Bituminous coal

Bituminous coal, or black coal, is a type of coal containing a tar-like substance called bitumen or asphalt. Its coloration can be black or sometimes dark brown;^[1] often there are well-defined bands of bright and dull material within the seams. It is typically hard but friable. Its quality is ranked higher than lignite and sub-bituminous coal, but lesser than anthracite. It is the most abundant rank of coal, with deposits found around the world, often in rocks of Carboniferous age. Bituminous coal is formed from sub-bituminous coal that is buried deeply enough to be heated to 85 °C (185 °F) or higher.

Bituminous coal is used primarily for electrical power generation^[2] and in the steel industry. Bituminous coal suitable for smelting iron (coking coal or metallurgical coal) must be low in sulfur and phosphorus. It commands a higher price than other grades of bituminous coal (thermal coal) used for heating and power generation.

Within the coal mining industry, this type of coal is known for releasing the largest amounts of firedamp, a dangerous mixture of gases that can cause underground explosions. Extraction of bituminous coal demands the highest safety procedures involving attentive gas monitoring, good ventilation and vigilant site management.

Bituminous coal is a particular rank of coal, as determined by the amount and type of carbon present in the coal and the amount of energy it can produce when burned.^[3] It is higher in rank than sub-bituminous coal but lower in rank than anthracite.^[4] Bituminous coal is the most abundant rank of coal.^[4][3]

يُصنّف الفحم بناءً على عدة خصائص. يشير محتوى الكربون الثابت إلى النسبة المئوية للفحم الخالية من الرطوبة والرماد والمواد المتطايرة. عند تقييمه على أساس جاف وخالٍ من المواد المعدنية، يُمثّل محتوى الكربون الثابت الجزء من الفحم غير العضوي المتطاير. ^{[ 5 ]} الفحم المتكتل هو فحم يلين عند تسخينه، مُشكّلاً فحم كوك صلبًا رماديًا مساميًا يقاوم التكسير. ^{[ 6 ]} انعكاسية الفترينيت هي مقياس لمدى انعكاس سطح مصقول لجزيء متوسط ​​من الفترينيت في الفحم. وتُحدّد بكمية الكربون التي تكثّفت إلى شكل عطري بفعل حرارة وضغط الدفن العميق. ^{[ 7 ]}

في الولايات المتحدة، يُعرَّف الفحم البيتوميني بأنه فحم متكتل ينتج ما لا يقل عن 10,500 وحدة حرارية بريطانية /رطل (24,400 كيلوجول/كيلوجرام) من الطاقة عند احتراقه (على أساس رطب وخالٍ من المواد المعدنية)، مع محتوى ثابت من الكربون أقل من 86% (على أساس جاف وخالٍ من المواد المعدنية). يُصنَّف الفحم ذو المحتوى الثابت الأعلى من الكربون على أنه أنثراسيت، بينما يُصنَّف الفحم المتكتل الذي ينتج أقل من 10,500 وحدة حرارية بريطانية/رطل (24,400 كيلوجول/كيلوجرام) أو الفحم غير المتكتل الذي ينتج أقل من 11,500 وحدة حرارية بريطانية/رطل (26,700 كيلوجول/كيلوجرام) على أنه فحم شبه بيتوميني. ^{[ 8 ]} في السوق الدولية، يُعرَّف الفحم البيتوميني بأنه فحم ذو انعكاسية فترينيت تتراوح بين 0.5 و1.9. كما يتم قياس انعكاس الفترينيت بشكل روتيني للفحم الأمريكي كتحقق من تصنيفه ^{[ 9 ].}

