“ 黑色的金子”— 煤炭

王 洪 郝 梅

攝影/Jeff J Mitchell/Getty Images/CFP

煤炭是人類歷史上最古老的能源之一，在很早以前人們就把它稱譽為“黑色的金子”；到了近代，人們又稱它為“工業的糧食”。從歷史上看，煤炭與人類文明的發展是息息相關的。到目前為止，已探明的全球煤炭儲量約為1萬多億噸，我國約占其中的15%。在世界一次能源結構中，目前煤炭所占的比重仍然在25%左右，僅次于石油而居第二位。

人類使用煤炭的歷史，可以追溯到人類開始用火以后的很古老的時代。據考古證實，我國早在六七千年前的新石器時代，就已開始用煤作燃料。1973年，考古人員在沈陽北陵附近的新樂遺址下層，發現了用煤炭精工磨制而成的制品，這充分說明在那個時代我國已經能夠開采煤炭，并且使用煤炭來制作工藝品。

涉及煤炭的史書，當推兩千五六百年前的春秋戰國時期的《山海·西山經》和《山經·中山經》這兩部中國古代地理名著。在前一部書中有這樣的記載：“女床之山，其陽多赤銅，其陰多石涅。”而在后一本書中則這樣寫道：“風雨之山，其上有白金，其下多石涅。”這里所說的“石涅”，實際上就是煤炭。據此我們不難推斷，至遲在西周時期，我國已經能夠采煤和用煤炭作為燃料。

考古學家還在河南省鞏縣的漢代冶鐵遺址發現了煤塊和煤餅，這說明在兩漢時期我國用煤已經比較普遍。史書中說到了唐宋時期，已經是“汴京數百萬家，盡仰石炭，無一家燃薪者”。這就是說，在宋代的京城汴京(今河南開封)，當時已經是家家戶戶都燒煤做飯，而沒有一家使用柴草了。

歐洲直到公元10世紀前后才開始開采和使用煤炭，其中英國人直到13世紀才開始有組織地進行采煤。日本更晚，它到15世紀中葉才發現煤炭，直到17世紀初煤炭才在日本得到普遍使用。

人們在起先并不清楚煤炭是如何生成的，隨著考古學和近代科學技術的發展，直到18世紀人們才逐漸了解到煤炭的身世。原來，在幾千萬年甚至幾億年以前，當時地球上的氣候及環境條件都很適合于各種植物的生長，于是在陸地、湖泊及淺海中出現了大量生長極其繁茂的植物。后來隨著時間的推移，這些植物逐漸死亡，它們在細菌的作用下演變成黑色或褐色的有機物質，日積月累，形成一層厚厚的泥炭，隨著地殼的變遷，這些泥炭被深深地埋在地下。在與空氣完全隔絕的條件下，加上地球內部高溫高壓的作用，在經過極其漫長的歲月之后，當時的泥炭就變成了今天的煤炭。關于煤炭的成因，在學術界的看法也不盡一致，這里所介紹的，可以說是目前大多數學者的觀點。

到了19世紀，煤炭的產量猛增，它逐漸登上了人類所用能源的首席寶座。從那個時候開始，人們的照明、燒飯、取暖以及工業生產和交通運輸等等，都離不開煤炭。正是由于煤炭所起的重要作用，才促成了18世紀以蒸汽機的誕生為主要標志的工業革命，并由此而奠定了現代文明的物質基礎。

從19世紀末至20世紀50年代，煤炭在世界一次能源中所占的比重一直在50%以上。從50年代以來，由于石油、天然氣的大量開采使用，以及核能技術的發展，再加上煤炭本身在燃燒時有污染環境的缺點，使得煤炭從“能源之王”的寶座上跌落下來，它在世界一次能源中所占的比重逐漸下降，截至目前，它大約還占世界一次能源的25%，僅次于石油而居第二位。

不過就我國而言，目前煤炭仍然是我國最主要的能源，它在我國每年的能源總消耗量中仍占一半以上。它既是工業動力的基礎，農業生產和人民生活的支柱，又是主要的化工原料。

我國的煤炭資源雖然較為豐富，但其分布不盡如人愿，從地理上說是北多南少西多東少。而我國東部和南部的工農業生產較為發達，對能源的需求量較大。由于受到運輸條件的限制，我國西部和北部的煤炭資源優勢難以得到充分發揮。煤炭資源的利用效率不高，已經成為我國國民經濟發展的重要制約因素。

