왜 요즘 많은 사람이 석탄에 열광할까? 1950년대 중동에 대규모 유전이 개발되며 사람들에게 가장 친숙한 열원 자리를 석유에 내준 지 60여 년이나 지나 요즘 왜 다시 석탄에 대한 관심이 커지고 있을까? 가장 큰 이유 중 하나는 매장량이다. 석유의 매장량은 최대 3조 배럴로 추산되는 데 비해 석탄의 추정 매장량은 10조 톤으로 석유의 26배에 이른다. 또한 석유는 습곡작용을 받은 지층의 산봉우리처럼 불룩하게 올라간 부분에 모여 있는데 석탄은 가혹하지 않은 조건에서 물길을 따라 생성되며 크게 편중되어 있지 않다. 따라서 호주·캐나다·중국·유럽·인도네시아 등 전 세계에 걸쳐 다양한 종류의 석탄이 채굴된다. 심지어 우리나라도 삼척 등지에서 채탄되며 매장량은 약 15억 톤에 이른다. 또한 기술 발달로 석탄의 이용범위가 넓어지고 있는 것도 큰 이유다. 종전엔 활용하지 못하던 석탄을 손쉽게 채굴해 자원화할 수 있는 기술이 지속적으로 개발되고 있다. 석유수출국기구(OPEC)가 석유의 가격과 공급량을 장악하고 있는 상황에서 석탄을 이용해 에너지 자립도를 높인다는 것은 굉장히 매력적일 수밖에 없다.
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다양한 종류의 석탄 = 석탄을 나누는 방법은 번개탄과 연탄 등 용도에 의한 분류만 있는 것이 아니다. 석탄은 크게 3가지 기준으로 나누는데 첫 번째가 탄화도, 두 번째가 순도, 세 번째가 타입이다. 첫 번째 기준인 탄화도는 석탄이 얼마나 오랫동안 석탄화되었는가를 표시하는 지표이고, 이에 따라 크게 이탄·갈탄·아역청탄·역청탄·반무연탄·무연탄 등으로 나눈다. 두 번째 기준인 순도는 불순물인 재(ash)와 황(sulfur)의 함유량이 얼마인지를 나타낸 지표이며 가격 결정에 바로 영향을 미친다. 마지막 기준인 타입은 석탄이 어떤 식물로부터 왔는지를 나타내는 지표다. 예를 들면 단단한 침엽수에서 석탄화된 것과 부드러운 활엽수에서 석탄화된 것의 품질은 크게 다르다. 이를 분류하기 위해 현미경 관찰을 사용하며 분류 기준이 되는 조직을 마세랄(maceral)이라 한다. 이렇게 3가지 기준으로 분류하는 석탄은 워낙 다양한 식물이 탄화된 것이기 때문에 같은 지역, 같은 탄광에서도 품질이 똑같다고 할 수 없다. 따라서 석탄의 구조를 일일이 파헤치는 원소분석보다 현미경 관찰 마세랄 분석을 주로 실시한다.
석탄 사용방법에 따른 분류 = 이러한 석탄 분류 이외에도 사용하는 방법에 따라 발전용 탄이나 코크스(coke) 제조용 탄으로 나눌 수 있다. 발전용 탄은 말 그대로 석탄을 직접 태워 열을 냄으로써 고압 스팀을 만들고 발전기를 돌리는 데 사용한다. 모든 석탄은 탄소를 주성분으로 하기 때문에 발전 용도로 사용할 수 있으며, 우리나라만 보더라도 코크스 제조용 석탄의 2배 이상을 발전용 석탄으로 수입하고 있다. 다른 하나는 코크스 제조용 석탄이다. 코크스 제조용 석탄은 간접 가열하면 매우 뻑뻑한 액체 상태로 변하는 성질이 있는데, 이 같은 상변이 현상을 이용해 분 상태의 석탄을 덩어리 모양의 코크스로 만든다. 모든 석탄에 이러한 성질이 있는 것이 아니라 일부 석탄만이 뻑뻑한 액체로 변하는 성질을 지니고 있으며, 역청 같은 액체 상태를 갖는다 해서 역청탄이라 부른다. 이 석탄은 땅속 깊숙이 매장돼 있으며, 수요 대비 공급이 부족하기 때문에 가격이 높게 형성된다.
