석탄
Coal |
| 퇴적암 | |
 | |
| 구성. | |
|---|---|
| 기본적인 | 카본 |
| 이차적인 | |
석탄은 석탄층이라고 불리는 암석 지층으로 형성된 가연성 검은색 또는 갈색이 도는 검은 퇴적암이다.석탄은 주로 수소, 황, 산소, [1]질소 등 다양한 양의 다른 원소를 가진 탄소이다.석탄은 죽은 식물성 물질이 이탄으로 부패할 때 형성되며 수백만 [2]년 동안 깊은 매몰의 열과 압력에 의해 석탄으로 변환됩니다.석탄의 광대한 퇴적물은 석탄기 후기(펜실바니아)[3][4]와 페름기 시대에 지구의 열대 육지 대부분을 뒤덮었던 옛 습지(석탄 숲)에서 비롯되었다.그러나, 많은 중요한 석탄 퇴적물은 이것보다 더 젊고 중생대와 신생대에 기원한다.
석탄은 주로 연료로 사용된다.석탄은 수천 년 동안 알려지고 사용되었지만, 산업 혁명이 일어나기 전까지는 사용이 제한되었다.증기 기관의 발명으로 석탄 소비가 증가했다.2020년에 석탄은 세계 1차 에너지의 약 4분의 1과 전력의 [5]3분의 1 이상을 공급했다.일부 철과 철강 제조와 다른 산업 공정은 석탄을 태운다.
석탄의 추출과 사용은 조기 사망과 [6]질병을 야기한다.석탄의 사용은 환경을 파괴하고 기후변화에 기여하는 가장 큰 인공적인 이산화탄소 공급원이다.[7]2020년 석탄 연소에 의해 배출된 이산화탄소는 140억 톤으로 화석연료[8] 총 배출량의 40%, 전 세계 온실가스 [9]배출량의 25% 이상이다.세계적인 에너지 전환의 일부로서 많은 나라들이 석탄 [10][11]에너지 사용을 줄이거나 없앴다.유엔 사무총장은 각국 [12]정부에 2020년까지 새로운 석탄 발전소 건설을 중단할 것을 요청했다.2013년에 [13]전 세계 석탄 사용량이 최고조에 달했다.지구 온난화를 2°C(3.6°F) 미만으로 유지한다는 파리 협약 목표를 충족하기 위해서는 2020년부터 [14]2030년까지 석탄 사용이 절반으로 감소해야 하며, 석탄의 단계적 감소는 글래스고 기후 협약에서 합의되었다.
2020년에 석탄의 가장 큰 소비자와 수입국은 중국이었다.중국은 연간 석탄 생산량의 거의 절반을 차지하고 있고, 인도가 약 10분의 1을 차지하고 있다.인도네시아와 호주가 가장 많이 수출하고 러시아가 [15]그 뒤를 잇는다.
어원학
이 단어는 원래 고대 영어에서 kol의 형태를 취했는데, 이는 인도-유럽조어 어근 *g(e)u-lo-"살아있는 석탄"[16]에서 유래한 것으로 추측된다.게르만 어족에는 고대 프리지안 콜레, 중더치 콜레, 더치 쿨, 고대 하이 독일 철, 독일 콜레, 고대 노르드 콜 등이 있으며, 아일랜드어 gual도 인도-유럽 [16]어원을 통해 동족이다.
지질학
석탄은 광물질, 광물, [17]물로 이루어져 있다.화석과 호박은 석탄에서 발견될 수 있다.
형성
죽은 식물이 석탄으로 변하는 것을 석탄화라고 한다.지질학적으로 볼 때 지구는 저지대 습지대에 울창한[18] 숲을 가지고 있었다.이러한 습지에서는 죽은 식물 물질이 생분해와 산화로부터 보호되면서 석탄화 과정이 시작되었고, 보통 진흙이나 산성수에 의해 토탄으로 전환되었다.이것은 결국 퇴적물에 의해 깊이 묻힌 거대한 이탄 늪에 탄소를 가두었다.그 후 수백만 년 동안, 깊은 매몰의 열과 압력은 물, 메탄, 이산화탄소의 손실을 초래했고 [17]탄소의 비율이 증가했습니다.생산되는 석탄의 등급은 도달한 최대 압력과 온도에 따라 결정되었으며, 갈탄('갈색 석탄'이라고도 함)은 비교적 온화한 조건에서 생산되었고, 역청탄, 역청탄 또는 무연탄('경질탄' 또는 '흑탄'이라고도 함)은 온도와 [2][19]압력 증가에 따라 차례로 생산되었다.
