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由于煤是由植物组织煤化后形成的，而植物木材组织的主要成分为碳、氢、氧构成的纤维素成分，因此决定了煤的成分也以碳为主（氢、氧在煤化过程中逐渐被除去），并且混杂了原本就存在或在煤化过程中混入的其他矿质元素，如硫、氮、硅、铝、铁等。
碳是煤炭最主要的元素。在较高级的无烟煤中，碳含量可达80%以上。因为灰分和可挥发性杂质少，因此燃烧时不易产生浓烟，因此称为“无烟煤”。烟煤、次烟煤的碳含量从40%~80%不等，由于灰分和可挥发性杂质较多，因此易产生浓烟。但由于其热值较高，因此是主要的燃料用煤。而褐煤的碳含量更低，只有约25%~40%，且含水量高，直接燃烧效率低且产烟大，因此需要经过一定处理才适宜作为燃料使用。但由于其他成分含量高，因此有较高的化工原料价值。
含有大量的碳是煤炭成为重要燃料的主要属性，然而碳也是煤炭燃烧的污染来源之一。首先，碳的氧化产物二氧化碳，是主要的温室气体。更为重要的是，煤炭在燃烧过程中产生的含碳颗粒，以及煤炭中的矿质颗粒经燃烧产生的飞灰，也是空气中悬浮颗粒物的主要来源之一。据统计，煤炭燃烧产生的空气悬浮颗粒，可占到PM2.5的20%以上。
除了碳和矿质颗粒，煤炭中的硫和氮也是燃煤污染的主要来源之一。在植物体内，硫的氮含量很低，然而随着煤化作用，这两种元素，尤其是硫元素在煤炭中的比例也逐渐上升。在煤炭中，硫可以以单质硫、有机硫、黄铁矿、硫酸盐等形式存在。其中单质硫、有机硫、黄铁矿等在燃烧后，硫会被氧化为二氧化硫而进入大气。因此硫含量越高，单位质量煤燃烧释放的二氧化硫也就越多。而氮也可因燃烧氧化而形成氮氧化物进入大气。
依照煤炭中总硫含量的多少，可以将煤炭分为特低硫煤、低硫煤、中硫煤、中高硫煤和高硫煤五个等级。对于我国煤炭来说，平均硫含量约0.9%，属较低水平，但由于硫分布不均，加上开采量大，因此高硫煤占有的绝对量仍十分巨大。而氮含量虽然比硫更低，但与硫一样，由于煤炭的使用量极大，因此它们在燃烧过程中造成的污染均不可小视。