浅谈煤炭的生成及其主要元素成分

【摘要】：煤炭是植物遗体埋藏在地下经过漫长复杂的生物化学、地球化学和物理化学作用转化而成的一种固体可燃矿产。文中简要论述了煤炭的生成阶段及其主要元素成分并对近年来煤炭的地位及其发展做了简要讨论。

【关键词】：煤炭 生成阶段 主要成分

人们通常把开发煤炭资源的企业称做煤矿，把开采出来的煤矿产品称为煤炭。我国古代曾称煤炭为石涅，或称石炭。它是植物遗体埋藏在地下经过漫长复杂的生物化学、地球化学和物理化学作用转化而成的一种固体可燃矿产。它不仅是工农业和人民生活不可缺少的主要燃料，而且还是冶金、化工、医药等部门的重要原料。

一、煤炭的成因及其生成阶段

煤炭从某种意义上来说是地壳运动的产物。煤是古代植物的遗核，远在几亿年前的古生代、中生代和几千万年前的新生代，由于地壳运动，大量植物的遗体经过复杂的生物化学和物理化学作用转变为煤，这个过程称为成煤过程。成煤过程分为两个阶段。第一阶段，泥炭化作用阶段。植物在浅海、湖泊和沼泽中大量繁殖，这些植物死后沉于水下，经微生物的生物化学作用，使低等植物称为腐泥，高等植物成为泥炭。第二阶段，煤化作用阶段。由于地壳运动，泥炭和腐泥下沉或被矿物岩石掩盖在底下，受地质因素的作用，即长期受高温高压作用而形成煤。煤化过程是一个增碳化过程，是一个由低级向高级逐渐变化的过程，随着煤化阶段的深入，泥炭逐渐变成褐煤、烟煤和无烟煤。

二、煤炭的主要元素成分

煤的元素成分组成以有机质为主体，构成有机高分子的主要是碳、氢、氧等元素。煤中存在的元素有数十种之多，但通常所指的煤的元素组成主要是五种元素，即碳、氢、氧、氮和硫。在煤中含量很少，种类繁多的其他元素，一般不作为煤的元素组成，而只当作煤中伴生元素或微量元素。

（一）煤中的碳

一般认为，煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。这些稠环的骨架是由碳元素构成的。因此，碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。同时，煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类矿物。碳是产生容量的主要来源，含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为55～62％；成为褐煤以后碳含量就增加到60～76.5％；烟煤的碳含量为77～92.7％；一直到高变质的无烟煤，碳含量为88.98％。个别煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在90％以上，如北京、四望峰等地的无烟煤，碳含量高达95～98％。

（二）煤中的氢

氢是煤中第二个重要的组成元素，是仅次于碳的热源之一。除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存在于矿物质的结晶水中，如高岭土、石膏等都含有结晶水。在煤的整个变质过程中，随着煤化度的加深，氢含量逐渐减少，总的规律是氢含量随碳含量的增加而降低，尤其在无烟煤阶段就尤为明显。当碳含量由92%增至98％时，氢含量则由2.1%降到1%以下。通常是碳含量在80～86％之间时，氢含量最高。即在烟煤的气煤、气肥煤段，氢含量能高达6.5％。在碳含量为65～80％的褐煤和长焰煤段，氢含量多数小于6％。

（三）煤中的氧

氧是煤中第三个重要的组成元素。它以有机和无机两种状态存在。有机氧主要存在于含氧官能团，无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物中等。煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量小于70％时，其氧含量可高达20％以上。烟煤碳含量在85％附近时，氧含量几乎都小于10％。当无烟煤碳含量在92％以上时，其氧含量都降至5%以下。

（四）煤中的氮

煤中的氮含量比较少，是煤中的无用成分，一般约为0.5～3.0％。氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。其原生物可能是动、植物脂肪，植物中的植物碱、叶绿素和其他组织的环状结构中都含有氮，而且相当稳定，在煤化过程中不发生变化，成为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮，仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没有发现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。它与氢含量的关系是，随氢含量的增高而增大。

（五）煤中的硫

煤中的硫分是有害杂质，它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫(SO2)污染大气，危害动、植物生长及人类健康。所以，硫分含量是评价煤质的重要指标之一。煤中含硫量的多少，似与煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫或多或少的煤。煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。在内陆环境或滨海三角训平原环境下形成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高，且大部分为有机硫。根据煤中硫的赋存形态，一般分为有机硫和无机硫两大类。各种形态的硫分的总和称为全硫分。煤中有机硫，主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质，无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物。

三、煤炭的地位及其发展

据统计，在我国能源生产和消费构成中，煤炭一直居于主导地位，在国民经济中，工业、农业、交通运输的发展都离不开煤炭。随着近代科学技术的发展和新工艺、新方法的应用，煤炭的用途和综合利用价值将会越来越大。

煤炭稳定增产，使国内煤炭供求出现了历史上少有的缓和局面，从而保证了国民经济持续、快速、健康发展的需要。煤炭工业布局也日趋合理，煤矿的技术、设备以及安全生产状况也发生了很大变化，煤炭的综合加工利用也有了长足的进步，若干重要的技术经济指标都取得了历史性突破。大多数煤矿从过去单一品种、单一经营的状况，开始向着以煤为主，多品种、多种经营的方向发展。