석탄의 분류, 분석, 이용

[카페지기]

<분류>

석탄화반응은 열분해반응이고, 열분해반응은 탄소의 축적반응이며 최종적으로는 흑연이 되는 것이기 때문에 과학적 연구에서는 탄소%로써 석탄화의 단계를 나타낸다. 이제까지의 명칭과 탄소%를 대응시켜 〔표 2〕에 나타내었는데, 이것은 편의적인 것일 뿐 엄밀한 것은 아니다. 〔표 3〕은 주로 국제간 상거래의 필요성 때문에 만들어진 국제분류표이다. 이것은 휘발분을 기초로 하여 일단 분류하고, 휘발분33 % 이상은 발열량으로 분류하여 이와 같이 얻어진 각 분류를 다시 〔표 4〕에 나타낸 점결성지수(粘結性指數)로 분류하는 방법이다. 〔표5〕에 국제석탄분류법과 각국의 석탄분류법을 비교하여 나타내었다. 한국의 경우는 무연탄만 생산한다. 이 밖에 한랭지에서 풀이 습지대에 퇴적되어 생기는 토탄(土炭, peat), 조류에서 생성되었다고 생각되는 촉탄, 땅속의 마그마가 탄층으로 관입하여 급속히 땅속에서 전류되어 생성된 천연코크스라고도 할 수 있는 선석(煽石) 등이 있다. 각종 석탄의 명칭에 관해서는 이 밖에 반역청탄·고도역청탄·저도역청탄·흑갈탄 등 일정하지 않으며, 명칭보다는 성질에 의한 분류가 중요하다.

<조직성분>

석탄을 육안으로 보면 일반적으로 줄무늬모양의 조직으로 보이지만, 현미경으로 관찰하면 미세한 조직성분이 혼재되어 있음을 알 수 있다. 암석조직학을 기초로 하여 이러한 조직성분을 분류하는 것이 석탄조직학(coalpe―trography 또는 petrology)이다. 화강암이 석영·장석·운모의 3가지 미세결정으로 구성되어 있는 것처럼, 석탄도 〔표 6〕에서와 같이 많은 미세조직성분(maceral)으로 구성되어 있다. 이들 미세조직성분은 석탄 속의 현미경적 구별에 불과하며, 어떤 석탄이든, 예컨대 비트리나이트(Vitrinite)라고 해서 모두 같은 것이 아니라, 석탄화에 의하여 화학적 성질이 변화된다. 즉 어떤 조직성분이건 석탄화가 진행되면 탄소%는 증가한다. 개개 석탄의 미세조직성분간에는 큰 성상(性狀)의 차이가 있는데, 엑시나이트(Exinite)는 탄소%가 가장 낮고 수소%가 높으며 용제에 녹기 쉽다. 또 타르의 발생량이 크고, 가열했을 때 가장 액체상으로 변하기 쉽다. 푸지나이트(Fusinite)는 반대로 탄소%가 가장 높고 용제에는 거의 녹지 않으며 그 밖의 화학반응성도 아주 낮다. 푸지나이트가 속하는 군(群)인 이너티나이트(Inertinite)가 원래 비활성이라는 뜻을 지니고 있는 것도 이러한 특성에서 유래한다. 석탄 전체의 여러 가지 복잡한 성질은 이러한 미세조직의 혼합비율에 따라 크게 좌우된다. 예를 들면 이너티나이트의 함유비율이 많으면 가열했을 때의 녹는 정도, 즉 유동도가 낮아져 고압수소첨가액화의 경우에도 이너티나이트는 거의 액화되지 않으므로 전체의 액화율은 낮아진다. 따라서 개개 석탄의 미세조직성분 비율을 아는 것이 석탄을 실제로 응용하는 데 있어 중요하다.

