كيف يتكون الفحم الحجري ؟.. ومراحلها

ما هو الفحم الحجري

الفحم هو عبارة عن رواسب رسوبية تتكون في الغالب من كربون قابل للاحتراق، ويكون لونه أسود أو بني-أسود، وله تركيبة تتكون من المادة الكربونية بنسبة أكثر من 50 في المائة من حيث الوزن وأكثر من 70 في المائة من حيث حجم، كما يتكون الفحم من بقايا نبات دفنت وتم ضغطها وتصلبها وتغييرها كيميائيًا وتحويلها بالحرارة والضغط على مدار الزمن الجيولوجي.

ويوجد الفحم في كل دول العالم -بما في ذلك الولايات المتحدة- في الأماكن التي كانت توجد في مكانها غابات ومستنقعات قديمًا قبل دفنها وضغطها على مدى ملايين السنين، كما تم العثور على أكبر رواسب الفحم في حوض الأبلاش في شرق الولايات المتحدة، وحوض إلينوي في منطقة وسط القارة، وعبر العديد من الأحواض وحقول الفحم في غرب الولايات المتحدة وألاسكا.[1]

كان الفحم بديلًا رئيسيًا للوقود التقليدي والخشب، حيث كانت بريطانيا مزودة بالفحم بشكل جيد وكان هذا وقودها الأساسي، كما أنه أرخص بكثير من الوقود التقليدي والخشب، وقد أدت زيادة الطلب على الفحم إلى التوسع في التعدين، ولكن مع زيادة عمق تعدينهم بحثًا عن الفحم الحجري واجهوا مشكلة الفيضانات، وقد ساعد “توماس نيوكمان” في حل هذا الأمر؛ حيث اخترع مضخة تتحكم في قوة البخار لضخ المياه من المناجم، وشملت التطورات الأخرى محرك جيمس وات الذي حسّن من أداء مضخة نيوكومن، وأدى اختراع هذه المضخات إلى التعدين بشكل جيد ومنع خطر الفياضات.[2]

مراحل تكوين الفحم الحجري

تتشابه مراحل تكوين الفحم الحجري مع مراحل تكوين الصخور الرسوبية، كما أنه يشبهه في الشكل الخارجي، ولكنه ذو لون أسود أو بني غامق، كما أنه له العديد من الاستخدامات المهمة في حياتنا اليومية، وترجع بداية عملية تكوين الفحم إلى ملايين السنين، حيث أنه يستغرق في تكوينه الكثير من الوقت والضغط والحرارة تحت الأرض، وهو غني بالكربون والهيدروكربونات الغنية بالطاقة المتحررة من الإحتراق، وكان الفحم في الأصل نباتًا بأشكال مختلفة، تم إغراقه بكميات كبيرة من الرواسب الكثيرة؛ مما تسبب في تعرضه للحرارة الشديدة والضغط لإطلاق الأكسجين منه، تاركًا وراءه الكربون والهيدروكربونات، والتي بدورها كوّنت الفحم الحجري.

كما يحتوي الفحم الحجري على كميات كبيرة من الكربون تصل إلى 50٪ من الوزن الإجمالي؛ وهذا ما يكسبه لونه الأسود وصلابته وسرعة اشتعاله، وتكون الفحم الحجري من العصر الطباشيري، وذلك قبل حوالي 290-360 مليون سنة، وقد بدأ تكوين الفحم الحجري في المناطق التي كان بها مستنقعات وغابات، ونتيجة لذلك، بدأت النباتات في إنتاج الثمار بشكل أسرع مما كانت عليه، وبكميات كبيرة كان على الإنسان تقطيعها وجمعها ثم دفنها تحت الأرض لإعادة تدويرها وتحويلها للفحم الحجري. ويمر الفحم بعدة مراحل أساسية لتكوينه، ومن

مراحل تكوين الفحم الحجري

ما يأتي:[3]

• 
  المرحلة الأولى
  

بعد موت الأشجار والنباتات والسراخس والشجيرات والكرومات والطحالب في مناطق المستنقعات والغابات القديمة وتتجمع في منطقة محددة على الأرض، تتحلل المادة العضوية في هذه النباتات بواسطة البكتيريا الموجودة في الأرض بشكل طبيعي، مما ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون والميثان.

• 
  المرحلة الثانية
  

عندما يتم دفن النباتات تحت الأرض وعزلها عن الهواء لفترة طويلة، تبدأ البكتيريا اللاهوائية في التحلل وإفساد هيكلها، وتستغرق هذه العملية ملايين السنين على مدى الزمن لإنتاج عدة أمتار من المواد النباتية المتحللة والتي تعرف باسم الخث.

• 
  المرحلة الثالثة
  

عندما يتم دفن الخث في عمق كبير، يتم طرد الماء والمركبات الأخرى منه بسبب زيادة الضغط ويبدأ الفحم في التكوين، ولكنه يكون ذو جودة اشتعال منخفضة.

• 
  المرحلة الرابعة
  

ينتج عن استمرار عملية الدفن زيادة في الضغط ودرجة الحرارة تحت الأرض على مدى الزمن، مما يؤدي إلى التحول من انخفاض جودة اشتعال الفحم إلى زيادته وتحويله إلى فحم حجري أسود.

