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瀝青炭、または黒炭は、瀝青またはアスファルトと呼ばれるタール状の物質を含む石炭の一種です。色は黒または濃い茶色の場合があります。[ 1 ]多くの場合、炭層内に明るい物質とくすんだ物質の明確な帯があります。通常は硬いですが、もろいです。品質は亜炭や亜瀝青炭よりも高いですが、無煙炭よりは劣ります。石炭の中で最も豊富に存在する種類で、世界中で、多くの場合石炭紀の岩石中に鉱床が見つかります。瀝青炭は、 85 ℃（185 °F）以上に加熱されるほど深く埋没した亜瀝青炭から形成されます。
瀝青炭は主に発電[ 2 ]と鉄鋼業で使用されます。製鉄に適した瀝青炭（コークス用石炭または冶金用石炭）は、硫黄とリンの含有量が低い必要があります。暖房や発電に使用される他のグレードの瀝青炭（一般炭）よりも高価です。
石炭採掘業界において、この種の石炭は、地下爆発を引き起こす可能性のある危険なガス混合物であるメタンガスを最も多く放出することで知られています。瀝青炭の採掘には、綿密なガス監視、良好な換気、そして厳重な現場管理を含む、最高レベルの安全対策が求められます。
瀝青炭は、石炭に含まれる炭素の量と種類、および燃焼時に生成できるエネルギー量によって決定される、石炭の特定の等級です。 [ 3 ]亜瀝青炭より等級は高いですが、無煙炭より等級は低いです。[ 4 ]瀝青炭は最も豊富な等級の石炭です。[ 4 ] [ 3 ]
石炭の等級は、石炭のいくつかの特性に基づいて決定されます。固定炭素含有量とは、水分、灰分、揮発性物質以外の石炭の割合を指します。乾燥した鉱物質を含まない基準で評価すると、固定炭素含有量は、揮発性有機物以外の石炭の割合になります。[ 5 ] 凝集性石炭とは、加熱すると軟化し、砕けにくい硬くて灰色の多孔質のコークスを形成する石炭です。 [ 6 ]ビトリナイト反射率とは、石炭中の平均的なビトリナイト粒子の研磨面の反射率の尺度です。これは、深部埋没の熱と圧力によってどれだけの炭素が芳香族形態に凝縮したかによって決まります。 [ 7 ]
米国では、瀝青炭は、燃焼時に少なくとも 10,500 Btu /lb (24,400 kJ/kg) のエネルギーを生成し (湿潤、鉱物質除去基準)、固定炭素含有量が 86% 未満 (乾燥、鉱物質除去基準) の凝集性石炭と定義されています。固定炭素含有量が高い石炭は無煙炭に分類され、10,500 Btu/lb (24,400 kJ/kg) 未満の凝集性石炭または 11,500 Btu/lb (26,700 kJ/kg) 未満の非凝集性石炭は亜瀝青炭に分類されます。[ 8 ]国際市場では、瀝青炭は、ビトリナイト反射率が 0.5 ～ 1.9 の石炭と定義されています。ビトリナイト反射率は、米国の石炭の等級分類を確認するために日常的に測定されている[ 9 ]。
瀝青炭は、濃い茶色から黒色で、[ 4 ]硬く、[ 10 ]もろい。[ 11 ]一般的に、明るい部分と暗い部分が交互に並んだ薄い帯状構造をしている。[ 10 ]瀝青炭の化学組成は様々だが、典型的な組成は重量比で炭素約84.4%、水素約5.4%、酸素約6.7%、窒素約1.7%、硫黄約1.8%である。[ 12 ]炭層の密度（採掘中に炭層が砕ける前の密度）は約1346 kg/m³ （ 84 lb/ft³ ）であるのに対し、採掘された石炭の嵩密度は最大で833 kg/m³ （ 52 lb/ft³ ）である。[ 13 ]瀝青炭は特徴的に煙を出して燃え、燃焼中に軟化して膨張する。[ 14 ]加熱すると柔らかく粘着性のある塊を形成する傾向があることからその名が付けられており、[ 9 ]これは石炭中に瀝青（鉱物タール）が存在することを反映している。 [ 9 ]