석탄화에 관련된 요소들 중에서 온도는 [20]매몰된 압력이나 시간보다 훨씬 더 중요하다.유연탄은 35~80°C(95~176°F)의 낮은 온도에서 형성될 수 있으며, 무연탄은 최소 180~245°C(356~473°F)[21]의 온도가 필요합니다.
석탄은 대부분의 지질학 시기로부터 알려져 있지만, 석탄층과 페름기에 90%가 퇴적되었으며, 이는 지구 지질 [22]역사의 2%에 불과합니다.역설적이게도, 이것은 후기 고생대 빙하의 시기였다.그러나 빙하로 인한 지구 해수면 하락은 이전에 물에 잠겼던 대륙붕을 드러냈고, 여기에 기저면 하락으로 인한 침식 증가로 인한 넓은 하천 삼각주가 추가되었다.이러한 습지의 광범위한 지역은 석탄 [23]형성에 이상적인 조건을 제공했다.석탄의 빠른 형성은 석탄이 [24]드문 페름기-트라이아스기 멸종 사건에서 석탄 간극으로 끝났다.
유리한 지형만으로는 광범위한 석탄층을 [25]설명할 수 없다.빠른 석탄 증착에 기여하는 다른 요소들은 강한 산불을 촉진하고 유기체를 분해함으로써 거의 소화가 되지 않는 숯의 형성을 촉진하는 높은 산소 수준, 식물 성장을 촉진하는 높은 이산화탄소 수준, 그리고 결정적 리코피테 나무를 포함한 석탄기 숲의 특성이었다.owth는 탄소가 살아있는 나무의 심재에서 오랫동안 [26]묶여있지 않다는 것을 의미했다.
한 이론은 약 3억 6천만 년 전, 몇몇 식물들이 셀룰로오스 줄기를 훨씬 더 단단하고 목질적으로 만드는 복잡한 폴리머인 리그닌을 생산하는 능력을 발전시켰다고 제안했다.리그닌을 생성하는 능력은 첫 번째 나무의 진화를 이끌었다.그러나 박테리아와 곰팡이가 리그닌을 분해하는 능력을 즉시 진화시키지 못했기 때문에 나무는 완전히 썩지 않고 침전물 아래에 묻혀 결국 석탄이 되었다.약 3억 년 전, 버섯과 다른 곰팡이들이 이 능력을 발달시켜 지구 [27][28]역사의 주요 석탄 형성 시기를 끝냈다.몇몇 저자들이 석탄기 동안 리그닌 분해의 증거를 지적하고 기후 및 구조적인 요인이 더 그럴듯한 [29]설명이라고 제안했지만, 계통발생학적 분석에 의한 선조 효소의 재구성은 리그닌 분해 효소가 약 200 MYa의 [30]균류에 나타난다는 가설을 뒷받침했다.
한 가지 가능성 있는 구조학적 요인은 중앙 판간 산맥으로, 이 시기에 가장 높은 고도에 도달한 적도를 따라 뻗어 있는 거대한 산맥이다.기후 모델링은 중앙 판간 산맥이 석탄기 후기 대량의 석탄 퇴적에 기여했음을 시사한다.그 산들은 연중 많은 비가 내리는 지역을 만들어 냈고, 전형적인 몬순 기후의 건기는 없었다.이것은 석탄 [31]늪지대의 이탄 보존을 위해 필요하다.
석탄은 육지 식물보다 앞선 선캄브리아 지층에서 알려져 있다.이 석탄은 [32][33]조류 잔류물에서 유래한 것으로 추정된다.
때때로 석탄층은 사이클로템에 다른 퇴적물과 함께 매립된다.사이클로섬은 [34]대륙붕의 넓은 지역을 번갈아 노출시키고 범람시킨 해수면의 변동을 일으킨 빙하 주기에서 유래한 것으로 생각된다.
식물의 목질 조직은 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성되어 있다.현대의 이탄은 대부분 리그닌이며 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 함량은 5%에서 40%입니다.왁스, 질소 및 황 함유 화합물 등 다양한 유기 화합물도 존재한다.[35]리그닌은 탄소 54%, 수소 6%, 산소 30%의 중량조성을 가지고 있으며, 셀룰로오스는 탄소 44%, 수소 6%, 산소 49%의 중량조성을 가지고 있다.역청탄은 탄소 84.4%, 수소 5.4%, 산소 6.7%, 질소 1.7%, 황 1.8%로 구성되어 있다.[36]이것은 석탄화 과정에서 일어나는 화학적 과정이 [37]탄소를 남기면서 산소와 수소의 대부분을 제거해야 한다는 것을 의미한다.