تشكل الفحم الحجري

تخزن النباتات الطاقة الشمسية من خلال عملية التمثيل الضوئي، وعند موت تلك النباتات فإنها تطلق هذه الطاقة الشمسية تدريجيًا حيث تتحلل بقاياها. ومع ذلك، إذا تم استيفاء الشروط الصحيحة تتوقف بقايا النباتات عن التحلل وبالتالي يؤدي ذلك إلى الحفاظ على الطاقة المخزنة خلال دورة حياتها.

بسبب حركة قشرة الأرض والصفائح التكتونية التي تتكون منها القشرة، تبدأ كميات كبيرة من النباتات الميتة في المستنقعات والبحيرات المغمورة جزئيًا والمدفونة في أعماق الأرض في التعرض للحرارة والضغط الهائلين تحت الأرض، مما يتسبب في بعض التغيرات الفيزيائية والكيميائية في بنية النبات نفسها، وتحويلها إلى ما يسمى ب”الخث”، وبعد ذلك على مدى ملايين السنين، تصبح هذه الأجزاء فحمًا حجريًا كما نحن نعرفه اليوم.

عملية الكربنة


:

وهي عملية تحويل المخلفات النباتية السابق ذكرها إلى فحم حجري، وتختلف نسبة تفحم بقايا النباتات باختلاف عمرها وتكوينها والعوامل الفيزيائية المحيطة بها في الأرض، كما تحدد درجة التفحم نوع الفحم الذي يتم إنتاجه في النهاية، كما يعتمد النوع الذي يُنسب إليه الفحم الحجري على درجة تحول بقايا النبات إلى مركب الكربون.[4]

أنواع الفحم الحجري

ينقسم الفحم الحجري إلى أربعة أنواع أساسية على أساس الكفاءة وتركيز الكربون به، وهي كالتالي:[5]

• 
  أنثراسايت
  
  
  (Anthracite)
  

وهو يحتوي على كمية أكبر من الكربون وأقل تطايرًا، لذلك يعتبر من أفضل أنواع الفحم، ويعرف أيضًا ب”الفحم الصلب”.

• 
  البتيومينيوم
  
  
  (Bituminous)
  

وهو أكثر أنواع الفحم استخداماً لأنه يحترق بالكثير من الطاقة الحرارية ويعتبر فحمًا متوسط ​​الجودة.

• 
  السبتيوميني
  
  
  (Soptituminous)
  

يتميز بلونه الأسود الداكن، ويقع بالمرتبة الثالثة في الطاقة الحرارية والكفاءة.

• 
  الليجنيت
  
  
  (Lignite)
  

يمتلك أقل نسبة كربون بين جميع أنواع الفحم، لذلك فهو من أسوأ أنواع الفحم، ولونه بني نتيجة لقلة نسبة الكربون به.

استهلاك الفحم الحجري حول العالم

أما بالنسبة لاستهلاك الفحم؛ ففي عام 2020، تم استهلاك حوالي 477 مليون طن من الفحم في الولايات المتحدة على أساس استخدامه في توليد الطاقة كبديل للوقود، وكان هذا المقدار يساوي حوالي 9.2 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية (Btu) وحوالي 10٪ من إجمالي استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة، وكانت هذه أقل نسبة مئوية من إجمالي استهلاك الولايات المتحدة السنوي للطاقة منذ عام 1949م، ويجدر بنا ذكر أن الاستخدام الرئيسي للفحم حاليًا في الولايات المتحدة اليوم هو لتوليد الكهرباء؛ حيث يمثل قطاع الطاقة الكهربائية غالبية استهلاك الفحم في الولايات المتحدة منذ عام 1961.[6]

الفرق بين الفحم الحجري والفحم النباتي

وردًا على سؤال “ما

الفرق بين الفحم الحجري والفحم النباتي

“، يمكننا توضيح الفروق من خلال السطور التالية:

• 
  الفحم النباتي
  

إنه وقود أحفوري منخفض السعر يحتوي على الكربون المنشط، ويستخدم الفحم النباتي في معظم الفنادق والمنازل في المناطق الحضرية والريفية، ويتم صنع هذا النوع من الفحم من خلال احتراق كميات كبيرة من الخشب في فرن خاص بذلك، ويتم ترتيب الخشب في دائرة، ومغطى بطبقة من الفحم المسحوق، ثم يتم رشه بالماء الفاتر، ويمكن أن تستغرق العملية من أسبوع إلى أسبوعين فقط، حسب على كمية الخشب والضوابط التي تتحكم في آلية عملية الحرق.[7]

• 
  الفحم الحجري
  

أما الفحم الحجري فهو أكثر أنواع الفحم وفرة على وجه الأرض، وهو مصدر غير متجدد للطاقة؛ لأن تكوينه يستغرق ملايين السنين تحت الأرض عن طريق دفن الرواسب النباتية وبقايا الأشجار وزيادة درجة الحرارة والضغط عليها، وبسبب زيادة الضغط في ظل هذه الظروف، وبسبب الضغط المفرط في هذه الظروف، تظل النباتات المدفونة خالية من الأكسجين؛ ويرجع ذلك إلى وجود الطين والمياه الحمضية، وبمرور الوقت تتحول النباتات المدفونة الغنية بالكربون إلى فحم وتسمى هذه العملية ب”الكربنة”.[8]