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無煙炭は、硬炭や黒炭とも呼ばれ、金属光沢を帯びた硬くて密度の高い石炭の一種です。あらゆる種類の石炭の中で炭素含有量が最も高く、不純物が最も少なく、エネルギー密度が最も高く、石炭の中で最も等級が高いとされています。
アメリカ合衆国ペンシルベニア州北東部の炭田地域には、推定埋蔵量70億ショートトン（63億5000万メトリックトン）の世界最大の無煙炭鉱床が存在する。[ 2 ]世界の生産量の大部分は中国が占めており、その他の生産国にはロシア、ウクライナ、北朝鮮、南アフリカ、ベトナム、オーストラリア、カナダ、アメリカ合衆国などがある。2023年の世界の無煙炭総生産量は6億3200万ショートトン（5億7300万メトリックトン）であった。[ 3 ]
無煙炭は最も変成した石炭ですが、それでも低変成度を示しており、ロードアイランド州ナラガンセット盆地の無煙炭は緑泥石変成相（白雲母-緑泥石亜相）です。 [ 4 ]無煙炭の炭素含有量は86%から97%です。[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]この用語は、発火点以下に加熱してもタール状またはその他の炭化水素蒸気を発しない石炭の種類に適用されます。[ 7 ]無煙炭は着火しにくく、短く、青く、煙の出ない炎で燃えます。
無煙炭はいくつかの等級に分類されます。標準等級の無煙炭は主に発電に使用され、高等級（HG）と超高等級（UHG）は主に冶金部門で使用されます。無煙炭は世界の石炭埋蔵量の約1％を占めており、[ 8 ]世界でもごく少数の国でしか採掘されていません。
無煙炭はギリシャ語のanthrakítēs ( ἀνθρακίτης )に由来し、文字通り「石炭のような」という意味です。[ 9 ]無煙炭を指す他の用語には、黒炭、硬炭、石炭、[ 10 ] [ 11 ]暗炭、コーヒー炭、ブラインド炭(スコットランド)、[ 7 ]キルケニー炭(アイルランド)、[ 10 ]クロウ炭またはクロー炭、ブラックダイヤモンドなどがあります。「ブルー コール」は、かつて人気があり商標登録されていた無煙炭のブランド名で、ペンシルベニア州のグレン アルデン コール カンパニーが採掘し、競合他社と区別するために、米国北東部の市場に出荷する前に鉱山で青い染料を吹き付けていました。[ 12 ]
Culm は、イギリス英語とアメリカ英語で意味が異なります。イギリス英語では、culm は主にデボン州北部とコーンウォール州北部に産出する不完全な無煙炭で、顔料として使用されていました。この用語は、イギリスとライン丘陵地帯の両方で見られる石炭紀の岩層の一部を指すのにも使用され、 Culm Measuresとしても知られています。[ 7 ]イギリスでは、19 世紀にイギリスから輸出された石炭を指す場合もあります。[ 10 ]アメリカ英語では、「culm」は無煙炭採掘の廃棄物または残渣 を指し、 [ 7 ]主に粉塵と家庭用炉での使用に適さない小さな破片です。
無煙炭は鉱物粒子ジェットと外観が似ており、ジェットの模造品として使用されることもある。
無煙炭は、通常の瀝青炭と比べて、硬度が高い（モース硬度で2.75～3 ）[ 13 ] 、相対密度が1.3～1.4と高い、光沢が半金属光沢でわずかに緑色の反射がある、といった特徴があります。固定炭素の割合が高く、揮発性物質の割合が低いのも特徴です。また、軟らかい部分や繊維状の切り込みがなく、こすっても指が汚れません。[ 7 ]無煙炭化とは、瀝青炭が無煙炭に変化する過程のことです。