凝集性石炭のほぼすべてが瀝青炭であるが、一部の瀝青炭は凝集しない。[ 8 ]凝集しない瀝青炭には、カネル炭とボグヘッド炭が含まれる。これらは縞模様がなく、反射性もなく、貝殻状断口で割れる。どちらも腐泥質であるが、ほとんどの瀝青炭は腐植質（植物の腐敗した木質組織で構成されている）である。カネル炭は主に植物の胞子で構成されているのに対し、ボグヘッド炭は主に非胞子藻類の残骸で構成されている。[ 15 ] [ 16 ]
米国では、瀝青炭は発熱量と固定炭素含有量に基づいてさらに細分化されている。
このように、瀝青炭は固定炭素含有量に基づいて高揮発性、中揮発性、低揮発性の3つのカテゴリーに分類され、高揮発性瀝青炭はさらにエネルギー含有量によって細分化される。
ISO の瀝青炭の分類はビトリナイト反射率に基づいています。[ 7 ]この分類では、中級炭（瀝青炭とほぼ同等）を 4 つのサブランクに分けます。ランクの昇順は次のとおりです。[ 18 ]
瀝青炭は主に発電と鉄鋼製造に用いられる。
コークス用石炭（冶金用石炭または「冶金用石炭」）は、鉄鋼の製造に使用されます。良質なコークス用石炭は、優れた凝集性、高い炭素含有量、および低い硫黄、リン、灰分含有量を備えている必要があります。最も優れた未混合のコークス用石炭は、高品質の中揮発性瀝青炭です。[ 19 ]しかし、必要な特性をすべて備えた単一の石炭は希少であるため、コークス用石炭は通常、高揮発性瀝青炭と少量の中揮発性および低揮発性瀝青炭の混合物です。[ 20 ]
鍛冶用石炭は、灰分と硫黄分が可能な限り少ない最高品質の瀝青炭で、鍛冶屋が使用するコークスの製造に使用されます。[ 13 ]
原料炭は、エネルギー生産用の石炭よりも高値で取引される。2020年現在米国の原料炭は、約1ショートトンあたり127ドル、一般的に瀝青炭は1ショートトンあたり50.05ドルです。コークス用石炭のコストは、発電用石炭（亜瀝青炭や褐炭などの低級石炭、および非コークス用瀝青炭を含む）のコストの約3.5倍です。[ 21 ]
冶金用石炭として必要な品質を備えていない瀝青炭は、一般炭として分類される。これは主に発電に使用される。[ 22 ] [ 23 ]理想的な一般炭は着火しやすく、発熱量が高い。[ 13 ]
瀝青炭は活性炭の製造に使用されます。まず石炭をコークス化して揮発性物質を除去し、次に蒸気処理して活性化します。瀝青炭から製造されたコークスを活性化するための化学プロセスも研究されています。[ 24 ]
他の種類の石炭と同様に、瀝青炭は、腐敗するよりも速く埋没する厚い植物死骸の堆積物から形成されます。これは通常、泥炭湿原で起こり、そこでは落下した植物の残骸が停滞した水に浸されます。停滞した水は酸素を排除し、酸性環境を作り出し、腐敗を遅らせます。植物死骸は泥炭に変化します。[ 25 ]
泥炭は主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの混合物で、これらはもともと植物の木質組織を構成していたものです。[ 26 ]リグニンの重量組成は約炭素54%、水素6%、酸素30%であり、セルロースの重量組成は約炭素44%、水素6%、酸素49%です。瀝青炭の組成は、重量ベースで炭素約84.4%、水素5.4%、酸素6.7%、窒素1.7%、硫黄1.8%です。[ 12 ]これは、石炭化の過程で化学プロセスによって酸素の大部分と水素の大部分が除去され、炭素が残ることを意味します。このプロセスは炭化と呼ばれます。[ 27 ]
