煤是一种黑色或棕黑色的沉积岩，主要由碳组成，还含有其他各种物质，包括硫磺。它是通过地下采矿或露天采矿提取的。作为易燃的可燃材料，它是产生热量和电力的极其重要的燃料。世界上大约40％的电力生产依赖于煤炭，使其成为全球最大的单一电力来源。在美国，煤电厂产生约50％的电力。

然而，煤矿开采在历史上一直是危险的职业，使矿工暴露于肺部疾病，并因地雷和瓦斯爆炸等问题导致许多人死亡。此外，采矿方法可能会破坏土地，富含硫的煤堆在被降雨冲刷时会产生酸性流动，可以将金属元素浸入附近的水道。煤的燃烧过程产生的废物包括二氧化硫气体（可转化为三氧化硫，然后转化为酸雨），重金属和放射性元素。通过政府法规和技术改进，这些问题已大大减少。

词源和民间传说

“煤”这个词来源于盎格鲁 - 撒克逊山坳，意思是木炭。煤炭也被称为pitcoal，表明它来自矿井，即矿井。另一个术语是seacoal，可能是因为它通过海路到达英格兰东部的许多地方，包括伦敦。另一种解释是，它偶尔会在海滩上发现，从露出的煤层上方掉落或从水下煤层露头中冲刷掉。

在美国和英国，煤炭这个词在提到未燃烧的矿物时是一个质量名词，而单个的块则被称为“煤块”。多种“煤”通常用于煤的类型，或用于燃烧煤，木炭或木材的碎片。

在流行文化中，煤与占星符号摩羯座有关。一些小偷认为它可以保护他们免受侦测，并帮助他们逃跑。燃烧煤炭的梦想被认为象征着失望，麻烦，痛苦和失落，但是一个显示出明亮燃烧的煤炭的梦想被用来表示提升和进步的希望。儿童有时会被认为如果他们顽皮，圣诞老人会在他们的圣诞袜中留下一块煤而不是礼物。

组成和分类

碳构成超过50重量％和超过70体积％的煤（其包括固有水分）。这些数字根据煤的类型或“等级”而变化 - 较高等级的煤含有逐渐增加的碳和较少的氢，氧和氮。

煤炭分为以下类型，按等级递增顺序列出：

• 褐煤：也称为褐煤，是煤的最低等级，含水量和灰分含量高。它几乎专门用作蒸汽发电的燃料。喷射是一种紧凑的褐煤形式，有时会被抛光，自铁器时代起就被用作装饰石材。
• 次烟煤：其性质范围从褐煤到烟煤的性质，主要用作蒸汽发电的燃料。
• 烟煤：这是一种致密的煤，通常是黑色的，有时是深褐色的，通常带有明确且暗淡的材料带。它含有一种叫做沥青的焦油状物质。它主要用作蒸汽发电中的燃料，其中大量还用于制造中的热和电力应用以及制造焦炭。
• 无烟煤：这是煤炭的最高等级，碳含量为92-98％。它主要用于住宅和商业空间供暖。

为了防止自燃，煤通常是湿的并且可以湿润储存。出于这个原因，煤的碳含量以两种方式引用：“开采”和“无水”。

褐煤和其他低级煤含有大量的水和其他被称为“macerals”的成分。大部分水分是偶然的并且被捕获在煤颗粒之间。此外，低级煤可能含有高水平的碳水化合物，如纤维素，其中氢和氧原子与碳原子相连。这是因为煤通过增量过程从碳水化合物材料转化为碳（见下文）。因此，煤的碳含量在很大程度上取决于该纤维素组分在煤中的保存程度。

煤的其他成分包括矿物质，通常是硅酸盐矿物，如粘土，伊利石和高岭石，以及碳酸盐矿物，如菱铁矿，方解石和文石。硫化铁矿物，如黄铁矿是煤的常见成分。还发现硫酸盐矿物质，以及痕量金属，特别是铁，铀，镉和（在极少数情况下）金。