採掘直後の無煙炭の水分含有量は、一般的に15%未満です。無煙炭の発熱量は、水分を含み鉱物質を含まない状態で26～33MJ/kg（2200万～2800万Btu /ショートトン）です。米国で消費される無煙炭の発熱量は、水分と鉱物質の両方を含む状態で、平均29MJ/kg（2500万Btu/トン）です。
1980年代以降、無煙炭の残渣、すなわち鉱山廃棄物は、リサイクルという形で石炭火力発電に利用されてきた。この「再生」と呼ばれる手法は、鉱山所有者に土地を元の状態にほぼ復元することを義務付ける法律が制定される以前から、石炭くずの山に適用されてきた。
化学的には、無煙炭は通常の瀝青炭と黒鉛の間の遷移段階とみなすことができ、前者の揮発性成分が多かれ少なかれ完全に除去されて生成され、大きな山脈の斜面など、かなりの応力と圧力にさらされた地域に最も多く見られます。[ 7 ]無煙炭は、一般的に瀝青炭が変形が少ないまたは水平な堆積岩と関連しているのと同様に、より高い圧力と温度（ただし変成条件には至らない）にさらされた、強く変形した堆積岩と関連しています。ペンシルベニア州中東部の炭田地帯にあるアパラチア山脈の褶曲したリッジ・アンド・バレー地域で深く採掘される圧縮された無煙炭層は、ケンタッキー州とウェストバージニア州のアレゲーニー高原、オハイオ州東部、ペンシルベニア州西部の、一般的に平坦で変形していない堆積岩でさらに西に採掘される瀝青炭層の延長である。
同様に、南ウェールズの無煙炭地域はスウォンジーとラネリの西のねじれた部分に限られており、中央部と東部では蒸気用石炭、コークス用石炭、家庭用石炭が生産されている。[ 14 ]
無煙炭は二次的な層理面や亀裂の発達により変化しており、元の層理線が必ずしも容易に見えるとは限りません。また、熱伝導率も高く、同じ温度の瀝青炭の塊よりも、温かい手で持った無煙炭の塊の方が明らかに冷たく感じられます。[ 7 ]
無煙炭は鉄の製錬用高炉で使用されてきた歴史があるが、冶金用コークスのような細孔空間がなく、最終的に無煙炭は冶金用コークスに取って代わられた。[ 15 ]
南西ウェールズでは、無煙炭は少なくとも中世以来家庭用燃料として燃やされてきた[ 16 ] 。当時はサンダースフット近郊で採掘されていた。より最近では、 20世紀後半まで南ウェールズ炭田の西部で大規模な無煙炭採掘が行われていた。
アメリカ合衆国における無煙炭の歴史は、1790年にペンシルベニア州ポッツビルで、現在コール・リージョンとして知られる地域で猟師のネコ・アレンが石炭を発見したことから始まった。伝説によると、アレンはブロード山の麓で眠りに落ち、目を覚ますと大きな火が見えたという。彼の焚き火が無煙炭の露頭に引火したためである。[ 17 ]
18世紀後半には、アメリカ合衆国では無煙炭が燃焼できることは知られていたものの、その燃焼技術は未だ解明されていなかった。無煙炭は木材や瀝青炭とは異なり、発火温度が高く、燃焼には底部からの新鮮な空気の流れが必要である。この頃、アメリカ合衆国で「最初に」無煙炭を燃焼させた人物については諸説あるが、いずれもペンシルベニア州に由来する主張である。ペンシルベニア州ポッツビル市は、1806年にジョン・ポッツが購入した無煙炭を燃料とする製鉄炉を中心に町が設立されたと主張している。この製鉄炉は1795年にシュイルキル川沿いに建設された。 [ 17 ]ペンシルベニア州のチャールズ・V・ハグナーは、1869年の著書の中で、ジョサイア・ホワイトとアースキン・ハザードの無名の従業員が、シュイルキル川の滝にある圧延工場で、無煙炭を誤って燃やしてしまったことを回想している（無煙炭燃焼の実験に何度も失敗した後）[ 18 ] 。これは1812年[ 19 ]から1815年[ 18 ]の間のいずれかの時点のことだった。ジェシー・フェル判事は、1808年2月11日にペンシルベニア州ウィルクス・バールで、米国で初めて住宅暖房目的で無煙炭を燃やした人物だとされている。フェル判事は、無煙炭が実用的な住宅用暖房燃料。[ 20 ]
