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갈탄

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1. 개요

갈탄은 갈색을 띤 검은색의 석탄으로, 탄소 함량이 60~70%이며, 높은 수분 함량과 휘발성 물질 함량을 특징으로 한다. 주로 발전용으로 사용되며, 농업, 산업, 보석 등 다양한 분야에서도 활용된다. 세계 석탄 매장량의 절반을 차지할 정도로 매장량이 풍부하지만, 높은 수분 함량과 낮은 에너지 밀도로 인해 운송 및 저장에 어려움이 있으며, 환경 문제로 인해 사용에 대한 논쟁이 있다. 독일, 미국, 러시아 등이 주요 갈탄 생산국이며, 한국에서는 경상북도 포항시에서 갈탄층이 발견된다.

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갈탄
지도
기본 정보
갈탄
갈탄
종류퇴적암
색상갈색
연소성가연성
특징
형성 과정이탄이 압축되어 형성
탄소 함량석탄 중에서 가장 낮음
수분 함량석탄 중에서 가장 높음
발열량석탄 중에서 가장 낮음
휘발성 물질 함량높음
이용
주요 용도발전소 연료
난방
화학 제품 원료
가공 형태연탄 형태로 가공하여 사용
건강 및 환경 영향
건강미세먼지, 호흡기 질환 유발
환경온실가스 배출
주요 오염 물질이산화황, 질소 산화물, 미세 먼지

2. 특징

갈탄은 갈색을 띤 검은색으로, 건조 무회분 기준 탄소 함량이 60~70%이다. 고유 수분 함량은 때때로 75%에 달하며[5], 회분 함량은 6~19%로, 역청탄의 6~12%보다 높다.[5] 수분과 광물질을 포함한 수취 기준 탄소 함량은 일반적으로 25~35%에 불과하다.[1]

채광 독일 가르츠바일러(Tagebau Garzweiler)의 갈탄 채굴


습윤 무광물 기준 갈탄의 에너지 함량은 10~20 MJ/kg이다.[6] 호주 빅토리아주에서 소비되는 갈탄의 에너지 함량은 순수 습윤 기준 평균 8.6 MJ/kg이다.[7]

휘발성 물질 함량이 높아 고품위 석탄보다 가스와 액체 석유 제품으로 전환하기 쉽지만, 높은 수분 함량과 자연 발화의 위험성으로 인해 운송 및 저장에 문제가 발생할 수 있다.[8] 갈탄에서 물을 제거하는 공정은 자연 발화 위험을 줄이고, 갈탄의 발열량을 역청탄 수준으로 높이며, 압축 갈탄의 배출량을 감소시키지만, 수분 제거는 최종 갈탄 연료의 비용을 증가시킨다.[8]

갈탄은 공기에 노출되면 빠르게 분해되는 슬래킹(slacking) 현상이 발생한다.[57] 일본에서는 갈탄을 갈탄이라고 부르는 경우가 있지만, 이는 행정상의 용어이며 학술 용어로는 사용되지 않는다.

3. 활용

갈탄은 주로 발전에 사용된다.[1] 그러나 소량은 농업, 산업, 그리고 심지어 보석으로도 사용된다. 가정 난방용 연료로서의 역사적 사용은 꾸준히 감소하여 현재는 발전용으로의 사용보다 중요성이 낮아졌다. 높은 수분 함량과 낮은 에너지 밀도 때문에 운송 효율이 낮아, 고품위 탄에 비해 세계 시장에서의 거래량이 적다. 노천 채굴로 인한 자연 환경 파괴와, 무연탄 연소 시설에 비해 높은 이산화탄소 배출량 및 매연으로 인한 환경 부하 때문에 유럽 등에서는 갈탄 사용이 정치적인 문제가 되고 있다.[65][66]

독일 루체라트(Lützerath)의 갈탄 광산 배경


독일은 오랫동안 갈탄 채굴량 세계 1위를 차지해 왔지만, 2018년 정부 위원회의 보고서에서 갈탄 채굴을 단계적으로 감축해 나갈 방침을 제시했다.[67] 그러나 채굴 즉각 중단, 탄광 즉각 폐쇄를 요구하는 항의 활동이 활발하게 진행되고 있다.[68][69]

