※ 석탄 기초지식-석탄의 생성. 석탄 분류기준. Generating Process of the Coal. Coal Classification.



1. 지각의 변동으로 식물이 흙, 모래더미와 함께 물밑에 가라앉아 묻힌다
2. 그 위에서 다시 퇴적층이 이루어지면서 오랫동안 열과 압력을 받게 된다
3. 수소(H)와 산소(O)는 날아가 버리고 탄소(C)만 남아서 석탄이 된다
석탄은 태고에 지각변동으로 매몰된 식물체 위에 점차 두꺼운 되적물이 덮혀 산소 공급이 중단된 상태에서 분해 작용을 거쳐 만들어졌으며, 식물에 셀룰로오스 성분으로 들어있던 H, N, O 등의 대부분과 C 성분의 일부가 메탄가스(NH4), 암모니아(NH3), 수분 등으로 변하여 달아나고 남은 탄소가 주성분이다


생성과정

약 300만년전 고지질시대(석탄기, 페름기)에는 지구가 대단히 따뜻하고 습한 기후조건이었기 떄문에, 거대한 열대성 고사리 등의 식물군이 번창하였다. 이러한 것이 늪 등에 묻히게 되면, 산소가 차단되고 박테리아가 번식하지 못하였기 때문에 부분적 분해로 토탄과 같은 매장물이 되었다. 여러 세대에 걸쳐서 식물군은 계속 성장하고 묻히기를 반복하여 거대하고 두꺼운 토탄층을 이루게 되었으며, 시간이 흐름에 따라 지질변동 등으로 이 매장층은 물 속에 잠기기도 하고 지하에 묻히거나 진흙 등으로 덮혀, 장시간에 걸친 상부의 지압과 지열에 의해 화학변화를 받아 오늘날의 석탄이 생성되었으며, 이와 같은 석탄화 과정에서 퇴적층의 두께는 크게 감소되어 경우에 따라서는 1/20까지 감소하기도 한다.

석탄-지질시대의 육상식물이나 수생식물이 퇴적되어 매몰된 후 가열과 가압작용을 받아 변화되어 화석으로 된 흑색 또는 갈색의 가연성 고체물질로, 여러 가지 식물이 치밀하게 경화되어 탄소분이 중량비가 50%이상, 용적비 7%이상인 가용성 토탄질의 매장물을 말한다. 탄소는 지구 중량의0.04%이며 지표에서 지하 5km 이내에 있는 탄소의 대부분은 탄산물과 CO2 등으로 존재하고, 단지 0.02%만이 토탄, 갈탄, 석유, 천연가스의 형태로 농축되어 있다.

특성-흑갈색의 광택을 내는 광물로서 물리적으로는 1.8 정도의 비중을 갖는 고체이며 화학적으로는 탄소화합물과, 수분 및 회분으로 구성되어 있다. 원소로서는 탄소, 수소와 산소로 구성되었고 비교적 적은 양의 질소와 유황분을 함유하고 있다. 그 외 유화철, 탄산마그네슘과 칼슘, 염화알카리 등 미량의 원소를 함유하고 있다. 석탄을 연료 혹은 원료로 사용하는데 있어서 이러한 여러 가지 성분들은 취급상 또는 연소 및 사용에 여러 가지의 영향을 끼친다.

 Description(분류)
C (%)
H (%)
O (%)
N (%)
 - Wood (나무)
 - Peat (이탄)
 - Lignite (갈탄)
 - Bituminous-석탄(유연탄)
 - Anthracite-석탄(무연탄)
50.0
57.0
65.0
79-88
94.0
6.3
5.2
4.0
5.5-5.3
2.9
42.7
36.8
30.6
14-5.0
1.9
1.0
1.0
1.0
1.5-1.7
1.7

