“ 黑色的金子”— 煤炭

王 洪 郝 梅

摄影/Jeff J Mitchell/Getty Images/CFP

煤炭是人类历史上最古老的能源之一，在很早以前人们就把它称誉为“黑色的金子”；到了近代，人们又称它为“工业的粮食”。从历史上看，煤炭与人类文明的发展是息息相关的。到目前为止，已探明的全球煤炭储量约为1万多亿吨，我国约占其中的15%。在世界一次能源结构中，目前煤炭所占的比重仍然在25%左右，仅次于石油而居第二位。

人类使用煤炭的历史，可以追溯到人类开始用火以后的很古老的时代。据考古证实，我国早在六七千年前的新石器时代，就已开始用煤作燃料。1973年，考古人员在沈阳北陵附近的新乐遗址下层，发现了用煤炭精工磨制而成的制品，这充分说明在那个时代我国已经能够开采煤炭，并且使用煤炭来制作工艺品。

涉及煤炭的史书，当推两千五六百年前的春秋战国时期的《山海·西山经》和《山经·中山经》这两部中国古代地理名著。在前一部书中有这样的记载：“女床之山，其阳多赤铜，其阴多石涅。”而在后一本书中则这样写道：“风雨之山，其上有白金，其下多石涅。”这里所说的“石涅”，实际上就是煤炭。据此我们不难推断，至迟在西周时期，我国已经能够采煤和用煤炭作为燃料。

考古学家还在河南省巩县的汉代冶铁遗址发现了煤块和煤饼，这说明在两汉时期我国用煤已经比较普遍。史书中说到了唐宋时期，已经是“汴京数百万家，尽仰石炭，无一家燃薪者”。这就是说，在宋代的京城汴京(今河南开封)，当时已经是家家户户都烧煤做饭，而没有一家使用柴草了。

欧洲直到公元10世纪前后才开始开采和使用煤炭，其中英国人直到13世纪才开始有组织地进行采煤。日本更晚，它到15世纪中叶才发现煤炭，直到17世纪初煤炭才在日本得到普遍使用。

人们在起先并不清楚煤炭是如何生成的，随着考古学和近代科学技术的发展，直到18世纪人们才逐渐了解到煤炭的身世。原来，在几千万年甚至几亿年以前，当时地球上的气候及环境条件都很适合于各种植物的生长，于是在陆地、湖泊及浅海中出现了大量生长极其繁茂的植物。后来随着时间的推移，这些植物逐渐死亡，它们在细菌的作用下演变成黑色或褐色的有机物质，日积月累，形成一层厚厚的泥炭，随着地壳的变迁，这些泥炭被深深地埋在地下。在与空气完全隔绝的条件下，加上地球内部高温高压的作用，在经过极其漫长的岁月之后，当时的泥炭就变成了今天的煤炭。关于煤炭的成因，在学术界的看法也不尽一致，这里所介绍的，可以说是目前大多数学者的观点。

到了19世纪，煤炭的产量猛增，它逐渐登上了人类所用能源的首席宝座。从那个时候开始，人们的照明、烧饭、取暖以及工业生产和交通运输等等，都离不开煤炭。正是由于煤炭所起的重要作用，才促成了18世纪以蒸汽机的诞生为主要标志的工业革命，并由此而奠定了现代文明的物质基础。

从19世纪末至20世纪50年代，煤炭在世界一次能源中所占的比重一直在50%以上。从50年代以来，由于石油、天然气的大量开采使用，以及核能技术的发展，再加上煤炭本身在燃烧时有污染环境的缺点，使得煤炭从“能源之王”的宝座上跌落下来，它在世界一次能源中所占的比重逐渐下降，截至目前，它大约还占世界一次能源的25%，仅次于石油而居第二位。

不过就我国而言，目前煤炭仍然是我国最主要的能源，它在我国每年的能源总消耗量中仍占一半以上。它既是工业动力的基础，农业生产和人民生活的支柱，又是主要的化工原料。

我国的煤炭资源虽然较为丰富，但其分布不尽如人愿，从地理上说是北多南少西多东少。而我国东部和南部的工农业生产较为发达，对能源的需求量较大。由于受到运输条件的限制，我国西部和北部的煤炭资源优势难以得到充分发挥。煤炭资源的利用效率不高，已经成为我国国民经济发展的重要制约因素。