제철소에서 석탄의 사용 = 제철소에서 사용하는 석탄은 앞에서 이야기한 코크스 제조용 역청탄과 고로 PCI(Pulverized Coal Injection)용 탄, 그리고 소결용 무연탄이 있다. 코크스는 고로의 위로부터 철광석과 함께 차례로 들어가 열을 내어 철광석을 녹이고 고로 밑으로 슬래그(slag) 형태로 빠져나온다. 코크스가 단단해야 아래로는 용융된 철광석이 잘 내려가고 위로는 열풍이 잘 올라간다. 코크스로(coke oven)에서 역청탄을 사용, 간접 가열해 코크스를 만드는데 이 과정에서 나오는 가스(gas)를 정제해 제철소의 열원인 COG와 고부가가치 부산물인 타르(tar) 및 조경유를 생산한다. 다른 하나는 고로 PCI용 탄이다. 고로에 열을 공급하는 방법은 위로부터 코크스를 넣는 방법 외에 밑으로부터 열풍과 함께 파쇄된 석탄을 넣는 방법이 있다. 짧은 기간에 충분히 잘 타야 하므로 얼마나 파쇄가 잘되는지와 얼마나 높은 열량을 가지고 있는지가 중요하다. 폐가스가 대기 중에 방산되지 않고 가스 형태의 열원으로 회수되기 때문에 넓은 범위의 석탄을 사용할 수 있다. 마지막으로 소결용 무연탄은 분광에 열을 가해 소결광을 만드는 과정에서 분광에 섞어 열을 주는 용도로 사용되며, 발열량이 높아야 하고, 직접적으로 태우면서 발생한 폐가스를 굴뚝을 통해 배출하는 공정이기 때문에 질소산화물(NOx)의 저감을 위해 질소 성분이 낮은 무연탄이 선호된다.
제철소별 원료사용 패턴 = 제철소에서 석탄을 사용하는 방법은 제철소의 위치에 따라 다르다. 먼저 광산에 인접한 제철소는 인근 광산의 석탄과 철광석을 주로 사용한다. 일 년 내내 2~3개 탄종의 석탄을 끊임없이 사용하며 후공정 또한 2~3개 탄종이 만들 수 있는 코크스 품질수준에 맞춰 조업한다. 이 경우 광산에 대한 제철소의 의존도가 높아 몇 십 년 동안 장기 계약을 맺거나 상대방의 지분을 보유하고 있는 경우가 대부분이다. 다른 하나는 대부분의 원료를 수입해 가공하는 방식으로, 원료와 제품을 수송하기 위해 해안에 위치해 임해 제철소라 불린다. 포스코 또한 임해 제철소인데 원료 공급의 안정성과 경쟁력 강화를 위해 가능한 한 많은 공급처에서 다양한 종류의 원료를 공급받는 것이 특징이다. 따라서 광산이 폭우나 폭설로 생산에 차질을 빚으면 전자인 광산에 인접한 제철소의 경우 생산을 중지할 수밖에 없지만 후자인 임해 제철소의 경우 다른 공급처를 통해 생산을 지속할 수 있다는 차이가 있다. 통상 임해 제철소는 8~9개 탄종을 섞어 코크스를 만들고 가능한 한 많은 양의 석탄을 보유하고 싶어 한다.
석탄 배합기술 = 코크스 제조기술의 시작은 석탄 배합기술이다. 앞서 이야기한 것처럼 석탄은 품질과 특성이 너무 상이해 비슷한 곳에서 생산된 석탄을 바꿔 사용했을 뿐인데도 코크스 품질이 크게 달라진다. 석탄 간에도 궁합(宮合)이 존재하는데, 평소엔 좋은 품질의 코크스를 생산하지 못하는 석탄이라도 궁합이 잘 맞는 석탄과 함께 사용하면 플러스 알파의 품질을 낸다. 물론 반대의 경우도 존재한다. 또한 산지와 종류도 매우 다양해 어떤 석탄은 이송 시 분진이 많이 날리고, 또 다른 석탄은 코크스로에 손상을 주기도 한다. 더욱이 석탄은 실험실에서 제조한 코크스와 실제 코크스로에서 생산한 코크스가 다른 조직을 보이는 것으로 유명하다. 실제로 모르는 석탄이 입하될 때 품질에 대한 가장 정확한 분석은 그 석탄을 코크스로에 사용한 경험이 있는 다른 제철소에 물어보는 것이다. 여러 가지 석탄을 섞어 사용하는 임해 제철소에선 각자의 상황에 맞춰 석탄 배합기술이 최적화돼 있으며, 경쟁력 보호를 위해 어떤 석탄을 얼마만큼 섞어 사용하는지는 비밀로 하고 있다. 포스코는 일 년에 약 40개의 서로 다른 종류의 코크스 제조용 석탄을 사용하며, 통상 석탄 야드(yard)엔 약 20개의 석탄더미(coal pile)가 사용 또는 사용 대기 중에 있고, 한 번에 10~14개 탄종을 섞어 코크스를 제조한다. 또한 활발한 광산 투자와 공급 다변화를 통해 매년 5개 이상의 신규 석탄을 실 조업에 적용 중이다. 석탄 배합의 노하우 지표라 볼 수 있는 실제 코크스에서 사용한 석탄 브랜드 수는 단연 포스코가 세계 최고다.
