【中華百科全書●工學●煤】

楊籍富

【中華百科全書●工學●煤】

 

煤（Coal）為人類最早所用之化石燃料，目前仍為一種主要能源礦產。

 

中國人在二千年前已經開始用煤，歐洲人（英國）在西元十二世紀亦開始用煤。

 

煤為一種自然發生成層的能燃燒的有機岩石，產生於沈積岩層中，主要為陸相炭質物組成。

 

煤係原來生長於沼澤地中之植物，在大量死亡後，發生局部腐爛作用。

 

其碎塊遺體堆積後，經過各種生物、化學，與地質作用所變成者。

 

煤中所含化學成分以碳為主，通常多在百分之五十以上，此外含有氫、氧，與少量之氮和硫，尚有或多或少之無機礦物質夾雜其內。

 

植物變成煤之作用名為成煤作用（Coalification），可分為兩階段。

 

首一階段以生物化學（Biochemical）作用為主，亦名泥炭（Peat）階段。

 

廣大沼澤地中植物死亡後，先經以氧化與微生物菌為主之局部分解，使植物碎塊先變為泥炭，大部由腐植質（Humns）組成，為植物或煤過程中最早變成之有機物質。

 

在此過程中，容易腐化之植物組織先行分解，僅抵抗腐爛分解堅強之植物組成物質得以存留堆積，造成泥炭。

 

第二階段為地質化學（Geochemical）作用階段，兩階段間為漸變互異，無明顯分界。

 

在本階段成煤過程中，由於泥炭受上覆其他岩層覆蓋，深埋地下深處，因溫度壓力之不斷增高。

 

乃發生類似岩石之變質作用，使泥炭中碳分含量不斷增高，而氧、氫、氮之含量逐漸減少。

 

乃使泥炭先變為褐炭，再由低級煙煤變成高級煙煤，最後變為最高級之無煙煤。

 

在本階段作用中主要有兩種化學變化：一為碳化作用（Carbonization）；

 

一為去揮發分作用（Devolatization）。

 

即煤級愈高。

 

其所含碳分愈高，所含揮發分愈低。

 

此兩種變化之造成，主要為溫度壓力不斷增高所致。

 

在植物變成煤之過程中，僅植物組成物中之抵抗分解腐蝕堅強者始能堆積成為煤層，成為主要成煤植物組織，其他易於分解之植物組織早在成煤作用中消失。

 

在植物組織中抵抗分解堅強者依次有角皮質（Cutin）、軟木質（Suberin）、樹臘（Waxes）、樹脂（Resins）、木質（Lignin）及纖維素（Cellulose）；

 

但以後兩者在植物組成物中所占百分比最高，故為造成煤之最主要植物組機。

 

煤之主要分類法將煤分為不同之煤級（CoalRank），即表示成煤作用中之不同階段，每一階段可代表一不同煤級，皆以煤之化學及物理性質之變化決定之。

 

煤級之最低者為前述之泥炭，多呈棕色，多孔而疏鬆，含水分至高，植物之根莖葉等組織亦常保存於泥炭中，可見其變化之淺也，較高煤級為褐炭（Lignite），呈棕黑色。

 

水分較少，植物組織亦甚少保存，燃燒時有長而多煙之火焰。

 

煤級再增高則變為半煙煤（SubbituminousCoal），呈黑色，光澤較高，水分已大為降低。

 

更高一級之煤為煙煤（BituminousCoal），亦呈黑色，光澤明亮，具有發育良好之條帶狀組織與節理，呈正長形裂口，所含水分低於百分之十八，可分高揮發分與低揮發分兩種煙煤。

 

煤級更增高則變為無煙煤（Anthracite），硬而脆，光澤甚強，節理發育欠佳，亦無條帶狀組織，揮發分低至百份之十以下，固定碳高至百分之九十二以上，燃燒時火焰短而無煙，適於家用。

 

