石炭分析

石炭分析技術は、石炭の特定の物理的および化学的特性を測定するために設計された特定の分析方法です。これらの方法は、主に石炭がコークス化、発電、または鉄鋼製造における鉄鉱石の 製錬に適しているかどうかを判断するために使用されます。

石炭には、亜炭（褐炭）、瀝青炭（黒炭）、無煙炭、黒鉛の 4 つの主な種類または等級があります。石炭の種類ごとに特定の物理的パラメータがあり、主に水分、揮発分（脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素）、炭素含有量によって制御されます。

石炭はすべて湿った状態で採掘されるため、水分は石炭の重要な特性です。地下水やその他の外部水分は偶発水分と呼ばれ、すぐに蒸発します。石炭自体に含まれる水分は固有水分と呼ばれ、定量的に分析されます。石炭内の水分は、次の 4 つの形態で発生する可能性があります。

• 表面水分：石炭粒子またはマセラルの表面に保持された水
• 吸湿性水分：石炭の微細亀裂内の毛細管現象によって保持される水
• 分解水分：石炭の分解された有機化合物に含まれる水分
• ミネラル水分：粘土などの含水ケイ酸塩の結晶構造の一部を構成する水

総水分は、未処理のサンプルと分析後のサンプル間の質量損失によって分析されます。これは、次のいずれかの方法で達成されます。

1. トルエンで石炭を加熱する
2. 窒素雰囲気下で150℃（302℉）の最小自由空間オーブンで乾燥
3. 100～105℃（212～221℉）の空気中で乾燥し、質量の相対的な減少を測定する。

方法 1 と 2 は低品位炭に適していますが、方法 3 は高品位炭にのみ適しています。これは、低品位炭を自由空気乾燥すると酸化が促進される可能性があるためです。固有水分も同様に分析されますが、真空中で行われる場合もあります。

石炭中の揮発性物質とは、水分を除く石炭の成分を指し、空気のない高温で放出されます。これは通常、短鎖炭化水素と長鎖炭化水素、芳香族炭化水素、およびいくらかの硫黄の混合物です。揮発性物質は、活性炭の吸着用途も評価します。石炭の揮発性物質は、厳密に管理された基準に従って測定されます。オーストラリアと英国の研究所では、石炭サンプルを 900 ± 5 °C (1650 ± 10 °F) で 7 分間加熱します。また、石炭のランクが上がると、揮発性物質は減少します (AMK)。

石炭の灰分は、石炭が燃焼した後に残る不燃性残留物です。これは、燃焼中に炭素、酸素、硫黄、水 (粘土由来のものを含む) が除去された後のバルク鉱物物質を表します。分析は比較的簡単で、石炭は完全に燃焼し、灰分は元の重量のパーセンテージとして表されます。また、石炭の品質についての指標にもなります。灰分は、空気乾燥ベースとオーブン乾燥ベースで測定できます。この 2 つの主な違いは、後者は石炭サンプルの水分含有量を除去した後に測定されることです。

石炭の固定炭素含有量は、揮発性物質が除去された後に残る物質に含まれる炭素です。これは、揮発性物質とともに炭化水素中に一部の炭素が失われるため、石炭の最終的な炭素含有量とは異なります。固定炭素は、石炭サンプルから生成されるコークスの量の推定値として使用されます。固定炭素は、上記の揮発性試験で決定された揮発性物質の質量を、石炭サンプルの元の質量から除去することによって決定されます。

石炭の相対密度または比重は、石炭のランクと鉱物不純物の程度によって異なります。各石炭層の密度に関する知識は、複合材料や混合物の特性を決定するために必要です。石炭層の密度は、資源を埋蔵量に変換するのに必要です。

相対密度は通常、水中でのサンプルの重量損失によって決定されます。バルクサンプルは非常に多孔質であるため、細かく粉砕した石炭を使用すると、この密度が最もよく得られます。ただし、石炭のトン数を決定するには、比重を測定する際に空隙スペースを維持することが重要です。