石炭化の過程で、成熟した石炭は炭素含有量が増加し、水素と揮発性物質が減少し、発熱量が増加し、色が濃くなり、光沢が増します。[ 28 ]化学変化には、脱水（酸素と水素を水として除去する）、脱炭酸（酸素を二酸化炭素として除去する）、脱メタン化（水素をメタンとして除去する）が含まれます。石炭が瀝青炭の段階に達する頃には、ほとんどの脱水と脱炭酸はすでに起こっており、瀝青炭の成熟は脱メタン化によって特徴づけられます。[ 29 ]瀝青炭の段階で石炭化が進むと、石炭は最大発熱量に近づき、揮発性物質の大部分を失い始めます。[ 30 ]
炭化が進むにつれて、脂肪族化合物（炭素原子の鎖を特徴とする炭素化合物）は芳香族化合物（炭素原子の環を特徴とする炭素化合物）に置き換わり、芳香環は融合して多環芳香族化合物（炭素原子の連結した環）になり始めます。 [ 31 ]構造は、グラファイトの構造要素であるグラフェンにますます似てきます。これに伴い、石炭の等級を評価するために使用されるビトリナイト反射率が増加します。[ 7 ]
石炭化の過程で、埋没圧力により、元の泥炭の体積は石炭に変化するにつれて30分の1に減少します。[ 32 ]しかし、成熟した石炭のランクの上昇は、主に石炭が到達する最高温度を反映しています。最高圧力、元の植物材料の性質、埋没期間のいずれも、それほど重要ではありません。[ 28 ]瀝青炭の成熟温度範囲は、85～235 ℃（185～455 °F）です。[ 33 ] [ 34 ]瀝青炭の特徴である瀝青は、石油の根源岩で石油が形成されるのとほぼ同じ条件下で形成されます。瀝青化は、中揮発性から低揮発性の瀝青炭でメタン生成のピークを伴います。これにより、これらの瀝青炭は「ガス状」になり、メタン爆発に対する予防措置を講じる必要があります。石炭が約235 ℃（455 °F）以上の温度に達すると、瀝青が分解（脱瀝青化）し、石炭は無煙炭に成熟する。[ 9 ]
石炭鉱床は世界中に広く分布しており、その年代はデボン紀（約3億6000万年前から4億2000万年前）[ 35 ]からわずか数百万年前の新第三紀の鉱床まで多岐にわたる。 [ 36 ]しかし、石炭層の90%は石炭紀とペルム紀に堆積したもので、これは地球の地質史のわずか2%に過ぎない。[ 37 ]石炭の膨大な鉱床は、石炭紀後期（ペンシルバニア紀）とペルム紀に地球の熱帯陸地の大部分を覆っていた湿地帯（石炭林と呼ばれる）で形成された。[ 38 ] [ 39 ]瀝青炭は主に石炭紀のものである。[ 4 ] [ 40 ]
米国の瀝青炭のほとんどは1億年から3億年前のものである。[ 41 ]ペンシルバニア紀の瀝青炭の広大な鉱床は、北米のアパラチア山脈と内陸州で発見されている。採掘は露天掘りと坑内掘りの両方で行われている。歴史的に、アパラチア山脈の険しい地形に点在する多くの炭層は小規模企業による採掘に適しており、一方、さらに西にある広大な鉱床と緩やかな傾斜は大規模操業に適している。アパラチアの石炭は硫黄分が非常に少なく、冶金グレードであることが多いが、内陸州の石炭は硫黄分がはるかに多い。[ 42 ]