탄화는 주로 탈수, 탈탄산, 탈탄산에 의해 진행된다.탈수는 다음과 같은 반응을[38] 통해 성숙된 석탄에서 물 분자를 제거한다.
- 2 R – OH → R – O – R + HO2
- 2 R-CH2-O-CH2-R → R-CH=CH-R + HO2
탈탄산화(decarboxylation)는 성숙된 석탄에서 이산화탄소를 제거하고 다음과[38] 같은 반응에 의해 진행됩니다.
- RCOOH → RH + CO2
탈염이 다음과 같은 반응에 의해 진행되는 동안
- 23 R-CH → R-CH-R2 + CH4
- R-CH-CH-R222 → R-CH=CH-R + CH4
상기 각 식에서 R은 반응기가 결합되어 있는 셀룰로오스 또는 리그닌 분자의 나머지를 나타낸다.
탈수 및 탈탄소는 석탄화 초기에 발생하는 반면 탈탄은 석탄이 역류 [39]수준에 도달한 후에야 시작됩니다.탈탄산화효과는 산소의 비율을 줄이는 반면 탈탄산화효과는 수소의 비율을 감소시킨다.탈수는 두 가지를 모두 수행하며, (탈탄과 함께) 탄소 골격의 포화도를 감소시킨다(탄소 간 이중 결합의 수를 증가시킨다).
탄화가 진행됨에 따라 지방족 화합물(탄소 원자의 사슬이 특징인 탄소 화합물)이 방향족 화합물(탄소 원자의 고리 특징인 탄소 화합물)로 대체되고 방향족 고리가 다방향족 화합물(탄소 원자의 고리)[40]로 융합되기 시작한다.그 구조는 흑연의 구조 요소인 그래핀과 점점 더 닮아간다.
화학적 변화는 평균 모공 [41]크기 감소와 같은 물리적 변화를 동반한다.갈탄(유기입자)은 흙처럼 보이는 후미네이트로 구성되어 있다.석탄이 아급유탄으로 성숙함에 따라 후미네이트는 유리([42]빛나는) 유리네이트로 대체되기 시작한다.유연탄의 숙성은 역청화로 특징지어지며, 역청화는 석탄의 일부를 탄화수소가 풍부한 [43]겔인 역청으로 변환한다.무연탄으로의 성숙은 두꺼운 유리가 [44]깨지는 방식과 유사하게 (탈수로부터) 직불화 및 원추형 파쇄와 함께 무연탄이 깨지는 경향이 증가하는 것이 특징이다.
종류들
지질학적 과정이 시간이 지남에 따라 죽은 생물 물질에 압력을 가함에 따라 적절한 조건에서 변성 등급 또는 순위는 다음과 같이 순차적으로 증가합니다.
- 석탄의 전구물질인 이탄
- 갈탄, 즉 [45]갈탄은 건강에 가장 해로운 석탄으로, 거의 전적으로 발전용 연료로 사용된다.
- 아연탄은 갈탄과 유연탄의 성질이 다른 유연탄으로 주로 증기발전용 연료로 사용된다.
- 유연탄, 고밀도 퇴적암으로 보통 검은색이지만 때로는 어두운 갈색이며 종종 밝고 칙칙한 물질의 명확한 띠를 가지고 있습니다.그것은 주로 증기-전기 발전 및 코크스 제조에 연료로 사용됩니다.영국에서는 증기 석탄으로 알려져 있으며, 역사적으로 증기 기관차나 선박에서 증기를 올리는 데 사용되었습니다.
- 석탄의 최고 등급인 무연탄은 주로 주거 및 상업용 난방에 사용되는 단단하고 광택이 나는 검은 석탄입니다.
- 흑연은 불이 붙기 어렵고 연료로 일반적으로 사용되지 않습니다. 흑연은 연필에 가장 많이 쓰이거나 윤활을 위해 가루로 사용됩니다.
- 캔넬 석탄(때로는 "캔들 석탄"이라고도 함)은 주로 지방산염으로 구성된 상당한 수소 함량을 가진 미세 입자 상태의 고급 석탄입니다.
석탄에는 [46]몇 가지 국제 표준이 있다.석탄의 분류는 일반적으로 휘발성의 함량에 기초한다.하지만 가장 중요한 차이점은 증기를 통해 전기를 생산하기 위해 연소되는 열탄과 강철을 만들기 위해 고온에서 연소되는 야금탄 사이의 차이입니다.