1808年の春、ジョン・スミスとアビジャ・スミスは、ペンシルベニア州プリマスからサスケハナ川を下って、商業的に採掘された最初の無煙炭を出荷した。これは、米国における商業的な無煙炭採掘の始まりを告げるものであった。この最初の鉱山から、生産量は1917年には過去最高の1億トンを超えた。
無煙炭の着火の難しさが、特に鉄の製錬用高炉での初期の使用を妨げていた。1828年に廃熱を利用して燃焼用空気を予熱する熱風が開発されると、無煙炭は好ましい燃料となり、15年以内に米国の銑鉄生産量の45%を占めるようになった。[ 21 ]その後、無煙炭による製鉄はコークスに取って代わられた。
19世紀後半から1950年代にかけて、無煙炭は米国北部における住宅やその他の建物の暖房燃料として最も普及していたが、その後、石油燃焼システム、そして近年では天然ガスシステムに取って代わられた。学校などの多くの大規模な公共施設は、1980年代まで無煙炭燃焼炉で暖房されていた。
南北戦争中、南軍の封鎖突破船は、封鎖軍に位置を知られないように、ボイラーの燃料として無煙炭を使用していた。[ 22 ]
ウーテン式火室の発明により、機関車は無煙炭、特に廃炭を効率的に直接燃焼させることが可能になった。20世紀初頭、アメリカのデラウェア・ラッカワナ・アンド・ウェスタン鉄道は、旅客機関車に高価な無煙炭のみを使用するようになり、「無煙炭の道」と自称し、同路線の旅行者は衣服が煤で汚れることなく鉄道旅行ができると広く宣伝した。広告には、フィービー・スノーという名の白い服を着た女性が登場し、「私のガウンは／朝から晩まで／無煙炭の道の上で／白いまま」といった詩句が含まれていた。同様に、イギリスのグレート・ウェスタン鉄道は、無煙炭へのアクセス（無煙炭産地を支配していた）を利用して、他のイギリスの会社にはない効率性と清潔さで評判を得ることができた。
空気（および少量の水蒸気）で無煙炭をガス化して生成される、いわゆる「混合ガス」、「貧弱ガス」、「半水ガス」または「ダウソンガス」で駆動される内燃機関は、かつては最も経済的な動力源であり、1馬力時あたりわずか1ポンド（0.6 kg / kWh ）以下しか必要としなかった。動力用の無煙炭は、かつて南ウェールズからフランス、スイス、ドイツの一部に大量に輸出されていた。[ 23 ]
ウェールズでの商業的な無煙炭採掘は2013年に終了したが、いくつかの大規模な露天掘り鉱山と、比較的小規模な坑道採掘作業が残っている。ペンシルベニア州では商業的な無煙炭採掘が今も続けられており、2015年には「主に露天掘り炭鉱から合計4,614,391トンの無煙炭」[ 24 ]が生産された。
無煙炭は一般的に通常の石炭の2～6倍の価格です。2008年6月には無煙炭の卸売価格は1ショートトンあたり150米ドルでしたが[ 25 ]、2021年には1トンあたり107米ドルに下落しました。無煙炭は米国の石炭生産量の1%を占めています[ 26 ] 。
現在、無煙炭の主な用途は、手動ストーブまたは自動ストーカー式炉の家庭用燃料です。重量あたりのエネルギーが高く、煤が少なくきれいに燃焼するため、この用途に最適です。その価値が高いため、発電所での使用には法外に高価になります。その他の用途としては、微粒子をフィルター媒体として使用したり、木炭ブリケットの成分として使用したりすることが挙げられます。無煙炭は、英国の1993年大気浄化法に基づき認可された燃料[ 27 ]であり、ロンドン中心部の区などの指定された煙規制区域内で使用できました。
