|
煤炭是一种黑色的坚硬矿石，大多数都储藏在地下。在全球它都是一种普遍使用的能源。同时，煤炭也被用来作为炼铁或者制造其他产品的原料。
煤炭通常被当作燃料，燃烧的效果非常好。煤炭会从外向内慢慢燃烧，释放出大量的热量。煤炭中含有一种称为碳的元素，是煤炭中主要的可燃成分。 01. 煤炭的种类 煤炭按照硬度、色泽和燃烧时间分为三类。这三种煤炭是从不同的矿山里开采的。
1.褐 煤 干燥易碎，含碳量约为50%。褐煤的燃烧速度非常缓慢，火焰呈黄色，伴随烟雾，是三种煤炭中供热量最小、污染最大的一种煤炭。
2.烟 煤 硬度居中，外表光泽，纹理分明。烟煤的含碳量比褐煤高，但是比无烟煤低。燃烧效果很好，产生的烟量较少，是我们使用量最大的煤炭。
3.无烟煤 乌黑、坚硬、有光泽，是煤炭中最纯的一种，含碳量约90%。无烟煤燃烧温度最高，释放的热能最大，几乎不产生任何烟，是用来供暖和煮饭的最好的煤炭。 煤炭是和石油、天然气一样的化石燃料，是由远古的植物化石形成的。经过数百万年的演变，植物最终变成了煤炭。有些煤炭形成的时间比恐龙出现的时间还要早。 我们今天所使用的煤炭大多数形成于石炭二叠纪（森林煤炭时代），约在距今3亿6千万至2亿8千6百万年以前。这个时代地球上的气候非常温暖、潮湿、多雨。褐煤的形成时间相对晚得多，在距今约1亿4千4百万至6千5百万年前的白垩纪时期，和6千5百万至2百万年前的第三纪时期。
▲煤炭是由生长在沼泽地带森林里的植物形成的 煤炭在地下缓慢地形成
1.植物枯萎后落到沼泽的底部，形成了一层厚厚的称为泥煤的腐植土。 2.由于沼泽泥浆和淤泥的作用，这些腐烂的植物会继续发酵。 3.这些植物的残留物被埋得越来越深，并被逐渐挤压和加热。 4.植物通过数百万年时间的煤化作用变成煤。持续的高温、高压和化学变化过程使枯萎的植物逐渐变成了矿物的形态。首先会形成褐煤，接下来是烟煤，最终变成无烟煤。 人类利用煤炭的历史已经有数千年之久。中国是世界上最先使用煤炭的国家。在约3000年之前，古代中国人就把煤炭当作燃料。另外像北美的霍皮族印第安人、古希腊人和古罗马人也在很久之前就开始使用煤炭了。 从18世纪中期起，随着越来越多的工厂被建造起来，煤炭的需求量也越来越大。随着工业革命的发生，人们需要用煤炭驱动蒸汽机来带动工厂里的机器进行生产。很多大型城镇像雨后春笋般拔地而起，城镇中耸立起成百上千冒着浓烟的烟囱。
▲煤炭为世界上第一批工厂提供能源 约100年以前，绝大多数的火车和轮船是靠蒸汽机驱动的。燃烧煤炭加热水罐产生蒸汽。蒸汽推拉蒸汽机内的活塞从而推动火车的车轮前进。在蒸汽船上，活塞推动螺旋桨转动。
▲火车上的蒸汽机需要燃烧煤炭来驱动 在19世纪早期，人们通过燃烧煤炭得到了煤气。起初煤气被用来点亮路灯。每当夜晚降临的时候，点灯人就会一盏一盏地把街灯点亮；而黎明到来的时候，点灯人再把路灯一盏一盏地熄灭。随后，煤气也开始被用来煮饭和供暖。一直到20世纪60年代天然气才逐渐取代了煤气。 煤炭通常都储藏在地下被称为“出煤层”的结构中。地壳的运动会同时造成煤层的弯曲和平移。有些煤层由于地壳的运动会上升到地表外，其他的煤层仍然深深地被埋在地下。 地质学家可以通过研究岩石的特征，寻找煤炭储藏的线索。通过对一定的区域进行调查、研究之后，他们会判断出爆破点的位置。地质学家通过爆炸的冲击波穿透岩石的速度来判断地下的煤矿位置和煤矿含量，画出煤矿储量图。 如果地质学家认为一个区域中很可能蕴含着煤炭，他们会做进一步的研究：通过钻孔从地下提取岩石的样本，并检查这些样本来判断是否含有煤炭。如果发现很多优质的煤炭样本，那么这个区域的煤矿就有开采的价值。 02. 今天的煤炭开采 煤炭储存在地下和靠近地表的地方。机器在地下深层运转来挖掘煤炭。挖出的煤炭被传送带运送到地面。大型的挖掘机主要用来开采地表处的煤炭。
▲露天煤矿是指位于地面或者靠近地面的煤矿 上图的煤矿通常位于地表以下200米左右的位置。煤矿上面的土壤会被移开，然后通过爆破炸开上层的岩石。清走碎石后，就可以用大型的挖掘机和开凿机来开采下方的煤炭了。露天煤矿储量丰富，面积可达数平方千米。 人们通过在煤层上方钻矿井来开采煤矿。矿工使用电钻和电动切割机来挖掘煤炭。煤炭被放在传送带上送到矿井，再装入矿车中运送到地表。