粉砕された石炭の粒度分布は、石炭の脆さを決定する石炭の等級と、石炭が受けた処理、粉砕、粉砕によって部分的に左右されます。一般的に石炭は炉やコークス炉で一定のサイズで利用されるため、石炭の粉砕性を判断し、その挙動を定量化する必要があります。石炭を採掘する前にこれらのデータを把握しておく必要があります。そうすることで、輸送や使用のために粒子サイズを最適化する適切な粉砕機械を設計できます。

石炭の層と粒子は、ビトリニット含有量、等級、灰分/ミネラル含有量、多孔度によって決まる相対密度が異なります。石炭は通常、密度がわかっている液体の浴槽に通して洗浄されます。これにより、灰分の高い粒子が除去され、石炭の販売性が高まるとともに、単位体積あたりのエネルギー含有量も増加します。したがって、石炭は実験室で浮沈試験にかけられ、洗浄に最適な粒子サイズ、つまり最小限の作業で最大の灰分を除去するために必要な洗浄液の密度が決定されます。

浮沈試験は、金属鉱石の冶金試験と同様のプロセスで、粉砕および粉砕された石炭に対して実施されます。

摩耗とは石炭の特性であり、機械を摩耗させ、自発的に粉砕する傾向と能力を表します。石炭の炭素質は比較的柔らかいですが、石炭に含まれる石英やその他の鉱物成分は非常に研磨性があります。これは、既知の質量の 4 つのブレードを備えた較正済みのミルでテストされます。石炭はミル内で毎分 1,500 回転の速度で 12,000 回転します (つまり、8 分間で 1,500 回転)。摩耗指数は、4 つの金属ブレードの質量損失を測定することで決定されます。

石炭の取り扱いや汚染物質のプロファイルを決定するための物理的または化学的分析の他に、石炭のエネルギー出力は、完全燃焼中の石炭の特定のエネルギー出力を測定するボンベ熱量計を使用して決定されます。これは、特に蒸気生成に使用される石炭に必要です。

高温での石炭灰残留物の挙動は、蒸気発電用の石炭を選択する上で重要な要素です。ほとんどの炉は、灰を粉末残留物として除去するように設計されています。灰が溶けてクリンカーと呼ばれる硬いガラス状のスラグになる石炭は、洗浄が必要となるため、炉では通常不適切です。ただし、炉は、一般的に溶融液体として除去することにより、クリンカーを処理するように設計できます。

灰の溶融温度は、高温炉の観察窓から石炭灰の成形サンプルを観察することで測定されます。円錐、ピラミッド、または立方体の形状の灰は、1000 °C を超えて、可能な限り高い温度、好ましくは 1,600 °C (2,910 °F) まで着実に加熱されます。次の温度が記録されます。

• 変形温度: 金型の角が最初に丸くなったときにこの温度に達します。
• 軟化（球状）温度：金型の上部が球状になったときにこの温度に達します。
• 半球温度: 金型全体が半球形になったときにこの温度に達します。
• 流動（流体）温度：溶融灰が炉床上で平らなボタン状に崩壊したときにこの温度に達します。

石炭がコークス製造に適しているかどうかを評価する最も簡単なテストは、自由膨張指数テストです。このテストでは、標準化されたるつぼで少量の石炭サンプルを摂氏約 800 度 (1500 °F) まで加熱します。
指定された時間加熱するか、すべての揮発分がなくなるまで加熱すると、るつぼの中に小さなコークス ボタンが残ります。このコークス ボタンの断面プロファイルを一連の標準化されたプロファイルと比較することで、自由膨張指数が決定されます。

いくつかの国際規格では石炭を等級で分類しており、等級が上がるほど炭素含有量が多くなります。石炭の等級はヒルトの法則で説明されているように地質学的履歴と相関しています。

ASTMシステムでは、固定炭素が 69% を超える石炭は、炭素と揮発性物質の含有量によって分類されます。固定炭素が 69% 未満の石炭は、発熱量によって分類されます。揮発性物質と炭素は、乾燥鉱物を含まない基準で、発熱量は採掘時の水分含有量に基づきますが、自由水は含まれません。

ISO にも石炭のランク付けシステムがありますが、その細分化は ASTM 規格と一致していません。

石炭分析法Blackwell Scientific Press、1984年。

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