煤炭及其綜合利用
隨著蒸汽機的發明和推廣應用，煤逐漸成為能源的“主角”。最先大量用煤做能源的是英國。英倫三島森林資源有限而又是產業革命的發源地，對煤炭有著迫切的需要。世界各地雖然都有煤炭資源，但分布並不均勻，絕大部分都埋藏在北緯30°以上地區。預測儲量前蘇聯最多，美國次之，我國為第三，三者之和占全球煤資源的90％。煤炭作為化石燃料是非再生能源，按現在的開采速度估計，煤隻能用幾百年。煤炭可以直接燃燒，但這樣隻利用了煤炭應有價值的一半，對環境汙染也比較嚴重。所以如何合理利用煤炭資源是很重要的問題，要了解煤炭的綜合利用，有必要先了解煤炭的形成及其組成。
煤是由遠古時代的植物經過複雜的生物化學、物理化學和地球化學作用轉變而成的固體可燃物。人們在煤層及其附近發現大量保存完好的古代植物化石；在煤層中可以發現炭化了的樹幹；在煤層頂部岩石中可以發現植物根、莖、葉的遺跡；把煤磨成薄片，置於顯微鏡下可以看到植物細胞的殘留痕跡。這些現象都說明成煤的原始物質是植物。
這些古代植物是怎樣變成煤的呢？按生物演化過程，地球的曆史可以分為古生代、中生代和新生代三大時期。氣候溫濕植物茂盛始於古生代中期，距今已有3億年之久。植物從生長到死亡，其殘骸堆積埋藏、演變成煤的過程當然是非常複雜的。經地質學家、煤田學家、化學家們的共同努力，現代的成煤理論認為煤化過程是：植物→泥炭（腐蝕泥）→褐煤→煙煤→無煙煤，這個過程稱煤化作用。
植物生長茂盛並能大量繁殖的地方一般是沼澤、湖泊、淺海地區，氣候濕潤。枯死的植物殘骸不斷堆積，在細菌作用下腐敗分解，表麵部分能充分接觸空氣，完全分解為CO2和H2O。但埋藏在下層的則在缺氧甚至無氧的條件下腐敗，慢慢地形成黑色的腐殖質。隨植物殘骸的繼續堆積和深埋，這些腐殖質就在無氧條件下脫水，以及在分解產物間的互相作用下生成了腐殖酸，並變成棕褐色的凝膠狀物質，稱為泥煤（或泥炭），其中腐殖酸的含量可達55％～60％。隨著地殼的下沉，粘土砂石堆積在泥煤之上形成一塊頂板，在地熱和頂板壓力條件下，這些泥煤繼續發生失水，並有硬結、緊縮等現象。這個過程很漫長，並使泥煤中的腐殖酸減少，氫和氧含量也減少，而碳含量增加，這就形成了褐煤。當它繼續沉降到較深的地方時，煤層所受壓力可以達105～106kPa，地熱溫度可達200℃左右，此時褐煤的腐殖酸含量、氫和氧的含量繼續減少，碳含量不斷增加，逐漸形成了煙煤，然後變成無煙煤。所以煙煤和無煙煤是老年煤，形成的時間最長，含碳量高，發熱量高；而褐煤和泥煤則比較年輕，含碳量較低，發熱量也較低。它們的含碳量範圍大致如下：
此外，它們的揮發物、水分、灰分和發熱量也有差別。由於發生變化的環境不同，煤的組成差別可以很大，在煤炭工業界有多種詳細的分類和牌號。總之，煤是古代植物遺骸埋藏在地下，經過漫長的時間，處於空氣不足的條件下逐漸形成的。“漫長”是萬萬年或千萬年，這樣漫長，無法在短期內重演，所以把煤看作不可再生能源。“空氣不足”意味著植物中所含的碳和氫沒有完全氧化（尤其是碳），這就是煤所含的潛在能量。植物生長借葉綠素吸收太陽能發生光合作用：
植物吸收太陽能，儲存太陽能。腐殖過程和煤化過程，實際都是氧化過程，即上述反應的逆過程，並逐步釋放能量。在缺氧的條件下，水分可以逸出，但碳就不能全部變成CO2，而以碳原子相結合的形式固定下來。從煤的形成推本溯源，其能量乃是來自太陽能。
煤的化學組成雖然各有差別，目前公認的平均組成是：
將其折算成原子比，可用C135H96O9NS代表，此外也還有微量的其他非金屬和金屬元素。至於煤的化學結構，科學家們用多種化學的或物理的方法綜合論證，至今已有幾十種模型。60年代以前的經典模型如圖2－2所示。現代公認的模型如圖2－3所示。
由上圖可見，煤炭中含有大量的環狀芳烴，縮合交聯在一起，並且夾著含S和含N的雜環，通過各種橋鍵相連。所以煤可以成為環芳烴的重要來源。同時在煤燃燒過程中有S或N的氧化物產生，汙染空氣。
煤在我國能源消費結構中位居榜首（約占70％），煤的年消費量在10億噸以上，其中30％用於發電和煉焦，50％用於各種工業鍋爐、窯爐，20％用於人民生活。就是說煤的大部分是直接燃燒掉的，其中C，H，S及N分別變成CO2，H2O，SO2及NOx。這樣熱效率的利用並不高，如煤球熱效率隻有20％～30％；蜂窩煤高一點，可達50％，而碎煤則不到20％。至於工業鍋爐用煤的熱效率不僅與爐型結構有關，而且與煤的質量、形狀、顆粒大小都有關係。煤開采後應該就地進行篩分、破碎，洗選除去一些無用的雜質。隨著