2023年現在中国は世界の無煙炭生産量の圧倒的なシェアを占めており、世界の生産量の4分の3以上を占めている。[ 3 ]中国の生産量のほとんどは標準グレードの無煙炭で、発電に使用されている。中国国内の需要増加により、同国は燃料の純輸入国となり、主に発電用無煙炭の主要生産国であるベトナムから輸入しているが、ベトナム国内の消費増加により輸出量が減少する可能性がある。[ 28 ]
現在、米国の無煙炭生産量は年間平均約500万トンである。そのうち約180万トンはペンシルベニア州で採掘されている。[ 29 ]ペンシルベニア州東部では今日まで無煙炭の採掘が続けられており、州の総生産の最大1%を占めている。1995年には2,000人以上が無煙炭の採掘に従事していた。その時点での採掘のほとんどは、近隣の閉鎖された炭鉱のスラグ堆積場（過去の炭鉱からの廃棄物の山）から石炭を回収することであった。地下の無煙炭も一部採掘されている。
HGおよびUHG無煙炭を生産する国には、ロシアと南アフリカが含まれます。HGおよびUHG無煙炭は、さまざまな冶金用石炭用途（焼結、PCI 、高炉直接装入、ペレット化）において、コークスまたは石炭の代替品として使用されます。製鉄工程におけるコスト削減に重要な役割を果たし、フェロアロイ、シリコマンガン、炭化カルシウム、炭化ケイ素の製造にも使用されます。南アフリカは、製鉄に使用するために、低品質で灰分の多い無煙炭をブラジルに輸出しています。
無煙炭は、一般的にブレーカーと呼ばれる装置によってさまざまなサイズに加工されます。大きな石炭は鉱山から引き上げられ、歯付きローラーを備えたブレーカーに通されて、塊が小さな破片に砕かれます。小さな破片は、降順に配置された目盛り付きふるいのシステムによってさまざまなサイズに分離されます。[ 23 ]サイズ分けは、さまざまな種類のストーブや炉に必要です。
無煙炭は炭素含有量に応じて3つの等級に分類されます。標準等級は家庭用燃料および産業用発電に使用されます。希少な高等級の無煙炭は純度が高く（つまり炭素含有量が高く）、製鉄業やその他の冶金産業で使用されます。各等級の無煙炭の技術的特性は以下のとおりです。
無煙炭は、主に塊状（通常10mmより大きい）を必要とする用途（冶金用コークスの 代替となる様々な工業プロセスや家庭用燃料）と、微粉末（10mm未満）を必要とする用途（焼結やペレット化など）にサイズによって分けられます。[ 28 ]
アメリカで一般的に用いられるサイズ分類は以下のとおりです。
塊炭、蒸気船用炭、卵型炭、ストーブ用炭。ストーブ用炭は2～3種類のサイズがあり、いずれも丸穴ふるいで1 + 1/2 インチ（38 mm）以上のサイズである。
高品位（HG）および超高品位（UHG）無煙炭は、無煙炭の中でも最高級の品位です。これらは最も純度の高い石炭であり、石炭化度、炭素含有量、エネルギー含有量が最も高く、不純物（水分、灰分、揮発性物質）が最も少ないのが特徴です。
高品位および超高品位無煙炭は、標準品位無煙炭よりも硬く、相対密度も高い。高品位無煙炭の化学式の例としては、C 240 H 90 O 4 NS [ 30 ]があり、これは炭素含有量が 94% であることを示している[ 31 ] 。UHG無煙炭は通常、炭素含有量が 95% 以上である。
また、これらは標準的な無煙炭（主に発電用）とは用途が異なり、焼結やペレット化などの工程におけるコークスの費用対効果の高い代替品として、主に冶金分野で利用されるほか、微粉炭噴射（PCI）や高炉への直接噴射にも用いられる。さらに、浄水処理や家庭用の無煙燃料としても使用できる。