<석탄의 분석>

석탄은 매우 불균일한 천연산물이기 때문에 석탄의 평균적인 성상을 분석하기 위해서는 먼저 전체를 대표할 만한 시료를 채취해야 한다. 채취한 시료는 실제로 분석하는 데 소용되는 양이 되도록 나누어야 하는데, 이분기(二分器)·회전축분기(回轉縮分器) 등 여러 가지 방법을 사용하여 시료가 가급적 균일하게 나누어지도록 해야 한다. 그 한 예를 〔그림 1〕에 나타냈다. 이렇게 하여 균일시료가 약 180g이 된 단계에서, 전량을 250μm 이하가 되게 분쇄한 뒤 잘 혼합하여 기건시료(氣乾試料;실온의 공기 중에 방치하여 평형에 도달한 시료)로 만든다. 기건시료를 포화식염용액을 담은 항습기(恒濕器) 속에 방치하여 조제된 시료를 항습시료(恒顯試料)라고 한다. 석탄의 분석은 공업분석과 원소분석으로 크게 나뉜다.

⑴ 공업분석:공업분석에는 다음과 같은 항목이 있다. ① 수분:항습시료 약 1g을 107±2℃의 전기로 속에서 1시간 건조시켰을 때의 감량% ② 휘발분:항습시료 약 1g을 뚜껑을 덮은 백금도가니에 넣고, 900±20℃의 전기로 속에서 7분간 급열(急熱)했을 때의 감량 %에서 수분%를 뺀 값 ③ 회분(灰分):항습시료 약 1g을 공기 중에서 815℃로 가열하여 회화(灰化)했을 때의 잔류분% ④ 고정탄소:100%에서 수분·회분·휘발분%를 뺀 것 ⑤ 발열량:항습시료 약 1g을 열량계 속에서 연소시켰을 때 발생하는 열량을 총발열량 또는 고발열량(高發熱量)이라고 한다. 여기에는 함유수분, 석탄 속의 수소가 연소하여 생성된 수분의 응축열이 포함되어 있기 때문에 그만큼 높은 값을 나타낸다. 실제 연소 때의 발열량은 이 값을 보정한 것으로 이것을 진발열량(眞發熱量) 또는 저발열량이라고 하며, 다음 식으로 계산한다.

여기에서 는 수소%, 는 수분%이다. ⑥ 황:에슈카법과 연소용량법으로 측정한다. 에슈카법은 항습시료 약 1g을 에슈카혼합제(산화마그네슘 65%, 탄산나트륨무수물 35%를 혼합한 흰색 분말) 2.5g과 잘 섞고, 그 상부를 에슈카혼합물제 1g으로 덮은 것을 공기 중에서 800±25℃로 가열하여 시료 중의 황을 황산염이 되게 하고, 염산으로 추출하여 황산바륨으로 만들어 정량한다. 연소용량법은 항습시료 0.25∼1g을 1350℃의 연소관 속에서 1분당 800m의 산소가스와 함께 가열하여 황을 이산화황으로 변화시키고, 이것을 1%과산화수소수에 통과시켜 황산으로 만들어 수산화나트륨으로 적정하는 것이다.

⑵ 원소분석:원소분석은 일반적인 유기물질의 원소분석과 마찬가지이다. 다만 석탄은 매우 불균일하기 때문에 마이크로분석은 적합하지 않다. 보통 매크로 또는 세미매크로의 규모로 시행하며, 탄소·수소·질소·황을 정량하고, 산소는 100%부터의 차(差)로서 산출한다. 최근에는 산소의 직접정량법도 종종 시행된다. 앞에서 본 것 외에도 제철 때 코크스에 인이 함유되면 좋지 않으므로 인의 분석도 시행된다. 이것은 항습시료를 815±10℃로 회화(灰化)시켜, 그것을 0.1∼1g 취해서 10배의 융해혼합제(탄산나트륨무수물과 탄산칼륨무수물을 1:2로 혼합한 것)로 융해시킨 뒤, 융해물을 온수 및 염산으로 용해시켜 규산을 제거하고, 암모니아를 첨가해서 수산화물을 침전시켜 이것을 질산에 용해시키고, 인을 인몰리브덴산암모늄으로서 침전시킨다. 이 침전을 1/10N수산화나트륨에 용해시켜 질산으로 적정하여 정량한다.

⑶ 재의 분석:보통은 고온에서 산소로 태운 다음 남은 재를 원자흡광분석 등으로 분석하는데, 이것은 실제로 석탄에 함유되어 있는 광물의 형태가 아니며, 실제로 함유되어 있는 광물을 조사하려면 200℃ 전후에서 산소플라스마를 사용하여 유기물을 제거하고, 잔존물에 대해 X선분석을 실시하여야 한다. 그 결과 얻어지는 무기성분으로는 점토광물이 많다. 황철석(pyrite)을 다량 함유하는 석탄도 있다.

