コーラ（燃料）

コークスは、炭素含有量の高い灰色で硬く多孔質の石炭ベースの燃料です。空気のない状態で石炭または石油を加熱して作られます。コークスは重要な工業製品であり、主に鉄鉱石の製錬に使用されますが、ストーブや鍛冶場の燃料としても使用されます。

限定されない用語「コークス」は通常、コーキングと呼ばれるプロセスによって低灰分および低硫黄の瀝青炭から得られる製品を指します。石油コークスまたはペットコークスと呼ばれる同様の製品は、石油精製所で原油から得られます。コークスは地質学的プロセスによって自然に形成されることもあります。 ^{[1]コークスは}破壊的な蒸留プロセス の残留物です。

石炭からコークスを工業的に生産することをコーキングといいます。石炭は、空気のない窯、つまり「コークス炉」または「コーキングオーブン」で、最高 2,000 °C (3,600 °F) の温度で焼かれますが、通常は 1,000～1,100 °C (1,800～2,000 °F) 程度です。^[2]このプロセスにより、石炭中の有機物が蒸発または分解され、水や石炭ガス、コールタールなどの揮発性物質や液体物質が除去されます。コークスは、分解によって生じた非揮発性の残留物で、元の石炭粒子の炭素と鉱物の残留物が固まり、硬くてややガラス質の固体になっています。^[要出典]

コークス化の副産物としては、コールタールピッチ、アンモニア（NH ₃）、硫化水素（H ₂ S）、ピリジン、シアン化水素、炭素系物質などがあります。^[3]一部の施設には「副産物」コークス化炉があり、揮発性の分解生成物を収集、精製、分離して、他の産業で燃料や化学原料として使用します。それ以外の場合は、揮発性副産物を燃焼させてコークス化炉を加熱します。これは古い方法ですが、新しい建設では今でも使用されています。^[4]

瀝青炭は、特定の石炭分析技術によって決定される、コークス炭として使用するための一連の基準を満たす必要があります。これらには、水分含有量、灰分含有量、硫黄含有量、揮発分含有量、タール、可塑性が含まれます。目標は、処理時に適切な強度（通常は反応後のコークス強度で測定）のコークスを生成し、適切な量の質量を失う石炭のブレンドを達成することです。その他のブレンドの考慮事項には、生産中にコークスが過度に膨張して、過度の壁圧によってコークス炉が破壊されないようにすることが含まれます。^{[引用が必要]}

石炭中の揮発性物質が多いほど、副産物が多く生産される。一般的に、石炭混合物中の揮発性物質のレベルが 26～29% であればコークス化に適していると考えられている。したがって、コークス化プロセスを開始する前に、異なる種類の石炭を比例的に混合して、許容できるレベルの揮発性に達するようにする。石炭の種類の範囲が広すぎると、結果として得られるコークスは強度と灰分含有量が大きく異なり、通常は販売できないが、場合によっては通常の暖房燃料として販売できる。コークスはすでに揮発性物質を失っているため、再びコークス化することはできない。^{[引用が必要]}

コークス炭は一般炭とは異なりますが、基本的な石炭形成プロセスは同じです。コークス炭は一般炭とは異なるマセラル、つまり石炭を構成する圧縮され化石化した植物質の異なる形態を持っています。異なるマセラルは、植物種の異なる混合物と、石炭が形成された条件の変動から生じます。コークス炭は、燃焼後の灰の重量パーセントに従って等級分けされます。

• 鋼種I（灰分含有量15%以下）
• 鋼種II（15%を超え18%以下）
• 洗濯等級I（18％を超え21％以下）
• 洗濯等級II（21％を超え24％以下）
• 洗濯等級III（24％を超え28％以下）
• 洗濯等級IV（28％を超え35％以下）^[5]

塊炭を使ったコークス製造の「炉床」工程は、木炭を燃やす工程に似ていた。小枝、葉、土で覆われた木材の山の代わりに、コークスの粉で覆われた石炭の山があった。炉床工程は19世紀前半も多くの地域で使用され続けたが、2つの出来事がその重要性を大きく低下させた。鉄の製錬における熱風の発明と蜂の巣型コークス炉の導入である。製錬炉で冷風の代わりに熱風を使用する方法は、1828年にスコットランドのニールソンによって初めて導入された。^[6] 石炭からコークスを製造する炉床工程は非常に時間のかかる工程である。^[要出典]

