين للاحتراق الطبيعي.

في الفرن العالي، يؤدي فحم الكوك عدة وظائف:

• إنه يوفر الحرارة.
• يساعد على إزالة الأكسجين من خام الحديد.
• وهو يدعم المواد الموجودة داخل الفرن.
• فهو يزود عملية صناعة الحديد بالكربون.

لا يصلح كل الفحم لإنتاج فحم الكوك. يُعرف الفحم المستخدم لهذا الغرض باسم فحم الكوك أوالفحم المعدني.

3. صناعة الأسمنت

تتطلب مصانع الأسمنت درجات حرارة عالية جداً لمعالجة الحجر الجيري والمواد الخام الأخرى.

يُستخدم الفحم وفحم الكوك البترولي غالباً كوقود للأفران. تسمح الحرارة بحدوث تفاعلات كيميائية تُنتج الكلنكر، وهو المكون الرئيسي في الأسمنت.

تعمل صناعة الإسمنت على تطوير أنواع وقود بديلة، لكن الفحم لا يزال يستخدم في العديد من مصانع الإنتاج.

4. التدفئة الصناعية

يُستخدم الفحم في الغلايات والأفران والمحارق وأنظمة التدفئة الصناعية الأخرى.

قد تستخدم الصناعات الفحم لإنتاج البخار أو الحرارة اللازمة للمعالجة. ومن بين المستخدمين الشائعين مصانع الطوب، ومصانع الورق، ومصانع الكيماويات، ومرافق تجهيز الأغذية، ومصانع معالجة المعادن.

يعتمد نوع الفحم المحدد على المعدات ودرجة الحرارة المطلوبة وتكلفة الوقود وتوافره محلياً.

5. الإنتاج الكيميائي

أكبر مشروع كيميائي للفحم في العالم يبدأ في مقاطعة شنشي – غلوبال تايمز

لا يقتصر استخدام الفحم على كونه وقوداً فحسب، بل يمكن استخدامه أيضاً كمادة خام صناعية.

يمكن تحويل الفحم إلى غاز التخليق، المعروف باسم الغاز التخليقي، من خلال عملية التغويز. يتكون الغاز التخليقي بشكل أساسي من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. ويمكن معالجته لاحقًا لإنتاج:

• الميثانول
• الأمونيا
• هيدروجين
• الغاز الطبيعي الاصطناعي
• الوقود السائل
• مواد كيميائية صناعية أخرى

يمكن أيضًا استخدام قطران الفحم والمنتجات الثانوية الأخرى الناتجة عن إنتاج فحم الكوك في الصناعات الكيميائية.

6. التدفئة والطبخ المنزلي

لا يزال الفحم يُستخدم للتدفئة المنزلية والطهي في بعض المناطق. وقد يُحرق في مواقد منزلية أو مواقد نار أو غلايات صغيرة.

مع ذلك، يُمكن أن يُشكّل حرق الفحم داخل المنازل مخاطر صحية وأمنية جسيمة. فسوء التهوية قد يؤدي إلى التعرّض للدخان أو التسمم بأول أكسيد الكربون. ولهذا السبب، قيّدت العديد من المناطق استخدام الفحم المنزلي.

الأنواع الرئيسية للفحم

يُصنف الفحم عادةً حسب رتبته. وتصف الرتبة درجة تحول الفحم إلى فحم، وتعكس محتوى الكربون ومستوى الرطوبة والصلابة والقيمة الحرارية للفحم.

تتكون رتب الفحم الرئيسية الأربع من الليغنيت، والفحم شبه البيتوميني، والفحم البيتوميني، والأنثراسيت.

1. الليغنيت

الليغنيت هو الفحم ذو الرتبة الأدنى. ويُطلق عليه أيضاً اسم الفحم البني لأنه غالباً ما يكون لونه بنياً أو بنياً داكناً.

يحتوي على نسبة عالية من الرطوبة ونسبة منخفضة نسبياً من الكربون. وقيمته الحرارية أقل من قيمة الفحم ذي الرتبة الأعلى.

الليغنيت مادة لينة وقد تتكسر بسهولة. ولأن محتواه العالي من الرطوبة يجعل نقله لمسافات طويلة أقل جدوى اقتصادية، فإنه يُستخدم غالباً في محطات توليد الطاقة الواقعة بالقرب من المنجم.

تشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

• لون بني إلى بني داكن
• محتوى رطوبة عالي
• قيمة حرارية منخفضة
• هيكل ناعم وهش
• تُستخدم بشكل أساسي لتوليد الكهرباء

2. الفحم شبه البيتوميني

يحتل الفحم شبه البيتوميني مرتبة أعلى من الليغنيت وأدنى من الفحم البيتوميني.