甲烷气是煤的另一种成分。煤中的甲烷是危险的，因为它可能导致煤层爆炸，特别是在地下矿井中，并且可能导致煤自燃。然而，仔细的采矿可以包括提取甲烷的过程，甲烷是有价值的燃料。

一些煤的显微组织是：

• 镜质组：化石木质组织，可能经常来自煤林中森林火灾的木炭
• fusinite：由皮质组织制成的泥炭制成
• exinite：化石孢子肠衣和植物角质层
• 树脂状：化石树脂和蜡
• 藻酸盐：化石藻类物质

煤的起源

根据普遍接受的模型，煤源自植物残骸，在地质时间内通过热，压力和化学反应进行压实，硬化和转化。它可能形成于低地沉积盆地的沼泽 生态系统中，如今天的婆罗洲泥炭沼泽。这些煤地形成的地方通常被称为“煤林”。

当植物在这些泥炭沼泽中死亡时，它们的生物质会沉积在厌氧水生环境中，在这种环境中，低氧水平会阻止它们被细菌和氧化完全腐烂。对于要保存并且形成经济上有价值的煤的大量未被覆盖的有机物质，环境必须长时间保持稳定，并且供给这些泥炭沼泽的水必须保持基本上没有沉积物。这需要对河流的高地进行最小程度的侵蚀，这些河流为煤炭沼泽提供动力并有效地捕获沉积物。

最终，煤成型环境停止。在大多数情况下，这是突然的，大多数煤层与上覆的沉积物具有刀尖的上部接触。这表明进一步沉积的开始会迅速破坏泥炭沼泽生态系统，并以蜿蜒的溪流和河流环境取而代之。

泥炭沼泽顶部的沉积物埋藏通过以下过程将有机物质转化为煤炭：

• 压实，因为沉积物加载在煤上，使有机物变平;
• 去除植物碎片之间泥炭中的水分;
• 持续压实，从化石植物的细胞间结构中除去水分;
• 加热和压实，去除分子水;
• 产甲烷 - 类似于在高压锅中处理木材，产生甲烷，其除去氢和一些碳，以及一些氧（作为水）;
• 从纤维素和其他植物分子中除去羟基（OH），导致产生氢还原的煤。

通常，要形成1米厚的煤层，需要10到30米之间的泥炭。泥炭的含水量高达90％，因此在将泥炭转化为褐煤时，失水是最重要的。化学和物理过程将褐煤连续转化为次烟煤，烟煤，无烟煤和石墨。

有可能在页岩和砂岩沉积物中发现有助于含碳沉积物的植物类型的证据，这些沉积物覆盖在煤沉积物和煤中。尽管无烟煤中的化石并不罕见，但化石证据最能保存在褐煤和次烟煤中。到目前为止，在煤炭产生的石墨接缝中只发现了三种化石。

地质历史上最大的成煤期是石炭纪时代（280至3.45亿年前）。在二叠纪发现了更多的大型煤矿床，三叠纪和侏罗纪沉积较少但仍然显着，白垩纪和白垩纪较小。在欧洲，亚洲和北美洲，石炭纪煤是由热带沼泽森林形成的。在南半球，石炭纪煤是由在寒冷的苔原上生长的植物形成的，靠近冰川地区的外围，在一个名为冈瓦纳的超大陆。在荷兰和德国的现代欧洲低地，已经积累了相当厚的泥炭，这表明了成煤过程的无处不在。

托马斯·戈尔德（Thomas Gold）在其着作“深层生物圈：化石燃料的神话”一书中对可接受的煤成形理论提出了挑战，并提出了另一种理论。根据他的模型，这仍然是少数人的观点，黑煤是由生活在地壳上的甲烷和其他碳氢化合物上升的细菌不断产生的。该模型区分了褐煤和黑煤，表明只有褐煤才能通过经典的分解过程形成。值得注意的是，一些金属元素（如镍，钒，铬，砷，汞，镉，铅和铀）存在于黑煤中。