專家們認為，必須應用現代高新科技來對煤炭進行加工和轉化，不斷提高現有煤炭資源的利用效率，這是保證我國國民經濟持續穩定發展的重要條件之一。

對煤炭資源的加工轉化，包括對煤炭的凈化、氣化、液化、焦化(干餾)等。最近二三十年來，又出現了一項新技術——煤一液混合燃料技術。

煤炭的氣化

平常我們用煤，主要是為了從煤中取得熱量。但是直接燒煤不好燒，而煤氣使用起來就方便得多了。煤氣是煤的“孩子”，是用煤作原料生產出來的。在煤氣工廠里，把煤放在高大的煤氣發生爐里燃燒加熱到足夠高的溫度，鼓進空氣、氧氣及水蒸氣等作為氣化劑，讓氣化劑跟高溫的煤炭發生一系列的物理化學反應，于是，一種含有大量可燃成分的混合氣體——煤氣，便產生出來了。

使用煤氣作燃料，既方便又經濟，并且清潔衛生。將煤氣用于民用生活，其燃燒效率要比直接燒煤高出兩三倍以上；把煤氣用于工業生產，可以大搞綜合利用，既為社會增添了物質財富，又能減輕對環境的污染。煤氣是一種氣化了的煤炭，它不僅可作為燃料，而且也是一種化工原料，在生產化肥、農藥、醫藥、塑料、合成纖維、合成橡膠等產品的過程中，都要用到它。

煤的氣化技術已有160多年的歷史。最初是利用空氣來使煤炭產生不完全燃燒而得到發生爐煤氣。

1883年，英國人建成了世界上最早的大型氣化爐。它是通過向爐子里吹入高溫空氣和水蒸氣，使其與煤炭發生氣化反應而獲得所需要的煤氣。

20世紀30年代，德國人造出了能生產合成煤氣和城市生活用煤氣的裝置。到了40年代，德國人又用煤氣合成了石油，從而把煤炭的氣化技術推到了一個新的階段。

2010年10月12日，哈爾濱市松花江畔貨運碼頭，大型鉤機正從煤船上卸下燃煤，岸邊已經堆起了十幾座大煤山。攝影/蘇強/CFP

煤炭的地下氣化

目前全世界每年從地下開采出來的煤炭，多達四五十億噸。要把這么多的“黑色金子”從地下掏出來，礦工們不知要付出多少艱辛，流出多少血汗，甚至還有一部分人獻出了自己寶貴的生命！

為了采煤，人們必須勘探煤田和建設礦井，而建造一座大型礦井需要開鑿幾百米長的井筒，掘進幾十公里長的巷道，花費上億元的資金，占用好幾年的時間。

為了采煤，人們不得不跑到地底下去工作，在那里見不著陽光，沒有新鮮的空氣，潮濕，郁悶，并且同時還要同煤塵、涌水、冒頂及瓦斯爆炸等各種自然災害作斗爭。平均每采一萬噸煤，需要消耗上百立方米的坑木、幾噸炸藥和幾十萬度電力。

正由于傳統的采煤方法存在許多問題，所以長期以來人們一直在尋找對傳統的采煤技術進行改革的辦法。有的人“異想天開”：能不能根本就不用人到地下去就能把煤從地下開采出來呢?煤炭地下氣化的試驗一旦取得完全成功，那么人們采煤就真的用不著跑到地下去進行了。

固體的煤炭可以變成氣體的煤氣，這件事情本身給人們帶來了很大的啟發：是不是可以不把煤從地下開采出來，而是讓煤直接在地下“氣化”成煤氣，然后再讓煤氣沿著管道自動地跑到地面上來呢?這樣一來不就達到了不下井去采煤卻能利用煤的目的了嗎！

這的確是一個大膽的設想，但并不是脫離實際的幻想。

20世紀初，英國著名化學家拉姆賽首先提出了關于煤炭地下氣化的建議。幾十年來，前蘇聯、美國、英國、日本、波蘭、法國、德國、比利時等國先后投入力量進行試驗研究，并已積累了一定的經驗。

通過地下氣化的方法進行采煤，通常是從地面上往地下鉆兩個孔，直通到煤層，要求這兩個孔在地底下互相貫通。然后點火使煤炭在地下燃燒，同時從一個鉆孔中鼓進氣化劑(空氣、氧氣及水蒸氣等)，這時煤氣就會從另一個鉆孔中跑出來。

這里的一個關鍵技術問題是如何保證兩個鉆孔互相貫通，這樣才能在兩個鉆孔之間形成一條良好的通道，供氣體流動之用。可以說，打好這兩個鉆孔，是煤層正式氣化之前最重要的準備工作。

