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| 가공된 석탄을 운반하는 화물 열차 |
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1. 개요
石炭 / Coal석탄은, 주로 고생대 석탄기 무렵의 식물들이 오랜 세월동안 지압과 지열을 받아 차츰 분해하여 생긴 퇴적암이다. 전세계의 대부분의 석탄은 3억 4천만년에서 3억년 사이의 석탄기의 약 6,000만년동안 생성된 것이다. 석탄기에는 목질부를 구성하는 리그닌을 생성할 수 있는 식물이 나타나며 나무가 나타났다. 나무는 단단하고 높이 자랄 수 있고 벌레 먹기 어려운 목질성 줄기로 크게 번성하였다.
당시의 벌레나 세균이나 곰팡이 등의 균류는 나무가 죽고 남은 목재의 리그닌을 거의 분해할 수 없었기 때문에, 죽은 나무는 분해되지 않고 퇴적되어 석탄이 되었다. 하지만 페름기가 되자 목재의 리그닌을 분해할 수 있는 흰개미가 나타나며 죽은 목재를 빠르게 분해할 수 있게 되었고, 현재는 석탄기처럼 전지구적으로 석탄이 생성되는 일은 없어졌다.
검은 색 또는 검은 갈색을 띠며 탄소·산소·질소·수소를 주성분으로 하는데 약간의 황과 많은 양의 회분[1]과 수분이 들어 있다. 가연성이 좋아 연료 또는 화학 공업 재료로 널리 쓰인다.
2. 분류
| 석탄의 종류 | ||||
| 이탄 | 아탄 | 갈탄(흑옥) | 역청탄 | 무연탄 |
탄소 함유량에 따라 다음과 같이 분류가 된다.
연대에 따라 탄소 함량이 변화하는 것이기 때문에, 실질적으로 묵은 정도에 따라서 등급이 갈린다. 내부에 잔존하는 휘발성 성분의 함량에 따라 구분을 하며 갈탄→역청탄→무연탄으로 진화한다. 세가지 탄 중 역청탄이 가장 화력이 높고 효율이 좋아서 여러모로 쓸모가 많다. 연소할 때 연기가 나오면 유연탄이고, 나오지 않으면 무연탄. 따라서 무연탄을 제외한 나머지 것들은 모두 유연탄에 포함된다.
산업적인 용도로 유연탄이 주로 언급되는 데는 역사적인 이유도 있는데, 역사적으로 석탄공업과 화학공업이 먼저 발달한 유럽에서 나오는 종류가 유연탄이다. 유럽에서 손꼽는 석탄생산국인 독일과 폴란드만 해도 아탄과 갈탄이 아주 많이 나오고[2] 무연탄은 생략한다.
- 이탄(泥炭, peat) 또는 토탄(土炭, turf): 탄소 함유량 60% 미만
땅에 묻힌 지 얼마 안 되어 탄화가 덜 된 석탄으로, 이끼나 벼 따위의 식물이 습한 땅에 쌓여 분해된 것이다. 어떻게 보면 석탄보다는 거름이나 비료, 퇴비에 더 가까운 물건. 그래서인지 거름이나 연탄의 원료로 쓴다.[3] - 아탄(亞炭, lignite): 탄소 함유량 60~70%
탄화(炭化)가 덜 되고 질이 나쁜 석탄이다. - 갈탄(褐炭, brown coal): 탄소 함유량 70~80%
탄화 작용이 불충분한 갈색의 석탄으로, 탈 때 그을음과 나쁜 냄새가 많이 나며, 화력이 약하고 재가 많이 남는 단점이 있다. 그러나 채굴하기 쉽고 생산비용이 적게 든다는 장점이 있다. - 역청탄(瀝靑炭, bituminous coal)[4]: 탄소 함유량 80~90%
검고 광택이 있는 가장 일반적인 석탄. 갈탄과 무연탄의 중간 정도로 탄화된 것으로, 탄소의 함량은 무연탄보다 적지만 유질(油質)이 풍부하다. 도시가스나 코크스를 만드는 데 쓰이며, 제철소에서 쓰는 연탄이 이거다. - 무연탄(無煙炭, anthracite): 탄소 함유량 90% 이상
검은색을 띠며 금속광택이 있고 단단하다. 불이 빨리 붙지는 않으나 불순물이 적고, 탈 때 연기가 안 나며 열량이 높다. 가정용이나 공업용으로 쓰인다.