<석탄 코크스 시험법>

대부분의 시험법은 코크스제조와 관련된 것이다.

⑴ 하드글러브분쇄성시험:입자를 골라 분쇄해서 체로 친 시료 50g을 시험기에 넣고, 8개의 볼과 함께 60회 회전시킨 뒤, 74μm체로 친다. 체 아래 떨어진 것의 중량 로부터 다음 식에 의해 지수를 산출한다.

하드글러브지수136.93

⑵ 도가니시험:기건시료 1g을 석영도가니에 넣고 뚜껑을 닫아 전기로에서 일정 조건 아래 가열, 생성된 남은 석탄의 형상을 표준윤곽과 비교하여 지수를 산출한다.

⑶ 기세라유동도시험:420μm 이하가 되게 분쇄한 시료 200g을 시험기도가니에 넣고, 그 속에 토크를 건 프로펠러를 묻는다. 일정한 속도로 온도를 올리면서 가열했을 때 프로펠러의 회전속도를 기록하고, 1분 마다의 눈금 분할(DDPM)로 회전속도를 표시한다. 프로펠러가 회전을 시작하여 1DDPM에 도달했을 때를 연화개시온도(軟化開始溫度)라 하고, 최고에 도달했을 때의 유동도를 최고유동도, 다시 움직이지 않게 되는 온도를 고화온도라고 한다.

⑷ 재의 녹는점 시험:석탄을 회화하여 물 또는 덱스트린 10%용액으로 반죽하고 삼각뿔 틀에 넣어서 삼각뿔로 성형한 뒤, 전기로에서 일정하게 온도를 올리면서 가열한다. 삼각뿔이 반구(半球)모양으로 변했을 때의 온도를 재의 녹는점으로 본다. 가스화할 때, 온도가 낮을 경우에는 재가 고체상태의 가루로 추출되고, 온도가 매우 높은 가스화방식일 경우에는 슬래그상태로 추출된다. 그러나 그 중간 온도에서는 재가 소결(燒結)되어 전기로 속에서 굳은 덩어리(클링커)가 되거나, 전기로 벽에 부착되어 달려 있게 된다. 재의 녹는점에 따라서 선택할 가스화로의 종류와 가스화의 조건이 결정되기 때문에, 재의 녹는점은 중요한 물성값의 하나라고 할 수 있다.

