COAL

COAL 化学特性,用途語,生産方法

• 解説

  石炭は，

  太古の植物が地中深くに埋没して、地質学的環境（地熱や地圧）の影響を長期間受けて生成した、主として炭素質よりなる可燃性の岩石状有機物質をいう。石油、天然ガスとともに代表的な化石燃料（資源）であるが、エネルギー源としてばかりではなく、化学工業上有用な各種炭化水素源としての利用が研究・開発されている。

  　石炭は用途によって、「原料炭」「一般炭」「無煙炭」の3種類に分類される。原料炭は、コーキングコールcoking coalともよばれる粘結性のある瀝青炭(れきせいたん)で、おもに製鉄用（コークス用）の「原料」として使われる。原料炭は、さらに高炉用、コークス用、ガス用などに分けられる。

  　一般炭は、燃焼用のサーマルコールthermal coal、ボイラー用のスチームコールsteam coal、スチーミングコールsteaming coalなどがあり、おもに、電力用と一般産業用に分けられる。一般に粘結性のない瀝青炭と亜瀝青炭が該当する。また無煙炭は、特殊コークスへの配合用や練炭・豆炭などの製造に使われる。

• 石炭利用の歴史

  石炭が燃料として用いられたという記録は古く、すでに紀元前315年にギリシアの大哲学者アリストテレスの弟子テオフラストスの『石について』のなかに「北イタリアのリグリア地方やギリシアのエリスで採掘した石炭を鍛冶(かじ)屋の燃料に使っている」というくだりがみえる。当時これをアンスラックスanthraxとよんでおり、これが今日の無煙炭（アンスラサイトanthracite）の語源であるといわれる。

• 埋蔵量

  石炭は世界的に普遍的に産出するが、とくに埋蔵量の多いのは北アメリカ、ロシア地域、中国、オーストラリア、インドネシアなどである。

  　世界の地質学的な埋蔵量は3.4兆トンほどとされているが、技術的・経済的に採掘が可能な可採埋蔵量は約8260億トンと推定されており、品位別では瀝青炭と無煙炭が4113億トン、亜瀝青炭と褐炭が4147億トンである。一方、世界の石炭生産量（褐炭を含む）は69億0300万トンと推計されており、イギリスBP社の2010年版の統計によれば、可採年数（可採埋蔵量／年産量）は119年と、ほかの化石資源より長いのが特徴である。

  　このうち北アメリカ、ユーラシア大陸、オーストラリアに産出する石炭の大部分は古生代、中生代に堆積(たいせき)したもので石炭化の進んだ瀝青炭が多い。また、ユーラシア大陸、オーストラリアには、第三紀に堆積した膨大な量の褐炭、亜炭の埋蔵量もある。日本の石炭は主として第三紀に堆積したものであるが、火山地帯の影響で地温が高いために瀝青炭級まで石炭化の進んだものが多く産出する。

  　日本の全埋蔵量は約200億トン、可採埋蔵量は10億トン前後とされている。日本の国内石炭生産量は、1961年度（昭和36）には5541万トンのピークを記録したが、以後、石油への転換の影響、さらには1980年代以降、割安な輸入炭の影響を受けて減少を続けてきた。2002年（平成14）以降、国際的な原油価格高騰を受けて急激な減少傾向に歯止めがかかっており、2010年度は115万トンが生産され、ほとんどが発電用として消費された。海外炭の輸入量は1970年度には国内炭の生産量を上回り、1988年度には1億トンを突破し、2010年度は1億8664万トンに達した。

  　日本の主炭田は古くは北部九州や北海道を中心に全国にわたって存在したが、現在は大規模なものでは北海道の釧路(くしろ)地域が残っているだけである。

• 化学的特性

  Coal is an organic, combustible, rock-like natural substance that occurs in various forms from hard and brittle anthracite to soft and friable lignite. Coal is sometimes classified into two types: hard coal and soft coal. These terms do not, however, have a standardized meaning. One definition calls anthracite hard coal and places all other coal types in the soft coal category. A more common convention is that of Speight, in which anthracite and bituminous coals are termed hard coal and lignite and brown coal are classified as soft coal.

• 調製方法

  Coal exists as distinct seams of mineral laid down as sedimentary deposits within the earth. The seams are extracted by surface (strip) or underground mining. Surface mining generally involves the removal of rock and other strata to uncover the top or side of a coal seam. Using blasting and/or mechanical means, the coal is fractured and removed from the mine by train or truck. There are two main types of underground mining: room and pillar and longwall (each accounting for 50% of U.S. production in 2010). Room and pillar mining is the traditional method of mining, whereby pillars of coal are left to support the roof. These pillars may later be removed or “robbed,” a process that provides better reclamation of the coal but speeds up subsidence of the overlying strata. Room and pillar operations are commonly undertaken using conventional mining or continuous mining. In the former method, the bottom of the coal seam is undercut first, followed by blasting to bring the coal down. In continuous mining, a machine with a rotating cutting head removes the coal from the coal face. Longwall mining, of more recent origin, involves removing “slices” of coal from the edge of the seam by large coal cutting machines. All of the coal is extracted, and the roof is left to collapse as the coal face advances. A lesser-used method of underground mining is the shortwall system, which is a hybrid of the longwall and continuous mining methods and is used principally in Australia. After extraction, coal is typically crushed and cleaned. Cleaning can involve screening for size, removal of impurities by wet or dry methods, and drying.

