Coal chemical industry - sekitankagakukougyou (English name) coal chemical industry

Japanese: 石炭化学工業 - せきたんかがくこうぎょう（英語表記）coal chemical industry

This refers to the industry that uses the organic and inorganic matter in coal to manufacture high-added-value chemical raw materials and chemical products. It is contrasted with the power generation business (combustion use) that uses coal as an energy source. The coal carbonization industry, which developed using coal tar (also simply called tar) obtained by carbonization of coal as a raw material, was the first coal chemical industry, and it is no exaggeration to say that it was the beginning of the modern organic chemical industry historically, and it became the basis for the subsequent development of the petrochemical industry.

[Ueda Sei and Aramaki Toshihiro]

History of the coal carbonization industry

Coal carbonization is the process of placing coal in a sealed container, blocking out air, and heating it from the outside. It produces coke, gas, tar, and water containing ammonia, known as gas liquid. Coal carbonization produces different amounts and properties depending on the type of coal and the carbonization conditions. It used to be broadly divided into high-temperature carbonization (production of coke for blast furnaces, 1000-1300°C) and low-temperature carbonization (production of liquid and solid fuels, 600-900°C), but low-temperature carbonization is rarely performed today. Foundry coke, which uses special raw materials, is still produced today, and is carbonized at a temperature about 100°C lower than blast furnace coke.

Historically, the high-temperature carbonization industry began in 1735 when A. Darby of England used coke produced in ironmaking as a charcoal substitute, which contributed greatly to the mass production of iron thereafter. Then, in 1792, W. Murdoch of England succeeded in producing gas for lighting, which became the main source of urban lighting until the advent of electric light. Thus, the coke and gas obtained by carbonization of coal were effectively used, but the tar produced at the same time was left unused for a long time. However, since W. H. Perkin of England succeeded in synthesizing dyes from aniline in 1856, tar has become an important raw material for various organic chemicals. For this reason, externally heated coke ovens, which efficiently recover gas and tar, began to be used around 1860. In Japan, the production of coke and gas for lighting began at the beginning of the Meiji era, and at the end of the Meiji era, by-product recovery type chamber-hearth coke ovens were introduced, and tar became an important source of dyes, medicines, and other products.

The carbonization industry was also greatly affected by the liquefaction revolution from coal to oil and natural gas in the 1950s. Coke and coke oven gas for ammonia and methanol production were converted to oil, and the city gas industry lost a large demand for by-product coke, and city gas itself was switched to oil and natural gas. Today, coal-derived gas is no longer used as city gas, and Japan's carbonization industry is focused on the production of coke for blast furnaces only at steelworks, with coke oven gas and tar being produced as by-products.

[Ueda Sei and Aramaki Toshihiro]

Future prospects for the coal chemical industry.

The coal chemical industry flourished as a chemical industry based on carbonization and gasification, but with the remarkable progress of the petrochemical industry after the Second World War, it was gradually overwhelmed from the 1950s onwards, and its position was completely taken over by petroleum. Almost all of the products previously obtained by the coal chemical industry, except for coke, can now be replaced by petrochemical products, and even after the first oil crisis in 1973, when oil prices soared sharply, petrochemical products remained economically more competitive. Although things have changed somewhat since the second oil crisis in 1979, it is said that 95% of the world's organic chemical production is still dependent on petroleum-based raw materials. The main reason for this is that the tar industry, which was the mainstream of the coal chemical industry, was unable to adequately supply the wide variety and large amounts of raw materials required for the remarkable development of the polymer chemical industry, such as synthetic resins, synthetic fibers, and synthetic rubber. The general factors that hindered the development of the coal chemical industry can be summarized as follows: (1) The chemical structure of coal is very complex compared to petroleum, and varies greatly depending on the coal-producing area and even the coal seam. (2) Because coal is a solid and contains inorganic matter, it is difficult to handle compared to petroleum and natural gas, which are fluids, and there are also problems in terms of environmental conservation, such as the generation of soot and dust. (3) Even aromatic hydrocarbons, which are a major feature of coal chemistry, can now be obtained in large quantities and at low cost from the petrochemical industry through cyclization reactions of chain hydrocarbons and dehydrogenation reactions of naphthenic hydrocarbons.