<석탄의 구조>

석탄은 피리딘에 수%에서 30%정도까지 녹으며, 가장 잘 녹는 것은 탄소함유율이 85∼88%인 역청탄이다. 또 석탄을 알코올과 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 함께 300℃ 이상으로 처리하면, 아탄·갈탄·아역청탄 등 석탄화가 진행되지 않은 석탄은 구조가 그다지 변화되지 않은 채 거의 전부 피리딘에 녹는다. 한편 퀴놀린으로 350℃ 정도의 온도에서 추출하면 역청탄의 대부분은 거의 녹는다. 온화한 수소첨가반응을 되풀이하면 역시 구조가 변하지 않은 상태로 피리딘에 60∼80% 녹일 수 있다. 이들 용매가용부분(溶媒可溶部分)에 대하여 H·NMR(NMR는 핵자기공명의 약자), 원소분석값을 이용하면 그 평균적인 구조를 구할 수 있다. 이렇게 해서 안 석탄의 골격구조를 이루는 벤젠고리의 크기는 아탄·갈탄은 단일고리 정도, 아역청탄은 2고리 정도, 역청탄은 3∼5고리 정도이다. 무연탄은 어떠한 반응으로도 가용화되지 않기 때문에 이러한 방법으로는 평균구조를 알아낼 수가 없다. 그러나 X선회절·자기계수측정·비중측정 등에 의해 추정한 벤젠고리의 크기는 10고리 이상이 되는 매우 큰 것이다. 즉 석탄화반응은 벤젠고리의 축합반응이라 할 수 있고, 이것은 <성인>에서 설명된 석탄화반응이 일종의 탄화반응이라고 하는 점과 일치한다. 말하자면 탄화반응에서는 벤젠고리가 서로 축합하여 점차로 큰 벤젠고리가 되고, 최후에 흑연 같은 2차원적으로 무한에 가깝게 확대된 벤젠고리구조를 가지게 된다. 석탄화가 진전되지 않은 아탄·갈탄은 히드록시기·카르복시기·카르보닐기·에테르형산소 등을 많이 함유하고 있는데, 이러한 활성화기는 석탄화가 진전됨과 동시에 점차 감소되어 간다. 가장 빨리 감소되는 것은 카르복시기인데 이것은 아마 이산화탄소로 분해된다고 여겨지며, 탄소함유량 77% 정도에서 거의 소실되어 버린다. 히드록시기·에테르형산소 등은 물이 되어 빠져나가는 것 같다. 아탄·길탄의 이와 같이 추정된 구조는 리그닌의 구조에 가깝다. 리그닌은 프로필벤젠을 골격구조로 하여 히드록시기·메톡시기가 불균일하게 결합되어 있으며, 나아가 이러한 골격구조가 여러 형태로 서로 결합되어 고분자구조를 이루고 있다고 한다. 아탄·갈탄은 리그닌이 초기 생화학적 과정에서 약간의 산화를 받고, 그 뒤 땅속에서 느린 속도로 일어난 열분해과정에서 히드록시기·메톡시기의 이탈작용이 진행된 것 같다. 그러나 이러한 변화는 아직 초기 단계에 머물러 있고, 벤젠고리의 축합 등이 일어나지 않아 방향족고리는 단일고리에 지나지 않는다. 산화생성물의 분석에서는 대부분은 단일고리화합물이다. 또 그 분자량은 리그닌의 열분해가 그다지 많이 진전되지 않은 것 같아서, 상당한 고분자물질이라고 생각된다. 여러 가지 반응이 아탄·갈탄에서 잘 진전되지 않는 것은 이러한 고분자구조로 말미암아, 용액상태가 아닌 고체―액체 사이의 반응이 되기 때문일 것으로 추정된다. 석탄화가 진전되면 벤젠고리끼리의 축합, 지방족의 고리화, 탈수소 등에 의해 벤젠고리의 수가 증가한다. 이와 동시에 열분해에 의해 결합사슬이 끊어져 분자량이 적어진다. 또 히드록시기 등의 활성화기는 이탈해서 점점 적어진다. 알킬기의 분해도 진전되고 지방족탄소의 비율이 더욱 감소되어 메탄가스 등이 된다. 이렇게 하여 탄소함유량 85∼87% 부근에서 석탄은 더욱 더 분자량이 작아져서 용매에 잘 녹게 되고, 가열했을 때의 유동도도 더욱 커진다. 또 석탄화가 진전되면 벤젠고리는 점점 커지고, 지방족탄소·작용기는 거의 없어지며, 분자량은 작아진다. 이 때문에 탄소함유량 90% 부근에서 가장 물러져 분쇄성도 높다. 가열했을 경우에는 벤젠고리가 크기 때문에 최고유동온도는 가장 고온으로 변하고, 그 유동도는 그다지 올라가지 않는다. 그러나 분해가스화되는 부분이 매우 적어지기 때문에 탄화수득률(炭化收得率)은 높아지고, 따라서 가장 강도가 높은 치밀한 코크스가 생긴다. 석탄화가 더욱 진전되면 벤젠고리는 다시 서로 결합되어 커다란 2차원 방향족구조, 즉 흑연미결정구조(黑鉛微結晶構造)로 바뀌기 때문에 전체가 방향족구조로 되어, 더 이상 가열해도 용융되지 않는다. 또한 석탄화가 진전되지 않은 석탄도 가열했을 때 용융되지 않는다. 이것은 원래 고분자이며 히드록시기 등의 활성화기를 많이 가지고 있어서, 이것이 비교적 저온에서 탈수반응을 일으킴으로써 결합이 일어나 조밀한 그물모양구조를 만들기 때문이다. 앞에서 보았듯이 코크스를 만들 수 있는 석탄은 가열했을 경우에 용융되는 특수한 범위의 석탄이라야 하고, 또 강도가 높은 코크스를 만들 수 있는 석탄은 범위가 더욱 좁은, 탄소함유량 90% 부근의 석탄뿐이다.

