ホーム 堆積岩 非砕屑性堆積岩 石炭

石炭

石炭は 非砕屑性堆積岩。 植物の残骸が化石化したもので、可燃性の黒色や茶褐色の色調をしています。 その主元素は炭素ですが、水素などのさまざまな元素も含まれる場合があります。 硫黄 そして酸素。 石炭と違って ミネラル、固定された化学組成と結晶構造を持っていません。 植物材料の種類、炭化の程度、不純物の存在に応じて、さまざまな種類の石炭が形成されます。 認識されている品種は4つあります。 褐炭は最もグレードが低く、最も柔らかく、焦げがほとんどありません。 亜瀝青炭は暗褐色から黒色です。 瀝青炭が最も豊富にあり、熱を発生させるためによく燃やされます。 無煙炭は石炭の中で最もグレードが高く、最も変成された形態です。 低排出炭素を最も高い割合で含んでおり、比較的安価でなければ理想的な燃料となるでしょう。

石炭は主に燃料として使用されます。 石炭は何千年もの間使用されてきましたが、実際に使用され始めたのは産業革命後の蒸気エンジンの発明です。 石炭は世界中の電力生産量の XNUMX 分の XNUMX を供給しており、石炭は主な燃料として使用されています。 および鉄鋼生産施設。

お名前 起源: この単語は元々、ゲルマン祖語の*kula(n)から古英語の形colをとりましたが、これは印欧祖語の語根*g(e)u-lo-「生きている石炭」に由来すると考えられています。

色: 黒と茶がかった黒

硬度:C吊り下げ可能

粒度: きめの細かい

グループ: 非破壊的 堆積岩

石炭の分類

地質学的プロセスは、好ましい条件下で時間の経過とともに死んだ生物物質に圧力をかけるため、変成の度合いまたは次数は次のように連続的に増加します。

亜炭最も健康に有害な最低レベルの石炭は、ほぼもっぱら発電用の燃料として使用されます。

ジェット、褐炭のコンパクトな形状で、時には研磨されます。 上部旧石器 下部瀝青炭は褐炭から瀝青炭までの性質を持ち、蒸気発電の燃料として主に装飾石として使用されていました。

瀝青 石炭、密度の高い堆積岩で、通常は黒色ですが、時には暗褐色で、光沢のある物質と鈍い物質の明確な帯があることがよくあります。 これは主に蒸気電力の生産やコークスの生産における燃料として使用されます。 英国では一般炭として知られており、歴史的には蒸気機関車や船の蒸気を上げるために使用されてきました。

無煙炭最高級の石炭は、主に住宅および商業用暖房に使用される硬くて光沢のある黒色の石炭です。

グラファイト 着火しにくいため燃料としてはあまり使用されません。 最も一般的には鉛筆に使用されるか、潤滑用に粉末として使用されます。

海峡石炭 (「キャンドル炭」と呼ばれることもあります)は、主に水素を多く含むリプチナイトから構成される、さまざまな細粒の高品位石炭です。

石炭にはいくつかの国際規格があります。 石炭の分類は一般に揮発性物質の含有量に基づいています。 しかし、最も重要な違いは一般炭 (一般炭としても知られています) であり、これは蒸気によって発電するために燃焼されます。 冶金用石炭(コークス炭としても知られています)は、高温で燃焼して鋼を製造します。

歴史的意義

石炭は人類の歴史の中で重要な役割を果たし、何千年もの間燃料源として使用されてきました。 古代、石炭は食べ物を加熱したり調理したり、暖を取るために使用されていました。 産業革命の間、石炭は蒸気エンジンや機械を動かすための主要なエネルギー源となり、輸送、製造、その他の産業における大幅な技術進歩につながりました。 石炭の利用は主要産業としての鉱業の発展にもつながり、世界の多くの地域で経済成長を促進しました。 しかし、石炭の使用は大気汚染や水質汚染などの重大な環境影響とも関連しており、気候変動の主な原因となっています。 その結果、よりクリーンなエネルギー源に移行し、石炭への依存を減らす取り組みが進められています。