However, the advantage of coal is that, unlike petroleum resources, it is not concentrated in certain regions or countries, and coal reserves are significantly larger. Since the first oil crisis, industrialized countries have been vigorously promoting the construction of coal-fired power plants and the research and development of gasification and indirect liquefaction, which can simultaneously make coal fluid and non-polluting, with the aim of diversifying, decentralizing, and stabilizing energy sources. In addition, the demand for naphtha and natural gas as raw materials for the petrochemical industry is about 10% of the total supply, but this proportion is increasing as the supply of petroleum and natural gas remains stable and the petrochemical industry develops. Therefore, in order for the chemical industry to maintain its growth in the future, it is necessary to diversify raw materials and introduce new raw materials, just as is the case with energy sources.

Tar has long played a key role in the organic chemical industry, but today, petroleum-based products account for more than 90% of Japan's total production of benzene, toluene, and xylene, far exceeding tar-based products. Tar contains more than 400 components, and is separated and refined using distillation and acid/alkali washing, but currently only benzene, naphthalene, toluene, and phenol, which are highly abundant, are used industrially as pure chemicals. Creosote oil is used to produce carbon black for tires, and pitch is used to produce electrodes and carbon fibers. Since the oil crisis, new trends have been seen, such as an increase in the synthesis of phthalic anhydride from naphthalene, a tar-based raw material, due to the high price of petroleum-based raw materials. In order for the tar industry to survive in the future, it is necessary to further increase the added value of coke oven by-products, and it is necessary to develop new uses for nitrogen-containing compounds such as pyridine, which are not easily supplied by petrochemicals, and tricyclic aromatic compounds such as anthracene and phenanthrene, as well as high-performance carbon materials made from tar pitch.

The chemical structure of coal, which is the basis of the coal chemical industry, is gradually becoming clearer, and various coal processing technologies based on this are also improving. It is considered most important for the future development of the coal chemical industry, both in terms of basic research into coal chemistry and in terms of the technology for utilizing coal chemical products, to proceed in conjunction with gasification and indirect liquefaction as new energy developments.

[Ueda Sei and Aramaki Toshihiro]

"Coal Chemical Industry" by Arimasa Baba et al. (1950, Sangyo Tosho)" ▽ "Coal Chemistry and Industry" by Hideo Kimura and Shuji Fujii (1977, Sankyo Publishing)" ▽ "Iron and Steel Industry and Petrochemical Industry" edited by Atsuhiko Takeuchi (2006, Iwasaki Shoten)"

Coal Chemical Industry System Diagram
©Shogakukan ">

Coal Chemical Industry System Diagram

Coal carbonization product yield
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Coal carbonization product yield

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

石炭の有機質や無機質を利用して付加価値の高い化学原料や化学製品を製造する工業をいう。石炭をエネルギー源として利用する発電事業（燃焼利用）と対比される。石炭を乾留して得られるコールタール（単にタールともいう）を原料として発展した石炭乾留工業は最初の石炭化学工業であると同時に、歴史的に近代有機化学工業の始まりといっても過言でなく、これに続く石油化学工業発達の基盤となった。

［上田　成・荒牧寿弘］

石炭乾留工業の歴史

石炭を密閉容器に入れ、空気を遮断して外部から加熱する操作を石炭の乾留といい、コークス、ガス、タール、そしてガス液とよぶアンモニアなどを含む水が得られる。石炭の乾留は石炭の種類、乾留条件によってそれぞれの生成量や性状は異なる。高温乾留（高炉用コークス製造。1000～1300℃）と低温乾留（液体燃料、固体燃料製造。600～900℃）に大別されていたが、低温乾留は現在ではほとんど行われなくなった。特殊な原料を使用する鋳物用コークスは、現在でも製造されており、高炉用コークスに比べて100℃程度低めの温度で乾留される。

　高温乾留工業を歴史的にみると、1735年イギリスのA・ダービーが製造したコークスを木炭代用品として製鉄に利用し、それ以降の鉄の大量生産に大きく貢献したことに始まる。ついで1792年にはイギリスのW・マードックが照明用ガスの製造に成功し、電灯の出現まで都市照明の主役となった。このように石炭の乾留で得られるコークスとガスは有効に利用されたが、同時に生成するタールは長い間なんらの用途もなく持て余されていた。しかし、1856年イギリスのW・H・パーキンがアニリンから染料を合成することに成功して以来、タールは各種の有機化学薬品の重要な原料となった。このため、1860年ころから、ガスやタールを効率よく回収する外熱式コークス炉が使用されるようになった。日本では明治の初めにコークスおよび照明用ガスの製造が始められ、明治の終わりには副産物回収式の室炉式コークス炉が導入されて、タールは染料、医薬品などの重要な供給源となっていった。