采煤

从煤层中提取煤的最经济的方法取决于煤层的深度和质量，以及开采区域的地质和环境条件。煤炭开采过程通常根据它们是在地表还是在地下运行来区分。煤矿及其附属结构统称为煤矿。

表面和山顶采矿

如果煤层接近地表，则通过“条带开采”提取煤，其通过露天矿坑或地带的推进而暴露煤。当煤被暴露和提取时，来自仍然覆盖的煤的覆盖层填充了前一个坑，并且条带进展。在最露天矿美国提取烟煤。在南威尔士，开放式铸造用于动力煤和无烟煤。

山顶用炸药将土地移除。然后将覆盖层（山）推入附近的山谷或空心。煤被运输到加工厂进行清洗。这个过程产生的废物储存在含有数百万甚至数十亿加仑泥浆的土坝中。

地下采矿

大多数煤层在地下太深，无法进行露天采矿，因此这种采矿称为地下采矿。在深部采矿中，“房间和支柱”方法沿着巨大的煤脉缝进行，而支柱和木材则留下来支撑煤矿屋顶。深采矿中一种极其危险的操作方法被称为抢劫支柱。在这种方法中，矿工试图移除木材并在它们之间撤退以使煤从主缝中流出，使屋顶塌陷。这种采矿方法主要在美国使用，导致早期的许多人死亡。煤炭开采历史。

目前，有四种主要的地下采矿方法，如下所述。

长壁开采：它占地下生产的约50％。长壁采煤机的面积为1000英尺或更大，是一台精密的机器，带有一个旋转的滚筒，可以在宽阔的煤层中来回移动。松散的煤落在平底锅线上，该平底锅线将煤带到传送带上以从工作区域移除。长壁系统拥有自己的液压顶板支撑，用于覆盖岩石，随着采矿的进展，随着机器的推进。随着采矿设备向前移动，已经被移除的煤不再支撑的覆盖岩石被允许以受控方式落后于操作。支撑件可实现高水平的生产和安全性。传感器检测煤层中剩余的煤量，而机器人控制装置可提高效率。

连续采矿：它使用一台带有大型旋转钢桶的机器，该钢桶配有碳化钨齿，可以从煤层中刮去煤。在一个“房间和支柱”系统中运行，在那里将矿井分成一系列20-30英尺的“房间”（工作区域）切入煤层，每分钟可以开采多达5吨煤 - 超过一个20世纪20年代的矿工将在一整天内生产。连续采矿占地下煤炭产量的45％左右。它还利用输送机输送从煤层中取出的煤。远程控制的连续采矿者习惯于在各种困难的接缝和条件下工作，并且由计算机控制的机器人版本变得越来越普遍。

常规采矿：这是一种较老的做法，它使用炸药来破碎煤层，然后将煤收集并装载到穿梭车或输送机上以便移到中央装载区。这种方法包括一系列操作，从“切割”煤层开始，因此在爆炸时会很容易破碎。这种类型的采矿占当今美国地下总产量的不到5％。

短壁采矿：占不到1％的深煤生产，短壁采矿涉及使用具有可移动屋顶支撑的连续采矿机，类似于长壁。根据地质情况，连续采矿机剪切150-200英尺宽，超过半英里长的煤层板。

用途

煤炭作为燃料

煤炭是世界上增长最快的能源（BP统计能源评论，2005年6月）。它主要用作固体燃料，通过燃烧产生热量。通常利用热量来产生电力。世界上大约40％的电力生产依赖于煤炭。

当用于发电时，煤通常被粉碎并在连接到热水锅炉的炉子中燃烧。炉子将锅炉水转化为蒸汽，然后用于驱动涡轮机，移动发电机并产生电力。整个过程的热力学效率约为35-40％。

全球每年的煤炭消耗量约为58亿短吨（5.3 petagrams（Pg）），其中约75％用于发电。包括中国和印度在内的地区每年使用约17亿短吨（1.5 Pg），预计到2025年将超过30亿短吨（2.7 Pg）。[2]美国消耗约1,100万短吨（1.0 Pg）煤炭每年使用90％用于发电。