▲深藏地下的煤矿 矿工需要在地底炎热的条件下工作，周围满是黑色的煤灰。呼吸煤灰会阻塞矿工的肺从而导致疾病。不仅如此，开采煤矿还是一份非常危险的工作。在地下工作的时候，矿工需要头戴坚硬的带有矿灯的安全帽，当供电系统出现问题时可以临时使用矿灯照明。煤层崩塌或者毒气泄露也随时有可能会发生，它们都会危害矿工的人身安全。 03. 煤炭的运输 煤炭需要从煤矿运送到使用的地方。煤炭体积大、重量多，通过公路或者空运的成本太高，所以通常会采用水路或者铁路运输，这两种运输方式虽然速度较慢，但是价格相对便宜。 驳船装载着煤炭顺着河道往来运送。比如德国的莱茵河上就到处都是准备将煤炭运送到内陆的驳船。而海运则是将煤炭运送到世界各地的主要方式。
▲煤炭随着货轮沿着江河穿过大洋被运送到目的地 列车将煤炭从矿区运送到千里之外的地方。因为煤炭很重，所以列车必须以缓慢而平稳的速度运行。列车上每节车厢装载的煤炭可以重达100吨—这么大量的煤炭只是一座火力发电厂20分钟的燃烧料。选矿厂用水将煤炭表面的灰尘、石头和一些其他的硫化物冲刷干净。这一过程可以将一些燃烧后会产生污染的物质过滤掉。清洁之后的煤炭燃烧起来会更充分，产生较少的污染物。 煤炭被当作能源使用，世界上有半数以上的国家通过燃烧煤炭来发电。煤炭产生的电量占世界总电量的39%。除此之外煤炭也为工业提供热能。炉灶、锻造炉和砖窑都需要煤炭作为燃料。 块状的煤炭在燃烧之前需要研磨成粉状，煤粉的燃烧效果更好，产生的热量更高。当煤炭燃烧达到一定的温度后就会将锅炉里的水变成水蒸气。这些水蒸气会推动发电机的涡轮旋转从而发电。这些电能通过电线送到千家万户。 煤炭可以被制成液态燃料。煤炭通过液化的过程可以从固体转化成液体。液态煤炭可以通过精炼（提纯）之后作为原油的替代品使用。液化后的煤炭可以作为燃料运输。 除了液态燃料之外，煤炭还可以被加工成很多其他的产品。例如炼钢所需的焦炭、肥皂和沥青等。沥青是一种黑色黏稠物质，可以用来铺路，还可以给屋顶做防水措施。 烟煤经过1200℃的高温加工后就变成了焦炭。相较于一般的煤炭，焦炭可以燃烧到更高的温度，因此它和铁矿石在炼炉里燃烧时，可以把铁从矿石里提炼出来，称为熔铁矿。熔铁矿和碳混合在一起就炼成了钢。 冷知识 煤炭还能做肥皂？ 煤炭制作的肥皂 （右图）
在烟煤被加热成焦炭的过程中会释放出气体。这些气体被收集冷却后形成煤焦油。煤焦油是一种黑色的油质液体，可以加工成肥皂和治疗湿疹的药膏。 04. 煤炭和污染 开采煤炭会产生大量的废弃物（矿渣）堆在地表，还会在地表留下纵横的沟壑。燃烧煤炭产生的污染对植物和动物是有毒害作用的。如今，人类投入了大量的人力物力来减少煤炭所产生的污染。 煤炭所产生出的大量矿渣具有随时坍塌的危险。1966年，英国威尔士的一处矿渣堆坍塌压倒了附近的一所学校，造成144人丧生。露天矿场会在地表留下许多矿井，对地貌造成严重的破坏。与此同时采矿会产生大量的灰尘和噪音，还会污染附近的水源。
▲开采煤矿对环境造成毁坏 气体从燃烧煤的发电厂和工厂的烟囱里排放出来。这些气体与云层里的水混合在一起会形成酸雨。随着时间的流逝，酸雨会杀死植物和野生动物，腐蚀建筑，污染河流和湖泊。风可以携带酸雨飘散数千千米。
▲燃烧的煤炭会对建筑和树木造成破坏 大气中二氧化碳的浓度随着包含煤在内的更多化石燃料的燃烧而上升。中国和其他亚洲国家的工业在快速发展。因此二氧化碳排放量也在上升。二氧化碳和其他气体将热量困在地球周围，使地球温度上升。这个过程被称为全球变暖。 今天我们所使用的煤炭比以往所使用的要清洁很多。 修复露天煤矿曾占用的土地：露天煤矿只是对土地的暂时占用，储藏的煤炭被开采出来之后，这片土地就可以被再次利用起来，修整土地，更换土壤后便可重新播种。重新整修后的土地可以用来耕种、造林、供野生动物栖息，也可以引入水源形成人工湖泊。除此之外一些停止使用的煤矿也被当成垃圾填埋场来处理垃圾。 新型发电站更清洁：现代的火电站发电量更大，但是排放的二氧化碳和有害物质却更少。新型的火电站与建于20世纪50年代的旧发电站相比效率提高了约50%。在一些国家，旧的、低效能的发电站已经被关闭。中国正在建造更新型的发电站，这类发电站通过应用最新技术可以大幅提高发电量，更加有效地降低污染。 通过净化废气可以有效地减少火电站造成的污染。通过净化，微小的烟灰、有害的气体和金属物质都被剔除。电子空气过滤器会把灰尘和小颗粒过滤掉，石灰岩清洁剂可以吸附有害气体。 结 语 科学家们认为目前的煤炭储量还可以供我们使用200年，但总有一天会被用尽。如果可以减少煤炭的使用量，那么它们能够供人类使用的时间就会延长。我们可以做很多力所能及的事情来减少能源的使用，从而节约煤炭。 转载内容仅代表作者观点 不代表中科院物理所立场 |
|
|
