煤炭用途变迁

煤的用途与煤的种类有密切的关系，不同的煤种其用途是不同的，煤的种类与用途大致可以归纳以下几方面。

（一）煤的种类

煤的分类由于依据的主要标准不同，其分类也有差异，分类方法比较多。我这里主要介绍一下按成因分类及实用分类。

按成因分类：按成因分类是依据成煤植物在聚积阶段各种综合因素进行的，主要是根据成煤物质的种类——高等植物还是低等植物；植物遗体的环境和条件——沼泽的积水深浅、水的活动性、氧气供应和微生物活动等情况，还有成煤物质分解转化过程所决定的。

按成煤物质的种类可以分为三类，即高等植物形成的腐植煤；由低等植物形成的腐泥煤；由高等植物与低等植物形成的腐植－腐泥煤。按植物堆积环境和条件以及成煤物质转化过程将煤的成因类型可分为腐植煤和残植煤。腐植煤和残植煤都是由高等植物变成的，腐植煤的原始物质主要由高等植物的木质和纤维素组成，残植煤的原始物质则主要是植物生物化学稳定的组织，如角质层、孢子、树脂物质、树皮的木栓组织等。腐泥煤的物质组成主要是藻类物质变化产物。腐植腐泥煤是腐植煤与腐泥煤之间的过渡类型。自然界大多数的煤是腐植煤，残植煤、腐植－腐泥煤、腐泥煤则比较少见，通常构成腐植煤中的夹层和透镜体，在较少情况下可单独构成煤层。

按实用分类：这种分类方法，首先要对煤的物质组成进行较全面的了解。煤主要由碳、氢、氧、氮等元素构成的有机质和一些矿物杂质和水分等无机物所构成。煤的质量是由煤的主要组分指标及变质程度决定的。确定煤质量的主要指标有水分、灰分、挥发分、焦渣、角质层厚度、发热量、磷、硫、灰成分、灰熔融性、可选性等。

水分：煤中的水分可分外在水分和内在水分两种。外在水分是在采掘、搬运、储存及洗选过程中，存留在煤炭表面和裂隙中的水分。这种水分自然风干即可除去。另一种是内在水分，是吸附和凝聚在煤分子内部的一些细小的毛细孔里的水分。这种水分经自然风干是除不掉的，需在温度达到 100°以上时才能干燥蒸发掉。内在水分与煤的变质程度和风化程度有关。一般来说，煤的变质程度超高，内在水分越少。煤经风化后因疏松吸潮，内在水分又会增加。地质勘探中常采用内在水分作为评价煤质的数据。内在水分和外在水分的总和称为全水分，它是矿井采出来的煤或直接用工农业生产煤的总含水量，通常作为煤炭供销双方评价煤质的依据之一。我们常用的水分指标有全水分，用“mt”表示也常用“Mar”表示；空气干燥基水分，也可以认为是内在水分，常用（Mad）。

灰分：灰分是煤彻底燃烧以后所剩下的残渣。按成因可分为内存灰分和外在灰分两种。外在灰分是来自煤层顶底板和夹矸中的岩石碎块，它与采煤方法的合理与否有很大关系。外在灰分通过洗选后可大部分除去。内存灰分是成煤的原始物质本身所含的无机物，另外也包括沉积时由风和水搬运来的矿物杂质。内在灰分很难通过洗选除去，含有大量内在灰分的煤是非常难选的。常用的指标有空气干燥基灰分（Aad）、干燥基灰分（Ad），也有用收到基灰分的（Aar）。煤的灰分对煤的实用价值影响很大，是评价煤的质量的主要指标之一。冶金用煤的灰分如增加1%，炼铁炉平均要多消耗 2% ～ 2.5% 的焦炭，同时还会使炼铁炉的生产效率降低约 2%。灰分也增加运输上负担，增加运输成本。不同的国家对煤的灰分的指标要求有所不同。我们国家规定，炼焦用煤的灰分最好不超过 10%，动力用煤其指标可适当高一些，只要发热量达到要求就可以。当灰分大于 40% 时就不是煤了。