石油和天然气的高价格导致人们对煤气化和液化等技术的兴趣增加。

气化

气化通常通过使用蒸汽和测量的氧气使其经受高温和高压来将煤分解成其组分。这导致产生二氧化碳和氧气以及其他气态化合物。

在过去，煤被转化为煤气，用煤管输送到客户燃烧照明，加热和烹饪。目前，使用更安全的天然气代替。南非仍然使用煤炭气化来满足其石化需求。

气化也是未来能源使用的可能性，因为它通常燃烧比传统煤更热和更清洁，并且可以驱动更高效的燃气轮机而不是蒸汽轮机。气化产生的二氧化碳浓度远高于煤在空气中直接燃烧（主要是氮气）。较高浓度的二氧化碳使碳捕获和储存比其它方式更经济。

液化

煤也可以通过几种不同的方法转化为液体燃料，如汽油或柴油。Fischer-Tropsch间接合成液态烃的过程在纳粹德国和南非使用，因为那里的政权在政治上是孤立的，无法在公开市场上购买原油。煤被气化以制造合成气（一氧化碳和氢气的平衡混合物），并且使用催化剂浓缩合成气以制备进一步加工成汽油和柴油的轻质烃。合成气也可转化为甲醇，甲醇可用作燃料或燃料添加剂，或通过美孚M-气体工艺进一步加工成汽油。

在第一次世界大战和第二次世界大战期间，德国使用Bergius工艺通过称为氢化的反应直接液化煤。已经开发了几种其他直接液化方法，包括由Gulf Oil开发的SRC-I和SRC-II（溶剂精制煤）工艺，并在20世纪60年代和70年代在美国实施试验工厂。

另一种从煤制造液态烃的方法称为低温碳化（LTC）。煤的焦化温度在450到700°C之间，相比之下，冶金焦的温度为800到1000°C。这些温度优化了比普通煤焦油更富含轻质烃的煤焦油的生产。然后将煤焦油加工成燃料。[5]

所有这些液体燃料生产方法在转化过程中释放二氧化碳，远远超过从石油中提取和精制液体燃料中释放的二氧化碳。如果采用这些方法来取代不断减少的石油供应，全球二氧化碳排放量将大大增加。对于未来的液化项目，已提出二氧化碳封存以避免将其释放到大气中。然而，隔离会增加成本。

煤炭液化是“逆止技术”之一，可能会限制油价上涨并减轻运输能源短缺的影响。这取决于液化产能变得足够大以满足巨大且不断增长的石油需求。此外，风险在于过程中释放的额外二氧化碳可能加速全球变暖的过程。

估计从煤炭生产液体燃料的成本表明，美国国内煤炭燃料的生产成本具有竞争力，石油价格约为每桶35美元，（收支平衡成本）。这个价格高于历史平均水平，远低于当前的油价。这使得煤暂时成为可行的石油替代品，尽管产量不足以使合成燃料大规模生存。

可乐

焦炭是一种固体碳质残渣，来自低灰分，低硫烟煤。通过在高达1,000℃的温度下在无氧的烘箱中烘烤来驱除该煤的挥发性成分，使得固定的碳和残余的灰熔融在一起。

焦炭被用作燃料和冶炼中作为还原剂的铁在高炉中的矿石。煤焦炭灰色，坚硬，多孔，热值为2480万Btu /吨（29.6 MJ / kg）。这种煤转化为焦炭的副产物包括煤焦油，氨，轻油和“煤气”。

“石油焦”是从炼油中获得的固体残渣。它类似于焦炭，但含有太多杂质，无法用于冶金应用。

煤矿开采的危险

从历史上看，煤炭开采一直是一项危险的活动，导致许多人死亡。主要危险包括露天矿的斜坡破坏，以及地下采矿时的顶板坍塌和瓦斯爆炸。现代矿山中的大部分风险已经大大减少，发达国家现在很少发生多起死亡事件。然而，在较不发达国家，每年有数千人死于煤矿。中国在煤炭生产和消费方面处于世界领先地位，与全球煤炭开采相关的死亡人数最多，官方估计2004年死亡人数约为6000人。

