A、石灰石的主要成分是碳酸钙，属于混合物；煤的主要成分是碳，属于混合物；故选项错误．
B、氧气是由同种元素组成的纯净物，属于单质；不符合题意，故选项错误．
C、硫酸铜中不含碳元素，属于无机物；木炭的主要成分是碳，属于混合物；不符合题意，故选项错误．
D、二氧化硫中不含碳元素，属于无机物；甲烷含有碳元素，属于有机物；符合题意，故选项正确．
故选D．