ドーム状の耐火レンガ室が使用され、一般的にはビーハイブオーブンとして知られています。これは通常、幅約4メートル（13フィート）、高さ2.5メートル（8フィート）です。屋根には上から石炭やその他の着火材を投入するための穴があります。排出口は壁の下部の周囲に設けられています。コークス炉バッテリーでは、隣接するオーブンの間に共通の壁があり、多数のオーブンが一列に並んでいます。バッテリーは、時には数百の非常に多くのオーブンが一列に並んで構成されていました。^[7]

石炭は上から投入され、約 60 ～ 90 センチメートル (24 ～ 35 インチ) の均一な層を形成します。最初に空気が供給され、石炭に点火します。炭化が始まり、揮発性物質が生成され、部分的に閉じられた側面のドア内で燃焼します。炭化は上から下へと進み、2 ～ 3 日で完了します。プロセスに必要な熱は燃焼する揮発性物質によって供給されるため、副産物は回収されません。排気ガスは大気中に放出されます。高温のコークスは水で急冷され、側面のドアから手動で排出されます。オーブンを連続的に使用すると、壁と天井が十分な熱を保持し、次の投入物の炭化を開始します。^[要出典]

石炭をコークス炉で燃焼させると、ガスとして排出されなかった石炭の不純物がスラグとして炉内に蓄積します。これは、除去された不純物の塊です。このスラグは目的の製品ではなかったため、当初は廃棄されていました。しかし、後にコークス炉スラグが有用であることが判明し、レンガ作り、混合セメント、粒状被覆屋根板、さらには肥料として使用されるようになりました。^[8]

職場では、吸入、皮膚接触、または眼接触によりコークス炉排出物にさらされる可能性がある。米国では、労働安全衛生局（OSHA）が職場でのコークス炉排出物への曝露の法的制限を、8時間労働でベンゼン可溶性画分0.150 mg/m ^{3と定めている。米国} 国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、 8時間労働でベンゼン可溶性画分0.2 mg/m ^3の推奨曝露限界（REL）を設定している。^[9]

コークスは燃料として、また高炉で鉄鉱石を製錬する際の還元剤として使用できます。^[10]コークスの燃焼によって生成された一酸化炭素は酸化鉄（ヘマタイト）を還元して鉄を生成します。^[11]

${\displaystyle {\ce {Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}}}$。

コークスは鍛冶屋の燃料としてよく使われます。

オーストラリアでは1960年代から1970年代初頭にかけて、コーラは住宅暖房に使用されていました^{[要出典]。}また、1952年のロンドン大スモッグを受けて制定された1956年の大気浄化法以降、英国では（石炭に代わる）家庭での使用が奨励されました^{[要出典]。}

石炭のコークス化中に煙を発生させる成分が除去されるため、コークスは瀝青炭自体が完全に燃焼するのに適さない条件のストーブや炉に適した燃料となります。コークスは燃焼しても煙はほとんど出ませんが、瀝青炭は大量の煙を出します。英国で「無煙地帯」が設けられて以来、コークスは家庭暖房用の石炭の無煙燃料代替品として広く使用されました。 ^[要出典]

オークニー諸島のハイランドパーク蒸留所では、コークスと泥炭の混合物を燃焼させる窯で、スコッチウイスキーの原料となる大麦麦芽を焙煎している。^[12]

コークスは、一酸化炭素と水素の混合物である合成ガスの製造に使用されることがあります。

• 合成ガス;水性ガス: 一酸化炭素と水素の混合物で、蒸気を赤熱したコークス（または炭素ベースの炭化物）に通すことで作られます。炭化水素（ガス）は同一ですが、18世紀後半にトーマス・ベドーズとジェームズ・ワットによって開発された吸入療法として登場し、人工空気に分類されました。
• 生産ガス、木材ガス、発電機ガス、合成ガス：赤熱したコークス（または炭素ベースの炭化物）に空気を通すことによって生成される一酸化炭素、水素、窒素の混合物
• コークス炉から生成されるコークス炉ガスは、体積比で60％の水素を含む合成ガスに似ています。^[13]水素はコークス炉ガスから経済的に抽出することができ、様々な用途（鉄鋼生産を含む）に使用できます。^[14]