한반도에서 나오는 석탄은 함경북도 일부 지방에서 갈탄, 황해도 연백평야 지역에서 이탄(토탄)이 산출되는 외에는 거의 대부분 무연탄인데, 그 이유는 지형이 오래됐기 때문이라고 한다. 그런데 비슷한 시기에 지금의 미국에서 만들어진 애팔래치아 산맥의 석탄들은 덜 썩고 얕게 묻혀서 유연탄이 된 데다가 땅굴을 깊이 팔 필요도 없는 노천광이다. 그래도 대부분의 산 지형에서 출토되며, 중생대 ~ 신생대에 생성된 지형 중에서도 액체라는 특성상, 배사 구조가 집중되어 있는 특정 지역에만 몰려있는 석유와는 달리 고체로 되어있고 지형의 영향을 크게 타지 않기 때문에 여러 나라에 골고루 분포하는 편이다. 애초에 석탄의 매장량 자체가 석유보다 훨씬 많다. 석유는 무의미한 양이 나오는 한반도에서도 무연탄만은 깊게 굴을 팔 경우, 자급자족할만한 양은 캘 수 있다. 하지만 화력 발전용 유연탄의 매장량이 얼마 없고, 무연탄은 연탄 외에는 쓸 데가 별로 없는 데다가 현재에는 난방이 대부분 도시가스로 대체되어 연탄 수요가 거의 없다. 그래도 에너지를 많이 가진 탄소 화합물이므로 국가 비상시에 생존 차원에서 사용하면 쓸 수 있지만 평상시에 파내 쓰기에는 경제성이 떨어진다. 심지어 가성비가 나쁜 문제점은 조선시대에도 알고 있었다.
3. 역사
석유와 마찬가지로, 아니 어쩌면 석유보다 먼저 사용됐을지도 모를 정도로, 활용의 역사 자체는 꽤 오래 되었다. 특히 중국에서는 4세기 이후부터 석탄의 사용이 시작되었다고 하며, 북송 대에 이미 보편화되기 시작한 것을 확인할 수 있다. 마르코 폴로는 석탄에 대해 "산의 광맥에서 뽑아내는 일종의 검은 돌을 마치 장작처럼 태우는데, 이 목적에 매우 적합하기 때문에 카타이[5] 전역에서 다른 연료는 사용되지 않는다."고 하였다. 중국은 당 대 이후 심각한 목재 부족에 시달렸기에 석탄의 활용이 더욱 빠르게 보급되었고, 용광로나 도자기 공업에 사용되는 등 산업에도 빠르게 도입되었다. 이후 칭기스칸 때문에 문명 자체가 쇠퇴하면서 석탄, 석유 관련 기술은 한참동안 로스트 테크놀로지가 되어버렸다. 이 석탄의 높은 화력 덕분에 중국의 요리문화는 볶음, 찜 등 고화력을 이용하는 요리가 발달하게 된다. 일본에서도 18세기에는 광산 노동에 이용하고 있었다.그러나 무엇보다 유명한 것은 석탄이 산업 혁명의 견인차 역할을 했다는 것이다. 산업화 시대의 석탄은 폭발적인 수요를 요구했고, 석탄을 캐기 위해서 목숨을 걸고 일하는 탄광의 노동자들은 "검은 다이아몬드"라고 불렀다. 사실 서양에서도 산업 혁명 단계에 들어서서야 석탄을 쓴 것은 아니고, 16세기쯤 들어서면 벌목으로 인한 숲의 황폐화가 문제시되기 시작하여 서서히 사용이 늘어나기 시작했다. 18세기에 들어서면 석탄을 비롯하여 광산 채굴이 점차 활성화되었으며, 이 노동을 좀 더 효율적으로 행하기 위해 증기기관이 개발되었다. 초기에는 석탄 채굴량보다 증기기관의 석탄 사용량이 더 많다는 낭설이 있을 정도로 효율이 좋지 않았다. 이를 개량하여 본격적으로 산업 혁명의 문을 두들긴 사람이 바로 제임스 와트.