세계 석탄 매장량의 절반을 갈탄이 차지하고 있다는 점에서, 채굴 현장에서의 발전 외의 이용을 모색하기 위해 갈탄에서 수분을 제거하는 등 운송 및 연소 효율을 높이기 위한 개량 기술도 연구되고 있다.[70][71][72] 또한, 석탄 가스화 복합 발전에서 가스화된 갈탄을 이용하여 발전 비용을 낮추는 연구도 진행되고 있다.[73][74][75]

오스트레일리아 남동부 빅토리아주 라트로브 시의 폐쇄된 갈탄 광산에서는 일본이 협력하여 수소를 추출하여 재생을 목표로 하는 프로젝트가 진행되고 있다.[76]

경상북도 포항시의 신생대 제3기 장기층군 중부에는 갈탄층이 협재되어 있다.[84]

2005년 기준 갈탄 채굴량은 다음과 같다.[77]

갈탄 채굴량 (2005년)
순위국가채굴량
(단위: 백만 톤)
순위국가채굴량
(단위: 백만 톤)
1독일178.011인도30.0
2미국75.012루마니아27.9
3러시아74.813불가리아23.2
4그리스69.114인도네시아23.0
5오스트레일리아66.915태국22.0
6터키64.316헝가리12.6
7폴란드59.917멕시코12.3
8체코48.918캐나다11.4
9중국48.319보스니아 헤르체고비나8.0
10세르비아34.020스페인7.5


3. 1. 발전

갈탄은 에너지 밀도가 낮고 수분 함량이 높아 운송이 비효율적이며, 고급 석탄에 비해 세계 시장에서 널리 사용되지 않는다.[78] 따라서 갈탄은 광산 근처의 발전소에서 연소되는 경우가 많다.[4][7] 폴란드의 벨하투프 발전소와 투루프 발전소, 오스트레일리아의 래트로브 밸리, 텍사스의 몬티셀로 증기 발전소와 마틴 레이크 발전소가 대표적인 예시이다.

체코 롬 차사의 갈탄 채굴 현장


기존 갈탄 화력 발전소의 이산화탄소 배출량은 무연탄 발전소보다 훨씬 높다.[9] 2017년 3월 폐쇄된 오스트레일리아의 헤이즐우드 발전소는 세계에서 가장 많은 이산화탄소를 배출하는 발전소였다.[10]

표토 채굴과 결합된 기존 갈탄 발전소 운영은 환경 문제로 인해 정치적 논쟁의 대상이 되고 있다.[11][12] 2014년 독일 에너지의 약 12%, 전력의 27%가 갈탄 발전소에서 생산되었으며,[16] 같은 해 그리스에서는 갈탄이 전력 수요의 약 50%를 충당했다. 그러나 독일은 2038년까지, 그리스는 2025년까지 갈탄 발전을 단계적으로 폐지할 계획이다.[17][18][19][20][21][22]

갈탄은 높은 수분 함량과 낮은 에너지 효율 때문에 보관 및 운송이 어렵고, 자연 발화 및 분진 폭발의 위험이 있어 브리켓 가공이 필요하다. 이러한 문제를 해결하고 사업성을 확보하기 위해 채굴 현장 부근에 화력 발전소를 건설하는 경우가 많다.[64]

세계 석탄 매장량의 절반을 차지하는 갈탄의 활용도를 높이기 위해, 갈탄에서 수분을 제거하는 등 운송 및 연소 효율을 높이는 기술과 석탄 가스화 복합 발전 기술이 연구되고 있다.[70][71][72][73][74][75] 오스트레일리아에서는 일본의 협력으로 갈탄에서 수소를 추출하는 프로젝트가 진행 중이다.[76]