細かく粉砕された瀝青炭は、この用途では海炭として知られ、鋳物砂の成分です。溶融金属が鋳型内にある間、石炭はゆっくりと燃焼し、圧力で還元ガスを放出するため、金属が砂の細孔に浸透するのを防ぎます。また、鋳造前に鋳型に塗布される同じ機能を持つペーストまたは液体である「モールドウォッシュ」にも含まれています。^{[15]海炭は、}キューポラ炉の底に使用される粘土ライニング（「ボッド」）と混合できます。加熱されると、石炭は分解し、ボッドはわずかに砕けやすくなり、溶融金属を取り出すための穴を開けるプロセスが容易になります。^[16]

コークス製造廃水は毒性と発がん性が極めて高い。フェノール、芳香族、複素環式、多環式の有機物、およびシアン化物、硫化物、アンモニウム、アンモニアなどの無機物が含まれている。^[17]近年、その処理方法について様々な研究が行われている。^{[18] [19] [20]}白色腐朽菌のファネロカエテ・クリソスポリウムは、コークス製造廃水からフェノールを最大80%除去することができる。 ^[21]

瀝青炭をコークス炭として使用する前に、特定の石炭分析技術によって決定された一連の基準を満たす必要があります。 ^{[引用が必要]}

コークスの嵩比重は通常約 0.77 です。コークスは多孔質です。高炉でのコークスの有用性には、化学組成と物理的特性の両方が重要です。組成に関しては、灰分と硫黄含有量が低いことが望ましいです。その他の重要な特性は、高炉への輸送中のコークスの強度を表す M10、M25、および M40 試験破砕指数です。高炉のサイズによっては、細かく破砕されたコークス片は炉に入れてはいけません。鉄とコークスの装入物を通るガスの流れを妨げるからです。関連する特性は、反応後コークス強度(CSR) 指数です。これは、微粒子になる前に高炉内の激しい条件に耐えるコークスの能力を表します。コークス片は、「ベルコークス」(30 - 80 mm)、「ナットコークス」(10 - 30 mm)、「コークス粉」(< 10 mm) という用語で示されます。^[22]

コークスの水分含有量はコークス化工程の終了時にはほぼゼロですが、高炉に輸送できるように水で急冷されることがよくあります。コークスの多孔質構造は、通常質量の 3 ～ 6% の水分を吸収します。より近代的なコークス工場では、空気急冷法を使用した高度なコークス冷却方法が採用されています。^{[引用が必要]}

石油を「クラッキング」プロセスで精製した後に残る固形残留物もコークスの一種です。石油コークスは燃料以外にも、乾電池や電解電極、溶接電極の製造など、さまざまな用途があります。^[要出典]

合成ガスを製造するガス工場では、ガスハウスコークスと呼ばれる最終製品としてコークスも生産されます。^[要出典]

流動コーキングは、重質残留原油をナフサ、灯油、暖房用油、炭化水素ガスなどの軽質製品に変換するプロセスです。「流動」という用語は、固体コークス粒子が連続流動コーキングプロセスでは流動固体として振る舞うという事実を指します。一方、古いバッチ遅延コーキングプロセスでは、時間の経過とともに固体の塊がコークスドラム内に蓄積されます。^{[引用が必要]}

東ドイツでは石油や良質の石炭が不足していたため、科学者たちは低品質の褐炭を高温褐炭コークスと呼ばれるコークスに変えるプロセスを開発した。^[要出典]

スクラップ鉄は電気アーク炉でリサイクルできます。また、製錬による鉄製造の代替として直接還元鉄があり、炭素質燃料を使用してスポンジ鉄やペレット鉄を製造できます。二酸化炭素排出量を削減するために、水素を還元剤として使用し^[23]、バイオマスや廃棄物を炭素源として使用することができます。^[24]歴史的に、木炭は高炉でコークスの代替品として使用され、その結果得られる鉄は木炭鉄として知られています。

