Coal

枯れた植物が堆積し、ぎっしりと圧縮されて、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭という炭素濃度の異なる種類の石炭が誕生したのである。 1833年、イギリスの地質学者ウィリアム・ハットン（1798〜1860）が、顕微鏡で観察したところ、すべての石炭は植物細胞を含んでおり、構成する植物が異なるだけで植物性であることがわかり、この結論に至った。 このように、石炭は太古の生物に由来することから、石油やガスと同様に化石燃料と呼ばれている。 地層の厚さは様々で、地下の鉱山では0.7～2.4m、アメリカ西部のように地表の鉱山では30.5mの厚さのものもある。

20世紀まで、化学者はさまざまな種類の石炭の組成や分子構造についてほとんど知らず、1920年代になっても、石炭は炭素と水素を含む不純物とからできていると考えていた。 石炭を分析し、その成分に分離する方法として、破壊蒸留（空気と触れずに加熱）と溶媒抽出（テトラリンなどの異なる有機溶媒と反応）があるが、石炭にはかなりの炭素と、水素、酸素、窒素、硫黄の元素が少ない割合で含まれていることだけが示された。 アルミニウムやケイ素の酸化物などの無機化合物が灰を構成している。 蒸留するとタール、水、ガスができる。 ガスの主成分は水素だが、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素、ベンゼン、その他の炭化水素の蒸気も含まれている。 瀝青炭の成分は、炭素75〜90、水素4.5〜5.5、窒素1〜1.5、硫黄1〜2、酸素5〜20、灰分2〜10、水分1〜10である(瀝青炭の成分は、おおよそ次のとおりである。)。 1910年以降、ロンドンのインペリアル・カレッジ・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジーのリチャード・ウィーラー、マンハイムのフリードリヒ・ベルギウス（1884-1949）、ミュールハイムのフランツ・フィッシャー（1877-1938）の研究チームが、石炭にベンゼノイド（ベンゼン様）化合物が存在することを示す重要な貢献をした。 しかし、石炭のベンゼノイド構造が確認されたのは、1925年、インペリアルカレッジのウィリアム・ボーン（1890-1938）とその研究チームの石炭抽出と酸化の研究によるものであった。 彼らが酸化生成物として得たベンゼントリ、テトラなどの高級カルボン酸は、3、4、5個のベンゼン環が縮合した芳香族構造と、ベンゼン環が1個の構造をとるものが多いことがわかった。 最も単純な構造は8個または10個の炭素原子からなり、縮合環構造では15個または20個の炭素原子を含んでいた。

石炭の分類と用途

19世紀と20世紀初頭のヨーロッパとアメリカの研究者は、いくつかの石炭分類体系を提案した。 最も古いものは1837年にパリでHenri-Victor Regnault (1810-1878) によって発表され、近位分析（構成物質の割合による決定）、つまり、水分、可燃物、固定炭素、灰分の割合によって石炭の種類を分類するものである。 これは現在でも多くのアメリカの石炭学者によって、修正された形で支持されている。 また、1919年にイギリスの科学者Marie Stopes（1880-1958）が導入した分類法では、巨視的な成分によって、クララン（普通の明るい石炭）、ビトラン（光沢のある黒い石炭）、デュラン（くすんだ荒い石炭）、フセイン（鉱炭（柔らかい粉末状の石炭）ともいう）を分類しており、広く採用されている。 また、究極分析法（構成化学元素の割合測定法）により、乾灰と硫黄を除いた固定炭素、水素、酸素、窒素の割合で炭種を分類する方法もある。 (イギリスの石炭学者クラレンス・A・セイラーは1899年から1900年にかけてこのシステムを開発し、イギリスとヨーロッパの多くの石炭を含むように大きく発展させた。 最終的に1929年、世界共通の分類システムがない中、60人のアメリカとカナダの石炭科学者のグループが、アメリカ規格協会（ASA）とアメリカ材料試験協会（ASTM）が定めたガイドラインに基づいて作業し、1936年に標準となる分類を開発した。 1938年以来、改訂されることなく現在に至っている。

ASA-ASTMシステムは、固定炭素含有量とポンドあたりの英国熱量単位（Btu/lb）で測定した発熱量に基づいて、無煙炭、瀝青炭、亜歴青炭、褐炭の4種類の石炭のクラスまたはランクを設定しました。 無煙炭は硬い黒炭で炎や煙が少なく、固定炭素含有率は86〜98％と最も高く、発熱量は13,500〜15,600Btu/lb（1420〜1650万ジュール/lbに相当）である。 商業用や家庭用の暖房、発電、鉄鋼などの産業用燃料として利用されている。 瀝青炭（低、中、高揮発性）は、燃やすと煙と灰が出る柔らかい石炭で、固定炭素が46～86％、発熱量が11,000～15,000Btu/lb（1160～1580万ジュール/lb）である。 経済的に回収可能な石炭としては世界的に最も豊富で、蒸気タービン発電設備で燃やされる主な燃料である。 瀝青炭の中には冶金用石炭や原料炭と呼ばれるものもあり、製鉄用のコークスへの転換に適した特性を持っている。 亜歴青炭は46～60

