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原作始发于 广东科学中心 官方微信公众号  公元前54年夏天，尤利乌斯·凯撒（Julius Caesar,公元前103—公元前45）率领他的罗马军团登上了不列颠岛。这是他第二次上岛。 一年前，他带领80只战船渡海登岛。和平静的地中海不一样，大西洋上波涛汹涌，海浪让战士们疲惫不堪。刚刚上岸，他就看到岛上部族的酋长驾着马车带领着数百名勇士们披头散发，全身涂成蓝色，吼叫着冲了过来，他只好撤退。这次他带着800只船和充足的粮草军需。 由于登陆时没有遇到抵抗，他先扎下坚固的营寨，让一部分人留守登陆点。然后带着大队人马向着岛内慢慢推进。岛上的部族勇士几次伏击，怎奈他的军队训练有素，步步为营。 十几天后他推进到了部族的中心营地附近。部族的内部本来就有矛盾，兵临城下之际，酋长的儿子首先投降。接着被派去偷袭他登陆营地的人也大败而归，酋长只好投降。受降时，酋长献上了金银珠宝，还有好几块黑亮的石头。这些黑亮的石头就是煤。  图1：尤利乌斯·凯撒 我们都知道树木倾颓后通常会慢慢腐烂，最后化为尘埃。但是如果树木被埋入泥潭，沉入地底，又遇到高温高压，就会渐渐地变成煤。 如图2所示，煤的形成通常分为四个阶段（图2）。 第一阶段形成的是泥炭（Peat）。它是一种有机物质，是植物或其他生物在泥水中没有氧气的情况下分解而成。泥炭通常是棕色的，含有大量水分。 第二阶段形成的是褐煤（Lignite）。褐煤呈深棕色。当覆盖在泥炭上的沉积物不断增加，施加的压力越来越大，泥炭就慢慢地被压成了褐煤。  图2：煤的形成 第三阶段形成的是烟煤（Bituminous Coal）。当外界的压力继续加大，温度增高，泥炭就被压成了烟煤。顾名思义，烟煤在燃烧时会产生大量的黑烟。 第四阶段形成的是无烟煤。在长时间的高压高温下，烟煤会被压成无烟煤。它坚硬、有光泽（图3）。大约三米厚的植物最终能形成三分之一米的无烟煤。  图3：煤 人类很早就发现了煤。在中国，古书《山海经》（成书于战国时代，公元前475年—公元前221年）上有好几处讲到煤（称为“石涅”）。 在古希腊学者提奥夫拉斯图斯（Theophrastus，公元前371—公元前287）曾讲述了罗马的铁匠烧煤制作铁器。提奥夫拉斯图斯是亚里士多德 （Aristotle，公元前384—公元前322）最器重的学生之一（图4）。提奥夫拉斯图斯是亚里士多德特意为他取的名字，意为“神圣的表达（divine expression）”。 提奥夫拉斯图斯继承亚里士多德的衣钵，执掌亚里士多德创立的学校，学生多达2000人。他研究的学科包括药学、农学、天文学、物理学、心理学、数学、动物学等等。他最著名的著作是《植物探索》（Enquiry of plants），其中列举了500多种植物，包括40多种入药的植物。他的研究细致、深刻、系统，因此被尊为植物学之父。然而，他虽然讲到了煤，却没有注意到煤是由植物转化成的。  图4：提奥夫拉斯图斯（穿红衣者）与亚里士多德（穿蓝衣者）在研究动物 罗马人延续了希腊人的文化。当罗马人占领了不列颠岛时，也把烧煤的技术带到了那里。 大部分的煤矿都深埋地底。但也有煤矿因为地壳变化，被推到了露天。 煤主要用作燃料。在9世纪时，古代的工匠们发现了一种方法，可以在煤燃烧之前去除各种杂质：把煤放进1000~1100℃炉子里烘烤约24小时左右，可以除去一氧化碳、甲烷、焦油等杂质。这种方法叫做焦化，得到的高品质煤叫做焦炭，是炼铁的重要材料。 到了第一次工业革命的时代（1800左右），不列颠岛上的森林已经被砍伐殆尽。不得不改用煤了。因此，英国的大城市黑烟弥漫，酸雨不断，黑水横流，矽肺的病人不计其数（图5）。  图5：维多利亚时代（1837—1901）的伦敦 煤的成分主要是碳（因此煤是黑色的）。另外还含有氢、氧、硫和其他杂质。这都是从植物那里带来的。 1833年英国地质学家威廉·赫顿（William Hutton, 1798—1860）首先用显微镜仔细地检查了煤，他发现所有的煤都含有植物细胞（图6）。据此，他把煤叫做化石燃料。  图6 : 约翰·林德理与赫顿合著的《英国化石植物》(The Fossil Flora of Great Britain)插图，描述远古植物碳化成煤 在20世纪以前，科学家们对煤的成分和分子结构知之甚少。到了20世纪初，科学家们才认识到煤是由多种元素组成的。