Hilt의 법칙은 지질학적 관측치입니다. 석탄이 (좁은 지역 내에서) 더 깊이 발견될수록 석탄의 등급(또는 등급)이 높아집니다.열 구배가 완전히 수직인 경우 적용되지만, 변성 작용은 깊이에 관계없이 등급의 횡방향 변화를 일으킬 수 있다.예를 들어 마드리드, 뉴멕시코 석탄밭의 석탄층 일부는 화성 실로부터의 접촉 변성에 의해 부분적으로 무연탄으로 전환되었고, 나머지 층은 역청탄으로 [47]남아 있었다.
역사
가장 먼저 알려진 용도는 기원전 4000년경 신석기시대 주민들이 검은 [48]갈탄으로 장식품을 조각하기 시작한 중국 선양 지역에서 유래했다.중국 북동부 푸순 광산의 석탄은 기원전 [49]1000년 전에 구리 제련에 사용되었다.13세기에 중국을 여행했던 이탈리아인 마르코 폴로는 석탄을 "검은 돌..."이라고 묘사했다.석탄이 너무 많아서 사람들은 [50]일주일에 세 번 뜨거운 목욕을 할 수 있다고 말했다.유럽에서 석탄을 연료로 사용하는 것에 대한 가장 이른 언급은 그리스 과학자 테오프라스토스(기원전 371–287년)[51][52]가 쓴 지질학 논문 On Stones(Lap.16)에서 나왔다.
유용하게 파낸 재료 중에 무연탄이라고 하는 것은 흙으로 만들어져 한번 불을 붙이면 숯불처럼 탄다.그것들은 리구리아에서 발견됩니다... 그리고 엘리스에서 하나는 산길을 통해 올림피아에 접근합니다; 그리고 그것들은 금속 일을 하는 사람들에 의해 사용됩니다.
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아웃크롭 석탄은 청동기 시대(기원전 3000-2000년) 동안 영국에서 사용되었으며, 그곳에서 장례용 [54][55]화덕의 일부를 형성했습니다.로마 브리튼에서는 두 개의 현대적인 밭을 제외하고, "로마인들은 기원후 2세기 말까지 잉글랜드와 웨일스의 모든 주요 탄전들에서 석탄을 착취하고 있었다."[56]AD 200년 경으로 거슬러 올라가는 석탄 거래의 증거는 체스터 근처의 헤론브릿지의 로마 정착촌과 곡물 [57]건조에 사용하기 위해 미들랜즈에서 카다이크를 통해 석탄이 운송된 이스트 앵글리아의 펜랜드에서 발견되었다.석탄재는 기원후 400년경으로 추정되는, 특히 노섬버랜드의 빌라와 로마 요새의 난로에서 발견되었다.서머셋 탄전이 된 곳에서 쉽게 구할 수 있는 표면 석탄은 지역적으로 [58]매우 낮은 주택에서 일반적으로 사용되었지만, 영국 서부에서는 현대 작가들이 아쿠에 술리스의 미네르바 제단에 있는 영구 석탄 화로의 경이로움을 묘사했습니다.로마 시대에 석탄이 그 도시에서 제철에 사용되었다는 [59]증거가 발견되었다.라인랜드의 에슈바일레에서는 역청탄 퇴적물이 철광석 [56]제련에 사용되었다.
석탄이 영국에서 매우 중요하다는 증거는 서기 1000년 [60]이전까지는 존재하지 않는다.석탄은 13세기에 "해안"으로 불리게 되었다; 그 물질이 런던에 도착한 부두는 Seacoal Lane으로 알려졌고, 그래서 1253년 [61]헨리 3세의 헌장에서 확인되었다.처음에는 해안에서 많은 석탄이 발견되어 절벽 위의 노출된 석탄층에서 떨어지거나 수중 석탄 유출로 [60]인해 붙여졌지만, 헨리 8세가 되자,[62] 그것은 바다를 통해 런던으로 운반되는 방식에서 유래된 것으로 이해되었다.1257-1259년, 뉴캐슬 어폰 타인의 석탄은 웨스트민스터 [60]사원을 건설하는 대장간과 석회 버너들을 위해 런던으로 운송되었다.시코알 레인과 뉴캐슬 레인은 여전히 존재한다.[63]
쉽게 접근할 수 있는 이러한 자원들은 갱도 채굴이나 아딧에 의한 지하 채취가 [54]개발되었던 13세기에 이르러서는 대부분 고갈되었다(또는 증가하는 수요를 충족시킬 수 없었다).또 다른 이름은 광산에서 유래했기 때문에 "피토탄"이었다.