저가탄 사용 요구 = 제철소의 경쟁력을 강화하는 방법은 값싼 연료를 사용해 좋은 품질의 제품을 만드는 것이다. 석탄의 가격은 품질에 따라 천차만별인데 점결성이 높아 좋은 코크스를 만들 수 있는 강점탄의 경우 매우 비싸며, 품질이 낮고 수분을 많이 함유하고 있는 갈탄의 경우 강점탄 가격의 10분의 1 수준이다. 코크스 제조용 석탄 중에서 점결성이 매우 낮아 스스로 코크스가 되기 힘든 저가의 석탄은 미점탄 또는 저가탄으로 분류된다. 하지만 혼자서는 코크스를 만들 수 없는 미점탄도 어떤 석탄과 섞어 어떻게 사용하느냐에 따라 좋은 품질의 코크스를 만들 수 있다. 또한 대부분의 고품질 원료광산을 주요 공급사가 독점한 상태에서 포스코의 신규 석탄 광산 개발 투자는 품질이 낮은 석탄에 집중될 수밖에 없다. 따라서 저가의 미점탄을 다량 사용하면서 높은 강도의 코크스를 제조하는 기술에 우리 포스코의 미래가 달려 있다고 해도 과언이 아니다.
기술개발 과정 및 효과 = 임해 제철소의 단점이자 장점은 원료를 외부에 의존하기 때문에 다양한 종류의 석탄을 사용해야 하며, 배합을 자주 바꿔줘야 한다는 것이다. 배합비를 변경할 때마다 코크스 품질은 흔들릴 수 있기 때문에 불안한 반면 다양한 석탄을 활용해 고품질의 코크스를 만들 수 있다는 점에선 장점이다. 포스코에선 안정적인 원료 확보를 통한 경쟁력 강화를 위해 다양한 석탄 광산에 적극적으로 투자하고 있다. 원료구매그룹과 화성부 간 신규 석탄에 대한 의견을 공유해 가격과 품질을 고려한 평가가 이루어진다. 또한 세계 각지에서 생산되는 석탄의 특성을 파악해 최적으로 배합을 맞추는 일은 기술연구원과 현장에서 가장 우선적으로 실시하고 있다. 어떤 석탄이 어떤 특성이 있기 때문에 어떤 석탄과 함께 사용해야 좋은 품질의 코크스를 만들 수 있는지를 파악하기 위해 수많은 테스트가 지금도 진행되고 있으며, 이렇게 쌓인 노하우는 고품질 코크스를 만드는 기초가 됐다. 이 같은 노력으로 2006년 이전 20%를 밑돌던 저가탄 사용 비중은 현재 40% 이상으로 비약적인 향상을 보이며 포스코 원가절감에 큰 기여를 하고 있다. 몇몇 석탄 수분을 극한적으로 낮추는 설비를 갖춘 제철소를 제외하고 동일 설비 기준 포스코의 저가탄 사용 비중은 자타가 공인하는 세계 최고 수준이다.
최고를 유지하기 위한 노력 = 최고의 철강 기술력 확보와 경쟁력 강화를 위한 노력은 지금도 지속되고 있다. 저가탄 사용 비중 40%에 만족하지 않고 50% 이상 사용을 목표로 석탄의 수분을 추가적으로 낮추고 인조 점결제를 첨가하는 등 장기적인 관점에서의 기술개발이 진행 중이다. 석탄이라는 재료를 혼합해 코크스라는 고로가 먹는 최고의 음식을 만드는 예술작업은 오늘도 계속되고 있다.
윤석호 yoonish@posco.com<자료=선강기술그룹>
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