〔석탄의 이용에 사용된 기술〕

앞에서 설명한 것과 같이 석탄의 구조를 구명하기 위한 각종 연구는 탄화수소화학의 일반적인 수준을 높이고, 석탄화학의 기초를 쌓았을 뿐만 아니라 석탄의 보다 유효한 화학적 이용에 크게 이바지했다.

<석탄의 건류―열분해반응>

700℃ 정도까지의 건류를 저온건류라고 하는데, 현재는 이 방법을 거의 사용하지 않는다. 그러나 한때는 가스·타르 등을 생산하기 위해, 또는 무연연료의 제조나 가스화 예비처리로서 성행했다. 1300℃ 정도까지의 건류는 고온건류라고 하며 주로 제철용 코크스를 제조하기 위해 이용된다. 건류는 열분해를 말하며, 석탄의 열분해반응을 간단히 설명하면 다음과 같다. 먼저 200∼300℃에서 석탄화도가 낮은 석탄은 작용기가 탈수·탈탄산 등의 반응을 일으켜서 빠져나간 뒤 그물모양결합이 남는다. 이 때문에 더 고온으로 가열해도 용융되지 않는다. 400℃ 이상이 되면 지방족구조가 분해되어 메탄 등의 탄화수소가스가 발생되고, 그 뒤 벤젠고리의 축합, 고리화 등이 일어난다. 이 정도의 온도에서부터 포화고리의 탈수소·축합반응 등에 의한 수소의 발생이 시작되고, 또 퀴논 등의 분해에 의한 일산화탄소도 발생되기 시작한다. 더욱 고온인 700℃ 정도가 되면 벤젠고리의 수소가 수소가스로 되어 이탈하고, 벤젠고리끼리의 축합이 일어난다. 이렇게 해서 점차로 벤젠고리의 크기가 커져 흑연 미결정이 서로 연결되어 있는 것과 같은 탄소로 이행되어 간다. 이때 점결탄(粘結炭)처럼 용융상태를 거쳐서 탄화되어 가는 것에서는, 용융될 때 평면고분자(平面高分子)가 서로 의평행상(擬平行狀)으로 겹쳐진 이방성 중간상(mesophase)이 생성되고, 이것이 성장하여 탄화가 진전되기 때문에, 뒤에 고온으로 가열했을 때 흑연화가 잘 된다. 이러한 탄화과정에서 원래 석탄 중에 함유된 저분자화합물 또는 열분해로 생성된 저분자화합물은 증기가 되어 밖으로 나가는데 이것이 타르이다.

<석탄의 가스화>

석탄의 건류에서는 단지 가열하는 것만으로 약 20%의 코크스로가스가 얻어지지만, 석탄의 가스화는 석탄으로부터 가급적 많은 가스를 제조하는 것이 목적이며, 공기·산소·수증기·이산화탄소·수소 등의 가스화제를 석탄과 반응시켜 수소·일산화탄소·메탄을 주성분으로 하는 가스를 생산하는 것을 말한다. 1950년대 후반에 들어와 석탄의 가스화는 석유계 원료공업으로 급속히 대치되면서 거의 정지되었다. 그러나 제1차 석유파동 이래로 석탄을 원료로 하는 클린연료가스의 제조연구가 각국에서 성행하여 가스로의 방식도 종래의 고정상(固定床)에 대하여 유동상(流動床)·분류상(噴流床)·용융상(溶融床) 등의 방식이 개발 중이다. 1985년에는 암모니아 등의 제조가격이 석유계 원료와 석탄계 원료에서 거의 같아지게 되어 석탄을 원료로 유용물질을 제조하는 공업이 미국 등에서 실현되고 있다. 석탄의 가스화 방식은 크게 발생로가스화·수성가스화·수첨가스화로 나뉜다.

⑴ 발생로가스화:석탄과 부족량산소의 반응으로 주로 일산화탄소를 생성하는 가스화인데, 칼로리가 낮은 가스밖에 생산되지 않기 때문에 현재는 거의 이용되지 않는다. 발생로 안의 온도 제어가 곤란하기 때문에 보통은 열용량이 큰 수증기를 첨가하는 경우가 많다. 이러한 점 때문에 수성가스화와의 구별이 애매하다.