化学物質・組成の識別

石炭は主に炭素、水素、酸素、窒素、硫黄で構成されています。 石炭の正確な組成はその年代と産地によって異なりますが、一般に石炭は炭素含有量に基づいて褐炭、亜瀝青、瀝青、無煙炭の XNUMX つの主要なタイプに分類できます。 褐炭は最も新しい種類の石炭であり、炭素含有量が最も少ないのに対し、無煙炭は最も古い石炭であり、炭素含有量が最も多いです。 一般に、炭素含有量が高い石炭はエネルギー含有量が高く、より効率的に燃焼します。 石炭には、シリカ、アルミナ、鉄、カルシウム、ナトリウム、カリウムなどのミネラルもさまざまな量で含まれており、これらが燃焼特性や燃焼時の環境への影響に影響を与える可能性があります。

物理的特性

石炭には次のようなさまざまな物理的特性があります。

  1. Color: 石炭の色は、黒から茶色、灰色がかったものまでさまざまです。
  2. 硬度: 石炭の硬さは、黒鉛のように非常に柔らかくてもろいものから、無煙炭のように非常に硬いものまでさまざまです。
  3. 密度: 石炭は他の石炭よりも密度が低いです。 ミネラルが含まれているため、比較的軽量です。
  4. 気孔: 石炭は非常に多孔質で、石炭粒子間に小さな空間があります。
  5. 貝殻骨折: 石炭は、多くの場合、貝殻破壊として知られる滑らかな曲線パターンで破壊されます。
  6. 光沢: 石炭は石炭の種類に応じて、鈍い光沢から光沢のある光沢を持ちます。
  7. 条痕: 石炭を白い素焼きの磁器の皿にこすると、黒または濃い茶色の縞模様が現れます。

石炭の物理的特性は、採掘、加工、使用にとって重要です。 たとえば、石炭の硬度は使用される採掘方法の種類に影響を与える可能性があり、一方、空隙率と密度は石炭の加工と輸送に影響を与える可能性があります。

石炭の採掘と加工

石炭は通常、地下鉱山または地表鉱山から抽出されます。 地下採掘方法には、ルームアンドピラー、ロングウォール、およびリトリート採掘が含まれ、一方、露天採掘方法には、ストリップマイニング、山頂除去、および露天掘りが含まれます。

部屋と柱の採掘方法では、炭層にトンネルを掘り、屋根を支えるために石炭の柱を残します。 ロングウォール採掘では、石炭の長い壁が XNUMX つのスライスで採掘され、採掘されたエリアの屋根が採掘機械の後ろで崩れます。 リトリート採掘では、以前に採掘されたエリアから柱を除去します。

露天掘りでは、石炭を取り出すために、その上の岩石や土壌が取り除かれます。 このプロセスは、表土を帯状に除去するストリップマイニング、または石炭にアクセスするために山頂全体を除去する山頂除去によって行うことができます。 露天掘りは別の露天採掘技術であり、石炭を抽出するために大きなピットを掘削します。

石炭が抽出されると、不純物が除去され、使用できるように準備されます。 処理には、石炭の水分含有量を減らすための乾燥だけでなく、岩石やその他の不純物を除去するための粉砕、ふるい分け、および洗浄が含まれる場合があります。 石炭は、硫黄やその他の不純物を除去するために化学薬品で処理されることもあります。このプロセスは石炭洗浄として知られています。

採掘技術(地表および地下採掘)

