书城自然科学科学奥秘丛书——矿产资源
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第1章 工业的粮食——煤

人类用煤作燃料的历史很长,世界最早用煤作燃料的国家是中国。早在3000多年前,我们的祖先就已开始采煤,并用这种“黑石”来取暖、烧水煮饭了。汉唐时代,就已经建立了手工煤炭业,煤在冶铸金属(利用热能)方面取得了广泛的应用。这个时候,世界上的大多数国家还不知道煤是什么东西呢!煤在古代除了叫黑石之外,还有其他许多名称,如石涅、黑金、石墨、石炭等等。

那么,煤又是怎样形成的呢?

人类发现并使用煤炭,虽然已有3000多年的历史,但煤是怎样生成的,还是近几百年来才逐步弄清的。

煤炭是由植物变来的,这已是我们谁也不会怀疑的事实。但煤里面的热能是从哪里来的呢?这就需要从植物说起了。

原来,绿色植物中的叶绿素,能够从空气中吸收二氧化碳,同时吸收太阳光;依靠太阳光的能量,把根部送来的水分解,放出氧气,而把氢气同二氧化碳发生一系列的复杂的化学反应,变成为植物生存所必需的物质——各种各样的糖类。这个奇妙的过程就是我们通常所说的“光合作用”,正因为有了光合作用,植物才会越长越高。那么,绿油油的树枝、粗大的树干,是怎么变成黑色的像石头一样的煤呢?

远古时代,地球上还没有人类。气候比现在也要温暖湿润得多,因而地面上到处生长着茂密高大的造煤植物。特别是在海边和内陆湖沼地带,由于这里终年积水,营养丰富,植物尤其茂盛。一开始,这些地方生长着的植物并不高大,但随着植物不断地生长和死亡,这些植物的遗体越堆越多,使得水越来越浅,养料也越来越丰富。最后,这些地方发育了高大茂密的森林。

森林一批批生长,又一批批地死亡。经过许多次的不断反复之后,植物遗体在这些地方越堆越多。在细菌的作用下,植物的遗体最终变成一种黑褐色或褐色的淤泥状物质——泥炭。由植物遗体变成泥炭,我们把这一变化过程叫“泥炭化阶段”,它是煤即将形成的前奏。

如果地球的表面和地壳真是永远不变的话,即使有了很多的植物遗体,煤仍是无法形成的。但我们知道,地球的表面从来没有安静过,常常发生频繁的地壳运动。

如果地壳上升了,低洼的地方变成平地甚至高山,由于水分减少,植物将生长得少而慢,一般是无法形成煤的。

如果地壳下降,而且下降得很快的话,特别是当地壳下降的速度超过植物遗体堆积的速度时,植物由于水太深而无法继续生长下去,那么,煤同样是难以形成的。

只有当地壳缓慢地下降时,植物才能不断地生长和死亡,泥炭层也才能不断地形成和加厚。而且有可能形成很厚的煤层。

如果这里的地壳反复地上升和下降,则有可能形成许多煤层。

在内陆湖沼和浅海,由于地壳下降,泥炭层会被陆地上的河流带来的泥沙会把泥炭层淹没,才随着地壳的不断下降,覆盖在泥炭层上的泥沙会越来越厚,泥炭层会被掩埋得越来越深。这些被掩埋的植物遗体,经过长期的高温高压和细菌的作用,形成了褐煤。由泥炭变成褐煤的作用,我们把它叫做“岩化作用”。

褐煤在高温高压下,将继续失去水分和挥发水分,碳会进一步增加,慢慢地变成了烟煤;烟煤进一步变化,最后变成了无烟煤。

由褐煤、烟煤到无烟煤的过程,最主要的变化就是煤里面碳的含量在不断地增多,所以这种作用又叫做“碳化作用”或者“变质作用”。

所以说,只有大量的植物是不够的;适当的、有节奏的地壳运动也是造煤的一个必要前提,二者缺一不可。说到这里,你对为什么把煤叫做“太阳石”这个问题应该弄清楚了吧!

在地球形成和演化的整个地质历史上,曾多次出现过有利于成煤的地质条件。例如我国在石炭纪、二叠纪(距今2.5~3.3亿年)和侏罗纪(距今1.4~1.95亿年)等时期,对煤的形成就很有利,我国的煤大都是这些时期形成的。

把煤作为燃料烧掉,多少年来我们都认为这是天经地义的事情。近几十年来,随着社会的发展和科技的进步,人们才发现煤浑身都是宝。不仅是一种重要的能源,而且是一种十分重要的有机化工原料。

地球上的化石燃料的地质总储量中,煤炭约占80%。目前,世界上已有80多个国家发现了煤炭资源。全世界煤炭地质总储量为107500亿吨标准煤,其中技术经济可采储量为10391亿吨。90%的地质储量和60%的技术经济可采储量集中在美国、前苏联、中国和澳大利亚等国。据世界煤炭研究会的研究发现,从1977~2000年,24年内,按最高产量累计可达到1030亿吨。以现代开采和利用煤炭的速率计算,煤炭资源尚能使用几百年。

当前世界能源年消耗量中,煤炭仍占三分之一。世界能源发展史现正进入一个新时期,石油的黄金时代即将告终,大量增加煤炭的生产和利用已是当务之急。

在各类能源中,今后20年内可大量增产和弥补石油不足的能源是煤炭,煤炭成了过渡到21世纪可再生能源和核能为主的未来能源的桥梁。到2000年,全世界煤炭的总需要量由1977年的25亿吨标准煤增加到60~70亿吨标准煤,当年的煤炭总量将达68亿吨标准煤。但大规模开发和利用煤炭,将面临一系列新问题。例如,露天开采会破坏土地,使矿井地面塌陷。矿井和选煤厂废水污染,煤矿石处理,烧煤产生大量二氧化碳会造成温室效应,影响气候等。另外,煤炭给运输也带来一些问题。

尽管如此,随着时间的推移,世界石油资源日趋短缺,水电资源开发殆尽,以及环保技术的进步,现代经济对煤炭的需求仍将增加。据联合国欧经会预测,世界煤炭的需求和贸易,在今后20年中将呈逐渐上升趋势。全球硬煤的消费量在2000年前每年平均增长1.3%(每年增加5000万吨),从2000年至2010年每年平均增长1%(每年增加3000万吨)。世界八大产煤国(中国、美国、俄罗斯、乌克兰、德国、波兰、印度、澳大利亚),在今后的20年中仍将生产世界煤炭产量的85%。世界八大产煤国的煤炭出口量占全球煤炭出口量的80%。

煤炭的国际能源战略地位日益增强的主要原因是,亚洲地区经济增长速度将比世界其他地区要高,经济增长在很大程度上依赖于能源供应的增加。迄今,煤在亚洲许多国家和地区的能源结构中仍占有很重要的地位,在未来的5~8年内,韩国、印尼、泰国、印度、中国等,对煤的需求十分迫切。

在未来100年内,煤炭不可避免地仍将是一种主要能源。我们的任务是寻求更有效的、环境可接受的途径,使每吨煤发更多的电,减少污染物的排放总量。煤炭的综合利用是今后的发展方向,现在世界各国正在执行清洁煤技术计划,这将是造福人类的伟大举措。