الفحم البيتوميني بني داكن إلى أسود، ^{[ 4 ]} صلب، ^{[ 10 ]} ولكنه هش . ^{[ 11 ]} ويتكون عادةً من طبقات رقيقة من مواد لامعة وأخرى باهتة بالتناوب. ^{[ 10 ]} على الرغم من اختلاف التركيب الكيميائي للفحم البيتوميني، إلا أن تركيبه النموذجي يتكون من حوالي 84.4% كربون، و5.4% هيدروجين، و6.7% أكسجين، و1.7% نيتروجين، و1.8% كبريت، وذلك على أساس الوزن. ^{[ 12 ]} تبلغ كثافة طبقة الفحم (كثافة طبقة الفحم قبل تفتتها أثناء التعدين) حوالي 1346  كجم/م³ ⁽ 84  رطل/قدم³ ⁾ ، بينما تصل الكثافة الكلية  للفحم المستخرج إلى 833 كجم/م³ ⁽ 52  رطل/قدم³ ⁾ . ^{[ 13 ]} يتميز الفحم البيتوميني باحتراقه بلهب دخاني، كما أنه يلين ويتمدد أثناء الاحتراق. ^{[ 14 ]} وقد استمد اسمه من هذه الخاصية المتمثلة في تكوين كتلة لينة ولزجة عند تسخينها، ^{[ 9 ]} مما يعكس وجود البيتومين (القطران المعدني) في الفحم. ^{[ 9 ]}

على الرغم من أن معظم الفحم المتكتل من رتبة الفحم البيتوميني، إلا أن بعض أنواع الفحم البيتوميني لا تتكتل. ^{[ 8 ]} يشمل الفحم البيتوميني غير المتكتل فحم الكانيل وفحم المستنقعات . يتميز هذان النوعان بعدم وجود طبقات وعدم انعكاس الضوء، ويتكسران بكسر محاري الشكل. وكلاهما من المواد العضوية المتحجرة ، على عكس معظم الفحم البيتوميني الذي يتكون من مواد دبالية (مكونة من أنسجة خشبية متحللة من النباتات). يتكون فحم الكانيل في الغالب من أبواغ نباتية، بينما يتكون فحم المستنقعات في الغالب من بقايا طحالب غير أبواغية. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

يُستخدم الفحم الحجري بشكل أساسي لتوليد الطاقة الكهربائية وفي صناعة الصلب .

فحم الكوك

يُستخدم فحم الكوك ( الفحم المعدني أو "فحم المعادن") في صناعة الصلب . يجب أن يتمتع فحم الكوك الجيد بخصائص تكتل ممتازة، ومحتوى عالٍ من الكربون، ومحتوى منخفض من الكبريت والفوسفور والرماد. يُعدّ أفضل أنواع فحم الكوك غير المخلوط هو الفحم البيتوميني عالي الجودة متوسط ​​التطاير. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، نظرًا لندرة أنواع الفحم المفردة التي تتمتع بجميع الخصائص المطلوبة، فإن فحم الكوك عادةً ما يكون مزيجًا من الفحم البيتوميني عالي التطاير مع كميات أقل من الفحم البيتوميني متوسط ​​ومنخفض التطاير. ^{[ 20 ]}

فحم الحدادة هو فحم بيتوميني عالي الجودة، خالٍ قدر الإمكان من الرماد والكبريت، ويستخدم في تصنيع فحم الكوك لاستخدامه من قبل الحدادين . ^{[ 13 ]}

يُباع فحم الكوك بسعر أعلى من الفحم المستخدم في إنتاج الطاقة. اعتبارًا من عام 2020، يباع فحم الكوك في الولايات المتحدة بحوالي127 دولارًا للطن القصير ، مقارنة بـيبلغ سعر الطن القصير من الفحم البيتوميني عموماً 50.05 دولاراً . أما تكلفة فحم الكوك فهي أعلى بنحو 3.5 مرة من تكلفة الفحم المستخدم في توليد الطاقة الكهربائية (والذي يشمل أنواعاً أدنى من الفحم، مثل الفحم شبه البيتوميني والليغنيت ، بالإضافة إلى الفحم البيتوميني غير المستخدم في الكوك). ^{[ 21 ]}

الفحم الحراري

يُصنف الفحم الحجري، الذي يفتقر إلى الخصائص المطلوبة لاستخدامه كفحم تعدين، على أنه فحم حراري. ويُستخدم هذا النوع بشكل أساسي لتوليد الطاقة الكهربائية. ^{[ 22 ] [ 23 ]} يتميز الفحم الحراري المثالي بسهولة اشتعاله وارتفاع محتواه الحراري. ^{[ 13 ]}