عادةً ما يكون لونه أغمق ويحتوي على نسبة رطوبة أقل من الليغنيت، كما أن قيمته الحرارية أعلى. تستخدم العديد من محطات توليد الطاقة الفحم شبه البيتوميني لأنه يوفر توازناً مفيداً بين إنتاج الطاقة ومحتوى الكبريت.

تشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

• لون بني داكن إلى أسود
• محتوى رطوبة متوسط
• قيمة حرارية أعلى من الليغنيت
• غالباً ما يكون محتواه من الكبريت أقل من بعض أنواع الفحم البيتوميني
• تُستخدم بشكل رئيسي في توليد الطاقة

3. الفحم البيتوميني

يُعد الفحم البيتوميني أحد أكثر أنواع الفحم استخداماً. وهو أسود اللون، وكثيف نسبياً، ويحتوي على نسبة كربون أعلى من الليغنيت أو الفحم شبه البيتوميني.

يتميز هذا الفحم بقيمة حرارية متوسطة إلى عالية. ويُستخدم عادةً في توليد الكهرباء، والتدفئة الصناعية، وإنتاج الأسمنت، وصناعة الصلب.

يتمتع بعض أنواع الفحم الحجري بالخصائص المناسبة لصنع فحم الكوك. وتشمل هذه الخصائص السيولة المناسبة والقوة والتركيب الكيميائي.

تشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

• اللون الأسود
• محتوى كربوني متوسط إلى مرتفع
• قيمة تدفئة جيدة
• مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية
• يمكن لبعض الدرجات إنتاج فحم الكوك المعدني

4. أنثراسيت

الفحم الأنثراسيت هو أعلى أنواع الفحم جودة. إنه صلب ولامع وغني بالكربون.

يحتوي على نسبة رطوبة ومواد متطايرة أقل من أنواع الفحم الأخرى. يحترق الأنثراسيت بلهب حار وينتج دخاناً أقل من العديد من أنواع الفحم الأقل جودة. مع ذلك، قد يكون إشعاله أكثر صعوبة.

يستخدم الأنثراسيت في التدفئة، وبعض العمليات الصناعية، ووسائط الترشيح، وبعض التطبيقات المعدنية.

تشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

• مظهر صلب ولامع
• محتوى عالٍ من الكربون الثابت
• مواد متطايرة منخفضة
• قيمة حرارية عالية
• يحترق بشكل أنظف من أنواع الفحم الأخرى الكثيرة

طرق أخرى لتصنيف الفحم

يمكن أيضاً تصنيف الفحم وفقاً لاستخدامه المقصود.

الفحم الحراري

يُحرق الفحم الحراري لتوليد الحرارة أو الكهرباء. ويُستخدم الفحم شبه البيتوميني والفحم البيتوميني بشكل شائع كفحم حراري.

فحم الكوك

يُعالَج فحم الكوك ليُصبح فحم الكوك المستخدم في صناعة الصلب. ويجب أن يتمتع بخصائص فيزيائية وكيميائية محددة. ولا يُمكن استخدام الفحم الحراري العادي كبديل له في جميع الأحوال.

فحم مسحوق بالحقن

يتم حقن الفحم المسحوق، أو PCI، في فرن الصهر بعد طحنه بدقة. ويمكن أن يحل محل جزء من فحم الكوك المطلوب أثناء إنتاج الحديد.

كيف يتم استخراج الفحم؟

تعدين الفحم هو عملية استخراج الفحم من رواسب تحت الأرض. وتعتمد طريقة التعدين على عمق طبقة الفحم وسمكها وشكلها وموقعها وتركيبها الجيولوجي.

النهجان الرئيسيان هما التعدين السطحي والتعدين تحت الأرض.

تعدين الفحم السطحي

يُستخدم التعدين السطحي عندما تكون طبقات الفحم قريبة نسبياً من سطح الأرض.

قبل إزالة الفحم، يقوم العمال بتنظيف الموقع وإزالة الطبقات العليا من التربة والصخور. تُعرف هذه الطبقة السطحية باسم الغطاء الصخري.

بعد الكشف عن طبقة الفحم، تقوم الحفارات والرافعات والشاحنات بإزالة الفحم ونقله.

أساليب التعدين السطحي الشائعة

التعدين السطحي

يُنتج التعدين السطحي حفرة كبيرة ذات سلسلة من المصاطب أو الدرجات. وهو مناسب لرواسب الفحم الواسعة القريبة من السطح.

التعدين السطحي

في التعدين السطحي، تُزال طبقات طويلة من التربة والصخور لكشف طبقة الفحم. بعد استخراج طبقة واحدة، يمكن استخدام المواد من الطبقة التالية لملء الحفرة السابقة.

إزالة قمة الجبل

تعتمد هذه الطريقة على إزالة الصخور من قمة الجبل أو التلال للوصول إلى طبقات الفحم الموجودة تحتها. وقد تُحدث تغييرات جذرية في المشهد الطبيعي، وهي مثيرة للجدل بشدة بسبب تأثيرها البيئي.