挥发分：挥发分是煤在与空气隔绝的高温条件下所排出的挥发物质，主要成分为沼气、氢、二氧化碳和其他碳氢化合物等。挥发分含量与煤的变质程度有关，变质程度越高挥发分越少。挥发分可以作各种高发热量的燃料，也可用来制造染料、塑料、炸药以及其他许多化工产品。挥发分是评价煤质，进行煤种分类的主要指标之一。由于挥发分是煤中有机可燃体的一部分，所以在实际生产中，通常是以挥发分占有机可燃体的百分含量为指标。常使用的有空气干燥基挥发分（Vad）、干燥基挥发分（Vd）、干燥无灰基挥发分（Vdaf）和收到基挥发分（Var），其中 Vdaf 是煤炭分类的重要指标之一。

焦渣：煤中除去挥发分后残留在坩埚里的固态物质就是焦渣。它是由灰分和煤中不挥发的有机物质固定炭组成。固定碳的含量，通常是以其占有机可燃体的百分含量表示，其含量随着变质程度增高而增高。不同的煤形成的焦渣特征是不同的，有的焦渣呈粉末状，有的焦渣熔融黏结成块状，强度大。因此，根据焦渣特征可以初步判断煤的黏结性，对估计煤能不能炼焦是有很大意义的。

角质层厚度：角质层厚度是依照炼焦过程，在实验室里用仪器测定的。把有黏结性的煤粉碎成细粒，在密封的条件下加热到一定温度时，煤中有机质受热分解，软化而成角质层，最后结成了块状的焦炭。黏结性好的煤，加热时形成的角质层厚度适当，结成的焦炭熔融黏结成块状。不黏结的煤加热时，就不能产生角质层，也就不能结成焦炭，呈粉末状。一般来说，煤的角质层厚度是随煤的变质程度增加而有规律的变化，变质程度很低或很高的煤，角质层的厚度都很小或等于零，也就是黏结性不好或没有黏结性。角质层厚度能反映煤的黏结性，因此也就成了评价煤质、进行煤的工业分类的重要指标之一。常用 y 或 b 表示。

发热量：煤的发热量是指单位重量的煤完全燃烧时放出的热量。它对评定煤的燃烧价值有很重要的意义。在煤质评价中，通常用煤的低位发热量来评定煤的燃烧价值，即每千克煤在坩埚中燃烧后实际能被选用的热量。煤的发热量大小与煤的可燃元素碳、氢等含量有关，因而也与煤的变质程度有关。一般来说，变质程度越高，发热量越大。但是，当烟煤向无烟煤过渡时，氢的储量明显降低，由于氢在燃烧时产生的热量约等于碳的 4.2 倍，所以某些烟煤的发热量略高于无烟煤。另外，水分和灰分的增多，均可降低煤的发热量。不同的煤种其发热量是不同的，因此煤的发热量用不同的等级表示。

（1）低热值煤，表示为 LQ8.50 ～ 12.50 MJ/kg

（2）中低热值煤，表示为 MLQ12.51 ～ 17.00 MJ/kg

（3）中热值煤，表示为 MQ17.01 ～ 21.00 MJ/kg

（4）中高热值煤，表示为 MHQ21.01 ～ 24.00 MJ/kg

（5）高热值煤，表示为 HQ24.01 ～ 27.00 MJ/kg

（6）特高热值煤，表示为 SHQ>27.00 MJ/kg

注：1cal15（15℃卡）＝ 4.1855J

硫和磷：煤中常含有硫和磷。硫是煤中的有害杂质，煤在燃烧时硫会变成二氧化硫，腐蚀锅炉、管道，污染大气，增加温室效应，空气中的硫多了还会形成酸雨。炼焦时，有一部分硫会转入焦炭，用含硫高的焦炭炼铁，会降低钢铁的质量。钢铁中的硫分超过一定限额，就会使钢铁变脆，强度降低。煤中的无机硫主要是黄铁矿硫，常常呈细脉充填在煤的裂缝中，或者结核状夹在煤层中，对这部分硫可以通过机械洗选的方法剔除。均匀地分散在煤中的有机硫则很难选除掉。煤中的硫分是评价煤质的极其重要的指标。在实际的生产中通常是以绝对干燥煤样的总含硫量为指标来评价煤的质量的。我国规定，凡是工业用煤必须先经过洗选，尽量降低硫的含量；含硫量大于 3% 的煤就不能开采。常用的指标有空气干燥基全硫（St，ad）、干燥基全硫（St.d）及收到基全硫（St，ar）。

