煤碳

**煤**（英語：coal）是一種可燃的黑色或棕黑色沉積岩，這樣的沉積岩通常是發生在被稱為**煤床**或**煤層**的岩石地層中或礦脈中。因為後來暴露於升高的溫度和壓力下，較硬形式的煤可以被認為是變質岩，例如無煙煤。煤主要是由碳構成，連同由不同數量的其它元素構成，主要是氫、硫、氧和氮。

在歷史上，煤被用作能源資源，主要是燃燒用於生產電力和熱，並且也可用於工業用途，例如精鍊金屬，或生產化肥和許多化工產品。作為一種化石燃料，煤的形成是古代植物在腐敗分解之前就被埋在地底，轉化成泥炭，然後轉化成褐煤，然後為次煙煤，之後煙煤，最後是無煙煤。煤產生之碳氫化合物經過地殼運動空氣的壓力和溫度條件下作用，產生的碳化化石礦物，亦即，煤炭就是植物化石，多半來自於石炭紀至二疊紀時期的煤炭森林。這涉及了很長時期的生物和地質過程。

## 發現歷史

### 中國

古代中國歷史典籍中，煤被稱為『石炭』、『烏薪』、『黑金』、『燃石』。《山海經》中最早記錄了煤的存在，被稱為『石涅』。煤炭也是中華地區最早開採利用的能源之一，古代東北地區撫順民居火炕中、中原地區煉鐵的遺址中，都發現過燃燒的煤炭和未燃燒的煤餅。

徐珂《清稗類鈔・物品・銀骨炭》、《紅樓夢》第五十三回載有「銀霜炭」，無煙，難燃，不易熄，或為無煙煤。

## 成分

煤其主要成分為碳、氫、氧和少量的氮、硫或其它元素。硫是煤最主要雜質之一，其通常以硫化物之形式出現於煤的燃燒生成物中。於某些國家，例如美國已設立規範管制硫化物之排放量，因除去此類有害雜質花費不低，故政府均獎勵生產低硫煤以減少污染。

煤被認為是遠古植物遺骸埋在地層下經過**泥炭**→**褐煤**→**次煙煤**→**煙煤**→**無煙煤**的轉變所形成的，無煙煤還可以進一步轉化為石墨。

## 分類

根據其碳化程度不同分類，可以依次分為泥炭、褐煤（棕褐煤、黑褐煤）、次煙煤（亞煙煤）、煙煤（生煤）、無煙煤、亞煤 (褐煤的一種，是日本的特有分類）。無煙煤碳化程度最高，泥炭碳化程度最低。

根據其岩石結構不同分類，可以分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤。含有 95% 以上鏡質體的為鏡煤，煤表面光亮，結構堅實，含有鏡質體和亮質體的為亮煤，含粗粒體的為暗煤，含絲質體的為絲炭，由許多小孢子形成的微粒體組成的為燭煤。

根據煤中含有的揮發性成分多少來分類，可以分為貧煤（無煙煤，含揮發分低於 12%）、瘦煤（含揮發分為 12-18%）、焦煤（含揮發分為 18-26%）、肥煤（含揮發分為 26-35%）、氣煤（含揮發分為 35-44%）和長焰煤（含揮發分超過 42%）。其中焦煤和肥煤最適合用於煉焦碳，揮發分過低不粘結，過高會膨脹都無法用於煉焦，但一般煉焦要將多種煤配合。

1989 年 10 月，中華人民共和國國家標準局發布《中國煤炭分類國家標準》（GB5751-86），依據乾燥無灰基揮發分 Vdaf、粘結指數 G、膠質層最大厚度 Y、奧亞膨脹度 b、煤樣透光性 P、煤的恆濕無灰基高位發熱量 Qgr，maf 等 6 項分類指標，將煤分為 14 類。即褐煤、長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1／2 中粘煤、氣煤、氣肥煤、1／3 焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤和無煙煤。

按終端用途，一般生產的煤炭可分為兩種：焦煤與電煤，均屬於廣義範圍的煙煤與次煙煤。焦煤與電煤市場的經營彼此相對獨立。

## 品質鑑定

對煤的品質鑑定，還要根據其發熱量、灰分（不能燃燒的部分）和含硫量等因素，根據起用途來確定。如果用做燃料，含硫高則會燃燒產生二氧化硫污染大氣，必須要增加脫硫的成本，用做煉焦，膨脹係數也是一個主要因素。

## 煤炭的優缺點

* 優點：煤炭資源量豐富，且因世界各地都有煤炭礦藏，因此開採及供給皆很穩定，價錢也較石油及天然氣便宜。
* 缺點：煤炭的發熱量比石油或天然氣小，煤炭在燃燒時，所排放出的二氧化碳量高於石油及天然氣。產量有限，是不可再生能源。