专家们认为，必须应用现代高新科技来对煤炭进行加工和转化，不断提高现有煤炭资源的利用效率，这是保证我国国民经济持续稳定发展的重要条件之一。

对煤炭资源的加工转化，包括对煤炭的净化、气化、液化、焦化(干馏)等。最近二三十年来，又出现了一项新技术——煤一液混合燃料技术。

煤炭的气化

平常我们用煤，主要是为了从煤中取得热量。但是直接烧煤不好烧，而煤气使用起来就方便得多了。煤气是煤的“孩子”，是用煤作原料生产出来的。在煤气工厂里，把煤放在高大的煤气发生炉里燃烧加热到足够高的温度，鼓进空气、氧气及水蒸气等作为气化剂，让气化剂跟高温的煤炭发生一系列的物理化学反应，于是，一种含有大量可燃成分的混合气体——煤气，便产生出来了。

使用煤气作燃料，既方便又经济，并且清洁卫生。将煤气用于民用生活，其燃烧效率要比直接烧煤高出两三倍以上；把煤气用于工业生产，可以大搞综合利用，既为社会增添了物质财富，又能减轻对环境的污染。煤气是一种气化了的煤炭，它不仅可作为燃料，而且也是一种化工原料，在生产化肥、农药、医药、塑料、合成纤维、合成橡胶等产品的过程中，都要用到它。

煤的气化技术已有160多年的历史。最初是利用空气来使煤炭产生不完全燃烧而得到发生炉煤气。

1883年，英国人建成了世界上最早的大型气化炉。它是通过向炉子里吹入高温空气和水蒸气，使其与煤炭发生气化反应而获得所需要的煤气。

20世纪30年代，德国人造出了能生产合成煤气和城市生活用煤气的装置。到了40年代，德国人又用煤气合成了石油，从而把煤炭的气化技术推到了一个新的阶段。

2010年10月12日，哈尔滨市松花江畔货运码头，大型钩机正从煤船上卸下燃煤，岸边已经堆起了十几座大煤山。摄影/苏强/CFP

煤炭的地下气化

目前全世界每年从地下开采出来的煤炭，多达四五十亿吨。要把这么多的“黑色金子”从地下掏出来，矿工们不知要付出多少艰辛，流出多少血汗，甚至还有一部分人献出了自己宝贵的生命！

为了采煤，人们必须勘探煤田和建设矿井，而建造一座大型矿井需要开凿几百米长的井筒，掘进几十公里长的巷道，花费上亿元的资金，占用好几年的时间。

为了采煤，人们不得不跑到地底下去工作，在那里见不着阳光，没有新鲜的空气，潮湿，郁闷，并且同时还要同煤尘、涌水、冒顶及瓦斯爆炸等各种自然灾害作斗争。平均每采一万吨煤，需要消耗上百立方米的坑木、几吨炸药和几十万度电力。

正由于传统的采煤方法存在许多问题，所以长期以来人们一直在寻找对传统的采煤技术进行改革的办法。有的人“异想天开”：能不能根本就不用人到地下去就能把煤从地下开采出来呢?煤炭地下气化的试验一旦取得完全成功，那么人们采煤就真的用不着跑到地下去进行了。

固体的煤炭可以变成气体的煤气，这件事情本身给人们带来了很大的启发：是不是可以不把煤从地下开采出来，而是让煤直接在地下“气化”成煤气，然后再让煤气沿着管道自动地跑到地面上来呢?这样一来不就达到了不下井去采煤却能利用煤的目的了吗！

这的确是一个大胆的设想，但并不是脱离实际的幻想。

20世纪初，英国著名化学家拉姆赛首先提出了关于煤炭地下气化的建议。几十年来，前苏联、美国、英国、日本、波兰、法国、德国、比利时等国先后投入力量进行试验研究，并已积累了一定的经验。

通过地下气化的方法进行采煤，通常是从地面上往地下钻两个孔，直通到煤层，要求这两个孔在地底下互相贯通。然后点火使煤炭在地下燃烧，同时从一个钻孔中鼓进气化剂(空气、氧气及水蒸气等)，这时煤气就会从另一个钻孔中跑出来。

这里的一个关键技术问题是如何保证两个钻孔互相贯通，这样才能在两个钻孔之间形成一条良好的通道，供气体流动之用。可以说，打好这两个钻孔，是煤层正式气化之前最重要的准备工作。