烟煤的组份大致为: ● 碳（C）：75 ~ 90% ● 氢（H）：4.5 ~ 5.5% ● 氮（N）：1 ~ 1.5% ● 氧（O）：5 ~ 20% ● 硫（S）：1 ~ 2% ● 灰（铝、硅等杂质）：2 ~ 10% ● 水：1 ~ 10% 煤燃烧（参见《「如虚如实说」| 能量与能量转换之热能（二）》）时的主要燃料是碳氢化合物，在化学上称之为“烃”（hydrocarbon）。燃烧时释放出的气体主要是二氧化碳，以及氢、氨、一氧化碳等其他碳氢化合物。燃烧后留下的煤渣是无机化合物，主要成分是铝或硅的氧化物。 1925年，英国科学家威廉·伯恩（William Bone, 1890—1938）进一步发现了煤的分子结构。煤的结构主要是苯环结构（图7）。由于生成煤的原材料和环境不同，所以其结构也会有所不同。  图7：煤的结构，环状的是苯环 有历史学家说两次世界大战都与煤炭相关，这是有道理的。20世纪初，德国经济已经超越英国，成为欧洲第一强国。但是英国有巨大的海外殖民地和强大的海军，德国无法获得石油。但德国有大量的煤炭。因此德国科学家们一直在致力于开发煤炭技术。 1913年，德国化学家弗里德里希·贝尔吉斯（Friedrich Bergius，1884—1949）发明了从煤炭中提取汽油的方法。 贝尔吉斯的父亲是一位化工厂的厂主，他从小就迷上了化学工程。大学期间，他师从弗里茨·哈伯（Fritz Haber，1868—1934）（参见《「如虚如实说」| 科学家属于整个世界》），研究高温和高压下的化学反应。他与卡尔·博世（Carl Borsch，1874—1940）一起用高压的方法在褐煤中提取出了汽油（这位博世先生与现在世界五百强的博世公司没有关系）。两人也因此获得了1931年的诺贝尔化学奖。 1914年，德国成立了煤炭研究所，由弗朗茨·菲舍尔（Franz Fischer，1877—1947）担任所长。 菲舍尔和他的团队在贝尔吉斯—博世方法的基础上设计了一个两步提取汽油的新方法：首先利用蒸汽加热煤粉，得到碳氢化合物；接着再用催化剂把碳氢化合物收获下来。经过近10年的努力，团队最终获得成功。 1925年，团队与工业界联手建立了商业化的生产线。到了1940年，德国从煤炭中提取汽油的年产量达60万吨，因此不再惧怕石油封锁了。这一技术还可以用于制作人造奶油，在二战期间在非洲作战的德军吃的就是这种人造奶油。 贝尔吉斯在二战期间研究如何将木材转换成糖，以解决粮食问题，未能获得成功。二战后，他的故乡被割让给了波兰。他移民去了阿根廷，曾任阿根廷政府的科学顾问，最后病逝异乡。菲舍尔在二战中因联军的空袭两次失去了家业。二战后年纪老迈，无以为生，最后竟饿死家中。 如今，全球每年的煤炭产量约为79亿吨。其中以中国的产量最丰（图8），有36亿吨，占总产量的45%；其次为印度尼西亚、印度、美国、澳大利亚与俄国。  图8：准噶尔露天煤矿，每年生产煤炭2000万吨 大部分的煤炭都用于发电。在我们中国，煤炭的发电量占总发电量的62%左右，对于国民经济非常重要。 山西太原有个中国煤矿博物馆（coalmus.org.cn）,是国家的一级博物馆，很值得去看看。 燃煤是环境污染的主要原因之一。假定我们家中用10个10瓦（W）的LED灯泡照明，那么，一天的用电就是10（个）×10（瓦，W）×24（小时，h）= 2400瓦时 = 2.4（千瓦时，kWh），即2.4度电。一年下来就是2.4（千瓦时）×365（天）= 876（千瓦时）。这需要燃烧400千克（kg）的煤，从而会产生：
近年来，煤炭的开采、燃烧及污染控制技术有了长足进步，但燃煤还是环境污染的主要原因之一。为了节能减排，国家做了一整套的技术布局（表1）。 表1，与煤炭相关的节能减排技术
煤还有一个问题：不可持续。上面提到400千克煤是4吨植物在高温高压下压缩而成。这相当于12棵生长了百年的大树埋入沼泽之中，在数百万年间慢慢形成。 世界上煤总储存量的相当有限。目前已探查出的煤炭有约10,740亿吨。 表2是几个储存量最多的国家。中国的储存量约为15,681亿吨。以每年燃煤88亿吨来算，在不到122年内就会耗尽。 表2，世界上煤炭储存量多的几个国家
煤其实很少。 根据10吨植物1吨煤的推算，10,740亿吨煤是107,400亿吨植物形成的。在《森林》一文中讲到，世界上有30,000亿棵树（现代人出现之前更多些）。 树长得有快有慢，平均20年能长1吨重。因此20年能长30,000亿吨，200年能长300,000亿吨。要长出107,400亿吨只需要不到100年。而地球上的植物已有2亿多年历史。由此可见绝大部分的植物没有碳化成煤。 实际上煤只是大自然不经意的作品。人类要驾驭自己的命运还要开发出更多更好的技术。 |
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