煤炭热量是怎么测量出来的(科普：为什么燃烧煤炭这么的“脏”？)

世界迫不及待地想要摆脱对煤炭的依赖。如果不大幅度减少煤炭消耗，则几乎没有机会满足温室气体排放目标，同时避免气候变化带来灾难性影响。

不仅是温室气体，开采煤炭并燃烧它们也会产生另外的毒素，污染我们的空气，水和土壤。

是什么让煤如此"脏"？要回答这个问题，我们需要回到实验室，用化学来解答。

温室气体的算术

温室气体问题相对容易解决。所有化石燃料主要由碳和氢组成。燃烧时，碳转化为二氧化碳，氢转化为水。每一个反应都会产生不同的热量：

C + O 2 →CO 2产生393千焦耳的热量

H 2 + 0.5 O 2 →H 2 O产生242千焦耳的热量

我们最关心的是二氧化碳，它是一种温室气体，会将阳光的热量捕获在大气当中。这意味着更好的化石燃料将产生最少的二氧化碳气体排放，同时产生相同量的热量，它是一种每个碳原子都包含大量氢原子的燃料。

天然气的分子结构

天然气就是这样的理想燃料。它主要包含甲烷，化学式为CH 4。这意味着每个碳原子有四个氢原子。

煤炭分子结构

煤炭的化学式要复杂得多。与天然气不同，煤炭是数千种化学物质的混合物。但是要了解其热量产生，我们可以将煤的化学式简化为CH（每个碳原子一个氢原子）。

其结果是，与天然气相比，煤炭每单位热能产生的二氧化碳要多一倍。

始于沼泽

除了温室气体对气候变化的贡献外，煤炭还存在其它问题，这与煤炭的形成方式有关。

煤炭是科学家们发现和分析过的最复杂的固体。

煤炭形成示意图

数百万年前，某种自然事件，比如洪水或台风，将广阔的森林掩埋在了水下。当新的土壤层沉积在树木的顶部，使它们逐渐失去了空气时，这些失去氧气的的木头慢慢变成了泥炭沼泽。当越来越多的沉积物堆积，增加了下面沉积物的压力和温度，直到最后，沼泽变成了煤。

数百万年前是一个模糊的时间，这是因为不同地区的煤炭矿床年龄可能是不同的。中国的煤炭形成于石炭纪到白垩纪（大约3.59亿年前至6600万年前）；美国的煤炭是在石炭纪时期（3.59亿年前至2.99亿年前）形成的；而澳大利亚的煤炭是在二叠纪时期（大约3亿至2.5亿年前）形成的。

因为煤炭最初是由植物形成的，所以煤炭的成分主要包含碳、氢、氧和氮。煤炭帮助建立了基于碳的化学分支，我们称之为“有机化学”。当煤炭在没有空气的情况下加热时，其复杂的混合物分解为更简单的形式。这些有机化学品，例如苯，甲苯，萘，蒽和苯酚，构成了香水，炸药和药品的基础。

但是植物也含有很多元素周期表中的其它元素，只不过数量要少得多。至关重要的是，煤在形成过程中仍可以吸收周围泥浆沉积物，或者受污染的水中发现的其它元素。根据当地的地质情况，这些元素的类型和数量会有所不同。在不同类型的煤炭中已检测到超过一半的元素周期表当中存在的元素。

煤炭形成的过程加剧了其复杂性，这就是我们挖掘出的每块煤在化学上其实都是独一无二的原因。”

燃烧煤炭时，许多元素与气体会一起被排入大气。它们可能被树木或农作物吸收并最终被人类食用。这些元素中的某些元素也可能最终进入人的肺部，其中的有毒元素，比如锡，镉和汞等会对我们的神经，消化系统和免疫系统产生真正的危害。

尽管有世界各国均颁布有煤炭行业法规，但这些有毒金属经常会最终进入环境。在美国，超过40％的汞排放仍来自燃煤电厂。仅在2014年，美国与煤炭有关的活动释放了40吨的铅，30吨的砷和4吨的镉。

煤烟雾

但是，所有这些化学污染物仅仅是问题的一部分。煤炭对环境影响的最明显体现是烟雾：煤炭燃烧的化学反应的结果。

煤炭对环境影响的最明显体现是烟雾

由于煤是化学物质的复杂混合物，因此燃烧起来不像天然气那么干净。当煤炭燃烧时，并非所有的碳和氢都可以干净地转化为二氧化碳和水，取而代之的是，煤的烟雾中含有未燃烧或半燃烧的碳，硫氧化物，氮氧化物以及许多在燃烧过程中形成的复杂有机分子。

每一种都有对人造成伤害的方式，让我一一介绍：

煤烟灰

煤烟：未燃烧或半燃烧的煤颗粒可归为煤烟。它的外观（在很大程度上是化学成分）与壁炉或烟囱中的烟灰非常相似：细细的黑色粉末。煤烟灰可能携带上述任何数量的有毒元素污染物，因此对肺部有害。但当煤烟灰进入我们体内，它的危害更具破坏性，因为它足够的微小，很容易进入血液。煤烟灰甚至可能最终进入大脑。在印度，用于住宅的煤炭和其他固体燃料是造成空气污染死亡的主要原因。在印度，已知黑烟会覆盖冰川，使它们变黑以捕获更多来自太阳的热量并更快地融化。

氧化硫

氧化硫：在炉内高温下，煤中的硫与空气中的氧气结合形成氧化硫，如果呼吸进氧化硫，会产生刺激性气味。当它与水结合时，会形成硫酸，从而产生酸雨。在1960年代和1970年代，酸雨是美国和很多国家的普遍现象。从那时起，世界大多数发电厂都被要求安装可将烟囱中的硫释放出来的设备，但是，仍有一些硫泄漏到了大气中。

氮氧化物：与硫一样，煤中的氮与空气中的氧结合形成氮氧化物的混合物。这些是刺激物，可引起呼吸系统疾病，例如肺炎。氮氧化物也具有化学活性，这意味着氮氧化物与大气中的其它污染物混合会产生新的污染物，例如臭氧。

挥发性有机化合物：这是煤炭开采和煤炭燃烧释放出有害的碳基化合物，这些化合物以气体的形式持久存在于大气中。挥发性有机化合物是氮氧化物可以与之反应形成臭氧和其它污染物的原因。这些化学物质对人类，动物和植物均有害。

一氧化碳：有时，碳会与碳反应而不是与氧气结合形成二氧化碳，生成一氧化碳，这是一种有毒气体。

多年来，各国出台了燃煤电厂法规帮助减少了其中的一些污染物。但是，仍然有些国家在这方面做得不够好，比如印度的燃煤电厂就严重落后。2015年，印度政府曾为发电厂安装可减少硫和氮排放量的设备设定了最后期限，即2017年。但在截止日期之前，很少有印度的电厂遵守该规定，因此，现在印度政府将这一期限延长至2022年。这种延误很可能导致至少26000人过早死亡。

较先进的国家已经安装了煤炭污染洗涤器，其中一些国家的设施甚至更进一步。美国和加拿大的两个燃煤发电厂捕获了它们产生的大部分二氧化碳，然后将其泵入地下以提取石油。

一旦该技术成本变得足够便宜，排放者就可以将其二氧化碳直接埋在地下，而不必通过出售石油来补贴这一治理污染的过程。

目前来看，没有任何法规能够完全消除燃烧煤炭产生的有害排放。如果我们继续燃烧它们，那么它们的危害就只能被抛给我们以及我们的子孙后代。