한편 한국에서는 20세기 이전까지 활발히 개발되지는 못했으나 석탄이 오래전부터 간간히 쓰이기는 했다. 삼국사기에 따르면 진평왕 31년인 서기 609년 봄 정월에 모지악(毛只嶽)에 땅이 불탔는데 10월 15일에 이르러 꺼졌다는 기록이 있어 이를 현재의 경상북도 포항시 갈탄 매장지역으로 추정하며, 비슷한 사건이 고려사에도 명종 10년(1180년) 의연촌에서 일어났다는 기록이 있다.(참조)
실제 석탄 사용 관련 유물로 가장 오래된 것은 2009년 태안 앞바다에서 발굴된 마도 1호선에 실려 있는 화물 중에 곡물, 청자, 젓갈과 더불어 석탄이 50kg가량 같이 실려 있던 것으로, 같이 출토된 목간에 따르면 이 배에 실린 물건들은 기원후 1208년, 고려 희종 4년 무신 집권기에 나주, 해남, 장흥 등지의 물건들로 수취인은 개경의 대장군 김순영이었다.(참조/마도 1호선 출토 석탄 덩어리 사진)
석탄 이용과 관련된 문헌으로는 1590년 『평양지』에 최초로 그 기록이 나타나고, 최근 인양된 14세기 신안 무역선에서 그 존재가 발견되었다. 영조실록에 '흑토를 태우는' 식의 사용법이 조금씩 나타나고, 19세기의 이규경은 『오주연문장전산고』에서 석탄의 사용이 널리 보급되지 못한 현실을 안타까워 하였다. 다만 청나라에 다녀간 사신들 대부분이 청나라는 난방을 석탄으로 해서 매캐한 냄새가 난다고 기록한 것으로 볼때는 대중화되기는 어려웠을 것이다. 기본적으로 한반도에 노천 광산이 드물어서 채굴비가 높았던데다가 무엇보다 대부분의 석탄에서 황이 함유되어 있기 때문에 가정용으로 잘 쓰이지 못했던 것이었고, 매연 문제때문에 도자기 제조 등의 제한적인 용도로나 썼던것이었다.
20세기에 들어서면 세계적으로도 기초 공업화를 위한 연료로 널리 쓰였고, 한국에서도 산업화 시대 초기 공업화 과정에서 널리 사용되었으며 구공탄 등 가정용, 생활용으로도 많이 보급되었다. 그러나 이 과정에서 연탄가스 중독으로 인해서 많은 사망자가 나오는 등의 부작용도 있었다. 이후 1980년대 들어서 석유난로와 도시가스가 빠르게 보급되고 정부의 석탄산업 합리화 정책이 취해지면서, 석탄 사용량은 급감하였다. 이로 인해 탄광에 의존하던 강원도 지역경제가 심각한 침체에 빠졌다. 대신 강원랜드 등 반대 급부 보상책을 통해 산업 전환 노력이 이어지고, 결국 대한석탄공사는 2025년까지 모든 탄광 폐쇄 결정을 했다.