⑵ 수성가스화:수증기와 탄소의 반응으로 일산화탄소와 수소를 생성하는 가스화이다. 이 반응은 큰 흡열반응이기 때문에 열을 보급해야만 한다. 따라서 산소를 공급하여 탄소의 일부를 연소시킨다. 이 점 때문에 발생로가스화와 크게 다를 바가 없다.

⑶ 수첨가스화:수소와 산소의 반응으로 메탄을 생성하는 반응이다. 생성된 일산화탄소와 수소의 혼합물은 그대로 연료로 이용된다. 또한 철계 촉매로 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 이산화탄소와 수소로 분리시킨 다음, 이산화탄소를 제거하여 수소만 남게 할 수 있으며, 니켈계촉매를 사용하여 메탄을 합성할 수도 있다. 그밖에 여러 가지 촉매를 사용하여 탄화수소·알코올·케톤·알데히드·방향족화합물 등을 합성할 수 있다. 가장 유명한 것은 피셔―트로프슈합성·옥소합성 등이다. 최근에는 보다 선택적인 단일물질합성을 목표로 하게 되었는데, 이것들을 총칭하여 C화학이라고 한다.

<석탄의 액화>

석탄의 수소원자와 산소원자의 비(比)는 0.4∼1.0 정도인데, 이 비가 작을수록 석탄화가 많이 진전된 것이다. 한편 석유유분(石油溜分)은 중유의 1.2∼1.6 정도부터 가솔린의 2.0 정도까지이며, 이것을 석탄과 비교하면 훨씬 많은 수소를 함유하고 있다. 이것은 대부분 지방족화합물로 구성되어 있기 때문이다. 따라서 석탄을 액화하여 석유와 비슷한 기름으로 만들려면 필연적으로 수소를 첨가하여야 한다. 종래 대부분의 액화법은 고압수소하에서 430∼480℃ 정도의 온도로 촉매와 함께 반응시켜 액화하는 방법이다. 이 경우에 석탄은 먼저 열분해에 의해 분해되어 작은 라디칼이 되고, 이 라디칼에 수소가 첨가되면 안정화되어 액체로 된다. 이것이 1차액화이다. 1차액화생성물질은 이러한 반응이 이상적으로 이루어진다면 벤젠고리와 그것을 결합하고 있던 사슬 부분만이 끊겨 있기 때문에, 그 석탄 속에 함유되어 있는 벤젠고리의 크기에 따라 중질도(重質度)가 결정된다. 즉 아탄처럼 단일고리방향족으로 된 것으로부터는 비교적 경질유를 얻을 수 있고, 역청탄처럼 3∼5고리방향족으로부터는 중질유를 얻을 수 있다. 이러한 중질유를 다시 경질화시키기 위해서는 벤젠고리에 수소를 첨가하여 포화시킨 다음, 이것을 다시 열분해로 분해시키는 반응을 일으켜야 한다. 이것이 2차액화반응이다. 이러한 1·2차의 구별은 반응의 종류에 따라 구분한 것이며, 실제로는 반응기 속에서 거의 동시에 일어난다. 이상에서 알 수 있듯이 어떤 종류의 석탄을 어떤 반응조건하에서 액화시키는가에 따라 생성물질의 종류와 그 양에 큰 차이가 생긴다. 석탄화가 진전되지 않은 석탄을 사용하면 비교적 경질유를 많이 얻을 수 있지만, 반면에 산소 함유량이 많기 때문에 물의 생성을 위해 값비싼 수소를 사용해야 하는 결점이 있다. 역청탄은 액화되기 쉽고 수소의 소비량도 적지만, 생산되는 기름은 주로 중질유이다. 열분해로 생성된 라디칼의 안정화는 수소공여성(水素供與性) 용매를 써서 도모할 수도 있다. 석탄의 액화유는 타르와 마찬가지로 많은 종류의 방향족화합물을 함유하고 있다. 이러한 유용한 화학원료를 분리해서 부산물로 이용하고, 연료유 제조법으로서의 비용을 조금이라도 절약하기 위한 여러 가지 연구가 있다. 1950년대에 미국에서 연구한 CCC법은 석탄 1일처리량 500t의 시험공장을 건설하여 129종이나 되는 화합물을 단리(單離)했으나 분리기술의 미발달, 석유로의 에너지원 전환 등으로 인하여 중지되었다.

