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煤炭：定义、分类、开采与应用

创作时间:

作者:

@小白创作中心

煤炭：定义、分类、开采与应用

引用

来源

https://zh-cn.geologyscience.com/%E5%B2%A9%E7%9F%B3/%E7%85%A4/

煤炭是一种非碎屑沉积岩，主要由植物的化石残骸组成，呈易燃的黑色和棕黑色调。其主要元素是碳，但也可以含有不同的元素，如氢、硫和氧气。根据植物材料的类型、不同的碳化程度和杂质的存在，形成不同类型的煤。有4个公认的品种：褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。

煤炭的主要用途是作为燃料。其使用已有数千年的历史，但真正的广泛应用是从工业革命后蒸汽机的发明开始的。煤炭提供了全球五分之二的电力生产，同时在铁和钢铁生产设施中也是主要燃料。

煤炭分类

随着时间的推移，地质过程在有利的条件下对死亡的生物物质施加压力，变质的程度或顺序依次增加如下：

褐煤：煤炭含量最低，对健康危害最大，几乎全部用作发电燃料。
次烟煤：一种致密形式的褐煤，有时经过抛光；旧石器时代晚期的下层烟煤，其性质范围从褐煤到烟煤，主要用作装饰石，因为它被用作蒸汽发电的燃料。
沥青煤：一种致密的沉积岩，通常为黑色，但有时为深棕色，通常具有清晰的闪亮和暗淡物质带。它主要用作蒸汽发电和焦炭生产中的燃料。在英国，它被称为动力煤，历史上一直用于在蒸汽机车和船舶中产生蒸汽。
无烟煤：是最高等级的煤炭，是一种坚硬、有光泽的黑煤，主要用于住宅和商业空间供暖。
石墨：难以点燃，不常用作燃料；它最常用于铅笔或粉末状以起到润滑作用。
渠道煤（有时称为“烛煤”）：是一种细粒高品位煤，主要由含氢量较高的脂煤组成。

煤炭有多个国际标准。煤的分类一般是根据挥发性物质的含量来分类的。但最重要的区别是动力煤（也称为动力煤），它通过燃烧产生蒸汽来发电；以及冶金煤（也称为炼焦煤），在高温下燃烧来炼钢。

历史意义

煤炭在人类历史上发挥着重要作用，数千年来一直被用作燃料来源。在古代，煤炭被用来加热、烹饪食物和取暖。在工业革命期间，煤炭成为驱动蒸汽机和机械的主要能源，导致运输、制造和其他行业的重大技术进步。煤炭的使用还导致采矿业发展为主要产业，并有助于刺激世界许多地区的经济增长。然而，煤炭的使用也与严重的环境影响有关，包括空气和水污染，并且是气候变化的主要原因。因此，人们正在努力转向更清洁的能源并减少对煤炭的依赖。

化学成分

煤主要由碳、氢、氧、氮和硫组成。煤的确切成分因其年龄和来源而异，但一般来说，根据其碳含量，煤可分为四种主要类型：褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。褐煤是最年轻的煤炭类型，含碳量最少，而无烟煤是最古老的煤炭，含碳量最高。一般来说，含碳量越高的煤炭能量含量越高，燃烧效率也越高。煤还含有不同数量的矿物质，如二氧化硅、氧化铝、铁、钙、钠和钾，这些矿物质会影响其燃烧特性和燃烧时对环境的影响。

物理性能

煤具有多种物理特性，包括：

颜色：煤炭的颜色范围从黑色到棕色到灰色。
硬度：煤的硬度范围从非常软且易碎（如石墨）到非常坚硬（如无烟煤）。
密度：煤的密度比许多煤的密度低岩石和矿物质，使其相对较轻。
多孔性：煤的孔隙率很高，煤颗粒之间的空间很小。
贝壳状断口：煤经常以光滑、弯曲的方式破裂，称为贝壳状破裂。
光泽：煤炭具有暗淡到闪亮的光泽，具体取决于煤炭的类型。
条纹：在白色无釉瓷盘上摩擦时，煤炭会产生黑色或深棕色条纹。

煤炭的物理性质对其开采、加工和使用非常重要。例如，煤炭的硬度可以影响所使用的采矿方法的类型，而孔隙度和密度可以影响煤炭的加工和运输。

煤炭开采和加工

煤炭通常从地下或露天矿井中开采。地下采矿方法包括房柱式采矿、长壁采矿和后退采矿，而露天采矿方法包括条带采矿、山顶拆除和露天采矿。

在房柱式开采方法中，在煤层中挖掘隧道，并留下煤柱来支撑顶部。在长壁采矿中，长壁煤炭被单片开采，而采空区上方的顶部在采矿机后面塌陷。后退采矿涉及从先前采矿的区域移除矿柱。

