石炭

VI

石炭の成分分析

石炭の成分は、工業分析と元素分析によってしらべる。工業分析では、水分、灰分、揮発分、固定炭素などに石炭の成分をわけるが、成分と実用上の発熱量や粘結性などとの相関関係をみるうえで重要な指標とされる。元素分析では、炭素、水素、窒素、硫黄、リンなどの構成元素を定量的に分析する(→ 定量分析)。また試料にふくまれる元素や成分の相互的な影響を計算によって定量化し、工業分析値の補正をおこなったり、石炭の実用化に役だつ情報を提供したりすることも元素分析の役割である。

VII

石炭の利用技術

石炭を燃焼して熱源にすること、乾留によってコークスを製造すること、この2つが石炭のもっとも重要な利用法である。また乾留工程でえられる石炭ガスやコールタールは、化学原料や燃料として利用される。新エネルギー開発や新素材の原料開発の重要なジャンルとして、石炭化学がみなおされている。

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石炭の乾留

空気を遮断した状態で石炭を500～1300°C程度に加熱し、これによって揮発分をおいだしてコークスなどのさまざまな石炭製品を製造する。700°Cぐらいまでの乾留(低温乾留)は、かつてガスやコールタールの製造、無煙燃料の製造、ガス化の予備処理として盛んにおこなわれたが、現在では半成コークス(コーライト)の製造法として利用され、1300°Cぐらいまでの乾留(高温乾留)では、おもにコークスを製造する。コークスの製造は18世紀初頭に製鉄用としてはじまったが、当時は石炭の乾留で同時にえられたガスとコールタールはすてられていた。

19世紀に入ってガスが照明に利用されるようになると、ガスの製造を主目的とする乾留(コールタールとコークスが副生成物)が盛んにおこなわれた。第2次世界大戦後に石油系にエネルギーの中心がうつるまで、都市ガスの原料は、石炭の乾留によるガスだった。→ガスの「石炭ガス」

石炭にふくまれる炭素の低分子化合物が低温乾留によって蒸気となり、温度がさがって液体になったものがコールタールである。これは、粘着したあつかいにくい液体で、当初は厄介物として廃棄されていたが、19世紀中ごろからコールタールの分留・精製から染料の製造がはじまり、ここから各種の薬品、有機化学製品、医薬などの製造技術が発展した。こうして乾留によるガス製造とならんで、コールタールの製造はその後の石炭化学の出発点となり、石油化学が隆盛となるまでは近代化学工業の中で重要な原料だった。現在でもコールタールを蒸留した残渣(ざんさ)分のピッチは、電極や炭素繊維(→ 繊維)などの原料として利用されている。

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石炭のガス化

石炭の乾留では約20%程度のガスがえられるが、多くのガスを効率よく、しかも固体の炭素分をのこさないようにする技術がガス化である。石炭のガス化では、酸素(空気)、水蒸気、水素、二酸化炭素などをガス化剤として石炭に反応させ、水素、一酸化炭素、メタンを主成分とする石炭ガスを製造する。

このようなガス化技術は、石油系へのエネルギー転換がおこなわれるまでは、燃料としてのガス製造だけでなく、アンモニア合成用などの原料製造技術として各種の合成化学工業で利用されたが、その後は下火になっていた。しかし石油危機以後、再度石炭を原料とする燃料ガスの製造研究が各国でおこなわれるようになり、過去のガス化技術以外にも技術開発がすすみ、実用化されるようになった。石炭ガス化によって生成する水素を原料として燃料電池を製造する技術、石炭ガス化コンバインドサイクル発電(複合発電)の技術などの開発は、その好例といってよい。また以前よりガスの用途も拡大し、メタノール(メチルアルコール)の合成、合成天然ガスの製造、複合発電の燃料などのほか、触媒をつかって炭素数1個の原料から有機化合物を合成する、いわゆるC₁(シーワン)化学も盛んになった。→ エネルギー資源

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石炭の液化

固体である石炭を液体にして、石炭利用の範囲と価値を高めるのが液化の目的である。石炭も石油も分子成分が類似の有機化合物だが、石炭は石油にくらべてはるかに水素が少ないので、加熱や触媒などによって水素を添加して石炭を石油のような液体にする、これが石炭液化の基本的な方法である。具体的には、低温乾留でできたコールタールを水素化分解して低分子化し、液化油とする乾留水添液化法、石炭と液化重質油をまぜたものを高温・高圧で水素化分解して高い収率で液化油をつくる直接水添液化法、この方法に溶剤をもちいて石炭の溶解を促進する溶剤抽出法、さらに石炭をガス化して水素と一酸化炭素を生成し、これを原料として液体を合成する合成液化法などがある。

液化は石炭の種類によって反応条件がことなるうえ、液化した生成物と収量もちがう。たとえば亜炭や褐炭などのように石炭化度の低い石炭をつかえば比較的軽質の油を多く製造できるが、その反面、酸素含有量が多いためにコスト高の水素が水の生成に消費されてしまうという欠点がある。瀝青炭のように複雑な芳香族化合物をふくむ石炭は液化しやすく、水素消費量も少なくてすむが、えられるのは重質油が多くなる。このようにしてできた重質油は、さらに軽質化するために水素を添加して芳香族化合物を飽和させ、これをさらに熱分解する必要がある。

石炭液化によって生成した油はコールタールと同じように多種の芳香族化合物をふくんでいるため、その芳香族化合物を分離して有効な化学原料として利用するさまざまな方法が考えられてきた。とりわけ戦後の液化技術の研究開発は、燃料油製造法としてコストを低減させることに力点がおかれてきたといってよい。近年では石炭の直接液化が実用段階に入っている。