石炭は世界で最も豊富なエネルギー源の1つである。

固定炭素含有率はパーセント、発熱量は8,300～13,000Btu/lb（880～1370万ジュール/lb）である。 4種目の褐炭は茶褐色の柔らかい石炭で、固定炭素含有率は46〜60％だが、発熱量は最も低く、5,500〜8,300Btu/lb（580〜880万ジュール/lb）である。 両クラスとも発電が主な用途である。 石炭は熱を生産し、発電するだけでなく、製造業のための重要な原料源でもある。 破壊蒸留（炭化）により炭化水素ガスやコールタールを生産し、化学者はそこから医薬品、染料、プラスチック、溶剤、その他多くの有機化学物質を合成してきた。 また、石炭の高圧水素化や液化、フィッシャー・トロプシュ合成による石炭の間接的な液化も、クリーンで燃焼性の高い液体燃料や潤滑油の供給源となる可能性がある。

環境への配慮

燃料や原料として石炭を使用することの大きな欠点は、生産と消費の両方で環境を汚染する可能性があることである。 このため、米国をはじめとする多くの産炭国では、古くから石炭採掘を規制する法律があり、地表採掘と地下採掘の両方で最低基準を設けている。 石炭を生産するには、地表（ストリップ）か地下のどちらかの鉱山で採掘する必要がある。 表層炭鉱では、採炭時にピットが残るため、土壌侵食や景観の悪化を防ぐために、ピットを埋め、土壌を再植林する「埋立」が必要である。 坑内掘りによる環境問題としては、酸性坑廃水がある。 坑内にしみ込んだ水と大気中の酸素が石炭中の黄鉄鉱（硫化鉄）と反応し、酸性坑内水を発生させる。 坑内からポンプで近隣の川や小川、湖に流されると、その水が酸性化する。 坑内水を石灰で中和して沈殿させ、黄鉄鉱の存在を低減させてから放流することで、酸性排水を抑制する。

石炭の燃焼は、酸性雨の原因となる二酸化硫黄と窒素酸化物を排出する。 いくつかの方法は、多くの石炭に存在する硫黄を除去したり、その量を減らしたり、大気中への放出を防いだりするものである。 燃焼前に石炭を洗浄することで、パイライト硫黄（鉄や他の元素と結合した硫黄）を除去する。 また、流動層燃焼器と呼ばれる先進のバーナーで石炭を燃やすと、石炭に添加した石灰石が燃焼過程で硫黄と結合し、二酸化硫黄の発生を抑制することができる。 また、燃焼時に発生する煙をスクラビングすることで、大気中に放出される前に二酸化硫黄を除去する。 スクラバーでは、煙の中に石灰石と水を噴霧することで、石灰石が二酸化硫黄を吸収し、湿ったスラッジの形で除去することができる。 改良型クリーンコールテクノロジーでは、工場のボイラーからつながる配管に乾燥石灰石を注入し、二酸化硫黄をウェットスラッジではなく、乾燥粉末（CaSO 3 ）として除去する。 スクラビングでは窒素酸化物は除去できないが、石炭洗浄と、古い工場のボイラーよりも低温で運転する流動床燃焼器により、窒素酸化物の発生量が減り、その結果排出量も減る。

クリーンコール技術や石炭から液体への変換プロセスにより、よりきれいに燃える石炭や合成液体燃料が開発されたが、酸性雨は1852年以来その害が社会的に認識されているにもかかわらず、依然として深刻な問題である。 温室効果ガスである二酸化炭素、メタン、クロロフルオロカーボンの排出による地球温暖化も、1896年以来、産業界と政府がほとんど無視してきた石炭燃焼の問題であるが、長期的に深刻な影響を及ぼさない限り、もはや避けることはできないのである。

結論

石炭は依然として世界で最も豊富な化石燃料であり、石油や天然ガスとともに、今後も世界のエネルギーの大部分を供給し続けるだろう。 しかし、3つとも有限な資源であり、社会はそれらを無駄に消費するのではなく、賢く消費して寿命を延ばし、有害な排出を減らす必要がある。 化石燃料の節約と、太陽光や風力などの代替エネルギーの開発は、地球社会のクリーンなエネルギーの未来への道筋となるのです。