在露天采矿中，上覆的岩石和土壤被移除以获取煤炭。这一过程可以通过露天采矿来完成，其中覆盖层被成条地移除，或者通过山顶拆除来完成，其中整个山顶被移除以获取煤炭。露天采矿是另一种露天采矿技术，其中挖掘一个大坑来提取煤炭。

一旦煤炭被开采出来，就会被加工以去除杂质并准备使用。加工过程可能包括破碎、筛分和清洗以去除岩石和其他杂质，以及干燥以降低煤的水分含量。煤炭也可以用化学物质处理以去除硫和其他杂质，这一过程称为煤炭净化。

提取技术（露天和地下采矿）

煤炭开采可分为两大类：露天开采和地下开采。

露天采矿涉及清除上覆岩石、土壤和植被以暴露煤层。这通常是通过大型机器来完成的，这些机器可以分层去除覆盖层（煤层上方的材料）。露天采矿方法有多种，包括条带采矿、露天采矿、山顶拆除采矿和边坡采矿。在条带采矿中，覆盖层以长条状被去除，而在露天采矿中，覆盖层在大坑中被去除。山顶拆除采矿涉及拆除整个山顶山进入煤层，而边坡采矿则用于从暴露的垂直面或悬崖上开采煤炭。

地下采矿涉及在地下挖掘隧道或竖井以到达煤层。地下采矿有两种主要类型：房柱式采矿和长壁采矿。在房柱式开采中，煤层在一系列房间中开采，留下煤柱来支撑顶部。在长壁采矿中，一种称为采煤机的机器沿着煤层来回移动，切割煤炭并将其掉落到传送带上。随着机器的前进，顶部由液压支架支撑。

煤被提取后，可以对其进行加工以除去杂质并准备使用。加工过程可能包括破碎、筛分和清洗，以去除与煤炭混合的岩石和其他材料。煤也可以用化学物质处理以去除硫和其他杂质，或者可以将其转化为液体或气体燃料。

加工方法（清理、破碎、分级等）

煤炭开采后，常常需要进行清理和加工，除去杂质，以备使用。所使用的具体加工方法可能会根据煤炭的类型及其预期用途而有所不同。

加工煤炭的一种常见方法是通过称为“洗涤”的过程，该过程涉及使用水、化学品和机械设备将煤炭与岩石、灰分和硫等杂质分离。煤被压碎并与水和化学品混合形成浆料，然后通过一系列筛子和旋风分离器将煤与其他材料分离。然后，分离出来的煤将被进一步加工，以去除任何剩余的杂质，并根据尺寸进行分级。

其他加工方法可包括压碎和研磨煤炭以使其适合燃烧或其他用途，以及从煤炭中去除硫和其他污染物的工艺。根据煤炭的预期用途，可能还需要额外的加工步骤，例如碳化以生产用于炼钢过程的焦炭。

煤成分

煤的成分可以通过两种方式进行分析。第一个报告为仔细分析（水分、挥发性物质、固定碳和灰分）或最终分析（灰分、碳、氢、氮、氧和硫）。典型的烟煤在干燥、无灰的基础上最终分析可能含有 84.4% 碳、5.4% 氢、6% 灰分。

灰分成分、重量百分比：

SiO2：20-40%
Al2O3：10-35%
Fe2O3：5-35%
CaO：1-20%
MgO：0.3-4%
TiO2：0.5-2.5%
Na2O：1-4%
SO3：0.1-12%

煤层

将死去的植被转化为煤炭的过程称为煤化。在过去的地质时期，各地都有低洼的湿地和茂密的森林。这些地区死去的植被通常已经开始生物降解，并被泥土和酸性水转化。

这将碳困在巨大的泥炭沼泽中，最终被沉积物深埋。然后，在数百万年的时间里，深埋的热量和压力导致了水、甲烷和二氧化碳的流失以及碳含量的增加。

生产的煤的品位取决于达到的最大压力和温度；在相对温和的条件下生产的褐煤（也称为“褐煤”）和次烟煤、烟煤或无烟煤（也称为“硬煤”或“无烟煤”）是随着温度和压力的升高而生产的。

在涉及炭化的因素中，温度比压力或埋藏时间重要得多。次烟煤可以在低至 35 至 80 °C（95 至 176 °F）的温度下形成，而无烟煤则需要至少 180 至 245 °C（356 至 473 °F）的温度。