試驗證明行之有效的貫通鉆孔的方法，包括火力燒穿法、電力貫通法、水力壓裂法和定向鉆進法等。

火力燒穿法。它是在一個鉆孔的孔底把煤點著，而從另一個鉆孔中壓進高壓空氣，依靠煤層里的天然裂縫，高壓空氣從鼓風鉆孔通到點火鉆孔，把火引著以后，慢慢地把兩個鉆孔燒通。

電力貫通法。它是把電極插到孔底煤層里，通以高壓電，使地下煤層受熱，水分和易揮發的物質逐漸散去，于是就在兩個鉆孔之間形成一條多孔的通道，使煤氣得以順利通過。

水力壓裂法。這種方法是從石油開采技術那里借用過來的。實踐表明，用100個大氣壓的高壓水壓進煤層，能使煤層的透氣性提高5～20倍；若用800個大氣壓的高壓水，那么就能將1500米深處的煤層壓裂。

定向鉆進法。這種方法也早已在石油工業中獲得廣泛應用。它是用帶有傳感器的定向鉆頭來鉆孔，在由巖石鉆進到接近煤層的時候便會自動拐彎，遇到煤層以后便沿著煤層鉆進，結果就在兩個鉆孔之間形成一條規整的通道。

鉆孔自然不止兩個。正如一個礦井擁有好多個工作面一樣，一個地下氣化站也擁有好多個鉆孔。這些鉆孔按照一定的順序連續不斷地投入運行，這樣才能保證地下氣化站持續穩定地進行生產。

在鉆孔貫通以后，準備工作就算完畢，這時煤炭的地下氣化就可以正式開始。

煤炭地下氣化的過程是一個復雜的物理化學變化過程。這個過程同地面煤氣發生爐內發生的變化過程基本一致。煤炭在地下燃燒，先是與氣化劑中的氧氣化合，主要生成二氧化碳，這個帶叫做燃燒帶或氧化帶；緊接著，二氧化碳、水蒸氣等氣體繼續前進而來到還原帶，它們與煤炭中的物質繼續發生反應，并還原生成一氧化碳、氫、甲烷之類的氣體；最后，在缺乏氧氣的條件下，由于高溫的作用，使煤炭發生熱解和干燥作用而得到某些有用的揮發性物質。這就是所謂干餾，也叫做干燥熱解帶。由此可見，從氧化、還原到干餾，實際上是把地面煤氣發生爐里發生的變化過程原原本本地搬到深深的地底下去了。

2010年11月，北京綠色產業、綠色經濟和高科技博覽會上，神華集團風力發電煤化工等綠色能源模型展臺。 攝影/阿青/CFP

影響煤炭地下氣化的因素很多，包括地下水、頂底板巖石、地質構造狀況、煤層賦存狀態以及煤炭的性質成分等等。因此，對煤炭地下氣化過程的控制調節是極其重要的。

氣化劑對煤炭地下氣化的影響極大，即便是對于同一種煤層，由于所使用的氣化劑不同，那么所得到的煤氣的成分和產量也會大不一樣。

如果用普通空氣來鼓風，那么所得到的煤氣是每立方米含熱量幾百至上千千卡的低熱值煤氣。這樣的煤氣可就地使用，通過燃燒這種煤氣來驅動燃氣輪機進行發電。鼓風的成分若是以氧氣為主，其中無用的氮氣極少，那么所得到的煤氣其熱值就較高，可以得到每立方米含熱量兩三千千卡的高熱值煤氣。這種高熱值煤氣比較適合于供城市居民使用，也可用來生產合成氨氣及甲醇等化工產品。

有的國家通過試驗證明，若用氫氣作氣化劑，那么所生產的煤氣其熱值更高，可達每立方米7千千卡。這種高熱值煤氣可用來替代用管道輸送的天然氣。

現代化的煤炭地下氣化站，都是借助于電子計算機和遙控遙感技術來進行工作，其自動化程度很高，在龐大的氣化站里見不到幾個人，火在幾十米至幾百米的地下猛烈地“吞噬”著煤層，而煤氣從鉆孔中源源不斷地冒出來，每小時可以從每個鉆孔中獲得上千立方米甚至上萬立方米的煤氣。

對于那些厚度很薄、埋藏很深而質量較差的煤層，采用常規的方法來進行開采顯然是不合算的，在這種情況下“火”卻可以在地下大顯身手。據統計，這種煤層薄而埋藏深的煤礦約占全世界煤炭總儲量的40%，其中有一部分在過去被認為是開采價值不大的。在采用煤炭地下氣化技術以后，將能幫助我們擴大煤礦的可開采范圍，使珍貴的地下資源“黑色金子”得到更加充分的利用。