4世紀に遡る多くの歴史的資料には、古代中国でのコークス生産について記述されている。^[25]中国人がコークスを暖房や調理に初めて使用したのは、遅くとも9世紀になってからである。^[要出典] 11世紀の最初の数十年までに、黄河流域の中国の製鉄工は、木がまばらなその地域の燃料問題を解決し、炉にコークスを燃料として供給し始めた。^[26]西暦1078年までに、中国での鉄の生産に木炭の代わりにコークスが導入されたことで、鉄産業は年間125,000トンにまで劇的に増加した。鉄は、道具、武器、吊り橋の鎖、仏像の作成に使用された。^[27]

中国は現在、最大のコークス生産国および輸出国である。^[28]中国は世界のコークスの60％を生産している。大気汚染への懸念から、エネルギー効率の悪い時代遅れのコークス製造技術を廃止することで、コークス産業における技術革新が促進された。^[29]

1589年、トーマス・プロクターとウィリアム・ピーターソンに「地炭、海炭、泥炭、泥炭」で鉄鋼を製造し、鉛を溶かす特許が与えられた。この特許には「調理」による石炭の準備について明確な言及がある。1590年、ヨークの司祭に「炭坑を精製し、不快な臭いを取り除く」特許が与えられた。^[30] 1620年、ウィリアム・セント・ジョンと他の騎士からなる会社に特許が与えられ、鉱石の製錬と金属の製造にコークスを使用することが言及された。1627年、ジョン・ハケット卿とオクタヴィウス・デ・ストラーダに、煙の臭いで不快にならずに、海炭と炭坑を木炭のように家庭で燃やすための有用なものにする方法について特許が与えられた。^[31]

1603年、ヒュー・プラットは、木から木炭を作るのと似た方法で石炭を焦がすことができると示唆した。この方法は、1642年にダービーシャーで麦芽を焙煎するためにコークスが使用されるまで採用されなかった。それ以前は、醸造業者は木材を使用していた。コークス化されていない石炭は、硫黄の煙がビールに不快な味を与えるため、醸造には使用できなかったためである。^[32]これは品質の向上と見なされ、「イングランド全土が賞賛する変化」をもたらした。コークス化プロセスにより、麦芽をより軽く焙煎できるようになり、17世紀末までにペールエールと呼ばれるようになった。^[31]

1709年、アブラハム・ダービー1世は鋳鉄を生産するためにコークス燃焼高炉を建設した。コークスは圧縮強度に優れているため、高炉はより高く、より大型になった。その結果、安価な鉄が利用できるようになったことが、産業革命につながる要因の1つとなった。この時代以前は、製鉄には大量の木炭が使用されていた。木炭は、木材を燃やして生産された。森林の伐採では需要を満たせなくなったため、木炭の代わりにコークスを使用することがイギリスで一般的になり、コークスは、石炭を地面に積み上げて燃焼させ、外側の層だけが燃え、山の内側は炭化した状態になるようにして製造された。18世紀後半には、燃焼プロセスをより細かく制御できるレンガ造りの蜂の巣型オーブンが開発されました。 ^[33]

1768年、ジョン・ウィルキンソンは石炭をコークスに変えるより実用的な炉を建設した。^[34]ウィルキンソンは、中央の低い煙突の周りに緩いレンガで積み上げ、燃焼ガスが入る開口部を設けることでプロセスを改良し、より良いコークスの収量を高めた。石炭の燃焼、覆い、急冷の技術が向上し、収量は19世紀半ばまでに約33%から65%に増加した。スコットランドの鉄鋼業は、炭田で熱風法を採用することで、19世紀の第2四半期に急速に拡大した。^[6]