كغيره من أنواع الفحم، يتشكل الفحم البيتوميني من تراكمات سميكة من المواد النباتية الميتة التي تُدفن بسرعة تفوق سرعة تحللها. ويحدث هذا عادةً في مستنقعات الخث ، حيث تغمر المياه الراكدة بقايا النباتات المتساقطة. وتمنع هذه المياه الراكدة الأكسجين، مما يخلق بيئة حمضية، ويبطئ عملية التحلل. فتتحول المواد النباتية الميتة إلى خث . ^{[ 25 ]}

الخث هو في معظمه خليط من السليلوز والهيميسليلوز واللجنين ، وهي المواد التي كانت تُشكل في الأصل النسيج الخشبي للنباتات. ^{[ 26 ]} يتكون اللجنين من حوالي 54% كربون، و 6% هيدروجين، و30% أكسجين، بينما يتكون السليلوز من حوالي 44% كربون، و6% هيدروجين، و49% أكسجين. أما الفحم الحجري، فيتكون من حوالي 84.4% كربون، و5.4% هيدروجين، و6.7% أكسجين، و1.7% نيتروجين، و1.8% كبريت، وذلك على أساس الوزن. ^{[ 12 ]} وهذا يعني أن العمليات الكيميائية التي تحدث أثناء عملية التفحم تُزيل معظم الأكسجين وجزءًا كبيرًا من الهيدروجين، تاركةً الكربون، وهي عملية تُسمى التفحيم . ^{[ 27 ]}

أثناء عملية تحول الفحم إلى فحم ناضج، يزداد محتواه من الكربون، وينخفض ​​محتواه من الهيدروجين والمواد المتطايرة، وترتفع قيمته الحرارية، ويصبح لونه أغمق وأكثر لمعانًا. ^{[ 28 ]} تشمل التغيرات الكيميائية التجفيف (الذي يُزيل الأكسجين والهيدروجين على شكل ماء)، وإزالة الكربوكسيل (التي تُزيل الأكسجين على شكل ثاني أكسيد الكربون )، وإزالة الميثان (التي تُزيل الهيدروجين على شكل ميثان ). وبحلول الوقت الذي يصل فيه الفحم إلى رتبة الفحم البيتوميني، يكون معظم التجفيف وإزالة الكربوكسيل قد حدث بالفعل، وتتميز مرحلة نضج الفحم البيتوميني بإزالة الميثان. ^{[ 29 ]} أثناء تحول الفحم إلى رتبة الفحم البيتوميني، يقترب الفحم من أقصى قيمة حرارية له ويبدأ في فقدان معظم محتواه من المواد المتطايرة. ^{[ 30 ]}

مع تقدم عملية التفحيم ، تُستبدل المركبات الأليفاتية (مركبات الكربون التي تتميز بسلاسل من ذرات الكربون) بمركبات عطرية (مركبات الكربون التي تتميز بحلقات من ذرات الكربون)، وتبدأ الحلقات العطرية بالاندماج لتكوين مركبات عطرية متعددة الحلقات (حلقات متصلة من ذرات الكربون). ^{[ 31 ]} ويزداد تشابه البنية مع الجرافين ، وهو العنصر البنيوي للجرافيت . ويصاحب ذلك زيادة في انعكاس الفترينيت، المستخدم لتقييم رتبة الفحم. ^{[ 7 ]}

أثناء عملية التحول إلى فحم، يقلل ضغط الدفن حجم الخث الأصلي بمقدار 30 ضعفًا عند تحوله إلى فحم. ^{[ 32 ]} ومع ذلك، فإن ارتفاع رتبة الفحم الناضج يعكس في الغالب درجة الحرارة القصوى التي يصل إليها. ولا يُعدّ كل من الضغط الأقصى، وطبيعة المادة النباتية الأصلية، ومدة الدفن عوامل مهمة بنفس القدر. ^{[ 28 ]} ويتراوح نطاق درجة حرارة نضج الفحم البيتوميني بين 85 و235 درجة مئوية (185 إلى 455 درجة فهرنهايت) . ^{[ 33 ] [ 34 ]} ويتشكل البيتومين الذي يميز الفحم البيتوميني في ظل ظروف مشابهة تقريبًا لتلك التي يتشكل فيها البترول في الصخور المصدرية البترولية. ويصاحب عملية البيتومين ذروة في إنتاج غاز الميثان في الفحم البيتوميني متوسط ​​إلى منخفض التطاير. وهذا ما يجعل هذا النوع من الفحم البيتوميني "غازيًا"، لذا يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب انفجارات الميثان. إذا وصلت درجة حرارة الفحم إلى ما يزيد عن 235 درجة مئوية (455 درجة فهرنهايت) ، فإن البيتومين يتحلل ( إزالة البيتومين ) وينضج الفحم ليصبح أنثراسيت. ^{[ 9 ]}    