可选性：上面已讲过，煤中的灰分、硫分、磷分等，对煤的加工利用都是有害杂质。为了降低煤中的有害杂质，提高煤的质量，特别是提高炼焦用煤的质量，就需要对原煤进行洗选。对于直径大于 50 毫米的矸石和黄铁矿等杂质，可以用人工手选，颗粒小于 1 毫米的粉煤，则可采用浮选方法进行选煤。煤中矿物的颗粒大小和分布状态，直接影响着煤的洗选难易程度，这就是煤的可选性。煤的可选性是评价煤质，特别是评价炼焦用煤质量的重要指标之一。

灰成分和灰熔融性：灰成分是煤灰分中的矿物成分，灰熔融性是煤的灰分在不同温度下发生变形、软化和熔化状态。它们也是影响煤的用途的重要指标之一。

另外，煤中的有害有毒元素对煤的质量和用途也有较大的影响，如砷、汞和放射性铀等，若其含量超标，会对人体健康产生大的影响。

依据上述煤质量的各种指标，结合煤的变质程度和用途，就可以对煤进行实用性分类。我国煤的分类是根据煤的煤化度，将我国所有的煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大煤类。又根据煤化度、煤质组分和工业利用的特点，将褐煤分成 2 个小类，无烟煤分成 3 个小类。烟煤比较复杂，按挥发分分为 4 个档次，按黏结性可以分为 5 个或 6 个档次。主要类型是褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2 中粘煤、气煤、气肥煤、肥煤、1/3 焦煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、无烟煤。其中褐煤的变质程度最低，无烟煤的变质程度最高。长烟煤到气煤是低变质烟煤，肥煤到焦煤是中变质烟煤，瘦煤、贫煤和无烟煤是高变质煤。

褐煤的特点是光泽暗淡，内生裂隙不发育，有干缩裂纹，腐殖酸含量高，发热量低。是低热值燃料和制作化肥的原料。

长焰煤、不粘煤、弱粘煤和中粘煤的共同特点是韧性大，光泽较弱，内生裂隙很少，燃烧焰长，不结焦，是燃烧锅炉、化工、制油的最佳煤种。气煤除上述性质和用途外，还具有膨胀熔融结渣，有时有气体喷出的现象。气煤有一定的结焦性，还可以作为炼焦配煤。

肥煤和焦煤的共同点是具有玻璃光泽，内生裂隙发育，性脆易破碎。膨胀熔融黏结性好，焦渣有光泽，是炼焦的最佳原料。

瘦煤光泽强，微膨胀熔融，燃烧时烟淡焰短难着火，可做炼焦配煤。

贫煤具有金刚光泽，不膨胀熔融，燃烧时烟淡焰短难着火，适合燃烧锅炉和化工用煤。

无烟煤具有似金刚光泽，致密坚硬，比重较大，燃烧时不易着火，无烟几乎无焰，可做化工用煤和民用燃煤。

（二）煤的主要用途

早在几千年前，劳动人民就发现了煤可以燃烧，可以用来燃烧取暖、做饭和冶铁。蒸汽机发明后，煤成为机器动力的主要燃料。后来，煤又用来炼焦、发电、制作电石、煤气等。现在，煤仍然是主要的能源。我国的一次性能源结构中煤占到 70% 左右。有专家预测，近期内这种能源结构不会有大的改变。当前煤的主要用途是发电、炼焦、供热取暖和民用燃烧，但煤气化、煤液化、煤化工等煤的综合利用也在迅速地发展。

动力用煤：动力用煤是煤的主要用途，它是把煤作为燃料用来燃烧锅炉取暖、发电和作为蒸汽机车的动力等。因为动力用煤主要是燃烧，所以任何牌号的煤都可以用来作燃料取得热源。