4. 특징과 용도
난방용으로는 그냥 덩어리를 삽으로 퍼다가 난로에 넣어서 쓰기도 하고, 연탄으로 만들어서 조금 더 편하게 쓰기도 한다. 그러나 태워보면 알지만 빛이 적게 나고 그을음도 나는데다가 결정적으로 유독가스, 특히 일산화 탄소가 발생하기 때문에 조명용으로는 별로 쓸모가 없다는 정도를 넘어서 위험하다. 또한 예전에는 산업의 원동력과 철도의 동력원으로 각광받았지만 요즘은 석유와 전기에 밀려서 그렇지도 못하다. 연료로써의 효율성이 낮은 편이고 에너지 생산량에 비해 나오는 온갖 공해물질들로 인하여 환경 오염의 원인이 되기도 하였다.개발된 국가에서는 20세기 중반 이후로 주로 발전용 연료나 제철 화학 등 산업적 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 발전원가가 낮아 전세계 발전의 40%는 석탄화력 발전이다. 에너지원으로서 가격이 싸지만 온실가스인 이산화탄소의 배출이나 이산화황 등 환경오염물질의 배출이 많아 가장 오염이 심한 에너지원으로 지목받고 있다.
탄소배출 억제와 재생에너지의 등장으로 석탄산업의 미래는 어둡다. 분진 등 오염물질 저감이나 이산화탄소 포집 등 석탄화력 발전의 문제를 줄이고자 노력하고 있으나 한계가 분명하다. 그래서 탄소배출 억제를 위해 현재는 석탄화력 발전소의 신규 건설이나 에너지원으로서 이용은 점차 줄어들고 있다. 수십 년 안에 선진국에서는 발전이나 산업적 대규모 이용이 크게 줄어들거나 중지될 가능성이 높고 후진국이나 소규모 난방 등에서 제한적 용도로만 쓰이게 될 것이다. 이미 미국도 펜실베이니아 및 웨스트버지니아, 와이오밍과 몬태나 등 석탄의 주산지에서는 대규모 폐광 등 퇴조가 뚜렷하다. 하지만 2021년에 중국의 전력부족 사태가 석탄 부족 때문에 일어나 전 세계에 영향을 주고 있다.
하지만 여전히 발전에 가장 많이 사용되는 원자재는 석유도 우라늄도 아닌 바로 이 석탄이다. 이유는, 우라늄의 경우 원자력 발전소가 짓기도 힘든데다가[6] 혐오시설로 취급받아 설비를 늘리는 것이 매우 어렵고, 석유는 비싸다. 유가에 따라 변하긴 하지만 2012년 기준 화력 발전의 석유 연료비는 석탄 연료비의 5배다.# 석탄 화력 발전소의 단점인 많은 오염물질 배출도 화력 발전소는 거대한 시설이기 때문에 각종 오염 저감 장비를 때려박아서 오염물질 배출을 최소화시킬 수 있고, 에너지 효율 증대도 용이하기 때문에 많이 사용중이다. 하지만 한국산 석탄의 대다수인 무연탄은 휘발분이 적어 느리게 타고, 회분이 많아 연소장애를 일으킬 가능성이 높기 때문에 화력 발전용으로 쓰기 좋지 않고 반대로 연탄에는 끝내준다. 따라서 발전용으로 쓰이는 유연탄은 대부분 수입하는 것이 현실. 그래도 국내산 발전용 무연탄#이 화력 발전소에 공급되어 유연탄과 혼소하고 있기도 하다. 또한 이 수입 의존도를 낮추기 위해 하수 슬러지 등의 보조연료를 도입하기도 한다.# 물론 보조연료 정도이지만 사용 석탄량을 줄이고 아무 짝에도 쓸 데가 없이 해양오염만 시키던 쓰레기를 이런 데 쓰는 경제 효과는 꽤 된다.
제철 산업에도 필수적으로 쓰이는데 철광을 높은 온도로 가열해 녹이는 에너지원 연료이기도 하지만 철광의 산화철을 환원시켜 순철로 만드는 환원제 역할을 하는 일산화탄소를 발생시키는 재료이다. 대한민국에서 나오는 무연탄은 화력발전뿐만 아니라 제철에도 쓰기 좋은 종류가 아니다. 제철에 주로 쓰이는 석탄은 유연탄의 일종인 역청탄. 다만 아예 안 쓰는 것은 아니라 2006년까지 신일본제철은 북한산 무연탄을 수입하여 사용하기도 했다.# 가장 큰 문제는 제한된 공급량과 높은 생산 단가다.