تنتشر رواسب الفحم على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، ويتراوح عمرها من العصر الديفوني (منذ حوالي 360 إلى 420 مليون سنة) ^{[ 35 ]} إلى رواسب العصر النيوجيني التي لا يتجاوز عمرها بضعة ملايين من السنين. ^{[ 36 ]} ومع ذلك، فقد ترسبت 90% من جميع طبقات الفحم في العصرين الكربوني والبرمي ، اللذين يمثلان 2% فقط من تاريخ الأرض الجيولوجي. ^{[ 37 ]} تشكلت رواسب هائلة من الفحم في الأراضي الرطبة - التي تُسمى غابات الفحم - والتي غطت مساحات شاسعة من الأراضي الاستوائية على الأرض خلال أواخر العصر الكربوني ( البنسلفاني ) والعصر البرمي . ^{[ 38 ] [ 39 ]} ويعود تاريخ الفحم البيتوميني في الغالب إلى العصر الكربوني . ^{[ 4 ] [ 40 ]}

يتراوح عمر معظم الفحم الحجري في الولايات المتحدة بين 100 و300 مليون سنة. ^{[ 41 ]} وتوجد رواسب هائلة من الفحم الحجري الذي يعود إلى العصر البنسلفاني في مقاطعتي الأبلاش والداخلية في أمريكا الشمالية. ويتم استخراجه عبر مناجم سطحية وباطنية. تاريخيًا، ساهمت طبقات الفحم العديدة المنتشرة على التضاريس الوعرة في جبال الأبلاش في تسهيل عمليات التعدين من قبل الشركات الصغيرة، بينما يُفضل الامتداد الكبير والميل الطفيف للطبقات في المناطق الواقعة غربًا عمليات التعدين واسعة النطاق. يتميز فحم الأبلاش بانخفاض نسبة الكبريت فيه، وغالبًا ما يكون من الدرجة المعدنية، بينما يحتوي فحم المقاطعة الداخلية على نسبة كبريت أعلى بكثير. ^{[ 42 ]}

يمتد حزام حقول الفحم الكربوني إلى وسط أوروبا، ^{[ 43 ]} ومعظمه فحم بيتوميني. توجد حقول الفحم البيتوميني في بولندا ^{[ 44 ]} وجمهورية التشيك، ^{[ 45 ]} وتُعدّ الرواسب البولندية من أهم الموارد الطبيعية في البلاد. ^{[ 46 ]} وقد استُغلت الرواسب التشيكية منذ عصور ما قبل التاريخ. ^{[ 45 ]} تشمل الرواسب الأوروبية طبقات الفحم البريطانية، التي تُشكّل معظم إنتاج بريطانيا من الفحم، وهي في غالبيتها فحم بيتوميني. ^{[ 47 ]} يُعدّ حوض ويستفيلد للفحم الأكبر في بريطانيا. ^{[ 48 ]} توجد رواسب فحم بيتوميني هامة أخرى في أنحاء كثيرة من أوروبا، بما في ذلك فرنسا وألمانيا وشمال إيطاليا. ^{[ 49 ]}

توقف ترسب الفحم بسبب انقراض العصر البرمي-الترياسي ، لكنه استؤنف لاحقًا في العصر الترياسي الأوسط . ^{[ 50 ]} توجد رواسب فحم بيتوميني واسعة النطاق من العصر البرمي في سيبيريا وشرق آسيا وأستراليا. [ ^{51 ] وتشمل} هذه الرواسب حوض مينوسينسكي للفحم في سيبيريا، ^{[ 52 ]} وأحواض كوينزلاند وبوين وسيدني في أستراليا، ^{[ 53 ]} واحتياطيات الفحم البيتوميني الواسعة في الصين. ^{[ 54 ]}

