석탄의 분류
석탄의 분류에는 학문적인 분류방법과 용도에 의한 분류방법이 있는데, 전자는 석탄변화에 의한 분류 및 생성 원인과 과정에 따른 분류이고, 후자는 건류 또는 연소시의 상황에 따른 분류 및 형상에 따른 분류이다. 여기서는 탄화도에 의한 분류법에 대하여 중점적으로 기술한다.
가. 탄화도에 의한 분류
석탄은 태고의 식물이 일정 원인에 의해 지층 밑에 매몰되어 장기간 지층과 지열의 작용을 받아 변화되어 화석으로 된 가연성 고체물질이다. 석탄의 근원이 지구상에 번창하던 식물이라고 알려진 것은 18세기이며, 이러한 석탄의 생성작용은 지금도 계속 진행되고 있는 것으로 추측된다.
석탄의 근원이 되는 식물은 각 지질시대에 따라 달라서 약 6억년전인 고생대에서는 양치류, 목적류, 조류 등의 하등식물이, 약 2천5백만년전인 신생대에서는 침엽수류, 광엽수류 등 고등식물이 주류를 이루었다.
따라서 긴 지질시대를 거쳐 생성된 석탄은 그 산출상태와 성질에 있어서 많은 차이점을 갖게 된다. 즉 지질조건과 생성지층에 따라 생성속도와 성상이 달라지게 되는데, 이와 같은 변화과정을 석탄화 (coalification) 또는 탄화 (carbonization)라고 하고 그 진행정도를 석탄화도 또는 탄화도 라고 한다.
Chemical Compositions of Wood, Peat and Various Coal
ㅇ화석화과정
- 석탄화 과정 : 태고의 식물질들이 생물학적 변화와 가압건류에 의해 탄산가스, 산소, 수분, 탄화수소 등을 방출하고 탄소가 풍부한 물질로 변하는 과정.
- 점결성 : 석탄이 가열되면 연화, 융화되어 가소성을 띠나, 이때 응용되지 않는 부분은 팽창되면서 굳어져 탄력 있는 다공성 물질로 변화되는 성질.
석탄화도에 의한 석탄은 일반적으로 이탄, 아탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄 및 흑연 등으로 분류되고 있으나, 탄화도가 극히 작은 이탄과 거의 완전히 탄화된 흑연은 보통 제외되며 아탄과 갈탄은 같은 탄으로 간주된다. 따라서 석탄의 범주에는 갈탄, 역청탄 및 무연탄이 포함되며 경우에 따라 비교적 탄화도가 떨어지는 역청탄을 아역청탄으로, 저탄화도의 무연탄을 반무연탄으로 세분하기도 한다.
석탄을 분류하는데는 휘발분, 고정탄소, 고유수분 및 발열량 등도 하나의 지표로 사용되나, 어느 것도 단독 분류지표는 될 수 없다. 보통 고정탄소와 발열량을 기본적인 지표로 하는 것이 일반적인데, 대표적인 분류방식으로는 미국 재료시험협회(ASTM)의 것이 있다.
ㅇ ASTM에 의한 분류 방법(ASTM D388-84)
1) 갈탄 (Lignite / Brown Coal)
갈탄은 이탄(peat)이 더욱 탄화된 것으로서 흑갈색을 띄는 것을 아탄이라 하고 흑색을 띄는 것을 흑갈탄이라고 한다. 갈탄은 연료비가 1 이하이고 수분이 많아 40%이상이며, 회분이 10~40%, 발열량은 4,600kcal/kg 이하, 휘발분은 50% 이상으로 높지만 CO2가 많아 연소시 화염의 온도는 낮다. 아탄은 수분, 회분이 많고 발열량이 낮으며 산화가 잘되는 결점이 있지만 점결성이 없고 착화가 잘되며 연소속도가 빨라 가정용 또는 소규모 공업용으로 주로 사용된다.
2) 아역청탄 (Sub-Bituminous)
희흑색으로 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.
3) 역청탄 (Bituminous)
외관은 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.
4) 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, 발열량은 3,000~4,500kcal/kg 정도로 매우 낮다.
나. 기타 분류 방법
석탄을 공업 또는 산업이용에 따른 분류 방식으로, 원료탄은 고로, 코크스 및 가스용으로, 일반탄과 무연탄은 전력, 난방, 화학공업 등으로 구분한다.