3. 2. 농업

갈탄은 농업 분야에서 환경 친화적인 토양 개량제로 사용될 수 있다.[29][30] 토양의 양이온 교환 능력과 인의 이용률을 높이고 중금속의 이용률을 낮추는 효과가 있으며,[80][81] 상업용 K 부식산염보다 우수할 수 있다.[31][82] 발전소에서 갈탄 연소로 생성되는 갈탄 비산재 또한 토양 개량제 및 비료로 활용될 수 있다.[32]

갈탄은 식물 해충을 억제하는 생물적 방제 미생물의 재배 및 분포에도 사용될 수 있다.[34] 탄소는 토양 유기물을 증가시키고, 생물적 방제 미생물은 화학 농약의 대안을 제공한다.[34]

레오나르다이트는 갈탄이 공기와 접촉할 때 자연 산화되어 형성되는 부식산이 풍부한 토양 조절제이다.[35] 덜 성숙된 목질(나무 모양) 갈탄 또한 다량의 부식산을 함유하고 있다.[2]

3. 3. 산업

갈탄은 산업용 흡착제로서 잠재적인 응용 분야가 있다. 실험 결과, 갈탄의 메틸렌블루 흡착은 활성탄의 범위 내에 속하는 것으로 나타났다.[83][38] 4급 암모늄 양이온과 화학 반응한 갈탄(amine treated lignite, ATL)은 석유 등을 시추할 때 시추 진흙(drilling mud)에 섞어 액체 손실을 줄이는 데 사용된다.[37]

갈탄은 높은 수분 함량으로 인해 무겁고 부피가 커서 운송 비용이 많이 들고 에너지 생산량은 적어 연료로서의 에너지 효율이 낮다.[64] 또한, 공기 중의 산소와 화학 반응을 일으켜 자연 발화할 위험이 있고, 건조되면 분말 상태가 되어 분진 폭발의 위험이 있어 보관 및 운송에 적합하지 않다.[64] 따라서 보관 및 운송 시에는 브리켓 가공을 하여 공기와의 접촉 면적을 줄이는 조치가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 채굴 현장 부근에 화력 발전소를 건설하여 바로 연료로 사용하는 경우가 많다.

갈탄은 운송 효율과 에너지 효율이 나쁘기 때문에 고품위 탄에 비해 세계 시장에서의 거래량이 적다. 노천 채굴로 인해 자연 환경을 파괴하고, 무연탄을 연소하는 시설에 비해 이산화탄소 배출량과 매연이 많아 환경 부하가 큰 갈탄 사용은 유럽 등에서는 정치적인 문제가 되고 있다.[65][66]

독일은 오랫동안 채굴량 세계 1위를 차지해 왔지만, 2018년 정부 위원회의 보고서에서 갈탄 채굴을 단계적으로 감축해 나갈 방침을 제시했다.[67] 그러나 채굴 즉각 중단, 탄광 즉각 폐쇄를 요구하는 항의 활동이 활발하게 진행되고 있다.[68][69]

세계 석탄 매장량의 절반을 갈탄이 차지하고 있다는 점에서, 채굴 현장에서의 발전 외의 이용을 모색하기 위해 갈탄에서 수분을 제거하는 등 운송 및 연소 효율을 높이기 위한 개량 기술도 연구되고 있다.[70][71][72] 또한, 석탄 가스화 복합 발전에서 가스화된 갈탄을 이용하여 발전 비용을 낮추는 연구도 진행되고 있다.[73][74][75]

오스트레일리아 남동부 빅토리아주 라트로브 시의 폐쇄된 갈탄 광산에서는 일본이 협력하여 수소를 추출하여 재생을 목표로 하는 프로젝트가 진행되고 있다.[76]

2005년 기준 갈탄 채굴량은 다음과 같다.[77]

갈탄 채굴량 (2005년)
순위국가채굴량
(단위: 백만 톤)
순위국가채굴량
(단위: 백만 톤)
1독일178.011인도30.0
2미국75.012루마니아27.9
3러시아74.813불가리아23.2
4그리스69.114인도네시아23.0
5오스트레일리아66.915태국22.0
6터키64.316헝가리12.6
7폴란드59.917멕시코12.3
8체코48.918캐나다11.4
9중국48.319보스니아 헤르체고비나8.0
10세르비아34.020스페인7.5