慢性肺病，如肺尘埃沉着病（黑肺病）在矿工中很常见，导致预期寿命缩短。一种不太常见的肺病是吸入细二氧化硅引起的肺炎微血管病毒性肺病。此外，矿井中的黑色潮湿，二氧化碳和氮气的混合物会导致窒息。

采矿方法的改进（例如通过长壁开采），危险气体监测（通过使用安全灯和更现代的电子气体监测器），气体排放和通风减少了许多这些风险。

美国劳工部矿山安全与健康管理局（MSHA）的统计分析显示，在1990年至2004年期间，该行业将伤害率（一种比较事故发生率与员工总数或工作小时数的比率）降低了在前三十年的稳步改善之后，有三分之二和死亡人数增加了三分之二。根据美国劳工统计局的统计，煤炭开采甚至不是美国人均最危险的十大职业之一。飞行员，卡车和出租车司机，伐木工，渔民，屋顶工和其他职业的工人面临着比煤矿工人更大的在职风险。

环境影响

采矿的不利影响

煤炭开采经常对环境产生重大不利影响。过去，条带开采严重破坏或破坏了土地的大部分环境价值。为了应对煤炭开采的负面环境影响和大量废弃矿山，美国政府颁布了1977年的“地表采矿和复垦法”，要求未来的煤矿开采地点制定填海计划。在允许开采之前，这些计划必须得到联邦，州和地方当局的批准。

所有形式的采矿都可能产生堆积煤的区域。当煤具有显着的硫含量时，煤堆在暴露于正常降雨时会产生高度酸性，富含金属的排水。这些酒可严重损害接收水道。为了缓解发达国家的这些问题，煤矿的水质不断受到监测。用于控制矿区水流的五项主要技术是：引水系统，安全壳池塘，地下水泵送系统，地下排水系统和地下屏障。通常将污染的水泵送到中和污染物的处理设施。

燃煤的不利影响

煤的燃烧产生二氧化碳（CO 2）和氮氧化物（NO x），具有不同量的二氧化硫（SO 2）和其他污染物，这取决于它的开采地点。燃煤发电厂是二氧化碳排放的最大来源，被认为是全球变暖的主要原因。煤炭开采和废弃矿井也排放甲烷，这是另一种与全球变暖有关的天然气。二氧化硫与氧气反应形成三氧化硫（SO 3）气体，后者又与空气中的水分反应形成硫酸。大气中的这种酸以形式返回地球酸雨。

燃煤的废物包括粉煤灰，底灰和锅炉渣。许多重金属可能会释放出来，如砷，铅，汞，镍，钒，铍，镉，钡，铬，铜，钼，锌和硒。煤还含有低水平的镭，铀，钍和其他天然存在的放射性同位素。虽然这些物质是微量杂质，但是燃烧的煤量足够大，而且含量很高。如果释放到环境中，它们可能是危险的。[8] [9]

现代发电厂利用各种技术来限制其废物的危害并提高燃烧效率。然而，这些技术并不总是实施，因为它们增加了发电厂的资金成本。为了消除CO 2从燃煤发电厂排放，碳捕获和存储已经被提出，但尚未在商业上使用。

煤火

世界各地正在燃烧数百起煤火。地下火灾难以定位，许多火灾无法熄灭。这些火灾可能导致上面的地面消退。此外，燃烧气体对生命是危险的，当它们爆发到地表时，它们会引发表面野火。

煤层可以通过自燃或与矿井火灾或地面火灾接触而着火。煤炭地区的草火可以烧毁数十个煤层。中国煤炭火灾每年燃烧1.2亿吨煤，排放3.6亿吨二氧化碳。这相当于全球每年生产的CO的2-3％2来自化石燃料，或作为在美国所有的汽车和轻型卡车发出的一样多。