HGおよびUHG無煙炭は、無煙炭市場全体のごく一部を占めるに過ぎない。主な生産国は、ロシア、ウクライナ、ベトナム、南アフリカ、米国である。
米国で家庭用暖房に主に使われている薪のサイズは、栗、豆、そば、米の4種類で、中でも栗と米が最も人気があります。栗と豆は手動式の炉で使用され、より小型の米とそばは自動ストーカー式の炉で使用されます。現在、米は使いやすさと炉の普及率の高さから、最も需要の高いサイズとなっています。
南ウェールズでは、それほど複雑な分類は行われていないが、麦芽乾燥用の最高級麦芽炭として知られる高品質の石炭から黄鉄鉱の粒子を手作業で選別して洗浄することに細心の注意が払われている。[ 23 ]
無煙炭の粉塵は練炭に加工することができ、英国ではPhurnacite、Ancit、Taybriteなどの商標名で販売されている。
高品質の無煙炭とは反対に、半無煙炭は無煙炭と瀝青炭の中間の石炭であり、特に非揮発性の性質において無煙炭に近い石炭と定義される。[ 32 ]
歴史的に、地下の石炭層は時折、不注意な採掘作業や不運な採掘作業によって発火することがある。燃え上がった石炭の塊は、まだ発見されていない通気口から酸素を供給され、何年もくすぶり続けることがある。一般的に、人口密集地の通気口はすぐに発見されて封鎖されるが、無人地帯の通気口は発見されないままになることが多い。通気口は、森林地帯などで通行人が煙を感知することで発見されることもある。残った火を消そうとする試みは時に無駄に終わり、現在でもそのような燃焼跡がいくつか存在する。地下燃焼跡の存在は、冬に積雪が下からの熱伝導によって溶けているのが観察されることで確認できる場合がある。この熱を地熱エネルギーとして利用する提案は、これまで成功していない。
1962年にペンシルベニア州セントラリアで発生した無煙炭鉱脈はそれ以来燃え続け、かつて繁栄していた町をゴーストタウンに変えてしまった。[ 33 ]
地質学的には、世界最大かつ最も濃度の高い無煙炭鉱床は、米国ペンシルベニア州北東部、スクラントンとその周辺にあるラッカワナ炭鉱にあります。地元では「炭鉱地域」と呼ばれ、この鉱床には、もともと228億ショートトン（206億8000万トン）の無煙炭を埋蔵していた石炭を含む岩石が480平方マイル（1,200 km 2 ）あります。 [ 34 ]地理的には、長さ約100マイル（161 km）、幅約30マイル（48 km）です。過去の採掘と石炭の上にある土地の開発により、採掘可能な埋蔵量は70億ショートトン（63億トン）残っていると推定されています。米国の他の地域にも、コロラド州クレステッドビュートで歴史的に採掘された鉱床など、いくつかの小規模な無煙炭鉱床があります。
現在の生産国の中で、ロシア、中国、ポーランド、ウクライナは推定される無煙炭の回収可能埋蔵量が最も多い。その他、相当量の埋蔵量を持つ国にはベトナムと北朝鮮がある。[ 35 ]
カナダのブリティッシュコロンビア州にあるグラウンドホッグ無煙炭鉱床は、これまで開発されていなかった世界最大の無煙炭鉱床です。オーストラリアの上場企業であるアトラム・コール社が所有しており、15億7000万トンの高品位無煙炭が埋蔵されています。[ 36 ]
カナダのロッキー山脈のクロウズネスト峠やペルーのアンデス山脈の様々な場所で、より新しい第三紀または白亜紀の無煙炭が発見されている。[ 23 ]
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