석탄을 이용한 조리 및 가정난방은 인류 역사를 통해 다양한 시기와 장소에서 행해져 왔으며, 특히 지표면의 석탄을 구할 수 있었고 땔감이 부족했던 시대와 장소에서 행해졌지만, 가정용 난로를 위한 석탄에 대한 광범위한 의존은 연료의 전환이 있을 때까지 존재하지 않았을 것이다.16세기 [64]후반과 17세기 초에 런던에서 네드되었습니다.역사학자 루스 굿맨은 그 전환의 사회경제적 영향과 후에 영국 전역으로[64] 확산된 것을 추적했고 석탄의 산업적 채택을 형성하는 것의 중요성은 이전에는 [64]: xiv–xix 충분히 인정받지 못했다고 제안했다.
산업혁명의 발전은 증기엔진이 물레방아에서 자리를 차지하면서 석탄의 대규모 사용을 이끌었다.1700년에 전 세계 석탄의 6분의 5가 영국에서 채굴되었다.영국은 석탄을 [65]에너지원으로 사용할 수 없었더라면 1830년대에 물레방아에 적합한 장소가 부족했을 것이다.1947년 영국에는[66] 약 75만 명의 광부들이 있었지만, 영국의 마지막 깊은 탄광은 [67]2015년에 폐쇄되었다.
유연탄과 무연탄 사이의 등급은 증기기관차의 연료로 널리 사용되었기 때문에 한때 "증기탄"으로 알려져 있었다.이 특수한 용도에서,[68] 그것은 때때로 미국에서 "바다 석탄"으로 알려져 있다.건조 소형 스팀 너트(DSSN)라고도 불리는 소형 "스팀 석탄"은 가정용 온수 난방 연료로 사용되었습니다.
석탄은 19세기와 20세기 산업에서 중요한 역할을 했다.유럽연합의 전신인 유럽 석탄 철강 공동체는 이 [69]상품의 거래를 기반으로 했습니다.
석탄은 노출된 석탄층의 자연 침식과 화물선의 바람에 의한 유출로 인해 전 세계 해변에 계속 도착하고 있다.이러한 지역의 많은 가정에서는 이 석탄을 가정 난방 [70]연료의 중요한, 때로는 일차적인 공급원으로 모읍니다.
방출 강도
배출 강도는 발전기의 수명 동안 발생하는 전기 단위당 배출되는 온실가스입니다.석탄발전소는 kWh당 약 1000g의 CO2eq를 배출하는 반면 천연가스는 kWh당 약 500g의 CO2eq로 중배출 강도가 높아 배출 강도가 높다.석탄의 배출 강도는 종류와 발전기 기술에 따라 다르며 일부 [71]국가에서는 kWh당 1200g을 초과합니다.
에너지 밀도
석탄의 에너지 밀도는 kg당[72] 약 24메가줄(kg당 약 6.7킬로와트시)이다.효율이 40%인 석탄 발전소의 경우 100W 전구 하나에 [73]1년간 전력을 공급하는 데 약 325kg(717lb)의 석탄이 필요합니다.
2017년 세계 에너지의 27.6%가 석탄에 의해 공급되었으며, 아시아는 이 [74]중 거의 4분의 3을 사용했다.
화학
구성.
석탄의 구성은 근위 분석(습기, 휘발성 물질, 고정 탄소, 재) 또는 최종 분석(회, 탄소, 수소, 질소, 산소, 황)으로 보고된다."휘발성 물질"은 자체적으로 존재하는 것이 아니라(일부 흡착된 메탄 제외), 석탄을 가열하여 생성 및 배출되는 휘발성 화합물을 나타냅니다.일반적인 역청탄은 탄소 84.4%, 수소 5.4%, 산소 6.7%, 질소 1.7%, 황 1.8%의 무회분 기준의 [36]건조 분석 결과를 얻을 수 있다.
산화물과 관련하여 주어진 회분의 구성은 [36]다음과 같습니다.
| SiO 2 | 20-40 |
| 알로 2 3 | 10-35 |
| Fe 2O 3 | 5-35 |
| 카오 | 1-20 |
| MgO | 0.3-4 |
| TiO 2 | 0.5-2.5 |
| Na 2O & K 2O | 1-4 |
| 그러니까 3 | 0.1~12[75] |
기타 마이너 컴포넌트는 다음과 같습니다.
| 물질. | 내용 |
|---|---|
| 수은(Hg) | 0.10±0.01ppm[76] |
| 비소(As) | 1.4–71 ppm[77] |
| 셀레늄(Se) | 3ppm[78] |
코크스 석탄 및 코크스 사용으로 철분 제련
콜라는 고체 탄소를 포함한 잔류물 철강과 다른 철 제품은 제조에 사용된다 코킹 석탄(한low-ash, 저 유황 유연탄, 또한 야금 석탄으로 알려져),에서 파생된 것이다.[79]콜라 코킹 석탄에서 오븐에 산소 없이는 섭씨 1000°C만큼 높은 고도, 그 변덕스러운 유권자들 떠나고 함께 고정 탄소와 잔류 재를 혼합함을 구워 만들어진다.균열 콜라는 연료와 용광로에서 철광석 제련에 환원제로 사용된다.[80]이 일산화 탄소의 연소에 의해 생산된 철에 적철석(철의 산화물)을 감소시킨다.