مزايا التعدين السطحي

عادةً ما يوفر التعدين السطحي العديد من المزايا التشغيلية:

• زيادة استخلاص الفحم
• انخفاض تكاليف الإنتاج
• سهولة استخدام الآلات الكبيرة
• سهولة الوصول إلى طبقة الفحم
• مخاطر السلامة تحت الأرض أقل

مع ذلك، يمكن أن يتسبب ذلك في إتلاف مساحات شاسعة من الأراضي. لذا، يجب إدارة الغبار والضوضاء وتلوث المياه وفقدان التربة وتلف الموائل بعناية.

تعدين الفحم تحت الأرض

يُستخدم التعدين تحت الأرض عندما تكون رواسب الفحم عميقة جدًا بحيث لا يمكن استخراجها اقتصاديًا من السطح.

يصل العمال والمعدات إلى الفحم عبر الأعمدة أو المنحدرات أو الأنفاق. وتوفر أنظمة التهوية الهواء النقي وتزيل غاز الميثان وغبار الفحم والحرارة وغازات العادم.

يُعد التعدين تحت الأرض أكثر تعقيداً من التعدين السطحي. كما أنه ينطوي على مخاطر مثل انهيار السقف، والحرائق، والانفجارات، والفيضانات، والتعرض للغبار، وحوادث المعدات.

أساليب التعدين تحت الأرض الشائعة

التعدين باستخدام الغرف والأعمدة

في التعدين باستخدام الغرف والأعمدة، يستخرج عمال المناجم الفحم من شبكة من الغرف تحت الأرض. وتُترك أجزاء من الفحم في مكانها كأعمدة لدعم سقف المنجم.

قد تتم إزالة بعض الدعامات لاحقاً أثناء عمليات التعدين التراجعية. وهذا يسمح باستخراج كميات أكبر من الفحم، ولكنه يتطلب تحكماً دقيقاً في استقرار السقف.

التعدين بالجدران الطويلة

يستخدم التعدين بالجدران الطويلة معدات قطع آلية لإزالة الفحم على طول جبهة عمل طويلة.

تدعم دعامات هيدروليكية السقف بالقرب من آلة القطع. ومع تحرك المعدات للأمام، يُسمح للسقف خلف الدعامات بالانهيار بطريقة مُتحكم بها.

يمكن أن يحقق التعدين بالجدران الطويلة معدلات إنتاج عالية، ولكنه يتطلب أيضاً استثمارات ضخمة وتخطيطاً جيولوجياً دقيقاً.

معالجة الفحم بعد التعدين

غالباً ما يحتوي الفحم المستخرج حديثاً على صخور وتربة ومعادن كبريتية وشوائب أخرى. وقد يحتاج إلى معالجة قبل بيعه.

تتضمن خطوات المعالجة النموذجية ما يلي:

1. سحق: يتم تقليص القطع الكبيرة إلى حجم مناسب.
2. العرض: يتم فصل الفحم إلى نطاقات أحجام مختلفة.
3. غسل: تُستخدم الاختلافات في الكثافة لإزالة الصخور والمواد المعدنية.
4. نزح المياه: يتم إزالة الماء الزائد بعد الغسيل.
5. مزج: يتم خلط أنواع مختلفة من الفحم لتلبية متطلبات العملاء.
6. التخزين والنقل: يتم تخزين الفحم المصنّع ثم نقله بالشاحنات أو السكك الحديدية أو البارجات أو السفن.

يمكن أن يؤدي تحضير الفحم إلى تحسين جودة الوقود وتقليل الرماد. لا يمكنه إزالة جميع الملوثات، ولكنه قد يجعل الفحم أكثر ملاءمة لاستخدام معين.

ما هو الفحم؟

الفحم مادة خفيفة الوزن وغنية بالكربون مصنوعة من الكتلة الحيوية.

يُعد الخشب أكثر المواد الخام شيوعاً. ويمكن أيضاً استخدام الخيزران وقشور جوز الهند وقشور المكسرات والمخلفات الزراعية وغيرها من المواد النباتية.

لا يتشكل الفحم النباتي بشكل طبيعي تحت الأرض مثل الفحم الحجري. بل يُنتج عن طريق تسخين الكتلة الحيوية في بيئة قليلة الأكسجين أو خالية منه. وتؤدي هذه العملية إلى إزالة معظم الماء والمواد المتطايرة من المادة الخام.

تحتوي المادة الصلبة المتبقية على نسبة عالية من الكربون. وهي أسهل في النقل من الخشب الطازج، ويمكن أن تحترق عند درجة حرارة أعلى وأكثر استقراراً.