石炭採掘は、露天採掘と地下採掘の XNUMX つの大きなカテゴリに分類できます。

露天掘りでは、その上の岩石、土壌、植生を除去して炭層を露出させます。 これは通常、表土(石炭層の上の物質)を層状に除去する大型機械を使用して行われます。 ストリップマイニング、露天掘り、山頂除去採掘、ハイウォール採掘など、さまざまな露天採掘方法があります。 帯状採掘では、表土を長い帯状に除去しますが、露天掘りでは、表土を大きなピットで除去します。 山頂除去マイニングでは、山頂全体を除去します。 ハイウォール採掘は、露出した垂直面や崖から石炭を回収するために使用されます。

地下採掘では、石炭層に到達するために地面にトンネルまたは立坑を掘ることが含まれます。 地下採掘には主に XNUMX つのタイプがあります。ルーム アンド ピラー マイニングとロングウォール マイニングです。 ルームアンドピラー採掘では、石炭層が一連の部屋で採掘され、屋根を支える石炭の柱が残ります。 長壁採掘では、剪断機と呼ばれる機械が石炭層に沿って前後に移動し、石炭を切断してコンベアベルトに落とします。 機械が前進するにつれて、屋根は油圧サポートによって支えられます。

石炭が抽出された後、不純物を除去するために処理され、使用できるように準備されます。 処理には、石炭に混合された岩石やその他の物質を除去するための破砕、ふるい分け、および洗浄が含まれる場合があります。 石炭は化学物質で処理して硫黄やその他の不純物を除去したり、液体または気体燃料に変換したりすることもできます。

加工方法(洗浄、粉砕、分級等)

石炭は採掘された後、多くの場合、不純物を除去して使用できるように準備するために洗浄および処理する必要があります。 使用される正確な処理方法は、石炭の種類とその用途によって異なります。

石炭を処理する一般的な方法の XNUMX つは、「洗浄」として知られるプロセスです。このプロセスでは、水、化学物質、機械装置を使用して石炭を岩石、灰、硫黄などの不純物から分離します。 石炭は粉砕され、水と化学物質と混合されてスラリーが作成され、その後、一連のスクリーンとサイクロンを通過して石炭を他の材料から分離します。 分離された石炭はさらに処理されて残りの不純物が除去され、サイズに基づいて等級分けされます。

他の処理方法には、石炭を燃焼または他の用途に適したものにするために石炭を破砕および粉砕することや、石炭から硫黄やその他の汚染物質を除去するプロセスが含まれます。 石炭の用途によっては、製鉄プロセスで使用するコークスを製造するための炭化など、追加の処理ステップも必要になる場合があります。

石炭組成

石炭の組成は 84.4 つの方法で分析できます。 5.4 つ目は、精密分析 (水分、揮発性物質、固定炭素、灰分) または最終分析 (灰分、炭素、水素、窒素、酸素、硫黄) として報告されます。 典型的な瀝青炭は、乾燥した無灰ベースでの最終分析では、炭素 6%、水素 XNUMX%、水素 XNUMX% になります。

灰の組成、重量パーセント
SiO
2
20-40
Al
2O
3
10-35
Fe
2O
3
5-35
CaO1-20
酸化マグネシウム0.3-4
TiO
2
0.5-2.5
Na
2わかりました
2O
1-4
SO
3
0.1-12

石炭の形成

枯れた植物を石炭に変えるプロセスは石炭化と呼ばれます。 地質学的過去には、さまざまな地域に低湿地と密林がありました。 これらの地域の枯れた植物は一般に、泥と酸性水によって生分解され、変化し始めています。

これにより炭素が巨大な泥炭沼に閉じ込められ、最終的には堆積物によって深く埋もれてしまいました。 その後、何百万年にもわたって、深部埋葬の熱と圧力により、水、メタン、二酸化炭素が失われ、炭素含有量が増加しました。

生産される石炭のグレードは、到達した最大圧力と温度によって決まりました。 比較的温和な条件下で生成される亜炭(「褐炭」とも呼ばれる)および亜瀝青炭、瀝青炭、または無煙炭(「硬炭」または「硬炭」とも呼ばれる)は、温度と圧力が上昇すると生成されます。