폐기물 이산화 탄소도 생산된다 너무 녹아 있는 탄소에 그렇게 더 강철을 만드는 대우를 받아야 한다 풍부하다 선철과 함께(2Fe2O3+3C⟶ 4철 성분+3CO 2{\displaystyle{\ce{2Fe2O3+3->, 4Fe+3CO2}}}).
그래서 이들이 금속으로 이주하지 않는다 Coking는 석탄회, 유황, 인에서, 낮아야 한다.[79]그 콜라 충분히 왜 코킹 석탄이 전통적인 경로를 이용하여 강철 만드는 데 중요한 그 용광로에서 overburden의 무게에 저항하기 위해 단호해야 한다.콜라 석탄에서, 어렵고, 다공성과 29.6MJ/kg의 값이 색깔은 회색.일부 cokemaking 과정 석탄 타르, 암모니아, 빛 기름, 석탄 가스 등 부산물을 생산합니다.
석유 코크스(페트코크)는 정유에서 얻은 고체 잔류물로 코크스와 유사하지만 너무 많은 불순물을 함유하고 있어 야금 분야에 유용하지 않습니다.
주조 공장 부품에 사용
이 용도에서는 바다 석탄으로 알려진 미세 분쇄 역청탄은 주조 공장 모래의 성분입니다.녹은 금속이 몰드 안에 있는 동안 석탄은 천천히 연소하며 압력으로 가스를 방출하여 금속이 모래의 모공에 침투하는 것을 방지합니다.또한 주조 [81]전에 몰드에 동일한 기능을 도포한 페이스트 또는 액체인 '몰드 워시'에도 포함되어 있습니다.바다 석탄은 큐폴라 용해로 바닥에 사용되는 점토 라이닝("보드")과 혼합될 수 있습니다.가열하면 석탄이 분해되고 차체가 약간 부서지기 쉬워져 용융된 [82]금속을 두드리기 위한 구멍이 뚫리는 과정이 쉬워집니다.
코크스의 대체품
고철은 전기 아크로에서 재활용할 수 있으며, 제련으로 철을 만드는 대안으로 탄소질 연료를 사용하여 스펀지나 펠릿화 철을 만들 수 있는 직접 환원 철을 들 수 있습니다.이산화탄소 배출을 줄이기 위해 환원제로[83] 수소를, [84]탄소원으로 바이오매스나 폐기물을 사용할 수 있다.역사적으로 목탄은 용광로에서 코크스의 대안으로 사용되어 왔으며, 그 결과 발생하는 철을 목탄 철이라고 합니다.
가스화
석탄 가스화는 통합 가스화 복합 사이클(IGCC) 석탄 화력발전소의 일부로서 가스 터빈을 점화하여 전기를 생산하는 일산화탄소(CO)와 수소(H2) 가스의 혼합물인 신가스를 생산하는 데 사용됩니다.신가스는 또한 피셔-트롭쉬 과정을 통해 가솔린과 디젤과 같은 운송 연료로 전환될 수 있다. 또는, 신가스는 메탄올로 직접 혼합되거나 메탄올에서 가솔린으로 [85]전환될 수 있다.가스화와 피셔-트로프쉬 기술은 남아프리카의 사솔 화학 회사에서 [86]석탄으로 화학 물질과 자동차 연료를 만들기 위해 사용되었습니다.
가스화 과정에서 석탄은 가열되고 가압되는 동시에 산소와 증기와 혼합된다.반응하는 동안 산소와 물 분자는 석탄을 산화시켜 일산화탄소(CO)로 만드는 동시에 수소 가스(H)를2 방출한다.이것은 지하 탄광에서 이루어지곤 했고, 또한 조명, 난방, 취사를 위해 소비자들에게 파이프로 연결된 도시 가스를 만들기 위해서였다.
- 3C(석탄) + O2 + HO2 → H2 + 3CO
정유사가 휘발유를 생산하려고 하면, 신가스는 피셔-트롭쉬 반응으로 흐릅니다.이것은 간접 석탄 액상화라고 알려져 있다.그러나 수소가 바람직한 최종 산물인 경우, 신가스는 물 가스 이동 반응에 공급되어 더 많은 수소가 방출됩니다.