- ASTM에 의한 분류 방법(ASTM D388-84) -
탄종
구분
공업분석(Dry Ash Free)
발열량(kcal/kg)
고정탄소, %
휘발분, %
무연탄 Anthracite
Meta-Anthracite
98 이상
2 이하
-
Anthracite
92~98
2~8
-
Semi-Anthracite
86~92
8~14
-
유연탄 Bituminous
Low Vol, Bituminous
78~86
14~22
-
Med. Vol. Bituminous
69~78
22~31
-
High Vol. Bit A
69이하
31이상
7,778이상
High Vol. Bit B
-
-
7,222~7,778
High Vol. Bit C
-
-
5,839~7,222
Sub-bituminous A
-
-
5,833~6,389
Sub-bituminous B
-
-
5,278~5,833
Sub-bituminous C
-
-
4,611~5,278
갈탄 Lignite
Lignite A
-
-
3,500~4,611
Lignite B
-
-
3,500이하


유연탄 (Sub-Bituminous)

휘발분과 수분함량이 많으며, 갈탄과 역청탄의 중간정도의 탄화도를 가진다. 

휘발분은 31%이상, 발열량 4,600~6,400kcal/kg 정도이고 점결성은 없거나 적으며 착화성이 좋고 연소성은 좋은 반면 대기중에 방치하면 풍화(산화)되기 쉽다.

외관은 회흑색,담흑색 또는 칠흑색이고 대부분 광택이 없으며, 일반적인 유연탄이 이에 속하며, 석탄의 중요한 성질을 고루 가지고 있다. 

전세계의 고체 연료중 가장 많이 산화되고 사용범위도 넓으나 우리나라에서는 산출되지 않는다.

역청탄은 갈탄보다 더 오랜 기간동안 지하에 매몰, 탄화가 진행된 것으로 지질연대로는 주로 중생대에 속하나 고생대 말기나 신생대 초기의 것도 있어, 지질년대에 따라 여러 가지 성질을 가지므로 ASTM에서는 역청탄을 5종으로 세분하고 있다. 수분은 비교적 낮은 편이고 고정탄소 86% 이하, 휘발분 14% 이상, 발열량은 6,400kcal/kg이상이며 산화성과 점결성이 있다.

무연탄 (Anthracite)

석탄 중 탄화가 가장 많이 된 것으로 담흑색에서 흑색으로 광택이 있는 탄(휘탄)과 광택이 약한 탄(암탄)이 있다. 무연탄은 석탄중 탄화가 가장 많이 진행된 것으로 생성 년대는 주로 고생대 (약 2.3~3.5억년前) 이지만 중생대나 신생대에 생성된 탄도 있다. 보통 고정탄소 86%이상, 휘발분 14%이하이며 점결성은 없다. 

견고하면서도 포약하며 고정탄소분이 높고 발열량은 시대와 생성조건에 따라 4,000~7,000kcal/kg 정도로 차이가 크다. 휘발분이 적어 연소시 매연발생은 적으나 착화가 어려워 미연탄소분이 발생하기 쉽다. 따라서 연소시 爐內의 체류시간을 충분히 유지시켜 주어야 하고 화염안정용 보조연료를 사용하기도 한다. 

또한 점결성이 없어 코크스를 만들 수 없고 휘발분이 적어 건류시에도 타르가 없고 가스만 발생하기 때문에 주로 가정용 연탄 및 발전용으로 사용된다. 국내에서 생산되는 발전용 무연탄은 저품위탄으로서 회분이 40~50% 정도로 매우 높고, 발열량은3,000~4,500kcal/kg 정도로 매우 낮다.

분석기준

가. 도착기준(入荷時 기준, 인수식, As Received Basis = ARB)

상업적 거래용으로 널리 사용하고 도착탄이 함유하는 전수분을 포함시킨 분석을 말하며, 보통 시료가 실험실에 도착하였을 때를 기준으로 한다.

즉, 수분, 회분, 광물질들이 혼합되어 있는 형태로서 국제적으로 석탄이 거래되는 형태이다.

나. 기건기준(공기건조 기준, 기건식, Air Dried Basis = ADB)

석탄을 실험실의 Oven 또는 공기 중에서 수분을 제거한 것으로 석탄시료를 건조 장치에 넣어 실온보다 10-15℃ 높게 유지하며 공기로 건조시킨 상태를 기준으로 한 분석을 말한다. 상기 Oven 온도는 최고 40℃가 넘지 않아야 하며 대기온도가 40℃를 넘을 때는 대기온도로 한다. 