焦げに関係する要因のうち、温度は圧力や埋没時間よりもはるかに重要です。 亜瀝青炭は 35 ~ 80 °C (95 ~ 176 °F) という低い温度で生成できますが、無煙炭は少なくとも 180 ~ 245 °C (356 ~ 473 °F) の温度が必要です。

石炭はほとんどの地質時代から知られていますが、石炭全体の 90% は 預金 石炭紀とペルム紀に堆積しましたが、これは地球の地質史のわずか 2% にすぎません。

発生 石炭の

石炭は一般的なエネルギー源および化学源です。 石炭の開発に必要な陸生植物は石炭紀(358.9 億 298.9 万年から XNUMX 億 XNUMX 万年前)までは豊富ではありませんでしたが、石炭紀以前の岩石を含む大きな堆積盆地が南極を含むほぼすべての大陸で知られています。 現在北極または亜寒帯気候にある地域(アラスカやシベリアなど)に大規模な石炭鉱床が存在するのは、気候変動と、古い大陸の塊が地球の表面上で、時には亜熱帯や熱帯さえも移動させた地殻プレートの地殻変動によるものです。 。 地域。 一部の地域(グリーンランドやカナダ北部の大部分など)では石炭が不足しています。これは、そこで見つかった岩石が石炭紀以前のものであり、大陸楯状地として知られるこれらの地域には、大規模な石炭鉱床の形成に必要な豊富な陸上植物が存在しないためです。

石炭の特徴と性質

石炭の特性の多くは、その組成や鉱物物質の存在などの要因によって異なります。 石炭の特性を調べるためにさまざまな技術が開発されてきました。 これらには、X 線回折、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、赤外分光光度法、質量分析、ガスクロマトグラフィー、熱分析、電気、熱分析、電気、光学、磁気測定などがあります。

石炭の物理的特性を知ることは、石炭の調製と使用において重要です。 例えば、石炭密度は、1立方メートル当たり約1.1から約1.5メガグラム、または立方センチメートル当たりグラムの範囲である。 石炭は水よりわずかに密度が高く、ほとんどの岩石や鉱物よりも密度が大幅に低くなります。 密度の違いにより、重液分離によって岩石物質と硫化物に富んだ粒子の大部分を除去し、石炭の品質を向上させることができます。 

気孔

石炭の密度は、部分的には炭化中持続する細孔の存在によって制御されます。 細孔サイズと細孔分布は測定が困難です。 ただし、毛穴には XNUMX つのサイズ範囲があるようです。

(1) マクロ細孔 (直径が 50 ナノメートルを超える)、

(2) メソ細孔 (直径 2 ~ 50 ナノメートル)、および

(3) 微細孔 (直径 2 ナノメートル未満)。

(10 ナノメートルは 9-200 メートルに相当します。) 石炭の有効表面積 (XNUMX グラムあたり約 XNUMX 平方メートル) のほとんどは、石炭の外表面ではなく、石炭の細孔内にあります。 細孔空間の存在は、コークスの製造、ガス化、液化、および水とガスを浄化するための高表面積炭素の製造において重要です。 安全上の理由から、石炭の細孔には大量の吸着メタンが含まれている可能性があり、採掘作業中に放出され、空気と爆発性混合物を形成する可能性があります。 爆発の危険性は、採掘中に適切な換気を行ったり、炭層メタンを事前に除去したりすることで軽減できます。

反射率

石炭の重要な特性は、その反射率 (または反射率)、つまり光を反射する能力です。 反射率は、単色光線(波長 546 ナノメートル)を木炭サンプルのビトリナイト マセラルの研磨表面に照射し、反射光のパーセンテージを光度計で測定することによって測定されます。 ビトリナイトは度が増すごとに反射率が徐々に変化するため使用されます。 フシナイトの反射は石炭由来のため非常に高く、リプチナイトは度合いが増すにつれて消失する傾向があります。 入射光はごくわずかしか反射されませんが (数十分の 12 パーセントから XNUMX パーセントの範囲)、値は度とともに増加するため、存在する揮発性物質の割合を測定することなく、ほとんどの石炭を等級分けするために使用できます。