试验证明行之有效的贯通钻孔的方法，包括火力烧穿法、电力贯通法、水力压裂法和定向钻进法等。

火力烧穿法。它是在一个钻孔的孔底把煤点着，而从另一个钻孔中压进高压空气，依靠煤层里的天然裂缝，高压空气从鼓风钻孔通到点火钻孔，把火引着以后，慢慢地把两个钻孔烧通。

电力贯通法。它是把电极插到孔底煤层里，通以高压电，使地下煤层受热，水分和易挥发的物质逐渐散去，于是就在两个钻孔之间形成一条多孔的通道，使煤气得以顺利通过。

水力压裂法。这种方法是从石油开采技术那里借用过来的。实践表明，用100个大气压的高压水压进煤层，能使煤层的透气性提高5～20倍；若用800个大气压的高压水，那么就能将1500米深处的煤层压裂。

定向钻进法。这种方法也早已在石油工业中获得广泛应用。它是用带有传感器的定向钻头来钻孔，在由岩石钻进到接近煤层的时候便会自动拐弯，遇到煤层以后便沿着煤层钻进，结果就在两个钻孔之间形成一条规整的通道。

钻孔自然不止两个。正如一个矿井拥有好多个工作面一样，一个地下气化站也拥有好多个钻孔。这些钻孔按照一定的顺序连续不断地投入运行，这样才能保证地下气化站持续稳定地进行生产。

在钻孔贯通以后，准备工作就算完毕，这时煤炭的地下气化就可以正式开始。

煤炭地下气化的过程是一个复杂的物理化学变化过程。这个过程同地面煤气发生炉内发生的变化过程基本一致。煤炭在地下燃烧，先是与气化剂中的氧气化合，主要生成二氧化碳，这个带叫做燃烧带或氧化带；紧接着，二氧化碳、水蒸气等气体继续前进而来到还原带，它们与煤炭中的物质继续发生反应，并还原生成一氧化碳、氢、甲烷之类的气体；最后，在缺乏氧气的条件下，由于高温的作用，使煤炭发生热解和干燥作用而得到某些有用的挥发性物质。这就是所谓干馏，也叫做干燥热解带。由此可见，从氧化、还原到干馏，实际上是把地面煤气发生炉里发生的变化过程原原本本地搬到深深的地底下去了。

2010年11月，北京绿色产业、绿色经济和高科技博览会上，神华集团风力发电煤化工等绿色能源模型展台。 摄影/阿青/CFP

影响煤炭地下气化的因素很多，包括地下水、顶底板岩石、地质构造状况、煤层赋存状态以及煤炭的性质成分等等。因此，对煤炭地下气化过程的控制调节是极其重要的。

气化剂对煤炭地下气化的影响极大，即便是对于同一种煤层，由于所使用的气化剂不同，那么所得到的煤气的成分和产量也会大不一样。

如果用普通空气来鼓风，那么所得到的煤气是每立方米含热量几百至上千千卡的低热值煤气。这样的煤气可就地使用，通过燃烧这种煤气来驱动燃气轮机进行发电。鼓风的成分若是以氧气为主，其中无用的氮气极少，那么所得到的煤气其热值就较高，可以得到每立方米含热量两三千千卡的高热值煤气。这种高热值煤气比较适合于供城市居民使用，也可用来生产合成氨气及甲醇等化工产品。

有的国家通过试验证明，若用氢气作气化剂，那么所生产的煤气其热值更高，可达每立方米7千千卡。这种高热值煤气可用来替代用管道输送的天然气。

现代化的煤炭地下气化站，都是借助于电子计算机和遥控遥感技术来进行工作，其自动化程度很高，在庞大的气化站里见不到几个人，火在几十米至几百米的地下猛烈地“吞噬”着煤层，而煤气从钻孔中源源不断地冒出来，每小时可以从每个钻孔中获得上千立方米甚至上万立方米的煤气。

对于那些厚度很薄、埋藏很深而质量较差的煤层，采用常规的方法来进行开采显然是不合算的，在这种情况下“火”却可以在地下大显身手。据统计，这种煤层薄而埋藏深的煤矿约占全世界煤炭总储量的40%，其中有一部分在过去被认为是开采价值不大的。在采用煤炭地下气化技术以后，将能帮助我们扩大煤矿的可开采范围，使珍贵的地下资源“黑色金子”得到更加充分的利用。