煤焦化：煤焦化就是用煤炼焦。它是将煤在隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，得到的是焦炭、煤焦油和焦炉气三种原料。这三种原料经进一步加工处理可以得到一系列的煤化工产品。高温炼焦可以获得大约 78% 的焦炭，4% 的焦油，18% 的焦炉气。焦炭的主要用途是炼铁，其次是用于化肥工业。焦炭经进一步加工可制成合成氨、电石等。电石还可以再制成塑料、合成纤维、合成橡胶、合成化工产品等。煤焦油是煤焦化的副产品，是一种黑色黏稠状液体，主要成分是芳香族化合物。它的用途更加广泛，可以制成轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油、沥青等。用这些产品还可以制成苯、农药、炸药、染料、油漆、二早酚、聚乙烯稳定剂、合成材料等。焦炉气是很好的气体燃料和宝贵的化工原料，可作为冶金工业燃料、民用煤气，也可以制作氨、粗苯、氢、甲烷、乙烯、硫化氢及各种化工产品。如果一个焦化厂每小时能生产 15000 立方米焦炉气作为化工原料，则一年可以生产 55000 吨尿素或 70000 吨硝铵，16000 吨甲醇，2500 吨乙烯。因此焦化厂焦炉气的综合利用对发展农业、冶金工业和化学工业都具有重要的意义。

煤气化：煤气化是在高温有氧的情况下，将煤中的有机质转变成为含有一氧化碳、沼气、氢气等煤气的过程。煤气是一种极好的工业和民用燃料，用煤气作燃料比直接烧煤的效率高一倍多，气体燃料还有一系列优点，如燃烧完全、使用和输送方便等。因此，煤气已广泛用于冶金工业，机械工业、化学工业、建筑材料工业以及城市中的民用燃料。煤气中的一氧化碳和氢气可合成甲醇、醛、酮、酸、饱和烃、烯烃、芳香烃、合成氨等，所以，煤气也是重要的有机化学工业原料。

煤气化有地面气化和地下气化。地面气化是利用煤气发生炉把煤变成煤气。地下气化是在地下直接把煤层燃烧气化，再把煤气从地下输送到地面利用。

在地面用煤和焦炭等固体原料生产煤气的方法很多，大体可归纳为两类。一类是固体原料的气化，将煤或焦炭在有高温和气化剂的条件下转化为气体。又根据气化所用的固体原料种类不同以及固体原料在气化炉中存在的状态不同，制气的方法又分为固定层气化法和沸腾层气化法两种。另一类是固体原料的干馏，它是煤的有机质热解为气体的方法，这是生产城市煤气的常用方法。

固定层气化法是气化的固体在煤气发生炉中基本是固定的。发生炉煤气的气化过程是在固定层煤气发生炉中进行的，从煤气发生炉的底部通入空气和少量的水蒸气，从炉顶加入煤或焦煤，使气体和煤在 700℃～ 800℃以上的高温下发生剧烈的化学反应生成煤气。发生炉煤气用于炼钢炉、玻璃窑炉、炼焦炉等的加热，也可与水煤气混合作为制造合成氨、甲醇的原料气。水煤气是水蒸气与炽热的无烟煤工焦煤作用的产物。水煤气是制造合成氨的主要原料气。

沸腾层气化法是从炉底以高速通入气化剂，使气化炉中的细粒状煤处于浮动的状态，很像液体的沸腾，故称为沸腾层气化法。沸腾层气化法是直接对小于 10 毫米的煤粒进行连续气化的方法。

煤液化：煤液化是把煤由固体状态变为液体状态的过程。煤液化可以是直接液化，也可以是间接液化。

煤的直接液化可以通过低温干馏和加氢液化。煤的加氢液化是将煤、催化剂和重油混合在一起，在 380℃～ 550℃的高温、200 ～ 700 个大气压高压氢之下，使煤中的有机质几乎全部转化为液体和气体产物，进一步加工得到汽油、柴油等液体燃料。低温干馏是将煤通过内热式发生炉变成焦油产物，进一步加工为液体燃料和化工产品。

煤的间接液化是将煤先进行气化，进一步加工成为液体燃料的过程。

煤化工：煤化工就是将煤制成化工产品的方法。煤制化工产品的方法很多。通常是把煤先进行气化或液化，再进一步加工成化工产品。也可以先把煤加工成电石，再转化成为化工产品。