石炭紀の炭田帯は中央ヨーロッパにまで広がっており、[ 43 ]その多くは瀝青炭である。瀝青炭田はポーランド[ 44 ]とチェコ共和国[ 45 ]にあり、ポーランドの鉱床は同国の最も重要な天然資源の 1 つです。[ 46 ]チェコの鉱床は先史時代から採掘されてきました。[ 45 ]ヨーロッパの鉱床には、イギリスの石炭生産量の大部分を占め、そのほとんどが瀝青炭であるイギリスの石炭層が含まれます。 [ 47 ]ウェストフィールド炭田はイギリス最大の炭田です。[ 48 ]その他、フランス、ドイツ、北イタリアなど、ヨーロッパの多くの地域で重要な瀝青炭鉱床が見られます。[ 49 ]
石炭の堆積はペルム紀-三畳紀絶滅イベントによって中断されたが、中期三畳紀に再開した。[ 50 ]ペルム紀の瀝青炭鉱床はシベリア、東アジア、オーストラリアに広く分布している。[ 51 ]これらには、シベリアのミヌシンスキー炭田、[ 52 ]オーストラリアのクイーンズランド盆地、ボーエン盆地、シドニー盆地、[ 53 ]および中国の広大な瀝青炭埋蔵量が含まれる。[ 54 ]
石炭堆積の2回目のピークは白亜紀に始まったが、そのほとんどは瀝青炭ではなく低品位炭である。[ 51 ]米国では、白亜紀の瀝青炭はワイオミング州、コロラド州、ニューメキシコ州に分布している。[ 55 ] [ 56 ]カナダでは、アルバータ州とブリティッシュコロンビア州の西カナダ堆積盆地に、西部内陸海路の西縁に沿った沼地で形成された瀝青炭の主要な堆積物が存在する。その年代は、ミストマウンテン層のジュラ紀末期または白亜紀初期から、ゲイツ層の白亜紀後期までである。[ 57 ]ブリティッシュコロンビア州の山間炭田と島嶼炭田にも、白亜紀の瀝青炭の堆積物が存在する。[ 58 ]
2009年現在推定される最終的な回収可能な瀝青炭資源が最も多い国は、米国（161.6 Gt）、インド（99.7 Gt）、中国（78.4 Gt）、オーストラリア（51.3 Gt）、南アフリカ（38.7 Gt）、英国（26.8 Gt）、ドイツ（25.2 Gt）、コロンビア（7.8 Gt）、インドネシア（5.6 Gt）、フランス（4.4 Gt）であった[ 59 ] 。
2018年現在瀝青炭（コークス用石炭とその他の瀝青炭）の世界総生産量は6.220ギガトンでした。最大の生産国は中国で、インドと米国は大きく差をつけられて2位と3位となっています。[ 60 ]
2020年の米国の瀝青炭生産量は2億3800万ショートトンで[ 61 ]、米国の全石炭生産量の44%を占めた。瀝青炭は18州で採掘されているが、ウェストバージニア州、ペンシルベニア州、イリノイ州、ケンタッキー州、インディアナ州の5州で米国の石炭の74%が生産されている。[ 3 ]
中低揮発性亜級の瀝青炭の成熟に伴い、メタン生成がピークに達します。これにより、これらの瀝青炭は「ガスを発生しやすい」状態になり、メタン爆発に対する予防措置を講じる必要があります。[ 9 ]
瀝青炭はかつて米国で家庭暖房に広く使用されていました。しかし、瀝青炭は比較的汚染度の高い燃料です。1945年から1960年の間に瀝青炭の使用量が減少したことで、冬期には少なくとも1,923人の全年齢層の命と310人の乳幼児の命が救われたと推定されています。[ 62 ]瀝青炭の品質は浮選法によって改善され、ビトリナイトの割合が増加してよりクリーンに燃焼する製品が得られます。[ 63 ]
瀝青炭をメタンに生物変換することは、クリーンコール技術として積極的に研究されている。[ 64 ]
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