다. 무수기준(건조기준, 건식, As Dry Basis = DB)

수분을 100% 제거한 상태로 Moisture Free Basis라 칭하기도 하며, 사용탄 시료(3mm 이하)를 건조기(107± 3℃)에서 60분간 가열하여, 석탄의 부착수분과 고유수분을 제거한 시료를 기준한 분석을 말한다.

라. 무수무회기준(건조회분제외 기준)

사용탄 시료에서 부착수분과 고유수분 및 연소 후 잔류성분인 회분을 제거한 가연성분만을 기준하는 분석을 말한다. 석탄이 순수 열에너지로 사용되는 것은 휘발성분과 탄소성분이며 Dry Ash Free Basis의 pure coal이다.석탄에 혼합된 회분은 발열량에 도움을 주지 못하고 연소후 재로 남아 있게 되는데, 이 회분을 제외한 석탄기준을 Ash Free Basis라고 한다.

마. 연소기준(As Fired Basis)

소비시의 탄 즉, Raw Coal Bunker 등에서 시료탄을 기준한 분석

바. 항습기준(습식, Equilibrium Basis, Wet Basis)

도착탄을 대기의 평균온도 (20℃, 상대습도 75%)에 가까운 소금포함 용액의 실온 습도기계내에서 습도가 평형상태에 달하였을 때 수분감량(표면도착수분) 후의 시료를 기준한 분석을 말한다.

사. 건조광물질 제외기준(DMMF, Dry Mineral matter Free Basis)

무수무광기준이라고도 하며, 석탄의 총량으로부터 부착수분과 고유수분 및 광물질의 양을 뺀 상태를 기준으로 한 분석을 말한다.

Total Moisture
Free Moisture
Air Dried Moisture
Ash
Volatile Matter
Fixed Carbon
Dry Ash Free Basis
Dry Basis
Air Dried Basis
As Received Basis

Coal Analysis Conversion
구분
ARB
ADB
DB
DAF
DMMF
ARB
100-m
------
100-M
100
-------
100-M
100(100-m )
--------------
100-M (100-m-A)
100(100-m )
--------------
100-M (100-m-B)
ADB
100-M
-------
100-m
100
-------
100-M
100
--------
100-m-A
100
--------
100-m-B
DB
100-M
---------
100
100-M
-------
100
100-m
--------
100-m-A
100-m
--------
100-m-B
DAF
( 100-M)(100-m-A)
----------------
100(100-m )
100-m-A
-------
100
100-m-A
--------
100-m
100-m-A
--------
100-m-B
DMMF
( 100-M)(100-m-B)
---------------
100(100-m )
100-m-B
-------
100
100-m-B
--------
100-m
100-m-B
--------
100-m-A

M = total moisture content(ARB)                        m = inherent moisture content(ADB)
A = ash content (ADB)                                 B = mineral matter content(ADB)

분석항목
분석내용
공업분석
수분, 휘발분, 고정탄소, 회분
원소분석
탄소, 수소, 질소, 산소, 유황
회분석
SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O,  SO3, P2O5, TiO2, Mn3O4
물리분석
입도, 분쇄도, 점결성
발열량
인수식, 기건식, 건식
기타
미량원소 분석, 암석학적 분석

 구 분
갈탄
유연탄
무연탄
진비중
중(1.2~1.3)
중(1.25~1.45)
대(1.3~1.8)
수분 %
중(10~40)
중(4~25)
소(4~15)
휘발분%
중(50 이상)
중(14 이상)
소(14 이하)
고정탄소%
중(50 이하)
중(50~86)
대(86 이상)
산소 %
대(20 이상)
중(3~20)
소(3 이하)
발열량 kcal/kg
소(4,600 이하)
중(4,600 이상)
대(4,000~7,000)
착화 온도 ℃
소(250~300)
중(300~400)
대(400~450)
풍화성
대
중
소
연소속도
대
중
소
탄화도
소
중
대
회융점
소
중
대
회분
소
중
대
유황분
산지에 따라 다름