尽管煤炭的地下气化目前尚处于试验阶段，但其发展前景是极其诱人的。专家们认为，煤炭地下气化的试验成功和推广应用，必将给煤炭的开采和应用技术带来一场新的堇命。

新疆哈密煤炭生产正酣 摄影/蔡增乐/CFP

煤炭的液化(人造石油)

煤炭不仅能够气化，而且也能液化。所谓液化，就是将本来是固体的煤炭转化成液体燃料。我们知道，组成煤炭和石油的主要元素成分是碳和氢，它们的主要不同之处在于：煤炭中所含的氢大大少于石油中所含的氢。试想：如果能够人为地将煤炭中的含氢量大大提高，当煤炭的碳氢比降低到接近于石油的碳氢比的时候，煤炭就已经被“液化”而成为人造石油了。

为什么固体的煤炭能够变成液体的石油呢?这个问题可以从煤炭和石油的相似身世中找到答案。煤是古代地球上的植物(主要是树木)由于地壳的变迁而被深埋在地底下，在高温和高压的作用下，经过极其漫长的岁月而形成的；而石油则主要是古代的海产动物被长期深埋在地底下而形成的，它的形成过程与煤炭的形成过程相似。因此煤炭和石油的主要化学成分都是碳和氢这两种可以燃烧的化学元素，所不同的只是煤炭中含氢的比例比石油低得多。目前各国采用的煤炭液化方法，主要有两种：

一是直接液化法。就是通过向煤炭中加入氢气并加热，使煤炭熔化裂解而直接得到液化石油。其具体工艺过程是这样的：将煤粉和煤焦油混合在一起，调成糊状，再加进特殊的催化剂，在高温高压和隔绝空气的条件下通入氢气，使煤炭转化成液体和气体物质。

二是间接液化法。它不是直接将煤炭变成液体，而是先将煤炭进行气化而得到一氧化碳和氢气，然后再加热，并在催化剂的作用下，使这两种气体合成为液体燃料。这种方法无需另外加入氢气，操作较为简便，因而很早就实现了工业化生产。

煤炭经过液化以后，不但更便于运输和使用，而且还能除去其中所含的硫，因而能减少对环境的污染。目前世界上许多国家，特别是那些主要产煤国，都在大力研究开发煤炭液化的新方法。

关于煤炭液化的历史，可以追溯到20世纪初。当时德国人贝吉乌斯将煤炭加热到450℃，并加以200个大气压的压力，使煤炭变化成类似于石油的可燃烧液体。

在第二次世界大战期间，法西斯德国为了弥补石油的短缺，相继建造了十几座煤炭液化工厂，生产了大量的人造石油。

1949年，美国建造了一座规模较大的煤炭液化试验工厂，每天可处理煤炭五六十吨，产出人造石油二三百桶。

到了50年代，由于相继发现了许多大油田，石油的产量大量增加，因而关于人造石油的研究开发被逐渐地冷落下来。

不过，事物的发展往往是波浪式前进的。自从70年代西方世界相继发生了两次石油危机以后，又使人们想到了人造石油，所以煤炭的液化又逐渐受到了人们的重视，并且得到了迅速的发展。

煤炭的焦化(高温干馏)

煤炭的焦化又称炼焦或高温干馏，它是将煤炭装在一个密闭的大容器(俗称焦炉)里，隔绝空气加热，当温度上升到600℃时(低温干馏)，煤炭就成了“半焦”，同时还生成了煤焦油和煤气。如果将加热温度升高到1000℃以上(高温干馏)，那么这时的煤炭就变成了焦炭。

煤炭通过高温干馏以后，能获得更好的能源综合利用效率。它所生成的焦炭占70%～80%，煤焦油占2%～5%，焦炉煤气占10%～20%。在形成煤-焦-气化的综合利用格局以后，大大减少了煤炭的运输量，能够带来可观的社会经济效益。焦炭在冶金、化工、机械加工等领域都大有用武之地。比如说，由于焦炭本身有许多小孔，其透气性很好，将它应用于炼铁的高炉中，不仅能提高出铁率，而且能显著提高出铁的质量。

炼焦是煤炭综合利用技术的主要内容，在新法炼焦中采用了一系列的新技术和新工艺，不仅能获得大量“洁净的”能源，而且能获得丰富的副产品——化工产品。目前我国每年用于炼焦的煤炭数量接近于1亿吨。