قد يستغرق إنتاج الفحم بضع ساعات أو عدة أيام. ويعتمد الوقت على المواد الخام والمعدات ودرجة الحرارة وجودة المنتج المطلوبة.

استخدامات الفحم

للفحم استخدامات منزلية وتجارية وصناعية وبيئية عديدة.

1. الطبخ والشواء

يُعد الطبخ أحد أشهر استخدامات الفحم.

يُستخدم الفحم الخام وقوالب الفحم المضغوطة بشكل شائع في الشوايات والأفران ومواقد الطهي التقليدية. وبمجرد اشتعالها بالكامل، يمكنها توفير حرارة ثابتة لفترة طويلة.

يمكن أن يصل الفحم الخام إلى درجات حرارة عالية بسرعة. أما قوالب الفحم المضغوطة فتتميز عادةً بشكل أكثر انتظاماً واحتراق يمكن التنبؤ به.

يجب استخدام الفحم المصنوع والمعتمد للطهي فقط مع الطعام. قد يؤدي استخدام الخشب المعالج أو الخشب المطلي أو الفحم الذي يحتوي على إضافات غير مناسبة إلى إطلاق مواد ضارة.

2. التدفئة المنزلية

يُستخدم الفحم للتدفئة في المنازل وورش العمل والمطاعم والشركات الصغيرة.

يتميز بصغر حجمه وسهولة تخزينه. كما أنه ينتج دخاناً أقل وضوحاً من الحطب الخام عند حرقه بشكل صحيح.

مع ذلك، يُعدّ حرق الفحم في الأماكن المغلقة خطيراً في غياب التهوية المناسبة. ينتج عن حرق الفحم غاز أول أكسيد الكربون، وهو غاز عديم اللون والرائحة، وقد يؤدي التعرض له إلى تسمم حاد أو الوفاة.

3. علم المعادن وتشكيل المعادن

للفحم تاريخ طويل في إنتاج المعادن.

قبل أن يصبح فحم الكوك متوفراً على نطاق واسع، كان الفحم النباتي وقوداً رئيسياً لصهر الحديد. فقد كان يوفر الحرارة والكربون. كما استخدمه الحدادون في الأفران.

لا يزال الفحم يُستخدم اليوم في بعض العمليات المعدنية. وفي بعض البلدان، يُستخدم الفحم المتجدد في إنتاج الحديد الزهر والسيليكون والسبائك الحديدية.

4. إنتاج الكربون المنشط

خط إنتاج الكربون المنشط

يمكن معالجة الفحم بشكل أكبر لصنع الكربون المنشط، والذي يسمى أيضًا الفحم المنشط.

أثناء عملية التنشيط، يكتسب الفحم مساحة سطح داخلية كبيرة وشبكة من المسام الدقيقة. تستطيع هذه المسام احتجاز بعض الغازات والروائح والألوان والمواد المذابة عن طريق الامتزاز.

يُستخدم الكربون المنشط في:

• فلاتر مياه الشرب
• معالجة مياه الصرف الصحي
• أنظمة تنقية الهواء
• معالجة الغازات الصناعية
• معالجة الأغذية والمشروبات
• استخلاص الذهب
• التنقية الكيميائية
• بعض العلاجات الطبية

الفحم النشط ليس كالفحم العادي المستخدم في الشواء. يتم تصنيع المنتجين واختبارهما لأغراض مختلفة.

5. الزراعة وتحسين التربة

يمكن إضافة نوع خاص من الفحم يسمى الفحم الحيوي إلى التربة.

قد يُساهم الفحم الحيوي في تحسين بنية التربة، وقدرتها على الاحتفاظ بالماء، وإدارة العناصر الغذائية. ويعتمد تأثيره على المواد الأولية، ودرجة حرارة الإنتاج، وظروف التربة، والمناخ، وطريقة التطبيق.

يمكن للفحم الحيوي أيضاً تخزين الكربون المستقر في التربة. ولهذا السبب، تتم دراسته كأداة لإدارة الكربون والزراعة المستدامة.

6. الفن والرسم

يستخدم الفنانون الفحم لإنشاء الرسومات التخطيطية والرسومات النهائية.

يمكن صنع فحم الرسم من الصفصاف أو الكرمة أو مسحوق الفحم المضغوط. وهو يُنتج علامات سوداء داكنة، ويمكنه إنتاج تظليل ناعم وخطوط قوية.

يختلف فحم الرسم عن فحم الوقود. فهو يُصنع ليوفر ملمساً متجانساً وجودة رسم عالية.

7. التحكم في الرائحة والرطوبة

تُستخدم بعض منتجات الفحم لامتصاص الروائح أو للمساعدة في إدارة الرطوبة في الأماكن المغلقة.

يمكن وضعها في الخزائن، أو الأحذية، أو السيارات، أو الثلاجات، أو الغرف. ويُسوّق فحم الخيزران عادةً لهذا الغرض.