3. 4. 기타

갈탄은 가정 난방용 땔나무를 대체하거나 함께 사용되어 왔으며, 현재에도 사용되고 있다. 이러한 용도로 브리켓 형태로 압축된다.[23][24] 연소 시 발생하는 냄새 때문에 갈탄은 고품질의 무연탄에 비해 가난한 사람들이 사용하는 연료로 여겨지곤 했다. 독일에서는 브리켓이 여전히 홈 인프로브먼트 매장과 슈퍼마켓에서 소비자들에게 쉽게 구입 가능하다.[25][26][27][28]

제트는 보석으로 사용되어 온 갈탄의 한 종류이다.[39] 가장 오래된 제트 유물은 기원전 1만 년경으로 거슬러 올라간다.[40]

그 높은 수분 함량 때문에 무겁고 부피가 커서 운송 비용이 많이 드는 반면 에너지 생산량은 적어 연료로서의 에너지 효율이 낮다. 또한, 공기 중의 산소와 화학 반응을 일으켜 자연 발화할 위험이 있는 작용기가 많아 보관 및 운송에는 적합하지 않다.[64] 게다가 건조되면 분말 상태가 되어 분진 폭발의 위험이 발생한다. 따라서 보관 및 운송 시에는 브리켓 가공을 하여 공기와의 접촉 면적을 줄이는 조치가 필요하다. 이러한 수고를 줄이고 사업상의 수익성을 확보하기 위해 채굴 현장 부근(산원)에 화력 발전소를 건설하여 바로 연료로 사용하는 경우가 많다.

그 외, 4급 암모늄 양이온과 화학 반응한 갈탄(amine treated lignite, ATL)은 석유 등을 시추할 때 시추 진흙(drilling mud)에 섞어 액체 손실을 줄이는 데 사용된다.

갈탄은 운송 효율과 에너지 효율이 나쁘기 때문에 고품위 탄에 비해 세계 시장에서의 거래량이 적다. 또한 노천 채굴로 인해 자연 환경을 파괴하고, 무연탄을 연소하는 공장이나 발전소에 비해 갈탄을 연소하는 시설의 이산화탄소 배출량(특히 지중이나 수중에 대한 탄소 포집 및 저장을 하지 않는 경우)과 매연이 많아 환경 부하가 큰 갈탄 사용은 유럽 등에서는 정치적인 문제가 되고 있다.[65][66]

독일은 오랫동안 채굴량 세계 1위를 차지해 왔지만, 2018년, 정부 위원회의 보고서에서 갈탄 채굴을 단계적으로 감축해 나갈 방침을 제시했다.[67] 그러나 채굴 즉각 중단, 탄광 즉각 폐쇄를 요구하는 항의 활동이 활발하게 진행되고 있다.[68][69]

한편, 세계 석탄 매장량의 절반을 갈탄이 차지하고 있다는 점에서, 채굴 현장에서의 발전 외의 이용을 모색하기 위해 갈탄에서 수분을 제거하는 등 운송 및 연소 효율을 높이기 위한 개량 기술도 연구되고 있다.[70][71][72] 또한, 석탄 가스화 복합 발전에서 가스화된 갈탄을 이용하여 발전 비용을 낮추는 연구도 진행되고 있다.[73][74][75]

오스트레일리아 남동부 빅토리아주 라트로브 시의 폐쇄된 갈탄 광산에서는 일본이 협력하여 수소를 추출하여 재생을 목표로 하는 프로젝트가 진행되고 있다.[76]

갈탄 채굴량 (2005년)[77]
순위국가채굴량
(단위: 백만 톤)
순위국가채굴량
(단위: 백만 톤)
1독일178.011인도30.0
2미국75.012루마니아27.9
3러시아74.813불가리아23.2
4그리스69.114인도네시아23.0
5오스트레일리아66.915태국22.0
6터키64.316헝가리12.6
7폴란드59.917멕시코12.3
8체코48.918캐나다11.4
9중국48.319보스니아 헤르체고비나8.0
10세르비아34.020스페인7.5