A second peak in coal deposition began in the Cretaceous, though most of this is lower rank coal rather than bituminous.^[51] In the United States, Cretaceous bituminous coals occur in Wyoming, Colorado and New Mexico.^[55][56] In Canada, the Western Canada Sedimentary Basin of Alberta and British Columbia hosts major deposits of bituminous coal that formed in swamps along the western margin of the Western Interior Seaway. They range in age from latest Jurassic or earliest Cretaceous in the Mist Mountain Formation, to Late Cretaceous in the Gates Formation.^[57] The Intermontane and Insular Coalfields of British Columbia also contain deposits of Cretaceous bituminous coal.^[58]

As of 2009, the countries with the greatest estimated ultimately recoverable resources of bituminous coal were the US, 161.6 Gt; India, 99.7 Gt; China, 78.4 Gt; Australia, 51.3 Gt; South Africa, 38.7 Gt; the UK, 26.8 Gt; Germany, 25.2 Gt; Colombia, 7.8 Gt; Indonesia, 5.6 Gt; and France, 4.4 Gt^[59]

As of 2018, total world production of bituminous coal (coking coal plus other bituminous coal) was 6.220 Gt. The leading producer is China, with India and the United States a distant second and third.^[60]

U.S. production of bituminous coal was 238 million short tons in 2020^[61] and represented 44% of all U.S. coal production. Bituminous coal is mined in 18 states, but the five states of West Virginia, Pennsylvania, Illinois, Kentucky, and Indiana produce 74% of U.S. coal.^[3]

Maturation of bituminous coal at medium and low volatile subrank is accompanied by peak methane generation. This makes these bituminous coals "gassy" and precautions must be taken against methane explosions.^[9]

كان الفحم الحجري يُستخدم على نطاق واسع في تدفئة المنازل في الولايات المتحدة. إلا أنه يُعدّ وقودًا ملوثًا نسبيًا. وتشير التقديرات إلى أن انخفاض استخدامه بين عامي 1945 و1960 قد أنقذ ما لا يقل عن 1923 شخصًا من مختلف الأعمار، و310 رضع، شهريًا خلال فصل الشتاء. ^{[ 62 ]} وتتحسن جودة الفحم الحجري باستخدام طرق التعويم ، التي تزيد من نسبة الفترينيت، مما ينتج عنه احتراق أنظف. ^{[ 63 ]}

يجري البحث بنشاط في التحويل الحيوي للفحم البيتوميني إلى غاز الميثان كتقنية نظيفة للفحم. ^{[ 64 ]}

• تحليل الفحم
• وادي جورج كريك
• انبعاثات غازات الاحتباس الحراري#ثاني أكسيد الكربون (CO2)
• قائمة أنواع الصخور
• ماسيرال
• مصنع فحم الكوك

• آدامز، شون باتريك. "صناعة الفحم الأمريكية في القرن التاسع عشر". موسوعة EH.Net، 15 أغسطس 2001، نظرة عامة أكاديمية
• بوكستون، إن كيه. التطور الاقتصادي لصناعة الفحم البريطانية: من الثورة الصناعية إلى يومنا هذا . 1979.
• فريز، باربرا (2004). الفحم: تاريخ بشري . دار بيسيك بوكس. رقم ISBN 978-0-465-09618-3.
• هاتشر، جون، وآخرون. تاريخ صناعة الفحم البريطانية (5 مجلدات، مطبعة جامعة أكسفورد، 1984-1987)؛ 3000 صفحة من التاريخ الأكاديمي
• لونغ، بريسيلا . حيث لا تشرق الشمس أبداً: تاريخ صناعة الفحم الدموية في أمريكا ، باراغون، 1989.
• نيتشيرت، بروس سي. وسام إتش. شور، الطاقة في الاقتصاد الأمريكي، 1850-1975: دراسة اقتصادية لتاريخها وآفاقها. (1960) مؤرشف إلكترونيًا بتاريخ 2010-05-02 على موقع Wayback Machine
• فينسترا، ثيودور أ.، وويلبرت ج. فريتز. "الاتجاهات الاقتصادية الرئيسية في صناعة الفحم الحجري"، المجلة الفصلية للاقتصاد 51#1 (1936)، ص  106-130 في JSTOR

• البترول والفحم
• "الفحم الحجري"  . الموسوعة الدولية الجديدة . 1905.