## 用途

### 煤做為燃料

煤用於煉焦，可以產生煤焦油及氨水。焦碳是用於煉鐵的重要原料。煤焦油可提取多種工業用的重要化合物。很多人以為煤氣是從煤製造出來的，但事實是煤氣是從原油提煉出來的石腦油再加以提煉而成的。煤也可以直接汽化，生成水煤氣（一氧化碳和氫的混合物），直接用做清潔燃料。

煤，尤其是煙煤（任何揮發分較高的煤）直接作為燃料會冒出黑煙，浪費其中揮發分並造成大氣污染，英國由於氣候多霧，對污染尤其敏感，早在 20 世紀初即頒布法律禁止將原煤直接作為燃料，只能燃燒焦碳或半焦。

#### 煤灰

煤在火力發電廠等鍋爐燃燒後 80% 會產生煤灰（英語：coal ash），煤灰的金屬成分包括：鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉及鈦等金屬，或非金屬成分矽、硫等氧化物，煤灰中有 80.4% 是煙囪中的飛灰，19.6% 是火力發電廠鍋爐底渣。燃煤火力發電廠使用灰塘進行掩埋，但因環境污染與建設經費高昂已開始轉型將煤灰作為循環再利用，台灣電力公司的煤灰再利用率為 60%，回收再利用主要應用於水泥（95.2%）、混泥土（4.1%）、道路基材（0.1%），無法回收利用部分仍採用灰塘法，用擠壓方式將煤灰打入地下十五公尺進行掩埋，造成地下水與海洋污染。民營的和平電力股份有限公司處理煤灰，已經不需要建設灰塘或海拋的方式，全部供作水泥之原料，避免污染海洋。

### 焦煤和焦炭利用

焦碳作為煉鐵的重要原料，對生鐵的質量有關鍵的作用，如果含硫和磷高，會嚴重降低生鐵質量，灰分高會降低熱值。因此用於煉焦的煤必須經過洗選，以降低其灰分和硫含量。煉出的焦碳必須選大塊堅實的，不能在高爐中被壓碎，以便可以通風。選出的碎焦只能做燃料，碎焦做燃料發熱量大，不冒煙，是很好的燃料。

### 煤的氣化

煤氣化可用於產生合成氣，這是一種一氧化碳 (CO) 和氫氣 (H2) 氣體的混合物。通常合成氣被用於燃燒於燃氣輪機產生電力，但是，通過費托合成工藝，合成氣的通用性也允許它被轉換成運輸燃料如汽油和柴油。煤氣化聯合費托技術目前被南非的薩索爾化學公司使用，從煤和天然氣生產汽車用的燃料。

### 煤的液化

煤液化被用來從煤生產液體合成燃料：甲烷，和石油化工產品。煤液化分為直接液化和間接液化兩種。直接液化意味著碳化和氫化。間接液化就是先把煤進行氣化，生成水煤氣，再合成乙烷、乙醇等燃料，也可以進一步合成燃油。

### 水煤漿

水煤漿燃料是懸浮在水中的細煤顆粒的可燃混合物。是由大約 65% 的煤、34% 的水和 1% 的添加劑通過物理加工得到的一種低污染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料。它改變了煤的傳統燃燒方式，顯示出了巨大的環保節能優勢。尤其是近幾年來，採用廢物資源化的技術路線後，研製成功的環保水煤漿，可以在不增加費用的前提下，大大提高了水煤漿的環保效益，它可用於為鍋爐，燃氣輪機，柴油發動機以及供暖和發電站供電。

**特點**

水煤漿燃料由許多因素決定，包括其粘度，粒度，沉降速率，點火溫度（800-850°C [1,470-1,560°F]），燃燒溫度（950-1,150°C [1,740-2,100°F]），灰分含量和熱值（3700-4700 千卡 / 千克）。根據煤種不同，選用不同品種與系列的添加劑製備水煤漿，氣化用水煤漿濃度為 60~65%。

當水煤漿燃料燃燒時，超過百分之九十九的碳含量被消耗_[引證需要]_。燃燒時火焰中心溫度較低，燃燒效率高，煙塵、SO2 及 NOX 排放量都低於燃油和燃煤。水煤漿燃料具有防火和防爆功能_[引證需要]_。鍋爐的灰分含量低於 10％是理想的。對於柴油發動機，沒有限制。

**製作**

水煤漿燃料的生產涉及將煤或煤泥粉碎成直徑在 10 到 65 微米之間的顆粒（可以使用標準破碎機）濕磨和均質化（根據需要添加添加劑）。然後製備所得產物（煤漿）用於中間儲存或運輸。