4. 지질학적 특성

갈탄은 부분적으로 부패된 식물성 물질인 이탄으로부터 생성된다.[43] 이탄은 수분이 많고 지반 침하가 느리며 강이나 바다의 교란이 없는 지역에 축적되는 경향이 있는데, 이러한 조건에서는 해당 지역이 물에 잠겨 죽은 식물을 덮어 대기 중 산소로부터 보호한다.[43] 혐기성 박테리아는 이탄의 분해에 기여할 수 있지만, 특히 산성수에서는 이 과정에 오랜 시간이 걸린다.[43] 다른 퇴적물에 의한 매몰은 생물학적 분해를 더욱 늦추고, 그 이후의 변형은 지하의 온도와 압력 증가의 결과이다.[43]

갈탄 속 리그닌 유래 유기 분자의 부분 분자 구조


갈탄은 깊은 매몰과 가열을 받지 않은 이탄으로부터 형성되며, 주로 생화학적 분해를 통해 100°C 미만의 온도에서 형성된다.[4] 여기에는 미생물이 이탄에서 탄화수소를 추출하고 부패 속도를 늦추는 부식산을 형성하는 부식화 과정이 포함된다.[44] 갈탄 형성 중 유기 물질에서 가장 특징적인 화학적 변화는 C=O 및 C-O-R 작용기의 수가 급격히 감소하는 것이다.[45]

갈탄 매장지는 일반적으로 고등급 석탄보다 젊으며, 대부분 제3기에 형성되었다.[4] 갈탄은 보통 암갈색에서 갈색을 띤다. 더 고품위인 역청탄에 비해 갈탄이 많고, 수분, 훔무스산, 산소가 풍부하다. 회분(미네랄)의 비율은 산지에 따라 다양하다. 수분이 무게의 절반 이상(많은 경우 66%)을 차지하는 것이 특징이다. 이는 갈탄의 세공 용적이 크고(틈이 많고) 수분이 스며들기 쉽기 때문이다. 산소 작용기도 많기 때문에 친수성이 높고, 수분과 수소결합하기 쉬워 수분이 많다.

탄소가 적고 수분이 많아 발열량이 낮다. 갈탄의 열량은 수분과 미네랄을 고려하지 않은 기준으로 10MJ/kg에서 20MJ/kg이다.

5. 채굴

갈탄은 지표면 근처에 두꺼운 층으로 발견되는 경우가 많아.[4][7] 다양한 형태의 표면 채굴을 이용하여 채굴 비용이 저렴하지만, 심각한 환경 피해를 야기할 수 있다.[46] 미국 및 다른 국가의 규정에 따라 표면 채굴된 토지는 채굴이 완료되면 원래의 생산성으로 복원되어야 한다.[47]

미국에서 갈탄의 스트립 마이닝은 지하 층의 범위를 확인하기 위해 시추부터 시작한다. 표토와 심토는 적절히 제거되어 이전에 채굴된 지역을 복구하는 데 사용되거나 향후 복구를 위해 저장되어야 한다. 굴착기와 트럭을 이용한 상부 덮개 제거는 드래그라인을 이용한 상부 덮개 제거를 준비하여 갈탄 층을 노출시킨다. 이들은 특수 장비를 갖춘 트랙터(석탄 파쇄)를 사용하여 부수어진 다음 전면 로더를 사용하여 바닥 배출 트럭에 적재된다.[48]

갈탄 채굴이 완료되면 광산 폐기물을 원래 지표면에 가능한 한 근접하게 평평하게 만드는 작업(근사 원형 윤곽 또는 AOC)이 포함된다. 심토와 표토가 복원되고 다양한 풀이 파종된다. 노스다코타주에서는 광산 회사가 채굴 작업 종료 후 최소 10년 동안 토지가 완전한 생산성으로 복원되었음을 보장하기 위해 이행 보증금을 유지한다.[47] 광산 복원을 위한 보증금은 미국의 1977년 표면 광업 관리 및 복원법에 따라 요구된다.[49]