盡管煤炭的地下氣化目前尚處于試驗階段，但其發展前景是極其誘人的。專家們認為，煤炭地下氣化的試驗成功和推廣應用，必將給煤炭的開采和應用技術帶來一場新的堇命。

新疆哈密煤炭生產正酣 攝影/蔡增樂/CFP

煤炭的液化(人造石油)

煤炭不僅能夠氣化，而且也能液化。所謂液化，就是將本來是固體的煤炭轉化成液體燃料。我們知道，組成煤炭和石油的主要元素成分是碳和氫，它們的主要不同之處在于：煤炭中所含的氫大大少于石油中所含的氫。試想：如果能夠人為地將煤炭中的含氫量大大提高，當煤炭的碳氫比降低到接近于石油的碳氫比的時候，煤炭就已經被“液化”而成為人造石油了。

為什么固體的煤炭能夠變成液體的石油呢?這個問題可以從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(主要是樹木)由于地殼的變遷而被深埋在地底下，在高溫和高壓的作用下，經過極其漫長的歲月而形成的；而石油則主要是古代的海產動物被長期深埋在地底下而形成的，它的形成過程與煤炭的形成過程相似。因此煤炭和石油的主要化學成分都是碳和氫這兩種可以燃燒的化學元素，所不同的只是煤炭中含氫的比例比石油低得多。目前各國采用的煤炭液化方法，主要有兩種：

一是直接液化法。就是通過向煤炭中加入氫氣并加熱，使煤炭熔化裂解而直接得到液化石油。其具體工藝過程是這樣的：將煤粉和煤焦油混合在一起，調成糊狀，再加進特殊的催化劑，在高溫高壓和隔絕空氣的條件下通入氫氣，使煤炭轉化成液體和氣體物質。

二是間接液化法。它不是直接將煤炭變成液體，而是先將煤炭進行氣化而得到一氧化碳和氫氣，然后再加熱，并在催化劑的作用下，使這兩種氣體合成為液體燃料。這種方法無需另外加入氫氣，操作較為簡便，因而很早就實現了工業化生產。

煤炭經過液化以后，不但更便于運輸和使用，而且還能除去其中所含的硫，因而能減少對環境的污染。目前世界上許多國家，特別是那些主要產煤國，都在大力研究開發煤炭液化的新方法。

關于煤炭液化的歷史，可以追溯到20世紀初。當時德國人貝吉烏斯將煤炭加熱到450℃，并加以200個大氣壓的壓力，使煤炭變化成類似于石油的可燃燒液體。

在第二次世界大戰期間，法西斯德國為了彌補石油的短缺，相繼建造了十幾座煤炭液化工廠，生產了大量的人造石油。

1949年，美國建造了一座規模較大的煤炭液化試驗工廠，每天可處理煤炭五六十噸，產出人造石油二三百桶。

到了50年代，由于相繼發現了許多大油田，石油的產量大量增加，因而關于人造石油的研究開發被逐漸地冷落下來。

不過，事物的發展往往是波浪式前進的。自從70年代西方世界相繼發生了兩次石油危機以后，又使人們想到了人造石油，所以煤炭的液化又逐漸受到了人們的重視，并且得到了迅速的發展。

煤炭的焦化(高溫干餾)

煤炭的焦化又稱煉焦或高溫干餾，它是將煤炭裝在一個密閉的大容器(俗稱焦爐)里，隔絕空氣加熱，當溫度上升到600℃時(低溫干餾)，煤炭就成了“半焦”，同時還生成了煤焦油和煤氣。如果將加熱溫度升高到1000℃以上(高溫干餾)，那么這時的煤炭就變成了焦炭。

煤炭通過高溫干餾以后，能獲得更好的能源綜合利用效率。它所生成的焦炭占70%～80%，煤焦油占2%～5%，焦爐煤氣占10%～20%。在形成煤-焦-氣化的綜合利用格局以后，大大減少了煤炭的運輸量，能夠帶來可觀的社會經濟效益。焦炭在冶金、化工、機械加工等領域都大有用武之地。比如說，由于焦炭本身有許多小孔，其透氣性很好，將它應用于煉鐵的高爐中，不僅能提高出鐵率，而且能顯著提高出鐵的質量。