大顆粒水煤漿燃料可用於在鍋爐中產生蒸汽。較小（低於 80 微米）的顆粒煤 - 水漿料燃料可用於具有或不具有共燃料的柴油發動機中。例如，低速船用或模塊化發電廠柴油機可以在純水煤漿燃料上運行，而中速柴油機如機車發動機可能需要柴油 2 作為共燃料，其將用作點火源。已經在聯合循環燃氣輪機發電廠中試驗了非常小（5 至 10 微米）的顆粒煤 - 水漿料燃料。較小尺寸的顆粒在使用中更通用但更難以生產。

氣化噴嘴

噴嘴是水煤漿氣化技術的核心。噴嘴性能好壞，將直接影響氣化反應結果、耐火磚及其噴嘴自身的使用壽命。水煤漿氣化噴嘴由於受到煤漿中煤顆粒對材料的快速沖刷，噴嘴材料極易磨損，噴嘴的使用壽命僅為 3 個月，噴嘴的使用壽命直接影響著氣化裝置的長周期穩定運行。未來將研究開發出新型耐磨水煤漿氣化噴嘴。**原型**

將煤轉化為液體形式可以簡化燃料的輸送和分配。它可能是石油和天然氣的具有成本效益的替代品。在製備漿料之前分離非碳質材料可以將灰分的產生減少到 2％。

**發展**

煤氣化既可用於生產化工產品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，還可用於煤的直接與間接液化、聯合循環發電（IGCC）和以煤氣化為基礎的多聯產等領域。迄今為止，世界上已經商業化的 IGCC 大型電站，均採用氣流床技術，最具有代表性的是以乾煤粉為原料的 Shell 氣化技術和以水煤漿為原料的 氣化技術。Shell 氣化技術即將被引進中國建於洞庭，顯現其碳轉化率高，冷煤氣效率高的優勢。

### 化工品的生產

煤炭是生產許多化肥及其它化工產品的重要原料。生產這些產品的主要途徑是煤氣化產生合成氣。直接從合成氣生產初級化學產品包括甲醇，氫氣和一氧化碳，它們是化工產品的基本成分，從中可以繼續生產衍生化學產品的整個化工產品頻譜的製造，包括烯烴，乙酸，甲醛，氨，尿素等。作為初級化學品和高價值的衍生產品的前體，合成氣的通用性提供了的一種選擇，使用相對便宜的煤炭，以產生廣泛的有高價值的商品。

從歷史上看，煤的化工品生產已經自 1950 年代已經被使用，並已建立市場。根據 2010 年的全球氣化資料庫，在當前的和計劃中的氣化爐的調查，2004 年至 2007 年化工生產提高了產品的氣化份額從 37％到 45％。從 2008 年到 2010 年，22％新增氣化爐是被用於化工生產。

## 採礦方法

大部分煙煤和無煙煤均利用深度採煤法所取得，而近代技術已可使用露天採煤法。露天採煤法需動用每小時能移除數百公噸之大型挖土機，移走數百英呎深之表面土層。雖然成本較低及較快擴挖速度，但會破壞環境景觀。一般深度採煤法之深度為數百呎至數千呎，通常需要數個直井作為坑道通風，抽走甲烷並減少礦坑內部之熱與濕度。目前大約 90﹪以上的煤田利用機械方式採煤和輸送，因而坑道內之運輸主要依賴輸送帶，其將煤輸送至直井，然後再送出地面予以清洗、分類等處理。

## 煤炭的淘汰

關閉現有運行的燃煤電廠和防止建造新的燃煤電廠。 目的是減少會導致氣候變化的高濃度溫室氣體的排放。

## 煤礦稀薄程度的形成

一座煤礦的煤層厚薄與這地區的地殼下降速度及植物遺骸堆積的多少有關。地殼下降的速度快，植物遺骸堆積得厚，這座煤礦的煤層就厚，反之，地殼下降的速度緩慢，植物遺骸堆積的薄，這座煤礦的煤層就薄。

## 主要煤炭進口國

下表列出年度煤炭總進口數量達兩千萬短噸以上的國家（和地區），最大的進口國仍為日本、中國大陸及南韓。

## 主要產煤國

儲備期僅僅是基於目前的生產水平和探明儲量級別顯示的國家的一個估計，並不假設未來生產的甚至目前生產的趨勢。具有年產量超過 100 萬噸的國家都顯示。為了比較，還顯示用於歐洲聯盟的數據。份額是基於以噸油當量的數據。

## 參見

* 石墨
* 無煙煤
* 褐煤
* 中國煤炭工業

## 參考文獻

## 延伸閱讀

[編]

　
: 《欽定古今圖書集成・博物彙編・草木典・炭部》，出自陳夢雷《古今圖書集成》

## 外部連結

* （英文）世界煤炭協會 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）全球的產煤量
* （英文）煤炭在線 - 國際能源署 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）國家能源技術實驗室煤炭研究 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）Energy KIDS – Coal page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） from U. S. Department of Energy （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
* （英文）歐洲煤炭和褐煤協會 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）煤炭新聞和行業雜誌 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）