يعتمد الأداء الفعلي على بنية مسام الفحم ومساحة سطحه وكميته وظروف تعرضه.

الأنواع الرئيسية للفحم

يمكن تصنيف الفحم حسب مادته الخام وشكله وطريقة تصنيعه واستخدامه النهائي.

1. فحم كتلي

يُصنع الفحم الخام عن طريق تفحيم قطع من الخشب الطبيعي.

يحتفظ الخشب بجزء كبير من شكله الأصلي وحبيباته. وتختلف أحجام القطع وقد تحترق بمعدلات متفاوتة.

يشتعل الفحم الخام عادةً بسرعة ويصل إلى درجة حرارة عالية. كما أنه يحتوي على مواد رابطة أقل من معظم قوالب الفحم المضغوط.

تشمل الاستخدامات الشائعة ما يلي:

• طهي الشواء
• الشواء في المطاعم
• الأفران التقليدية
• الحدادة
• التدفئة الصناعية على نطاق صغير

2. قوالب الفحم المضغوط

يتم تصنيع قوالب الفحم من مسحوق الفحم أو جزيئات الفحم الصغيرة.

تُخلط المادة بمادة رابطة وتُضغط لتشكيل أشكال متجانسة. وبحسب المنتج، قد تُضاف مكونات أخرى للتحكم في الاشتعال أو تكوّن الرماد أو سرعة الاحتراق.

تحترق قوالب الفحم المضغوط عادةً بشكل أكثر انتظاماً من الفحم الخشبي. كما أن حجمها المنتظم يجعل تعبئتها وتخزينها ونقلها أسهل.

تشمل الأشكال الشائعة ما يلي:

• قوالب فحم على شكل وسادة
• قوالب سداسية الشكل
• قوالب فحم مكعبة
• قوالب فحم مستديرة
• قوالب فحم على شكل قضبان

3. فحم الخشب الصلب

يُصنع الفحم المصنوع من الخشب الصلب من أنواع الخشب الكثيفة مثل البلوط والزان والقيقب أو خشب الفاكهة.

يُقدّر هذا النوع من الحطب عادةً لطول مدة احتراقه وارتفاع درجة حرارته. ويُستخدم على نطاق واسع في الشواء والمطاعم وبعض العمليات الصناعية.

يعتمد أداؤها الدقيق على نوع الخشب وعملية التفحيم.

4. فحم الخيزران

يتم إنتاج فحم الخيزران من سيقان الخيزران أو فروعه أو مخلفات المعالجة.

ينمو الخيزران بسرعة، مما يجعله مادة خام جذابة لإنتاج الفحم في المناطق المناسبة. ويمكن استخدام المادة المصنعة كوقود أو معالجتها لإنتاج منتجات للترشيح، والتحكم في الروائح، وإدارة الرطوبة، وتحسين التربة.

5. فحم قشرة جوز الهند

يتم إنتاج فحم قشرة جوز الهند من قشور جوز الهند المهملة.

يتميز فحم قشر جوز الهند بصلابته وكثافته، وعادةً ما يكون محتواه من الرماد منخفضًا. ويمكنه الاحتراق لفترة طويلة. ويُستخدم هذا الفحم عادةً في صناعة قوالب الشواء، وفحم الشيشة، والفحم النشط.

كما أن استخدامها يخلق قيمة من منتج ثانوي زراعي.

6. الفحم النشط

تمت معالجة الفحم النشط لإنشاء بنية مسامية للغاية.

يمكن إنتاجه من الخشب، أو قشور جوز الهند، أو الفحم، أو الخث، أو غيرها من المواد الغنية بالكربون. وعادةً ما تتم عملية التنشيط باستخدام البخار، أو ثاني أكسيد الكربون، أو مواد كيميائية محددة.

يُستخدم الفحم النشط بشكل أساسي للامتصاص والتنقية، ولا يُستخدم عادةً كوقود للطهي.

7. الفحم الحيوي

الفحم الحيوي هو نوع من الفحم يتم إنتاجه بشكل أساسي لاستخدامه في التربة والإدارة البيئية.

تُضبط عملية التصنيع لإنتاج مادة مستقرة غنية بالكربون. كما يجب فحص الفحم الحيوي عالي الجودة للتأكد من خلوه من الملوثات غير المرغوب فيها قبل استخدامه في الزراعة.

8. الفحم المبثوق

يتم تصنيع الفحم المبثوق عن طريق ضغط الكتلة الحيوية المطحونة أو مسحوق الفحم في شكل جذوع أو قضبان أو أشكال سداسية.

تُصنع بعض المنتجات من الكتلة الحيوية الخام ثم تُكربن. بينما تُصنع منتجات أخرى عن طريق ضغط مواد سبق تكربنها.