虽然煤炭在大多数地质时期就已为人所知，但 90% 的煤炭存款沉积于石炭纪和二叠纪时期，仅占地球地质历史的 2%。

发生煤炭

煤炭是一种常见的能源和化学品来源。直到石炭纪（距今358.9亿年至298.9亿年前），开发煤炭所需的陆地植物并不丰富，几乎每个大陆都发现了含有石炭纪或更年轻岩石的大型沉积盆地，包括南极洲。目前具有北极或亚北极气候的地区（例如阿拉斯加和西伯利亚）存在大量煤炭矿藏，这是由于气候变化和地壳板块的构造运动使古老的大陆块移动到地球表面，有时穿过亚热带甚至热带地区。一些地区（如格陵兰岛和加拿大北部的大部分地区）缺乏煤炭，因为那里发现的岩石早于石炭纪，而这些被称为大陆盾的地区缺乏形成大型煤矿床所需的丰富的陆地植物。

煤的特性和性质

煤的许多特性随其成分和矿物质的存在等因素而变化。已经开发了不同的技术来检查煤的特性。这些是 X 射线衍射、扫描和透射电子显微镜、红外分光光度法、质谱、气相色谱、热分析以及电、热分析以及电、光和磁测量。

亮度

了解煤的物理性质对于煤的制备和使用非常重要。例如，煤密度范围为约1.1至约1.5兆克每立方米，或克每立方厘米。煤的密度比水稍大，但比大多数岩石和矿物质的密度要低得多。利用密度差异，可以通过重液分离去除大部分岩石物质和富含硫化物的颗粒，从而提高煤的质量。

多孔性

煤的密度部分是由在整个炭化过程中持续存在的孔隙所控制的。孔径和孔径分布难以测量；然而，毛孔似乎有三个尺寸范围：

（1）大孔（直径大于50纳米），
（2）中孔（直径2至50纳米），以及
（3）微孔（直径小于2纳米）。

（一纳米等于 10−9 米。）煤的大部分有效表面积（每克约 200 平方米）存在于煤的孔隙中，而不是煤的外表面。孔隙空间的存在对于焦炭生产、气化、液化和高表面积碳生产以净化水和气体非常重要。出于安全原因，煤孔可能含有大量吸附的甲烷，这些甲烷可能在采矿作业期间释放并与空气形成爆炸性混合物。采矿过程中充分通风或提前清除煤层气可以降低爆炸风险。

反射率

煤的一个重要特性是它的反射率（或反射率），即反射光的能力。反射率的测量方法是将单色光束（波长为 546 纳米）照射到木炭样品中镜质体显微颗粒的抛光表面上，并用光度计测量反射光的百分比。使用镜质体是因为其反射率随着程度的增加而逐渐变化。由于其煤炭来源，熔熔岩反射非常高，而锂铁矿往往会随着程度的增加而消失。尽管很少有入射光被反射（范围从百分之零点几到百分之十二），但该值随着程度的增加而增加，并且可以用于对大多数煤炭进行分级，而无需测量存在的挥发性物质的百分比。

其他功能

其他特性，如硬度、可磨性、灰熔融温度和自由膨胀指数（煤样在封闭坩埚中加热时发生的膨胀量的目视测量）也会影响煤炭开采和选矿。以及煤炭的使用方式。硬度和可磨性决定了用于采矿、破碎和研磨的设备的类型，以及其运行中消耗的电量。灰熔化温度影响熔炉设计和操作条件。自由膨胀指数提供了有关煤炭是否适合生产焦炭的初步信息。

经济和社会重要性

煤炭是一种重要的自然资源，在现代世界的发展中发挥着重要作用。其经济和社会重要性体现在以下几个方面：

能源生产：煤炭是用于发电的主要能源之一。它在发电厂燃烧产生电力，为家庭、企业和工业供电。
钢铁生产：煤炭也是钢铁生产的关键成分。加热时，煤会释放碳，从而减少铁矿熨烫。然后，这种铁被用来生产钢材，而钢材是建筑、基础设施和许多其他应用的重要材料。
创造就业机会：煤炭开采和加工为许多国家创造了就业机会并为当地经济做出了贡献。该行业雇用了大量人员，包括矿工、工程师、地质学家和其他专业人员。
交通：煤炭通常通过铁路或船舶进行长距离运输到达目的地，这可以创造就业机会并促进其经过地区的经济。
经济实惠的能源：与其他能源相比，煤炭通常是一种更实惠的能源，这有助于降低消费者和企业的能源成本。
化学产品：煤炭还用作生产一系列化学产品的原材料，包括塑料、合成纤维、化肥和其他化学品。

然而，煤炭的使用也会产生重大的环境影响，包括温室气体排放和其他空气污染物，以及对水质和土地利用的负面影响。在评估煤炭的经济和社会重要性时必须仔细考虑这些影响。