석탄(石炭)

석탄(石炭)

사진출처 : 픽사베이(pixabay.com)

 

 

1. 석탄의 생성 및 정의

지질시대 때 수목이 두껍게 퇴적된 후 지표 속에 매몰되어 지압(가압)과 지열(가열)을 받아 탄화가 진행되는 변질 과정을 거쳐 생성된 흑갈색의 가연성 퇴적암입니다. 주로 고생대 석탄기부터 중생대까지의 지층에 넓게 분포하고 있으며, 주 성분은 탄소로 이루어져 있어 열을 가하면 연소되며 열에너지를 발산합니다.

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2. 석탄의 역사

인류가 석탄을 이용의 시작은 3천년 전으로 알려져 있으나 BC 315년 그리스의 철학자 데오프라스토스(Theophrastos)의 암석학 저서 중에 '암석 중에는 연소되는 것이 있어 금속을 녹이는 데 사용할 수 있다'라고 기재되어 있는 것이 최초의 기록으로 남아 있습니다. 이후 12세기 송나라에서는 석탄을 가정용 연료로 사용했으며, 석탄에 세금을 부과했다는 문헌도 발견되었습니다.

연 도	석탄 이용 약사
BC 315	그리스 철학자 데오프라스토스의 문헌에 석탄을 대장간에서 연료로 사용한 사실 기록
3 ~ 6C	중국(삼국시대)문헌에 석탄이란 글자 기록
9C	영국에서 석탄 발견
12C	중국 송나라 석탄을 채굴해 가정연료로 이용하고 세금을 부과
13C	영국 뉴캐슬(New Castle)지방에서 석탄을 상업적으로 채굴하여 이용하기 시작
1735	영국에서 제철에 목탄 대신 코크스 제조 사용
1765	제임스와트(James Watt)의 증기기관 발명으로 석탄수요 증가(산업혁명)
1792	영국의 윌리엄 머독(William Murdock)이 석탄가스 제조
1807	영국 런던에서 최초로 석탄가스등 점등
1856	석탄가스에서 타르 및 암모니아 회수 방법 발명
1858	영국의 바킨이 콜타르를 원료로 하는 합성염료 제조
1906	독일의 Fritz Harber가 석탄가스를 원료로 암모니아 공업적 합성법 발명
1913	독일의 Bergius가 석탄의 수소첨가액법에 의한 인조석유 발명
1923	독일에서 석탄을 가스화하여 얻은 일산화탄소와 수소에서 메탄올 합성
1926	일산화탄소와 수소를 원료로 석유를 합성하는 피셔트로프슈법 발명
1957	미국에서 개최 된 국제석탄학회에서 탄소분 함량기준과 성분으로 석탄의 학문상 정의 정립

 

 

3. 석탄의 성분

사진출처 : 픽사베이(pixabay.com)

 

석탄에는 탄소(C)가 주 성분으로 구성되었고 수소(H)와 산소(O)가 들어있으며 이 밖에 질소(N), 황(S) 등이 들어있습니다. 1957년 미국에서 개최 된 국제석탄학회에서 정립된 정의로는 성분 내 중량으로 50% 이상의 탄소분, 용적으로는 70%의 탄소분이 함유되어 있어야 석탄으로 규정하고 있습니다. 석탄 분자는 종합 방향 고리를 단위체로 한 일종의 고분자로서 탄화도의 진행에 따라 축합도가 증가하여 무연탄에서 흑연이 됩니다. 동일 탄종이라도 산지에 따라 분자구조가 다릅니다.

 

석탄의 공업분석에서는 수분(Moisture), 회분(Ash), 휘발분(Volatile Matter), 고정 탄소(Fixed Carbon) 등을 백분율로 나타내며, 수분이 적고 고정 탄소와 휘발분 함량이 많아 발열량이 6,000~8,000kcal/kg인 것을 양질의 탄으로 보고 있습니다. 갈탄인 경우 휘발분과 고정 탄소의 양이 거의 같은 반면 무연탄은 휘발분이 거의 없는 대신 고정 탄소의 함유율이 높습니다.

수분	110℃로 1시간 건조 후 증발하는 수분량(탄화도가 증가할수록 수분함량 감소)
휘발분	950℃로 7분간 가열한 후 감소량을 측정(탄화도가 증가할수록 휘발분 감소)
회분	석탄을 태우고 난 잔류물
고정탄소	석탄 속의 고체탄소(휘발성분, 회분, 수분을 제외한 양)
유황분	석탄 속의 황산화물(SO₂)로써 가능한 적은양이 포함될 수록 좋다.
발열량	석탄 1g을 태워서 얻는 열량(cal) : 보통 4,000~8,000kcal/kg

 

4. 석탄의 종류

4.1 토탄(또는 이탄, Peat)

석탄을 이종으로 탄화 정도가 가장 낮은 것으로 이탄이라고도 합니다. 주로 저습지나 소택지 등에 퇴적된 퇴적물로서 저습지에서는 수분의 공급이 과잉상태이므로 지중 동물이나 미생물의 활동이 억제되기 때문에 유체의 완전분해가 되지 않아서 황갈색 또는 암갈색의 퇴적물로 남게 된다. 발열량이 낮고 탄소성분이 70%이하이며 수분을 20~30% 함유하고 있다.

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4.2 갈탄(또는 아탄, Lignite 또는 Brown coal)

부드럽고 흑갈색의 띄며, 탄소성분이 70%정도이고 발열량 4,000~6,000kcdal/kg, 휘발성분 40%정도입니다. 세계 석탄매장량의 약 45%로 비중이 크지만 역청탄, 무연탄 대비 발열량이 높지않아 사용량이 많지는 않습니다. 원목의 형상,나이테,줄기 등의 조직이 육안으로 보이는 경우가 많습니다.

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4.3 아역청탄(Sub-bituminous coal)

탄화도의 정도가 갈탄보다 높고 역청탄보다 낮은 석탄입니다. 미국의 ASTM(표준시험연구소)에 의한 분류에서는 발열량(함수무광물질 기준)으로 4,610~5,830kcal/kg의 석탄 및 5,830~6,390kcal/kg의 범위에서 휘발분 정량 후의 잔분이 굳어지지 않는 석탄으로 하고 있습니다. 연료용, 발전용에 사용됩니다.

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4.4 역청탄(Bitminous coal)

연소 시 연기가 많이 나 유연탄이라고 부르며 무연탄보다 탄화가 덜 되어 탄소의 양은 적으나 휘발성분이 많아 불이 잘 붙습니다. 연소 시 노란 불꽃을 내며 화력이 무연탄 보다 강한 것이 특징이고, 주로 화력발전용, 시멘트 소성용, 제철소 코크스 제조용, 화학공업 원료용 등으로 많이 쓰인다.

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4.5 무연탄(Anthracite)

탄화가 잘 되어 연기를 내지 않고 연소하는 석탄으로 휘발분이 3~7%로 적고 고정탄소의 함량이 85~95%로 높습니다. 연소 시 불꽃이 짧고 연기가 나지 않습니다. 점화점이 490℃이므로 불이 잘 붙지 않지만 화력이 강하고 일정한 온도를 유지합니다. 주로 고생대의 오래 된 지층에서 산출되며 간혹 신생대 석탄으로도 지각변동에 의한 동력작용이나 화산의 열작용으로 무연탄화 되는 경우도 있습니다. 우리나라의 석탄 대부분이 무연탄에 속합니다.