煤-液混合燃料——水煤浆

20世纪70年代之初，在英国首都伦敦市区，昔日街道上那种车水马龙的繁荣景象悄然不见了，整个城市逐渐变得冷清起来，五颜六色的汽车围起加油站排起了长蛇阵，等待着加油。一匹体壮膘肥的大马拉着一辆小汽车在街道上奔跑，街上的行人无不以惊奇的目光注视着这辆别具一格的"新式马车"，车主人虽然双手紧握着方向盘，但此时此刻的他已经完全丧失了驾驭汽车快速奔驰的自由，这到底是怎么一回事呢?

原来，当时一些石油输出国基于某种政治上的考虑，采取了石油禁运的断然措施，并且大幅度地提高了石油价格……于是，在西方世界引起了轰动一时的“石油危机”！“石油危机”的发生，给世界各国敲起了警钟，也引起了人们的诸多思考。人们开始意识到，如果单靠石油来过日子，那么一旦没有了石油将怎么办?且不说存在"石油禁运"的问题，即便是不禁运，现有的石油矿藏也开采不了多久，多则百把年，少则几十年！那么在将来已经没有石油可供开采的时候，怎么办?

于是，人们首先想到了用煤炭来代替石油。因为煤炭的储量毕竟比石油丰富得多。可是，如果直接烧煤，那不但燃烧效率不高，而且会对环境造成严重的污染。俗话说“多想多智慧”。有的人“异想天开”——将固体的煤炭垄成能够流动的液体燃料，并用它来代替石油。就在80年代之初，一种崭新的燃料——水煤浆诞生了。水煤浆的问世，开创了以煤代油的先河，它充分证明了把固体的煤炭变成流动的液体燃料，不但是可行的，而且是很有利会经济效益的。

水煤浆是一种低污染的液体燃料，它的典型混合配比是70%左右的煤炭加上30%左右的水，外加小于1%的化学添加剂。

水煤浆出于煤而胜于煤。这主要表现在：

①制造方法简单。只要选用灰分较低而发热量较大的优质煤，将其磨碎成细面，然后按比例加入适量的水和化学添加剂，并调成粘稠状的煤浆，就可供使用。加入少量化学添加剂的目的在于便于浆液流动和防止沉淀，避免出现煤、水分离的现象；

②贮藏和运输都很方便。水煤浆可以放在贮藏罐内长期贮存，并可通过管道、轮船和槽罐车等进行远距离运送，这比煤炭的保存和运输都要省事得多；

③使用简便。水煤浆可以直接进行燃烧，而无需事先进行脱水；

④对环境污染少。水煤浆的燃烧完全，不冒黑烟，也不扬煤灰渣；

⑤燃烧热效率高。与同等数量的煤炭相比较，水煤浆在燃烧中能放出更多的热量；

⑥安全性好。水煤浆在使用中不会像煤炭那样容易出现自燃及爆炸现象；

⑦生产成本低。在获得同等热量的条件下，燃烧水煤浆所花的费用只及燃烧石油所花费用的一半左右。

然而，世界上从来就不存在十全十美的东西，水煤浆也有其不足之处。例如：由于水煤浆含有水分，因而它的着火和燃烧都较为迟缓，难以满足机器的快速启动和高速运转的要求；另外，为了使水煤浆能够安全而稳定地进行燃烧，必须使它喷成雾状，而这样一来就需要配备专门的水煤浆燃烧器。在这种燃烧器上装有能使水煤浆变成雾状的喷嘴，还有用来调节风量大小的专门装置。

世界各国对于水煤浆的研究开发都极为重视，其中美国、瑞典、日本等国在这方面已经取得了较大的进展。我国从20世纪80年代初开始这项研究试验，尽管起步略为晚一些，但进展不慢。我国山东兖州煤矿水煤浆厂生产的水煤浆，已经远销海外。为了将我国丰富的煤炭资源输送到世界各国，1995年3月中美两国达成协议，联合投资共建一条由陕西北部煤田通往山东沿海港口的长距离水煤浆输送管道。

必须指出的是，水煤浆只是煤-液混合燃料的一种。实际上，除了煤与水相混合这种方式以外，煤-液混合燃料还有煤-油、煤-油-水、煤-水、煤-甲醇和煤-水-甲醇等多种混合方式。