- CO + HO2 → CO2 + H2
액상화
석탄은 수소화 또는 [87]탄화에 의해 가솔린이나 디젤에 상당하는 합성연료로 직접 전환될 수 있다.석탄 액상화는 원유에서 발생하는 액체 연료보다 더 많은 이산화탄소를 배출한다.바이오매스에 혼합하여 CCS를 사용하면 석유 공정보다 약간 적은 배출량을 배출하지만 비용이 [88]많이 듭니다.국영 중국 에너지 투자회사는 석탄 액상화 공장을 운영하고 있으며 추가로 [89]2개를 건설할 계획이다.
석탄 액상화는 [90]석탄을 운송할 때 화물 위험을 언급할 수도 있다.
화학물질의 생산
1950년대부터 석탄에서 화학물질이 생산되어 왔다.석탄은 다양한 화학비료 및 기타 화학제품의 생산에 원료로서 사용될 수 있다.이 제품들의 주요 경로는 석탄 가스화로 신가를 생산하는 것이었다.신가스에서 직접 생산되는 1차 화학물질은 메탄올, 수소 및 일산화탄소를 포함하는데, 메탄올은 올레핀, 아세트산, 포름알데히드, 암모니아, 요소 및 기타 다양한 유도체 화학물질이 제조되는 화학 구성 요소이다.1차 화학제품과 고부가가치 파생상품의 전조로서 singas의 다용도는 석탄을 사용하여 다양한 상품을 생산할 수 있는 선택권을 제공한다.하지만 21세기에는 석탄층 메탄의 사용이 더욱 [91]중요해지고 있다.
석탄 가스화를 통해 제조할 수 있는 화학제품의 슬레이트에는 일반적으로 천연가스와 석유에서 추출한 원료가 사용될 수 있기 때문에 화학산업은 가장 비용 효율이 높은 원료를 사용하는 경향이 있다.따라서 석탄 사용에 대한 관심은 고유가와 천연가스 가격 상승, 그리고 석유와 가스 생산에 부담을 줄 수 있는 높은 세계 경제 성장 기간 동안 증가하는 경향이 있었다.
석탄에서 화학으로 가는 과정에는 상당한 양의 [92]물이 필요하다.중국 산시성과 같은 석탄 의존성이 오염을 [95]통제하기 위해 고군분투하고 있는 중국에는[93][94] 화학 생산의 많은 석탄이 있다.
발전
연소 전 처리
정제탄은 아급탄과 갈탄(갈색) 등 저급탄에서 수분과 특정 오염물질을 제거하는 석탄업그레이드 기술의 산물이다.석탄이 연소되기 전에 석탄의 특성을 바꾸는 여러 가지 연소 전 처리 및 공정의 한 형태입니다.열 효율 개선은 사전 건조(특히 [96]갈탄 또는 바이오매스와 같은 고습성 연료와 관련됨)를 통해 달성할 수 있습니다.연소 전 석탄 기술의 목표는 석탄 연소 시 효율을 높이고 배출량을 줄이는 것입니다.예연소 기술은 석탄 연료 보일러의 배출을 제어하는 예연소 기술의 보완으로 사용될 수 있습니다.
발전소 연소
석탄 발전소에서 전기를 생산하기 위해 고체 연료로 연소되는 석탄을 열탄이라고 한다.석탄은 또한 연소를 통해 매우 높은 온도를 생성하는 데 사용된다.대기 오염으로 인한 조기 사망자는 GW당 연간 200명으로 추정되지만, 스크러버를 사용하지 않는 발전소 주변에서는 더 높거나 도시에서 [97]멀리 떨어져 있는 경우에는 더 낮을 수 있다.석탄 사용을 줄이려는 전 세계의 노력은 일부 지역을 저탄소 공급원에서 천연 가스와 전기로 전환하게 만들었다.
석탄을 발전용으로 사용할 경우, 석탄은 보통 분쇄된 후 보일러가 있는 용해로에서 연소됩니다(분쇄 석탄 연소 [98]보일러 참조).용해로 열은 보일러 물을 증기로 변환하고, 증기는 발전기를 돌리고 [99]전기를 생산하는 터빈을 회전시키는 데 사용됩니다.이 프로세스의 열역학적 효율은 연소 전 처리, 터빈 기술(예: 초임계 증기 발생기) 및 공장 [100][101]연수에 따라 약 25%에서 50% 사이에 차이가 있습니다.