<석탄의 산화>

탄갱의 자연발화로 알 수 있듯이 석탄은 매우 산화되기 쉽다. 산화가 진행되면 점결탄 등은 그 용융성이 낮아지기 때문에 실용면에서 매우 중요한 반응이라고 할 수 있다. 공기산화에서 산화는 입자의 표면에서 시작되어 점점 내부로 진행되어 간다. 따라서 표면은 굳은 껍질을 쓰고 있는 것처럼 되기 때문에, 가열해도 연화(軟化)되어 입자가 서로 엉겨붙는 일이 없게 된다. 이 때문에 정도가 아주 약한 산화로, 원소분석 등과 같은 기타 방법으로도 검지(檢知)할 수 없는 경우에 기세라유동도 등이크게 영향을 받는다. 여러 가지 산화시약을 사용하는 석탄의 산화는 주로 석탄의 구조를 알기 위한 것이다. 한편 질산·알칼리 속에서 산소산화 등을 일으켜 방향족 가운데 주로 벤젠다가카르복시산을 제조하려는 시도도 이루어지고 있다. 산화제를 사용하여 아탄·토탄 등과 같은 탄화도가 낮은 석탄에 저도산화(低度酸化)가 일어나게 하면 퓸산을 얻을 수 있고, 또 산소를 사용하여 역청탄에 고도산화(高度酸化)를 일으키면 물에 녹는 방향족 카르복시산·옥살산·호박산 등을 얻을 수 있다. 방향족 카르복시산은 아직 실용화되지 않았으나 계면활성제나 열경화성수지의 원료로 사용할 수 있다.

<석탄의 용제 추출>

벤젠·알코올·피리딘 등의 유기용제를 사용하여 석탄 속의 가용성분을 추출해서 석탄의 화학구조·점결성(粘結性) 등을 연구하는 방법은 일찍부터 실시되어 왔다. 공업적으로는 독일에서 인조석유제조를 목적으로 테트랄린과 크레졸의 혼합물을 용제로 사용한 포트―브로헤법, 수소 가압하에서 용제를 추출하는 우데법이 있다. 현재 수소 가압하에서 여러 가지 용제를 사용하여 용제정제탄(溶劑精製炭;SRC)을 제조하는 연구가 진행되고 있다.

<석탄의 탄소화>

분쇄한 점결탄을 가압성형하여 변형·균열·산화 등을 방지하면서 500∼3000℃로 소성(燒成)해서 흑연화하여 직접 탄소재를 제조하는 기술이 개발되어 있는데, 이것은 종래의 방법에 비해 기계적인 강도가 크고 제조공정이 간단한 이점이 있다. 그 밖에 석탄으로 활성탄을 만들어 물의 처리, 악취방지 등 환경보전대책에 사용하고 있다.

<석탄재의 이용>

석탄은 무기질인 재를 5∼20% 정도 포함하는 단점이 있으므로 앞으로 석탄을 대량으로 이용하기 위해서는 재를 유효하게 이용하는 것이 중요한 과제이다. 이미 시멘트 혼합용으로 이용되고 있으며, 나아가서 시멘트 제조원료, 자연조립회의 도로노반용 골재, 경량골재 등으로 이용하는 방법이 강구되고 있다. 또 석탄재 속의 규산성분에 착안, 지효성(遲效性)의 규산칼륨비료를 제조하고 있다.

<연료로서의 석탄>

석탄은 석유에 비해 저장·운반에 비용이 많이 들고, 연소 후 재를 처리해야 하는 등의 문제가 있지만, 여전히 석유와 더불어 중요한 연료원으로 사용되고 있다. 최근에는 석탄을 슬러리화하여 취급하기 편리하고 보다 더 효율적으로 이용하기 위하여, CWM(coal water mixture;고농도 석탄과 물을 혼합한 슬러 리)·COM(coal oil mixture;석탄과 석유를 혼합한 연료) 등을 연구, 개발하고 있다