덕분에 남한에만 15억톤의 석탄이 매장되어 있지만 화력발전용, 제철, 시멘트 산업용의 석탄(유연탄)은 해외에서 거의 다 수입해야 하는 처지. 2010년 기준으로 9,300만 톤을 수입했는데 이는 일본에 이어 2위다. 다만 탄화가 잘 되어 전기로 제강의 가탄제 정도로는 쓰인다. 역청탄은 주로 호주에서 많이 수입한다.
대한민국의 화력 발전에도 과거에는 국내 매장량을 활용하는 측면에서 무연탄 발전소가 꽤 많이 있었으나, 설비 노후화(대부분 1980년대 이전에 도입)와 위에서도 말한 발전효율 등의 문제로 지속적으로 줄어 2015년 현재 강원도 영동화력과 동해화력, 서천화력을 제외하면 모두 LNG나 유연탄 발전으로 교체되었다. 서천화력에서도 현재 사용하고 있는 무연탄 발전설비를 2017년까지만 운영하고 유연탄 발전시설을 신축한다고 한다. 결국 2017년 5월 무연탄 수송을 위한 사설 철도 서천화력선은 폐선되고 말았다.
석탄을 석유 비슷하게 액체로 만들어서 쓰는 기술로 석탄액화가 있다. 세녹스도 그 중 한 예다. 기술 자체는 개발된 지 오래되었으나 그냥 석유를 사는 게 더 싸게 먹힐 정도로 효율이 썩 좋지 않은 편이라 널리 쓰이지 않는다. 제2차 세계 대전 당시 독일이나 아파르트헤이트 시절 남아프리카 공화국처럼 석유는 안 나오는데 석탄은 풍부한 나라들이 석유 수입할 길이 막혔을 때 주로 사용했다. 다만 석탄도 화석연료인데다가, 아무 석탄이나 되는 것이 아니라 유연탄이나 갈탄만 액화가 된다.(다만 가스화는 가능한 모양이다.#) 멀리 갈 것 없이 일제와 북한도 자신들의 만행때문에 석유 수입 제재를 당하자 함경북도의 갈탄을 이용해 액화 석유 생산을 시도했고 하고 있다. 때문에 유연탄은커녕 갈탄도 거의 나지 않는 남한에서는 이것조차 쓸 길이 없다. 석탄, 특히 갈탄 중 광택이 좋은 것을 가공해 흑옥(제트)이라는 이름의 보석으로 사용하기도 하는데 영국에서 유행했으며 값어치는 준보석 수준이다.
5. 기타
- 탄광 노동은 무지막지한 막노동의 대명사였다. 특히 굴의 끝을 파고 들어가는 노동이 가장 힘들고 위험했는데 이를 "막장"이라고 하며, 현재 인터넷에서 널리 쓰이는 관용어의 기원이 된 것으로 보인다. 대한석탄공사에서는 이것이 광부들에 대한 예의가 아니라며 언어 정정을 요구했지만, 사실 힘든 건 분명한 일이다. 그러나 이를 직업으로 삼는 광부는 육체 노동임을 감안하면 비교적 고임금을 받는 편이다.
- 흔히 남한에서는 강원도에서만 석탄이 나는 걸로 알고 있는 사람이 많으나, 충청도, 전라도 지역까지 광맥이 이어지기 때문에 그 쪽에서도 난다. 과거 보령시에도 탄광이 있었고 지금은 석탄박물관이 있다. 참고로 현재 남한에서 채굴되는 대형탄광은 얼마 안된다. 대한석탄공사가 태백시 장성동 장성광업소, 삼척시 도계읍 도계광업소 2곳을 채굴하고 있으며, 사기업 중에는 보일러 만드는 경동나비엔의 계열사 '(주)경동'이 도계읍 상덕광업소에서 석탄을 채굴 중이다.