غالباً ما يحتوي الفحم المبثوق على ثقب مركزي. هذا يحسن تدفق الهواء ويساعد المنتج على الاحتراق بشكل متساوٍ.

كيف يتم إنتاج الفحم؟

يتم إنتاج الفحم من خلالعملية الكربنةوهو شكل من أشكال التحلل الحراري.

خلال هذه العملية، يتم تسخين الكتلة الحيوية بكمية محدودة من الأكسجين. لا تحترق المادة بالكامل، بل تعمل الحرارة على تفكيكها إلى فحم وغازات وأبخرة وقطران وسوائل أخرى.

تتضمن عملية الإنتاج الأساسية عدة مراحل.

1. اختيار المواد الخام

يختار المنتج مادة خام مناسبة.

تشمل الخيارات الشائعة ما يلي:

• الخشب الصلب
• الخشب اللين
• الخيزران
• قشور جوز الهند
• قشور الجوز
• نشارة الخشب
• رقائق الخشب
• المخلفات الزراعية

تؤثر المواد الأولية على كثافة الفحم، ومحتواه من الرماد، وقوته، وبنية مسامه، ووقت احتراقه، واستخدامه النهائي.

يُعدّ استخدام مواد خام نظيفة أمراً ضرورياً. لا ينبغي استخدام الخشب المطلي أو المعالج كيميائياً أو الملوث لصنع فحم الطهي.

2. التجفيف

تحتوي الكتلة الحيوية الطازجة على الماء. الرطوبة الزائدة تبطئ العملية وتزيد من استهلاك الطاقة.

لذا، تُجفف المادة الخام بالهواء أو ميكانيكياً قبل عملية التفحيم. ويمكن لمستوى رطوبة ثابت أن يحسن كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.

3. التسخين

يتم وضع المادة المجففة في فرن أو معوجة أو فرن أو غرفة تفحيم.

ثم يُسخّن الخشب مع تقليل كمية الأكسجين. تحرق بعض الأنظمة جزءًا من الخشب لتوفير الحرارة. أما الأنظمة الحديثة، فتستطيع جمع الغازات المنبعثة أثناء عملية التفحيم وإعادة استخدامها.

4. التفحيم

مع ارتفاع درجة الحرارة، يغادر الماء والمركبات المتطايرة الكتلة الحيوية.

تصبح المادة تدريجياً أغمق لوناً وأكثر غنى بالكربون. وتؤثر درجة حرارة المعالجة تأثيراً كبيراً على المنتج النهائي، حيث تقلل درجات الحرارة المرتفعة عموماً من المواد المتطايرة وتزيد من محتوى الكربون الثابت.

يُعد التحكم الدقيق في درجة الحرارة أمراً بالغ الأهمية. فإذا دخلت كمية كبيرة من الأكسجين إلى الحجرة، فقد تحترق المادة وتتحول إلى رماد بدلاً من أن تصبح فحماً.

5. التبريد

يبقى الفحم الطازج ساخناً للغاية وقد يشتعل عند تعرضه للهواء.

يجب تبريده في بيئة مغلقة أو مضبوطة. لا يمكن التسرع في هذه المرحلة. قد يؤدي التبريد غير السليم إلى نشوب حرائق وتقليل الإنتاج النهائي.

6. التكسير والغربلة والتشكيل

يمكن غربلة الفحم الخام وتقسيمه إلى أحجام مختلفة.

لإنتاج قوالب الفحم المضغوط، تُسحق قطع الفحم الصغيرة والمسحوق، وتُخلط مع مادة رابطة، ثم تُضغط. بعد ذلك، تُجفف القوالب المشكلة قبل تعبئتها.

7. فحص الجودة والتعبئة والتغليف

يمكن اختبار الفحم المُصنّع للتأكد من:

• رُطُوبَة
• الكربون الثابت
• المواد المتطايرة
• محتوى الرماد
• القيمة الحرارية
• كثافة
• القوة الميكانيكية
• وقت الاحتراق
• توزيع الأحجام

تعتمد المواصفات المطلوبة على ما إذا كان سيتم استخدام الفحم للطهي أو التدفئة أو التعدين أو الترشيح أو الزراعة.

أنظمة إنتاج الفحم الشائعة

توفر التقنيات المختلفة مستويات مختلفة من التحكم والكفاءة والأداء البيئي.

أفران الطين التقليدية

يتم تكديس الخشب وتغطيته بالتراب قبل أن يتم تحويله إلى كربون ببطء.

لا تتطلب هذه الطريقة معدات كثيرة، لكن يصعب التحكم بها. وقد ينتج عنها دخان كثيف، وفحم غير متجانس، وإنتاجية منخفضة.

أفران الطوب

توفر أفران الطوب تحكمًا أفضل ويمكن استخدامها بشكل متكرر. وهي شائعة في إنتاج الفحم التجاري.