　昭和30年代の石炭から石油、天然ガスへの流体化革命によって乾留工業も大きな影響を受けた。アンモニアやメタノール製造用のコークスとコークス炉ガスは石油に転換され、都市ガス事業は副産コークスの大きな需要を失って、都市ガス自体も石油・天然ガス系に切り替えられていった。現在では、石炭系ガスは都市ガスとしてはまったく使用されなくなり、日本の乾留工業は製鉄所においてのみ高炉用コークス製造を主体とし、副産物としてコークス炉ガスとタールを併産するようになった。

［上田　成・荒牧寿弘］

石炭化学工業の将来的展望

石炭化学工業は、乾留やガス化を基盤とした化学工業として発展隆盛をみたが、第二次世界大戦後の石油化学工業の著しい躍進によって、1950年代よりしだいに圧倒され、その地位を完全に石油に奪われてしまった。従来石炭化学工業で得られていた製品は、コークスを除きほとんどすべてが石油化学製品で代替可能となり、石油価格が大幅に高騰した1973年の第一次オイル・ショック以降も依然として石油化学製品のほうが経済的に競争力があった。1979年の第二次オイル・ショック以降はいくぶん変わってきたが、現在でも世界の有機化学製品生産高の95％は石油系原料に依存しているといわれる。この大きな理由としては、合成樹脂、合成繊維、合成ゴムなどの高分子化学工業の目覚ましい発展に対して、従来の石炭化学工業の主流であるタール工業ではその多種多様かつ大量の原料を十分に供給することができなかったためである。また石炭化学工業の発展を妨げた一般的な要因としては、次の3点に要約される。(1)石炭の化学構造が石油に比べて非常に複雑であり、産炭地さらに炭層によっても大きく異なっている。(2)石炭は固体であり無機物を含んでいるので、流体である石油や天然ガスに比べて取扱いが不利で、煤塵(ばいじん)の発生など環境保全の面でも問題がある。(3)石炭化学の大きな特徴である芳香族炭化水素さえも、鎖状炭化水素の環化反応やナフテン類炭化水素の脱水素反応によって、石油化学工業から大量かつ安価に得られるようになった。

　しかし、石炭の有利な点としては、石油資源に比べて一定の地域・国に偏在しておらず、埋蔵量も著しく多いことである。第一次オイル・ショック以来、先進工業国はエネルギー源の多様化、分散化、安定供給を目ざして、石炭火力発電所の建設、石炭の流体化と無公害化を同時に達成できるガス化・間接液化の開発研究を強力に推し進めている。また石油化学工業の原料としてのナフサや天然ガスの需要は総供給量に対して約10％程度であるが、石油・天然ガスの供給量の横ばいと石油化学工業の発展に伴ってこの割合は増加しているので、将来化学工業がその成長を維持していくには、エネルギー源の場合と同様に原料の多様化、新規原料の導入が必要である。

　タールは長く有機化学工業における主要原料としての役割を果たしてきたが、いまや日本のベンゼン、トルエン、キシレンの全生産量中に占める割合は、石油系が90％以上を占めタール系を大きく上回っている。タールは400種以上の成分を含んでおり、蒸留や酸・アルカリ洗浄などを用いて分離精製されるが、現在工業的に純粋な化学薬品として利用されているものは、含有量の高いベンゼン、ナフタレン、トルエン、フェノールなどにすぎず、クレオソート油からはタイヤ用のカーボンブラック、ピッチからは電極、炭素繊維などが製造されている。オイル・ショック以降、石油系原料の高騰により、タール系原料であるナフタレンから無水フタル酸の合成が増加するなど新しい動きもみられる。今後タール工業の存続のためにはコークス炉副産物としての付加価値を一段と高めることが求められており、石油化学では容易に供給されないピリジンなどの含窒素化合物や、アントラセンやフェナントレンなど3環芳香族の新しい用途の開発とともにタールピッチ分を原料とする高機能炭素材の開発などが必要である。

　石炭化学工業の基礎である石炭の化学構造がしだいに明らかになってきており、これに基づいて石炭を処理する諸技術も向上している。今後の石炭化学工業の発展は、石炭化学としての基礎研究においても、石炭化学製品の利用技術に関しても、新規エネルギー開発としてのガス化・間接液化との連係のうえに進められることがもっとも重要と考えられる。

［上田　成・荒牧寿弘］

『馬場有政他著『石炭化学工業』（1950・産業図書）』▽『木村英雄・藤井修治著『石炭化学と工業』（1977・三共出版）』▽『竹内淳彦監修『鉄鋼業・石油化学工業』（2006・岩崎書店）』