無煙煤之煤級再增高，則變為石墨（Graphite），理論上含碳可達百分之百，但仍多含雜質。

 

石墨不能燃燒，故不屬煤類。

 

煤級之逐漸增高原因為時間之增加、壓力之增加（包括上覆岩層之垂直壓力與地殼變動之側壓力），與溫度之增加所致之。

 

煤級增高時，煤中所發生之主要化學與物理變化則為碳分之逐漸增加，氫、氧，與水分之逐漸減少，揮發分亦逐漸減少，熱值與絕對比重逐漸增加，色澤之深度、反光率，與光澤亦逐漸增高。

 

煤之化學成分可分為元素分析及實用分析兩種引算方法。

 

元素分析以計算煤中所含化學元素為主，共有六項目，即分析煤中所含之碳、氧、氫、氮、硫及灰分。

 

本法以純科學之研究為主，既費時而費用又甚高昂，故通常甚少為之。

 

實用分析較有實際功用，可藉以判斷煤之品質與價值，且費用廉而進行快速。

 

本分析共有四主要項目，即固定碳（FixedCarbon）、揮發分（VolatileMatter）、灰分（Ash），及水分（Moisture），此外尚計算煤之熱值（HeatingValue）。

 

煤中之固定碳為一技術名詞，將煤作隔絕空氣燃燒時，驅出其所含揮發分與水分，所得殘留物質中去掉灰分後即為固定礦。

 

揮發分亦為一技術名詞，即將煤隔絕空氣燃燒時，其逸出之蒸散物中去掉水分後所得者即為揮發分。

 

水分之多寡與煤中氫與氧之含量有關，以低級煤含水分較高，隨煤級之增高水分漸減少。

 

水分含量過高將降低煤之經濟價值。

 

灰分又名礦物質，係煤中所含無機物質，當煤在空氣中完全燃燒後，所得殘餘物質即為灰分。

 

礦物質可與煤層同時生成，亦能在煤層造成後，由地下水沈積於煤層之節理、層面、或裂隙中。

 

主要礦物成分有黏土礦物、碳酸鹽礦物，與黃鐵礦，其中硫分含量過高對煤質有最大不利影響。

 

熱值在我國多以卡路里（Calorie）計算，即在一大氣壓力下，將一公克水由攝氏一四．五度增加至一五．五度時所需要之熱能，名為一卡路里，熱值愈高之煤價值愈大。

 

按照煤之植物組成，又可將煤分為兩大類：一名腐植煤（HumicCoal），其植物組成主要來自樹木組織（WoodyTissue），即由前述之纖維素與木質組成，大部煤城層均屬之。

 

另一名腐泥煤（SapropelicCoal），主要由抵抗分解腐蝕最強之植物組織構成，可分為主要由植物袍子（Spores）組成之燭煤（CannelCoal），及由最低等之藻類植物組成之藻煤（BogheadCoal）。

 

世界上產煤最多之地層有二，一為古生代之石炭系，二為中生代之白堊系，後者多產較低級之煤。

 

第三紀地層中則常有較厚之褐炭或泥炭層出現。

 

在中國含煤最富之地層，為中生代之石炭二疊系及中生代之侏羅系。

 

後一煤系在全國分布甚廣，為最重要煤系之一。

 

煤之用途除供一般發電、工業，或家用燃料外，另一最主要用途為煉製焦炭（Coke），此為鋼鐵工業目前必須之原料。

 

焦炭在煉鐵爐中與鐵礦石中之氧結合成二氧化碳逸出，能使金屬鐵分離而出，以供製鋼鐵之用。

 

在煤之煉焦過程中，有揮發分分離，其中可提煉不少化工原料之副產品，煤可以液化成為類似石油之液體燃料，亦可以氣化成為煤氣燃料。

 

目前在技術上均可以達成，但在經濟商業價值上，尚無法與天然生產之石油與天然氣競爭也。

 

（何春蓀）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=8297