1802年、シェフィールド近郊にビーハイブオーブンの集団が設立され、るつぼ式鋼溶解用のシルクストーン炭層のコークス化に使用された。1870年までに、ウェストダラム炭田では14,000基のビーハイブオーブンが稼働し、年間400万ロングトンのコークスを生産した。コークス製造の拡大の尺度として、イギリスの鉄鋼産業の需要は1850年代初頭には年間約100万トンであったが、1880年には約700万トンに増加した。このうち約500万トンがダラム州で、100万トンがサウスウェールズ炭田で、100万トンがヨークシャーとダービーシャーで生産された。^[6]

蒸気機関車が発明された初期の頃は、コークスが通常の燃料でした。これは、初期の環境法に起因しています。つまり、提案された機関車は「自らの煙を消費する」必要がありました。^{[35]これは、}火室アーチが使用されるまで技術的に不可能でしたが、煙の排出量が少ないコークスを燃やすことで要件を満たすと考えられていました。この規則はひそかに廃止され、鉄道が一般大衆に受け入れられるようになるにつれて、より安価な石炭が通常の燃料になりました。走行中の機関車が出す煙は、今では蒸気鉄道の証のようで、後世のために保存されています。

いわゆる「ガス工場」では、密閉された部屋で石炭を加熱してコークスを生産した。放出された可燃性ガスはガスホルダーに貯蔵され、調理、暖房、照明など家庭や産業で使用された。ほとんどの町には地下のパイプ網が通っていたため、このガスは一般に「都市ガス」と呼ばれていた。 1967年以降の10年間で「天然ガス」（当初は北海の油田とガス田から）に取って代わられた。 ^{[要出典]コークス生産の副産物にはタールやアンモニアなどがあり、}セントラルヒーティングの出現以前は、コークスは石炭の代わりに調理用レンジで使用したり、家庭内の暖房に使用したりしていた。

米国では、1817年頃、ペンシルベニア州フェイエット郡のアイザック・ミーソンのプラムソック・パドル炉と圧延工場で初めて製鉄炉にコークスが使用された。^[36] 19世紀後半、ペンシルベニア州西部の炭田はコークスの原料として豊富な供給源となった。1885年、ロチェスター・アンド・ピッツバーグ石炭鉄鋼会社^[37]は、ペンシルベニア州ウォルストンに世界最長のコークス炉列を建設した。長さ2km（1.25マイル）に475基のコークス炉が並ぶ。生産量は月間22,000トンに達した。ペンシルベニア州ハンティンドン郡のマイナーズビル・コークス炉は、 1991年に国家歴史登録財に登録された。^[38]

1870年から1905年の間に、米国のビーハイブオーブンの数はおよそ200から31,000に増加し、ピッツバーグ地域だけで約18,000,000トンのコークスが生産されました。^[39]ある観察者は、もし列車に積んだら「その年の生産量は列車一台分の長さになり、先頭の機関車がサンフランシスコまで行き、コネルズビルの操車場から車掌車が出発する前にコネルズビルに戻ってくるだろう」と自慢していました。ピッツバーグのビーハイブオーブンの数は1910年にほぼ48,000でピークに達しました。^[40]

コークス化は最高品質の燃料を生産したが、周囲の景観を汚染した。1900 年以降、コークス化による深刻な環境被害が全国的に注目されたが、被害は数十年にわたってこの地域を悩ませていた。「いくつかの炉から出る煙とガスは、小さな鉱山コミュニティ周辺のすべての植物を破壊します」と、米国移民委員会の WJ Lauck は 1911 年に指摘した。^[41]ウィスコンシン大学の学長Charles Van Hise は、列車でこの地域を通過した際に、「長い列のコークス化炉から炎が噴き出し、濃い煙が立ち上り、空が暗くなるのを目にした。夜になると、この多数の燃える穴によって、この光景は言葉では言い表せないほど鮮明になる。コークス化炉は、コークス製造地域全体を、陰鬱で不健康な空にしてしまう。」^[41]

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  コロラド州コークデールの石炭コークス炉は、コロラド州プエブロの製鉄所に供給されている。
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  1866年頃に建設された200基のチェリーバレーコークス炉
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  ダンラップコークス炉
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  マイナーズビルコークス炉
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  レッドストーンコークス炉歴史地区
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  シドニー タール ポンド

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