煤的综合利用：煤中的有益元素很多，煤灰中可以提取锗、镓、铀、钒等重要的稀有分散元素、放射性元素，这些元素是国防工业的原料。煤中还共生具有巨大开发价值的煤层气。煤灰还可以制造水泥、改良土壤等。煤灰的综合利用是煤综合利用的一个重要方面。

煤中锗和镓的利用：锗是半导体和电子工业重要的原料之一。锗在地壳中很少呈单独矿物出现，主要作为伴生组分存在于铅锌矿和煤层中。锗的提取工艺简单，主要从煤灰中和烟尘中提取。煤中的锗一般品位不高，但分布广泛，是锗矿床的主要成矿类型。煤中的锗含量达到每吨煤中 20 克就可以回收。新疆的伊犁、青河等煤矿的煤层中都含有锗和镓。

煤中铀的利用：铀在煤中主要以含铀的有机化合物存在，是铀矿床的重要工业类型之一，一般要求煤中伴生铀的工业品位为 0.02%。煤中铀的富集一是在泥炭堆积阶段，含铀的水溶液注入泥炭沼泽后，被腐殖酸强烈吸附所致。二是地下水的淋滤作用把铀带到煤层中。铀在煤中的富集主要是由于腐殖酸吸附铀离子变为金属有机络合物，或者作为还原剂把铀离子转变为不溶状态，固定于有机组分中。铀通常也存在于煤层顶底板的砂岩中，局部可富集出现。新疆的侏罗纪含煤地层常出现铀的富集区，在伊犁南部、吐鲁番地区等地的含煤地层中，铀的含量已达到工业品位。目前，利用地浸法开采煤系地层的低品位铀取得很好的效果。

煤中钒的利用：钒主要用于钢铁工业炼制优质合金。自然界钒的分布很分散，常与其他元素伴生形成含钒矿床。钒在煤系地层中的富集，与海生浮游生物和底栖生物成因的有机质密切相关，所以由浅海藻类聚集形成的腐泥煤中钒含量较高。钒在煤层中主要呈金属有机络合物形式存在，一般来说有机质含量越高钒含量就越富集。煤系地层中有时存在含钒砂岩，钒和铀经常共生形成钒钾铀矿。

煤层气的开发利用，近些年无论在国际上还是在国内，都发展得很快，可以说一个新兴的产业正在兴起，将在能源结构中占有很重要地位。这里只提一下，将煤的情况讲完后专门详细介绍。

（三）开采煤要注意保护资源和环境

煤是不可再生资源，用完了就没有了，因此要十分珍惜爱护煤炭资源。煤的开采要合理规划、统筹安排；选择先进合理的采煤方法，提高煤资源回收率，充分利用薄煤层；以科学发展观为指导，建立循环经济产业链，充分地利用煤炭资源的各种使用效能，提高煤的利用效率。

煤的开采利用对环境会产生一定的影响，因此在开采和利用煤炭资源时要特别注意环境的保护。煤矿开采中由于地下挖空塌陷，常会在地面上形成裂缝、塌陷坑、岩体滑移、山体滑坡等地质灾害，对森林、草原和农田造成危害甚至造成严重破坏；煤矿开采排出的瓦斯、二氧化碳和一氧化碳等废气能污染大气，增加温室效应；排出的硫化氢气体还可以形成酸雨，对人、生物、农作物产生严重危害；排出的废水可以污染环境及地下水；排出的粉尘、矸石可以污染大气、周围环境。炼焦排放的煤烟、工业锅炉和民用锅炉排放的烟尘可以污染大气；煤液化、煤化工也能形成大量废气和废水，污染环境。但是，上述煤开采利用中存在对环境的各种不利影响和危害，只要采取切实有效的措施，是可以大大降低其影响程度的，甚至可以完全避免其危害。关键是在开采和利用煤矿时要牢固地树立环境意识，要把保护环境贯穿在开采利用的全过程，采取切实有效的措施，防止对环境的影响和危害，做到煤尽其用，物有所归，环境良好，人与自然和谐相处。