تعتمد كفاءتها على تصميم الفرن، وخبرة المشغل، وتدفق الهواء، وإدارة الحرارة.

أفران معدنية

يمكن نقل أفران المعادن المتنقلة بالقرب من مصدر المواد الخام. وهي أسرع من العديد من الأنظمة التقليدية وتوفر تحكمًا أفضل.

قد تكون قدرتها أقل من قدرة المنشآت الثابتة الكبيرة.

أنظمة التعقيم

تقوم أجهزة التعقيم بتسخين الكتلة الحيوية داخل حجرة مضبوطة.

تستطيع أجهزة الحرق الحديثة استعادة الغازات المنبعثة أو حرقها لتوفير جزء من الحرارة المطلوبة، مما يُحسّن الكفاءة ويقلل الدخان، كما أنها توفر جودة فحم أكثر اتساقًا.

الفحم مقابل الفحم النباتي: ما الفرق؟

يحتوي كل من الفحم والفحم النباتي على نسبة عالية من الكربون، لكن لا ينبغي التعامل معهما كمادة واحدة. ويمكن توضيح الاختلافات الرئيسية بينهما من خلال النقاط التالية.

1. المصدر

يأتي الفحم من مواد نباتية قديمة مدفونة تحت الأرض.

يُستخرج الفحم النباتي من الكتلة الحيوية الحديثة مثل الخشب والخيزران وقشور جوز الهند أو المخلفات الزراعية.

يتم استخراج الفحم. ويتم تصنيع الفحم النباتي.

2. عملية التكوين

يتشكل الفحم بشكل طبيعي من خلال الحرارة والضغط والتغيرات الجيولوجية. وتستغرق هذه العملية ملايين السنين.

يُنتج الفحم النباتي عن طريق تسخين الكتلة الحيوية في بيئة منخفضة الأكسجين. وقد تستغرق عملية الإنتاج بضع ساعات أو عدة أيام، وذلك حسب المعدات المستخدمة.

3. الطاقة المتجددة

الفحم مورد أحفوري غير متجدد. واحتياطياته محدودة.

يمكن أن يكون الفحم متجدداً عند إنتاجه من غابات تُدار بشكل مسؤول، أو من الخيزران سريع النمو، أو من مخلفات زراعية. لكنه ليس مستداماً بالضرورة. فقد يُساهم إنتاج الفحم في إزالة الغابات إذا كانت المواد الخام مُستخرجة بشكل غير مستدام.

4. المظهر الجسدي

الفحم عادةً ما يكون صخراً كثيفاً. وقد يتراوح لونه من البني إلى الأسود اللامع.

الفحم النباتي أخف وزناً وأكثر مسامية بشكل عام. غالباً ما يحتفظ فحم الخشب بالبنية المرئية للخشب الأصلي.

5. محتوى الكربون والرطوبة

تختلف جودة الفحم اختلافاً كبيراً باختلاف رتبته. يحتوي الليغنيت على نسبة رطوبة عالية، بينما يحتوي الأنثراسيت على نسبة أعلى من الكربون الثابت.

يحتوي الفحم المنتج بشكل صحيح على نسبة رطوبة ومواد متطايرة أقل بكثير من الخشب الخام. وتعتمد نسبة الكربون فيه بدقة على المادة الخام ودرجة حرارة التفحيم.

لا توجد قاعدة واحدة تنص على أن جميع أنواع الفحم النباتي تحتوي على نسبة كربون أعلى من جميع أنواع الفحم الحجري. فالنتيجة تعتمد على نوع الفحم الحجري ودرجة الفحم النباتي المستخدم.

6. سلوك الاشتعال والاحتراق

يُعد الفحم النباتي عادةً أسهل في الاشتعال من الأنثراسيت وبعض أنواع الفحم الأخرى عالية الجودة. ويمكنه توفير حرارة نظيفة وثابتة بمجرد اشتعاله بالكامل.

يختلف سلوك احتراق الفحم باختلاف نوعه. فبعض أنواع الفحم تنتج كميات أكبر من الدخان وانبعاثات الكبريت والرماد والسخام. وبشكل عام، يحترق الفحم عالي الجودة بشكل مختلف عن الليغنيت أو الفحم شبه البيتوميني.

يمكن أن ينتج كلا النوعين من الوقود أول أكسيد الكربون. ولا ينبغي حرق أي منهما في مكان مغلق دون تهوية مناسبة.

7. الرماد والكبريت

غالباً ما يحتوي الفحم على مواد معدنية وكبريت أكثر من الفحم النباتي. وتبقى هذه المواد على شكل رماد أو تشكل انبعاثات أثناء الاحتراق.

قد يحتوي الفحم عالي الجودة على مستويات منخفضة نسبيًا من الرماد والكبريت. وتعتمد النتيجة الفعلية على المواد الخام، وتلوث التربة، والمواد المضافة، وعملية الإنتاج.