• 定義

  A black mineral that consists mainly of carbon, used as a fuel and as a source of organic chemicals. It is the fossilized remains of plants that grew in the Carboniferous and Permian periods and were buried and subjected to high pressures underground. There are various types of coal, classified according to their increasing carbon content.

• 工業分析

  工業分析で得られる固有水分、灰分、揮発分volatile matter（VM）、固定炭素fixed carbon（FC）は、石炭の商取引に必要な情報であるばかりではなく、工業的利用分野を問わず必須(ひっす)のデータである。

  　石炭の水分は、石炭粒子表面に付着した表面水分（付着水分）と粒子内部に発達した微細気孔（内部表面）に存在する吸着水分に区分され、その合計が全水分である。吸着水分は石炭化度によってほぼ決まる（石炭化度が高くなるほど固有水分は少なくなる傾向がある）ため、固有水分ともよばれている。一方、表面水分は天候や貯炭状況によって増減するため、商取引に際して買い手と売り手の立場の相違から問題になることが多い。水分の定義、計測条件を明確にしておくことが重要である。

  　固有水分、灰分、揮発分、固定炭素などは石炭の産地によって変化するばかりではなく、同一産炭地でも地層の広がり、深度によって差異があるので取引では、各ロットに対して工業分析が必要になる。

  　工業分析には次のような項目がある。

  (1)固有水分　恒湿試料約1グラムを107±2℃の電気炉中で1時間乾燥したときの減量％。

  (2)揮発分　恒湿試料約1グラムを蓋(ふた)付き白金るつぼに入れ、900±20℃の電気炉中に7分間急熱したときの減量％から固有水分％を減じた値。

  (3)灰分　恒湿試料約1グラムを空気中815℃に加熱灰化した残留分％。

  (4)固定炭素　100％から固有水分、灰分、揮発分％を差し引いたもの。

• 元素分析

  元素分析は、一般の有機物の元素分析と同様であるが、石炭がきわめて不均一なものであるため、ミクロ分析は適しない。普通はマクロまたはセミミクロの規模で行い、炭素、水素、窒素、硫黄(いおう)を定量し、酸素は100％からの差として算出するが、酸素の直接定量法も可能である。炭素および水素は試料を酸素気流中で加熱・燃焼させ、生成する二酸化炭素および水蒸気をそれぞれ吸収剤に吸収させ、その増量を測定し無水試料に対する質量百分率をもって表示する。窒素はケルダール法、セミミクロケルダール法などにより定量される。硫黄は試料の全硫黄と灰中硫黄を測定し、差分として燃焼性硫黄を算出する。炭素、水素、窒素は機器分析（CHNコーダー）法が採用されることが多い。

  　以上のほか、製鉄の際コークス中にリンが含有されると銑鉄の品質に支障をきたすためリンの分析も行われる。

• 石炭灰の利用

  石炭は無機質である灰分を5～20％程度含んでおり、石炭を利用する際の短所の一つとされてきたが、今後も石炭を大量に利用するためには灰分の有効利用が重要な課題となっている。セメント混和用としてすでに利用されているが、さらにセメント製造原料、自然造粒灰の道路路盤骨材、軽量骨材などの利用が進められている。また石炭灰中のケイ酸分に着目して日本でも遅効性のケイ酸カリ肥料の製造が1982年より年産3万トンで開始された。今後、微粉炭燃焼石炭火力発電方式から、より効率化をねらった石炭ガス化複合発電方式integrated gasification combined cycle（IGCC）に移行する予測がある。IGCCが実用化されると石炭中の鉱物は、灰ではなくスラグ状として排出されるようになるため、ガス化スラグの活用も重要な課題である。

  　一方、石炭のコークス原料としての利用によっては高炉スラグが排出され、路盤骨材のみならず、高炉セメントの原料やロックウールなどとしての利用が確立されている。

• 発がん性

  There is little epidemiologic evidence of a relationship between coal mine dust exposure and lung cancer development, although a link with silica dust exposure has been reported. Histological evaluation of lung tumors in coal miners reveals that these tumors vary little in cell type or pathological features from those associated with cigarette smoking.
  Elevated stomach cancer rates have been reported in studies of U.S. underground coal miners compared to general population rates. A mechanistic explanation for coal dust-induced stomach cancer suggests that swallowed coal dust mixes with nitrates in food and under the acidic conditions in the stomach, nitrosation of organic material associated with this coal dust occurs, resulting in the production of carcinogenic products. Evidence indicates that nitrosation of coal dust extracts become mutagenic and can cause neoplastic transformations in mammalian cells. Some evidence of elevated stomach cancer mortality in coal miners has also been observed in more recent studies in the United Kingdom, Germany, and United States.

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