石炭とコークス、これらはしばしば混同されがちですが、実は明確な違いがあります。 石炭とコークスの違い を理解することは、産業やエネルギーについて知る上で非常に重要です。簡単に言うと、コークスは石炭を熱で加工して作られたもの。それぞれの特性や用途が異なるため、なぜこのような加工がされるのか、その理由を探っていきましょう。
原料としての石炭：自然が育んだエネルギー源
石炭は、数百万年もの時間をかけて植物が地中に埋まり、圧縮されてできた堆積岩の一種です。その形成過程や含まれる成分によって、様々な種類があります。例えば、埋没してからの時間や圧力が短いものほど、揮発性成分が多く含まれる傾向にあります。この揮発性成分こそが、石炭を燃焼させたときに炎や煙の元となります。
石炭の主な成分は炭素ですが、それ以外にも水素、酸素、窒素、硫黄などの元素が含まれています。これらの不純物は、燃焼時に煙や灰、そして大気汚染の原因となる物質を発生させる要因となります。そのため、そのままの形で利用するには、いくつかの課題も抱えています。
- 種類による特性の違い:
- 無煙炭（Anthracite）: 炭素含有量が高く、揮発性成分が少ない。燃焼時間が長く、炎がほとんど出ない。
- 瀝青炭（Bituminous coal）: 揮発性成分が多く、燃焼時に炎が出る。エネルギー効率が良い。
- 亜炭（Lignite）: 炭素含有量が低く、水分が多い。エネルギー効率は低いが、安価。
コークスへの転換：石炭の変身
コークスは、石炭を空気を遮断した状態で高温で加熱すること（乾留）によって作られます。この過程で、石炭に含まれる揮発性成分の多くが取り除かれ、炭素の含有量が高く、より純粋な固形燃料となります。この「空気を遮断する」というのが、石炭を燃やしてコークスにするのではなく、熱分解させるための重要なポイントです。
コークス化のプロセスでは、石炭を約1000℃以上の高温で長時間加熱します。この熱によって、石炭中の水分やタール、ガスなどが分離されます。そして、残されたものが、黒くて硬い、多孔質なコークスとなるのです。この製造方法によって、コークスは石炭とは全く異なる性質を持つようになります。
コークス化によって得られる主な副産物も重要です。分離されたガスからは、都市ガスの原料や化学製品の原料が得られます。また、タールからは、医薬品や染料、プラスチックなどの原料となる様々な化学物質が抽出されます。つまり、コークスを作る過程は、単に燃料を得るだけでなく、多様な産業にとって不可欠な資源を生み出すプロセスでもあるのです。
石炭とコークスの化学的・物理的違い
石炭とコークスの違い は、その化学組成と物理的性質に顕著に表れます。石炭は、前述の通り、炭素以外にも様々な不純物を含みます。一方、コークスは乾留というプロセスを経ることで、これらの不純物が大幅に除去され、高純度の炭素塊となります。これにより、コークスは石炭よりも高い発熱量を持つことが多く、より効率的な燃焼が可能になります。
| 項目 | 石炭 | コークス |
|---|---|---|
| 製造方法 | 天然に生成 | 石炭の乾留 |
| 炭素含有量 | 約50%〜90% | 約90%以上 |
| 揮発性成分 | 比較的多い | 非常に少ない |
| 不純物 | 多い（硫黄、灰分など） | 少ない |
| 燃焼時の炎 | 出る（種類による） | ほとんど出ない |
物理的な性質においても、石炭は種類によって硬さや形状が様々ですが、コークスは一般的に黒くて多孔質、そして非常に硬い塊状をしています。この多孔質という性質は、燃焼の際に空気に触れる表面積を増やし、効率的な燃焼を助ける役割を果たします。また、その硬さから、高温に耐える必要のある製鉄プロセスなどで重宝されます。
さらに、石炭は燃焼時に多くの煙や灰を発生させますが、コークスは揮発性成分が少ないため、クリーンに燃焼し、煙の発生が格段に少なくなります。これは、環境負荷の低減という観点からも大きなメリットと言えるでしょう。ただし、コークスも完全にクリーンというわけではなく、硫黄分などの不純物が残る場合もあります。
用途の違い：なぜ区別されるのか
石炭とコークスの用途が異なるのは、それぞれの性質の違いに由来します。石炭は、その燃焼特性から、火力発電所の燃料として広く使われています。また、種類によっては、化学工業の原料としても利用されることがあります。
一方、コークスが最も重要な役割を果たすのは、製鉄業です。高炉で鉄鉱石を溶かす際に、コークスは単なる燃料としてだけでなく、鉄鉱石から酸素を取り除くための「還元剤」としても機能します。高温に耐えうる強度と、高い炭素純度というコークスの特性が、この用途に最適なのです。
その他、コークスは鋳物工場での溶解燃料としても利用されます。その高い発熱量と安定した燃焼性は、金属を効率的に溶解させるのに適しています。このように、 石炭とコークスの違い は、それぞれの得意とする分野を明確に分けていると言えるでしょう。
石炭とコークスの製造プロセス
石炭は、鉱山から採掘された後、そのままの形で利用されることもありますが、用途によっては粉砕されたり、洗浄されたりといった前処理が行われることがあります。火力発電所では、微粉末状にして燃焼効率を高めるのが一般的です。
コークスを作るための「乾留」は、コークス炉という特殊な設備で行われます。まず、品質の良い瀝青炭をブレンドし、練炭状に成形してコークス炉に投入します。その後、約1000℃から1100℃の高温で、空気を遮断した状態で15時間から20時間ほど加熱されます。この間、揮発性成分がガスやタールとして分離され、回収されます。
乾留が終わったコークスは、炉から取り出された後、水で急冷されます。この急冷によって、コークスはさらに硬く、安定した状態になります。そして、最終的に選別・破砕されて、それぞれの用途に適したサイズに分けられます。
石炭とコークスの環境への影響
石炭とコークスの違い は、環境への影響にも及びます。石炭を燃焼させると、二酸化炭素（CO2）だけでなく、硫黄酸化物（SOx）や窒素酸化物（NOx）などの大気汚染物質が発生します。これらの物質は、酸性雨や呼吸器疾患の原因となるため、現代社会では排出規制が厳しくなっています。
コークスは、石炭に比べて揮発性成分が少ないため、燃焼時の煙やSOxの発生量は比較的少なくなります。しかし、製造過程で分離されるガスやタールには、有害物質が含まれる可能性があり、適切な処理が必要です。また、コークスも燃焼すればCO2を排出するため、地球温暖化対策という観点では、どちらも化石燃料であることに変わりはありません。
近年では、石炭火力発電所の高効率化や、CO2排出削減技術の開発が進められています。また、コークスに代わる製鉄プロセスや、再生可能エネルギーの利用なども模索されており、エネルギー源としての石炭やコークスの未来についても、様々な議論がなされています。
まとめ：それぞれの役割と未来
石炭とコークスは、見た目や性質、そして用途において明確な違いを持つ、それぞれに重要な役割を担った物質です。石炭は自然が育んだ多様なエネルギー源であり、コークスはそれを高度な技術で加工し、より純粋で高機能な燃料へと生まれ変わらせたものです。 石炭とコークスの違い を理解することは、私たちの生活を支える産業の仕組みを垣間見ることにも繋がります。
製鉄業を支えるコークス、そして発電を担う石炭。それぞれの分野での貢献は計り知れません。しかし、地球環境への配慮がますます重要視される現代において、これらの化石燃料の利用方法や代替技術の開発は、今後も注視していくべき課題と言えるでしょう。