قد تنتج قوالب الفحم المضغوطة رماداً أكثر من الفحم الطبيعي إذا تمت إضافة مواد مالئة معدنية.

8. التطبيقات الرئيسية

يُستخدم الفحم بشكل رئيسي في:

• توليد الكهرباء
• إنتاج الصلب
• صناعة الأسمنت
• الغلايات الصناعية
• الإنتاج الكيميائي

يُستخدم الفحم بشكل أساسي في:

• الشواء والطبخ
• التدفئة على نطاق صغير
• تشكيل المعادن
• إنتاج الكربون المنشط
• تحسين التربة
• مواد فنية

قد تتداخل تطبيقاتها، لكنها ليست قابلة للتبادل دائمًا.

9. الأثر البيئي

يمكن أن يؤدي استخراج الفحم إلى إتلاف التربة، والتأثير على أنظمة المياه، وتكوين الغبار، وإطلاق غاز الميثان. كما ينتج عن حرق الفحم كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وملوثات الهواء.

يمكن أن يكون للفحم تأثير أقل على انبعاثات الكربون الأحفوري عند استخراجه من الكتلة الحيوية المستدامة. مع ذلك، قد تُطلق الأفران غير الفعالة دخانًا وغاز الميثان وأول أكسيد الكربون وغازات أخرى. كما أن الحصاد غير المستدام قد يُلحق الضرر بالغابات والنظم البيئية المحلية.

يعتمد الأداء البيئي للفحم بشكل كبير على مصدر الكتلة الحيوية وكيفية إنتاجها.

10. التخزين والسلامة

يمكن أن تُنتج أكوام الفحم غباراً وقد ترتفع درجة حرارتها نتيجة الأكسدة. تتطلب الأكوام الكبيرة إدارة دقيقة لدرجة الحرارة والرطوبة ومكافحة الحرائق.

يتميز الفحم أيضاً بقدرته على التسخين الذاتي، خاصةً عندما يكون طازجاً أو دافئاً أو سيئ التهوية. يجب تبريده تماماً قبل تخزينه ونقله.

يجب إبقاء كلا المادتين جافتين وبعيدتين عن مصادر الاشتعال.

جدول مقارنة سريع

ميزة	الفحم	فحم
المادة الأساسية	صخور طبيعية غنية بالكربون	الكتلة الحيوية المتفحمة
المصدر الرئيسي	نباتات قديمة مدفونة	الخشب، أو الخيزران، أو الأصداف، أو مخلفات النباتات
كيفية الحصول عليه	تم استخراجها عن طريق التعدين	يتم إنتاجه من خلال عملية التفحيم
وقت التكوين	ملايين السنين	ساعات أو أيام
الطاقة المتجددة	غير متجدد	قابلة للتجديد
الوزن والهيكل	عادة ما تكون كثيفة وشبيهة بالصخور	عادة ما تكون خفيفة ومسامية
الأنواع الرئيسية	الليغنيت، شبه البيتوميني، البيتوميني، الأنثراسيت	كتلة، قوالب، خيزران، قشرة جوز الهند، فحم نشط، فحم حيوي
الاستخدامات الرئيسية	الطاقة، والصلب، والأسمنت، والمواد الكيميائية	الطبخ، والتدفئة، والتنقية، والزراعة، وتشكيل المعادن
مشكلة مشتركة	أضرار التعدين وانبعاثات الكربون الأحفوري	إزالة الغابات والإنتاج غير الفعال
السلامة الداخلية	يمكن أن ينتج أول أكسيد الكربون	يمكن أن ينتج أول أكسيد الكربون

خاتمة

يشترك الفحم والفحم النباتي في سمة مهمة واحدة: كلاهما يحتوي على كمية كبيرة من الكربون. عدا ذلك، فهما مادتان مختلفتان تماماً.

الفحم وقود أحفوري يتكون تحت الأرض على مدى ملايين السنين. ويُستخرج من خلال التعدين السطحي أو تحت الأرض. وتشمل استخداماته الرئيسية توليد الطاقة، وصناعة الصلب، وإنتاج الإسمنت، والتدفئة الصناعية.

يُصنع الفحم النباتي من الخشب ومواد نباتية أخرى، وذلك عن طريق التفحيم في ظل ظروف محدودة الأكسجين. وتتنوع استخداماته بين الطهي وصناعة المعادن ومعالجة المياه وتحسين التربة.

يعتمد اختيار الفحم أو الفحم النباتي على الاستخدام. يجب مراعاة جودة الوقود، والتكلفة، والتوافر، والانبعاثات، والسلامة، ومصادر المواد الخام. والأهم من ذلك، يجب عدم استخدام المصطلحين وكأنهما يصفان المنتج نفسه.