석탄

1차 화석연료 중 가장 중요한 것의 하나이다.

석탄은 세계 여러 곳에서 발견되며 지표 부근이나 지하의 다양한 깊이에서 층상광상으로 산출된다.

석탄에는 그 형성기원이 거대한 유기물질 덩어리의 부분 분해와 화학적 전이에 기인하기 때문에 다소 넓은 범위의 물질이 포함된다. 이런 과정은 석탄화작용이라 한다. 지사(地史)에는 석탄 형성의 주요한 두 시기가 알려져 있다. 고기(古期)는 지금부터 약 2억 5,000만~3억 5,000만년 전인 석탄기와 페름기이다.

북아메리카 동부와 유럽 역청탄의 많은 양은 석탄기의 것이고 시베리아, 아시아 동부, 오스트레일리아의 석탄은 대부분 페름기의 것이다. 신기(新期)는 약 1억 3,500만 년 전인 백악기에서 시작되어 약 250만~6,500만 년 전인 제3기에 절정기에 도달했다.

이 기간 동안 전세계 갈탄과 갈색 아역청탄(亞瀝靑炭)의 거의 전부가 형성되었다. 석탄을 형성시킨 식물 물질은 거의 흔적이 남아 있지 않다. 그러나 석탄층 바로 위와 아래의 암석은 양치류·속새·석송(石松)과 나자 식물군에 속하는 식물화석을 포함하고 있다.

석탄화작용의 첫 단계는 이탄(泥炭)의 형성이다.

고대의 늪은 평탄한 육지의 광대한 지역을 차지하고 있었으며, 기후는 온난하고 비가 많이 내렸다. 고여 있는 물로 차 있는 광활한 지역은 오랜 시간 동안 육지를 덮고 있었다. 이런 조건은 식물을 이탄으로 전이시키는 데 적당한 환경을 제공했다. 육지가 침강(沈降)했을 때 바닷물이 육지를 덮었고, 물속에 잠긴 이탄늪 위에 퇴적물이 쌓였다. 석탄 형성에 관해 가장 널리 받아들여지는 이론에 따르면, 이탄으로부터 시작하여 무연탄(가장 단단하며 탄화도가 가장 높은 석탄)으로 끝나는 등급에 나타나는 변형의 근본적 원인은 매몰 깊이에 따른 온도 증가이다.

또한 시간의 지속 및 매몰 깊이에 따른 압력 증가와 같은 조건들도 형성되는 석탄의 성질에 영향을 미친다. 석탄은 밀도·공극률·경도·반사도(석탄이 빛을 반사시키는 정도)가 다양하다. 석탄은 어두운 색을 띠며 대체로 흑색이다. 모든 석탄은 약간의 무기물을 갖고 있는데, 이들은 일반적으로 점토·황화물·염화물이고 석탄 내에 포함된 미량원소는 수은·티탄·망간이다. 석탄은 여러 가지 방법으로 분류가 가능하다. 가장 널리 이용되는 분류법은 석탄이 석탄화작용을 겪은 정도에 근거하는 것이다.

이러한 석탄화작용 정도의 변화는 석탄등급이라고 하며, 중요한 등급에는 갈탄·아역청탄·역청탄·무연탄이 있다.

갈탄으로부터 무연탄으로 등급이 높아짐에 따라 석탄 안에 포함된 고정탄소의 양은 증가하고 가열시킴에 따라 방출되는 휘발성분의 양은 감소하므로 적어도 석탄의 다양한 성질 가운데 일부, 예를 들면 가열함에 따라 석탄으로부터 방출되는 기체산물의 양 또는 야금 코크스를 제조하는 데 대한 적합성 등은 등급에 따라 결정된다.

석탄은 마세랄(maceral)이라고 하는 암석 성분에 근거하여 암석형태로 분류할 수도 있다.

이 분류는 석탄을 형성한 물질과 석탄화작용에 포함된 여러 과정을 취급하므로, 본질적으로 성인적(成因的)인 방법이다. 이런 체계에서 석탄은 4가지 중요한 형태, 즉 비트레인(vitrain)·클라레인(clarain)·듀레인(durain)·퓨세인(fusain)으로 구분된다.

상업적 가치를 염두에 두고 개발된 다른 분류법에 의하면 석탄은 질에 따라 여러 등급으로 구분되며, 특히 저유황탄(低硫黃炭)처럼 포함된 불순물의 양에 관련된 것이 많다. 석탄은 오랫동안 야금 코크스의 생산을 위한 발전에 이용되어왔으며, 염료·용매·약품합성에서 매개물로 이용되는 여러 가지 방향제의 원료로 사용되어왔다. 석탄은 연료로 사용하기 위해 기체로 전환시키기도 한다. 최초의 석탄 가스는 18세기 후반 영국에서 분해증류(分解蒸溜)에 의해 만들어졌다.

이런 종류의 가스는 가스등이 전기로 대체될 때까지 가로등과 가정용 조명으로, 또한 천연 가스로 대체될 때까지 난방과 가스 기구에 널리 사용되었다. 그러나 20세기 후반에 천연 가스의 가격이 상승함에 따라 석탄으로부터 가스를 생산하는 새로운 방법 및 오래된 방법에 대한 탐구가 일어났으며, 이중에는 1870년대에 개발된 것으로 석탄을 분쇄해 공기와 섞어 고온에서 증발시키는 방법도 있었다.

대체 에너지 자원을 찾으려는 노력이 계속되는 가운데, 석탄을 원유와 비슷한 액체연료로 전환시키는 것에 대한 관심이 고조되었다.

가장 널리 이용된 방법은 열분해와 수소첨가법, 즉 고압에서 촉매와 함께 석탄을 수소와 반응시키는 방법이었다. 석탄수소첨가법은 제2차 세계대전 동안 독일에서 널리 사용되었지만, 이 공정은 석유에서 가솔린을 생산하는 것보다 비용이 훨씬 많이 들기 때문에 경제적이지 못했다. 1970년대 후반 이후 석탄을 경제적으로 액화시키는 여러 기술이 개발되었으며, 특히 많은 석탄을 보유하고 있지만 석유에 의존하는 국가들에서 발달했다.

한국에서는 무연탄이 생산되고 있으며 고생대 평안계(平安系) 지층에 가장 풍부하게 매장되어 있다.

최근의 통계에 의하면, 한국의 석탄매장량은 약 16억t이며 가채량은 약 7억 4,000만t으로 추산되고 있다. 그 현황은 다음 표에 나타나 있다. 주생산지는 강원도 삼척·정선과 호남·충청남도 지역이다. 최대 탄전인 삼척탄전의 매장량은 약 6억 9,000만t이고 그중 가채량이 3억 9,000만t으로 전체 가채매장량의 53.2％를 차지하고 있다. 다음으로는 정선탄전이 13.3％, 호남탄전이 7.7％, 충청남도탄전이 7.2％를 차지하고 있다.

무연탄의 용도별 소비실적을 보면, 민수용으로서 가정용 구공탄이 대종을 이루고 있으며 발전용·산업용·철도용·군수용·수출용 등으로 이용되고 있다.