- 석탄을 나르는 화물 열차는 전부 뚜껑이 없으며, 석탄 운송 철로에는 물을 뿌리는 장치가 설치되어 있어 석탄을 주기적으로 적시도록 한다. 여기에는 크게 두가지 이유가 있는데, 먼저 열차의 진동으로 인해 조금씩 마찰이 생겨 마찰열로 발화하는 것을 예방하고, 석탄 가루 분진이 흩날리는 것을 방지한다. 석탄을 적시면 못쓰는 게 아닌가 걱정될 수 있지만 석탄은 수분을 흡수했다가도 금방 마르기 때문에 석탄의 질에는 영향이 없다.
- 석탄을 주원료로 쓰고 증기기관이 발달한 세계관을 그리는 작품을 스팀펑크라고 한다.
- 페놀은 석탄산이라고도 불리는 데, 과거에는 페놀을 제조할 때 석탄이 쓰였기 때문이다.
- 탄소 중 일부가 방사성 탄소이고 석탄을 태울 때에 우라늄과 토륨이 나오기 때문에 원자력 발전소 주변에 사는 것보다, 석탄화력발전소 주변에 살면 0.3μSv/yr로, 방사선을 세 배 정도 더 받을 수 있다.(링크) 이로 인해 1급 발암물질로 분류되었다.
- 대한민국에서는 잘 알려져 있지 않지만 동유럽에선 크램푸스가 나쁜 아이에게 주는 선물이 석탄이라고 한다. 미국과 서유럽에 크램푸스가 수출되지 않아 산타클로스가 석탄을 주는 것으로 알려저 있다.
- 마인크래프트에서는 가장 흔한 광물 중 하나이자 필수품으로 등장. 연료로서 금 원석, 철 원석을 제련하거나 식품을 조리하는 데에 쓰이며, 조명으로서 입수 난이도가 가장 낮은 횃불의 재료로도 많이 사용된다.
- 월드 오브 탱크에서 xvm이라는 모드를 사용할 경우 레이팅 450 이하인 유저의 닉네임이 검은색으로 표시되는데 그래서인지 이런 유저들을 석탄이라고 부른다.
[1] 灰分, 석탄이나 목탄이 다 탄 뒤에 남는 불연성의 광물질, 쉽게 말해 타서 재가 되는 물질.[2] 과거 독일 제2제국의 판도 안에 유럽의 주요 석탄 산지가 대부분 들어 있었다. 이후 빌헬름 2세와 히틀러의 거듭된 삽질로 프랑스로 넘어가고 폴란드로 넘어갔다.[3] 스코틀랜드에서는 이것이 대량으로 매장되어 있어서, 스카치 위스키를 만들 때 맥아를 건조시키는 과정에서 이것을 태운 뜨거운 연기를 이용하곤 한다. 여기서 연기의 성분이 맥아에 스며들면, 탄내와 유사한 쿠리쿠리하면서 오묘한 향이 배게 되는데, 이 향이 곧 스카치 위스키가 가진 개성이라 할 수 있다.[4] 유연탄으로 불리기도 한다.[5] Catai. 요나라 시대의 거란(Kitai) 혹은 서요(Kara Kitai)의 이름이 서방으로 전한 것으로 원 대부터 16세기까지는 중국을 가리키는 명칭으로 쓰이거나, '동방에 카타이와 중국이라는 두 개의 나라가 있다'는 식의 지식이 퍼져 있었다. 이 잘못된 지식은 16세기 마테오 리치 등을 통해 중국과 직접 닿게 되면서 해소되었다. 홍콩의 대표 항공사인 캐세이퍼시픽항공이 여기서 유래된 것.[6] 자체기술로 지을 수 있는 국가도 적고, 다른 나라 기업에 수주하더라도 초기 비용을 댈 예산이 있는 국가도 적다. 게다가 국제 정세 때문에 못 짓는 곳도 있다.
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