6. 매장량 및 생산

6. 1. 세계 매장량

2020년 기준, 갈탄 매장량은 러시아(90.447 10억 톤), 오스트레일리아(73.865 10억 톤), 독일(35.7 10억 톤), 미국(29.91 10억 톤) 순으로 많다.[52] 그 외에도 튀르키예(19.32 10억톤[53]), 파키스탄(17.5 10억톤[54]), 인도네시아(14.746 10억 톤), 중국(8.25 10억 톤)등이 주요 갈탄 매장국이다. 오스트레일리아 빅토리아주의 라트로브 계곡에는 약 650억 톤의 갈탄이 매장되어 있는 것으로 추정된다.[55] 이는 전 세계 매장량의 25%에 해당한다.[55] 이곳의 석탄층은 최대 98m 두께이며, 여러 석탄층이 종종 최대 230m에 달하는 거의 연속적인 갈탄 두께를 형성한다. 석탄층은 매우 적은 덮개층(10~20m)으로 덮여 있다.[55]

갈탄 매장량 상위 10개국 (2020)[52]
국가갈탄 매장량 (10억 톤)
러시아90.447
오스트레일리아73.865
독일35.7
미국29.91
튀르키예19.32[53]
파키스탄17.5[54]
인도네시아14.746
중국8.25
코소보 공화국7.112
뉴질랜드6.75
폴란드5.752



한편, 가와사키 중공업이 주도하고 일본과 오스트레일리아 정부가 지원하는 파트너십이 갈탄에서 수소를 추출하기 시작했다. 액화 수소는 수소 프런티어(Suiso Frontier)호를 통해 일본으로 운송될 것이다.[56]

6. 2. 생산 현황

독일은 세계 최대 갈탄 생산국이며,[2] 중국, 러시아, 미국 등이 그 뒤를 잇는다.[2] 2019년 미국 전체 석탄 생산량 중 갈탄이 차지하는 비중은 8%였다.[1]

단위: 백만 톤 갈탄 생산량
국가 또는 지역1970년1980년1990년2000년2010년2011년2012년2013년2014년2015년
독일108129.9107.6167.7169176.5185.4183178.2178.1
중국24.345.547.7125.3136.3145147145140
러시아145141137.387.876.176.477.9737073.2
미국542.879.977.671.073.671.670.172.164.7
폴란드36.967.659.556.562.864.36663.963.1
터키14.544.460.970.072.568.157.562.650.4
오스트레일리아32.94667.368.866.769.159.958.063.0
그리스23.251.963.956.558.761.8544846
인도514.124.237.742.343.54547.243.9
인도네시아40.051.360.065.060.060.0
체코50.143.846.643.54038.338.3
슬로바키아3.72.42.42.3
세르비아35.537.840.63840.129.737.3
코소보8.798.78.27.28.2
북마케도니아7.56.78.27.5
보스니아 헤르체고비나3.4117.176.26.26.5
슬로베니아3.744.14
몬테네그로1.922
루마니아26.533.72931.135.534.124.723.625.2
불가리아3031.526.329.437.132.526.531.335.9
태국1.512.417.818.321.318.318.11815.2
헝가리22.617.3149.19.69.39.69.69.3
북한1010.67.26.76.86.8777
출처: 세계 석탄 협회[60] · 미국 에너지 정보청[61] · BGR bund.de 에너지 연구 2016[62] · 1970년 자료는 World Coal (1987)에서 발췌[63]


7. 한국에서의 갈탄

경상북도 포항시의 신생대 제3기 장기층군 중부에는 갈탄층이 협재되어 있다.[84] 더불어민주당은 탄소 중립 정책의 일환으로, 노후 석탄발전소 폐쇄와 신규 석탄발전소 건설 중단을 추진하고 있다. 한국의 진보 진영은 갈탄을 포함한 화석 연료 사용을 줄이고, 재생 에너지 비중을 확대해야 한다는 입장이다.

참조

[1] 웹사이트 Coal explained https://www.eia.gov/[...] Energy Information Administration 2020-09-26
[2] 웹사이트 Lignite coal – health effects and recommendations from the health sector https://www.env-heal[...] Health and Environment Alliance 2018-12-00
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