在美国，1962年在位于宾夕法尼亚州Centralia的煤炭区域的一个废弃的无烟煤矿坑中的一个垃圾填埋场点燃了一场垃圾焚烧。44年后，它继续在地下燃烧。

Porcelanite是粉红色粉砂岩岩石的名称，它在粉河河流域，怀俄明州和北达科他州西部封闭了许多山脊和山丘。它类似于被称为“熟料”或火山“渣滓”的燃煤废物。[15]熟料是通过煤的自然燃烧融合的岩石。就粉河盆地而言，过去三百万年中大约有27至540亿公吨的煤炭燃烧。刘易斯和克拉克探险队以及该地区的探险者和定居者报告了该地区的野生煤火灾。[17]

在澳大利亚火焰山最初被认为是一个火山，但浓烟和火山灰来自煤火可能已烧毁5000年。

世界煤炭储量

据估计，截至1996年，使用现有的采矿技术可以获得大约一个外来石（1×10 15公斤）的总煤炭储量，其中大约一半是硬煤。世界上所有煤炭的能源价值超过100,000万亿英热单位（Btu）（或100 zettajoules）。

根据一些估计，有足够的煤炭可以使用300年。然而，这种预测假设人口没有增加，并且没有增加煤的使用来试图补偿天然气和石油的消耗。在2003年的一项研究中，Gregson Vaux考虑了这些因素并估计美国的煤炭产量最早可能在2046年达到峰值。“峰值”这一术语并不意味着煤炭将会消失，但它定义了煤炭生产的时间。数量和能量含量将开始下降。假设其他因素没有改变，预计煤炭的消失将在2267年左右发生。

美国能源部能源情报署在其2004年国际能源年度报告（2006年7月发布）中估计，北美可采煤总量为2761亿短吨。全球总量估计为997,506百万短吨。[20]

 

注=

1. ^ 能源部能源情报署于2006年5月20日访问。
2. ^ 国际能源展望于2005年9月9日访问。
3. ↑ 气化技术于2006年6月8日访问。
4. ↑ 清洁煤技术计划，技术状况报告010：煤炭液化贸易和工业部（英国），1999年10月。
5. ↑ 无煤油！Karrick LTC流程于2006年8月1日访问。
6. ^ 柴油燃料新闻：煤炭液化的超洁净燃料：中国即将启动大型项目 2005年9月9日访问。
7. ↑ 欢迎来到煤炭人物杂志 2005年9月9日访问。
8. ↑ 煤炭燃烧：核资源或危险在2006年8月1日访问。
9. ↑ 煤和粉煤灰中的放射性元素，USGS Factsheet FS-163-97于2006年8月1日访问。
10. ^ 中国煤炭消防项目于2005年9月9日访问。
11. ↑ 资源委员会 - 指数于2005年9月9日访问。
12. ^ 2003年快照 - 怀俄明BLM熄灭57煤层火灾。于2006年8月1日访问。
13. ^ EHP 110-5,2002：论坛于2005年9月9日访问。
14. ↑ ITC在中国的活动概述于 2005年9月9日访问。
15. ↑ 北达科他州的熟料于2005年9月9日访问。
16. ^ BLM教育 - 高原：极端的土地在2006年8月1日访问。
17. ^ 粉河盆地煤的自燃（自燃） - 煤层气开发的考虑因素，怀俄明州地质调查于2006年8月1日访问。
18. ↑ 燃烧山自然保护区于2005年9月9日访问。
19. ↑ 美国煤炭生产高峰于 2005年9月9日访问。
20. ^ 国际能源年度2004：储备，能源信息管理局于2006年8月1日访问。

参考

• 都柏林，托马斯和沃尔特利希特。（2005）面对衰落：二十世纪宾夕法尼亚无烟煤地区。康奈尔大学出版社。ISBN 0801484731。
• 罗滕伯格，丹。2003年在煤炭王国; 美国家庭与改变世界的摇滚。Routledge ISBN 0415935229。
• Williams，Robert H.和Eric D. Larson。用煤制造流体燃料的直接和间接液化技术的比较。能源促进可持续发展 VII（2003年12月）：103-129 。检索2008年4月1日。

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