淺談煤炭的生成及其主要元素成分

【摘要】：煤炭是植物遺體埋藏在地下經過漫長復雜的生物化學、地球化學和物理化學作用轉化而成的一種固體可燃礦產。文中簡要論述了煤炭的生成階段及其主要元素成分并對近年來煤炭的地位及其發展做了簡要討論。

【關鍵詞】：煤炭 生成階段 主要成分

人們通常把開發煤炭資源的企業稱做煤礦，把開采出來的煤礦產品稱為煤炭。我國古代曾稱煤炭為石涅，或稱石炭。它是植物遺體埋藏在地下經過漫長復雜的生物化學、地球化學和物理化學作用轉化而成的一種固體可燃礦產。它不僅是工農業和人民生活不可缺少的主要燃料，而且還是冶金、化工、醫藥等部門的重要原料。

一、煤炭的成因及其生成階段

煤炭從某種意義上來說是地殼運動的產物。煤是古代植物的遺核，遠在幾億年前的古生代、中生代和幾千萬年前的新生代，由于地殼運動，大量植物的遺體經過復雜的生物化學和物理化學作用轉變為煤，這個過程稱為成煤過程。成煤過程分為兩個階段。第一階段，泥炭化作用階段。植物在淺海、湖泊和沼澤中大量繁殖，這些植物死后沉于水下，經微生物的生物化學作用，使低等植物稱為腐泥，高等植物成為泥炭。第二階段，煤化作用階段。由于地殼運動，泥炭和腐泥下沉或被礦物巖石掩蓋在底下，受地質因素的作用，即長期受高溫高壓作用而形成煤。煤化過程是一個增碳化過程，是一個由低級向高級逐漸變化的過程，隨著煤化階段的深入，泥炭逐漸變成褐煤、煙煤和無煙煤。

二、煤炭的主要元素成分

煤的元素成分組成以有機質為主體，構成有機高分子的主要是碳、氫、氧等元素。煤中存在的元素有數十種之多，但通常所指的煤的元素組成主要是五種元素，即碳、氫、氧、氮和硫。在煤中含量很少，種類繁多的其他元素，一般不作為煤的元素組成，而只當作煤中伴生元素或微量元素。

（一）煤中的碳

一般認為，煤是由帶脂肪側鏈的大芳環和稠環所組成的。這些稠環的骨架是由碳元素構成的。因此，碳元素是組成煤的有機高分子的最主要元素。同時，煤中還存在著少量的無機碳，主要來自碳酸鹽類礦物。碳是產生容量的主要來源，含量隨煤化度的升高而增加。在我國泥炭中干燥無灰基碳含量為55～62％；成為褐煤以后碳含量就增加到60～76.5％；煙煤的碳含量為77～92.7％；一直到高變質的無煙煤，碳含量為88.98％。個別煤化度更高的無煙煤，其碳含量多在90％以上，如北京、四望峰等地的無煙煤，碳含量高達95～98％。

（二）煤中的氫

氫是煤中第二個重要的組成元素，是僅次于碳的熱源之一。除有機氫外，在煤的礦物質中也含有少量的無機氫。它主要存在于礦物質的結晶水中，如高嶺土、石膏等都含有結晶水。在煤的整個變質過程中，隨著煤化度的加深，氫含量逐漸減少，總的規律是氫含量隨碳含量的增加而降低，尤其在無煙煤階段就尤為明顯。當碳含量由92%增至98％時，氫含量則由2.1%降到1%以下。通常是碳含量在80～86％之間時，氫含量最高。即在煙煤的氣煤、氣肥煤段，氫含量能高達6.5％。在碳含量為65～80％的褐煤和長焰煤段，氫含量多數小于6％。

（三）煤中的氧

氧是煤中第三個重要的組成元素。它以有機和無機兩種狀態存在。有機氧主要存在于含氧官能團，無機氧主要存在于煤中水分、硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和氧化物中等。煤中有機氧隨煤化度的加深而減少，甚至趨于消失。褐煤在干燥無灰基碳含量小于70％時，其氧含量可高達20％以上。煙煤碳含量在85％附近時，氧含量幾乎都小于10％。當無煙煤碳含量在92％以上時，其氧含量都降至5%以下。

（四）煤中的氮

煤中的氮含量比較少，是煤中的無用成分，一般約為0.5～3.0％。氮是煤中唯一的完全以有機狀態存在的元素。其原生物可能是動、植物脂肪，植物中的植物堿、葉綠素和其他組織的環狀結構中都含有氮，而且相當穩定，在煤化過程中不發生變化，成為煤中保留的氮化物。以蛋白質形態存在的氮，僅在泥炭和褐煤中發現，在煙煤很少，幾乎沒有發現。煤中氮含量隨煤的變質程度的加深而減少。它與氫含量的關系是，隨氫含量的增高而增大。

（五）煤中的硫

煤中的硫分是有害雜質，它能使鋼鐵熱脆、設備腐蝕、燃燒時生成的二氧化硫(SO2)污染大氣，危害動、植物生長及人類健康。所以，硫分含量是評價煤質的重要指標之一。煤中含硫量的多少，似與煤化度的深淺沒有明顯的關系，無論是變質程度高的煤或變質程度低的煤，都存在著有機硫或多或少的煤。煤中硫分的多少與成煤時的古地理環境有密切的關系。在內陸環境或濱海三角訓平原環境下形成的和在海陸相交替沉積的煤層或淺海相沉積的煤層，煤中的硫含量就比較高，且大部分為有機硫。根據煤中硫的賦存形態，一般分為有機硫和無機硫兩大類。各種形態的硫分的總和稱為全硫分。煤中有機硫，主要來自成煤植物中的蛋白質和微生物的蛋白質，無機硫主要來自礦物質中各種含硫化合物。

三、煤炭的地位及其發展

據統計，在我國能源生產和消費構成中，煤炭一直居于主導地位，在國民經濟中，工業、農業、交通運輸的發展都離不開煤炭。隨著近代科學技術的發展和新工藝、新方法的應用，煤炭的用途和綜合利用價值將會越來越大。

煤炭穩定增產，使國內煤炭供求出現了歷史上少有的緩和局面，從而保證了國民經濟持續、快速、健康發展的需要。煤炭工業布局也日趨合理，煤礦的技術、設備以及安全生產狀況也發生了很大變化，煤炭的綜合加工利用也有了長足的進步，若干重要的技術經濟指標都取得了歷史性突破。大多數煤礦從過去單一品種、單一經營的狀況，開始向著以煤為主，多品種、多種經營的方向發展。