煉焦是煤炭綜合利用技術的主要內容，在新法煉焦中采用了一系列的新技術和新工藝，不僅能獲得大量“潔凈的”能源，而且能獲得豐富的副產品——化工產品。目前我國每年用于煉焦的煤炭數量接近于1億噸。

煤-液混合燃料——水煤漿

20世紀70年代之初，在英國首都倫敦市區，昔日街道上那種車水馬龍的繁榮景象悄然不見了，整個城市逐漸變得冷清起來，五顏六色的汽車圍起加油站排起了長蛇陣，等待著加油。一匹體壯膘肥的大馬拉著一輛小汽車在街道上奔跑，街上的行人無不以驚奇的目光注視著這輛別具一格的"新式馬車"，車主人雖然雙手緊握著方向盤，但此時此刻的他已經完全喪失了駕馭汽車快速奔馳的自由，這到底是怎么一回事呢?

原來，當時一些石油輸出國基于某種政治上的考慮，采取了石油禁運的斷然措施，并且大幅度地提高了石油價格……于是，在西方世界引起了轟動一時的“石油危機”！“石油危機”的發生，給世界各國敲起了警鐘，也引起了人們的諸多思考。人們開始意識到，如果單靠石油來過日子，那么一旦沒有了石油將怎么辦?且不說存在"石油禁運"的問題，即便是不禁運，現有的石油礦藏也開采不了多久，多則百把年，少則幾十年！那么在將來已經沒有石油可供開采的時候，怎么辦?

于是，人們首先想到了用煤炭來代替石油。因為煤炭的儲量畢竟比石油豐富得多。可是，如果直接燒煤，那不但燃燒效率不高，而且會對環境造成嚴重的污染。俗話說“多想多智慧”。有的人“異想天開”——將固體的煤炭壟成能夠流動的液體燃料，并用它來代替石油。就在80年代之初，一種嶄新的燃料——水煤漿誕生了。水煤漿的問世，開創了以煤代油的先河，它充分證明了把固體的煤炭變成流動的液體燃料，不但是可行的，而且是很有利會經濟效益的。

水煤漿是一種低污染的液體燃料，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%的化學添加劑。

水煤漿出于煤而勝于煤。這主要表現在：

①制造方法簡單。只要選用灰分較低而發熱量較大的優質煤，將其磨碎成細面，然后按比例加入適量的水和化學添加劑，并調成粘稠狀的煤漿，就可供使用。加入少量化學添加劑的目的在于便于漿液流動和防止沉淀，避免出現煤、水分離的現象；

②貯藏和運輸都很方便。水煤漿可以放在貯藏罐內長期貯存，并可通過管道、輪船和槽罐車等進行遠距離運送，這比煤炭的保存和運輸都要省事得多；

③使用簡便。水煤漿可以直接進行燃燒，而無需事先進行脫水；

④對環境污染少。水煤漿的燃燒完全，不冒黑煙，也不揚煤灰渣；

⑤燃燒熱效率高。與同等數量的煤炭相比較，水煤漿在燃燒中能放出更多的熱量；

⑥安全性好。水煤漿在使用中不會像煤炭那樣容易出現自燃及爆炸現象；

⑦生產成本低。在獲得同等熱量的條件下，燃燒水煤漿所花的費用只及燃燒石油所花費用的一半左右。

然而，世界上從來就不存在十全十美的東西，水煤漿也有其不足之處。例如：由于水煤漿含有水分，因而它的著火和燃燒都較為遲緩，難以滿足機器的快速啟動和高速運轉的要求；另外，為了使水煤漿能夠安全而穩定地進行燃燒，必須使它噴成霧狀，而這樣一來就需要配備專門的水煤漿燃燒器。在這種燃燒器上裝有能使水煤漿變成霧狀的噴嘴，還有用來調節風量大小的專門裝置。

世界各國對于水煤漿的研究開發都極為重視，其中美國、瑞典、日本等國在這方面已經取得了較大的進展。我國從20世紀80年代初開始這項研究試驗，盡管起步略為晚一些，但進展不慢。我國山東兗州煤礦水煤漿廠生產的水煤漿，已經遠銷海外。為了將我國豐富的煤炭資源輸送到世界各國，1995年3月中美兩國達成協議，聯合投資共建一條由陜西北部煤田通往山東沿海港口的長距離水煤漿輸送管道。

必須指出的是，水煤漿只是煤-液混合燃料的一種。實際上，除了煤與水相混合這種方式以外，煤-液混合燃料還有煤-油、煤-油-水、煤-水、煤-甲醇和煤-水-甲醇等多種混合方式。