석탄을 보다 효율적으로 연소하는 몇 개의 통합 가스화 복합 사이클(IGCC) 발전소가 건설되었습니다.석탄을 분쇄해 증기발생 보일러에서 연료로 직접 연소시키는 대신 석탄을 가스화해 신가스를 만들고, 신가스는 가스터빈에서 연소해 전기를 생산한다(천연가스가 터빈에서 연소되는 것과 같다).터빈의 뜨거운 배기 가스는 보조 증기 터빈에 전원을 공급하는 열 회수 증기 발생기에서 증기를 상승시키는 데 사용됩니다.열과 전력을 합친 경우 전체 플랜트 효율은 94%[102]에 달할 수 있습니다.IGCC 발전소는 기존의 분쇄 석탄 연료 발전소보다 지역 오염을 덜 배출하지만, 가스화 후 및 연소 전 탄소 포집 및 저장 기술은 지금까지 [103]석탄과 함께 사용하기에는 너무 비싼 것으로 입증되었습니다.석탄을 사용하는 다른 방법으로는 소련에서 개발된 석탄-물 슬러리 연료(CWS)나 MHD 토핑 사이클이 있다.하지만 수익 부족으로 널리 쓰이지 않는다.
2017년에 전 세계 전력의 38%가 석탄에서 발생했는데,[104] 이는 30년 전과 동일한 비율입니다.2018년 전 세계 설치 용량은 2TW(이 중 1TW는 중국에 있음)로 전체 [105]발전 용량의 30%를 차지했습니다.가장 의존도가 높은 주요 국가는 남아프리카 공화국으로 전력의 80% 이상이 [106]석탄으로 생산되고 있지만, 중국만 세계 석탄 [107]생산 전력의 절반 이상을 생산하고 있습니다.
석탄의 최대 사용량은 [108]2013년에 도달했다.2018년 석탄 화력발전소 용량 인자는 평균 51%로, 가용 운전 시간의 [109]약 절반 동안 운영되었습니다.
석탄 산업
채굴
연간 약 8,000 Mt의 석탄이 생산되며, 그 중 약 90%는 경질 석탄이고 10%는 갈탄이다.2018년 현재[update] 절반 이상이 지하 [110]갱도에서 나온 것이다.노천 채굴보다 지하 채굴 중에 사고가 더 많이 발생한다.모든 국가가 광업 사고 통계를 발표하는 것은 아니기 때문에 전 세계 수치가 불확실하지만, 대부분의 사망자는 중국의 탄광 사고로 생각되고 있다.2017년 중국에서는 [111]375명의 탄광 관련 사망자가 있었다.채굴되는 석탄은 대부분 열탄(증기를 만들어 전기를 생산하는 데 사용되기 때문에 증기 석탄이라고도 함)이지만, 야금 석탄(철을 만들기 위해 코크스를 만드는 데 사용되기 때문에 "석탄" 또는 "코킹 석탄"이라고도 함)은 전 세계 석탄 [112]사용량의 10%에서 15%를 차지한다.
거래 상품으로서
중국은 세계 석탄의 거의 절반을 채굴하고 인도가 약 [113]10분의 1을 채굴하고 있다.호주는 세계 석탄 수출의 약 3분의 1을 차지하고 있으며, 인도네시아와 러시아가 그 뒤를 잇고 있으며, 가장 큰 수입국은 일본과 인도이다.
야금 석탄의 가격은 변동성이 높고[114] 열탄 가격보다 훨씬 높다. 왜냐하면 야금 석탄은 유황 함량이 낮아야 하고 더 많은 [115]청소가 필요하기 때문이다.석탄 선물 계약은 석탄 생산자와 전력 산업에 헤지 및 리스크 관리를 위한 중요한 도구를 제공합니다.
일부 국가에서는 새로운 육상 풍력 또는 태양광 발전이 이미 기존 발전소의 석탄 발전 비용보다 저렴하다(원가별 [116][117]전기 비용 참조).그러나 중국의 경우 2020년대[118] 초반, 동남아의 경우 [119]2020년대 후반까지 예측되지 않는다.인도에서는 새로운 발전소를 건설하는 것이 비경제적이며, 보조금이 지급되고 있음에도 불구하고 기존 발전소는 재생 [120]에너지에 대한 시장 점유율을 잃고 있다.
시장 동향
석탄을 가장 많이 생산하고 있는 나라 중 세계 석탄의 절반 가까이가 그 뒤를 인도가 10% 미만이다.중국은 또한 단연코 가장 큰 소비국이다.따라서 시장 동향은 중국의 에너지 [121]정책에 달려 있다.오염을 줄이기 위한 노력은 세계적으로 석탄을 덜 태우는 장기 추세를 의미하지만, 단기 및 중기 추세는 부분적으로 다른 나라에 [105]있는 새로운 석탄 화력발전소에 대한 중국의 자금 조달 때문에 다를 수 있다.