その他の機能

硬度、粉砕性、灰融解温度、自由膨潤指数(石炭サンプルを密閉るつぼ内で加熱したときに生じる膨潤量の視覚的測定)などの他の特性も、石炭の採掘と準備に影響を与える可能性があります。 石炭の使い方も同様です。 硬度と粉砕性は、採掘、粉砕、粉砕に使用される機器の種類と、その作業で消費される電力量を決定します。 灰の溶融温度は炉の設計と運転条件に影響を与えます。 自由膨潤指数は、コークス製造のための石炭の適合性に関する予備情報を提供します。

石炭の経済的および社会的重要性

石炭は、現代世界の発展に重要な役割を果たしてきた重要な天然資源です。 その経済的および社会的重要性は、いくつかの分野で見ることができます。

  1. エネルギー生産: 石炭は発電に使用される主要なエネルギー源の XNUMX つです。 それは発電所で燃焼されて電気を生成し、その電力は家庭、企業、産業に電力を供給するために使用されます。
  2. 鉄鋼生産: 石炭は鉄鋼生産の重要な原料でもあります。 石炭は加熱すると炭素を放出し、これを還元に利用します。 鉄鉱石 アイロンをかける。 この鉄は、建設、インフラ、その他多くの用途に不可欠な材料である鋼の製造に使用されます。
  3. 雇用創出: 石炭の採掘と処理は、多くの国で雇用を創出し、地域経済に貢献しています。 この業界では、鉱山労働者、エンジニア、地質学者、その他の専門家を含む多数の人々が雇用されています。
  4. 輸送手段:石炭は目的地に到達するまでに鉄道や船で長距離輸送されることが多く、これにより雇用が創出され、石炭が通過する地域の経済に貢献することができます。
  5. 手頃な価格のエネルギー: 石炭は他のエネルギー源と比べて手頃な価格のエネルギー源であることが多く、消費者や企業にとってエネルギーコストを低く抑えることができます。
  6. 化学製品:石炭は、プラスチック、合成繊維、肥料、その他の化学製品を含むさまざまな化学製品の製造の原料としても使用されます。

しかし、石炭の使用は、温室効果ガスの排出やその他の大気汚染物質、水質や土地利用への悪影響など、環境に重大な影響を与えます。 石炭の経済的および社会的重要性を評価する際には、これらの影響を慎重に考慮する必要があります。

要点のまとめ

石炭に関する重要なポイントは次のとおりです。

  • 石炭は、数百万年前に生息していた古代植物の残骸から形成される化石燃料です。
  • 石炭には主に褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭の XNUMX 種類があり、それぞれ特性と用途が異なります。
  • 石炭は豊富で比較的安価なエネルギー源であり、発電、暖房、工業プロセスにとって重要な燃料となっています。
  • 石炭採掘は、土地の撹乱、水質汚染、労働者や近隣地域社会の健康リスクなど、環境的および社会的影響を与える可能性があります。
  • 石炭使用による環境への影響を軽減するために、炭素の回収や貯留など、よりクリーンな石炭技術を開発する取り組みが進められています。

参考文献

  • ボーネウィッツ、R. (2012)。 岩石と鉱物。 第2版ロンドン: DK Publishing。
  • コップ、オハイオ州(2020年13月XNUMX日)。 石炭。 ブリタニカ百科事典。 https://www.britannica.com/science/coal-fossil-fuel
  • ウィキペディアの寄稿者。 (2021年26月09日)。 石炭。 ウィキペディア、フリー百科事典に掲載されています。 57 年 1 月 2021 日 1051971849:XNUMX 取得、https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Coal&oldid=XNUMX より