• 최종편집 : 2021.10.15 금 19:10
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(기획)석탄 자연발화···과학적 예방활동만이 답이다온실가스, 미세먼지, 화재, 악취 발생 산화, 휘발·분진 억제

최근 국내의 한 중소기업이 자연발화억제제, 분진억제제 등 석탄관리약제 개발에 성공해 발전소, 제철소 등 석탄산업체들로부터 주목받고 있다.

'대기환경오염 저감을 위한 석탄의 환경영향 억제제 사업화'로 환경산업기술원의 '중소환경기업 사업화 지원사업'에 선정된 미산이앤씨는 자체개발한 자연발화억제제, 분진억제제, 악취제거제 등을 환경산업기술원의 지원을 받아 사업화에 성공했다고 발표했다.

현재 우리나라는 석탄 분야에서 세계적으로 수입 4위, 소비 5위, 1인당 소비 2위의 석탄 다소비 국가이다. 석탄산업을 중단할 경우 폐기되는 석탄 좌초자산도 100조원이 넘는다. 석탄발전소, 제철소 등 석탄산업체에서 다량의 석탄이 사용되고 있고 우리나라는 동 분야의 선도국의 위치에 있다.

이러한 석탄은 채굴하면서부터 공기 속 산소를 접촉해 산화(self-oxidization)되어 열이 발생하게 되는데 이러한 현상을 자기발열(self-heating)이라고 한다. 발열상태의 석탄은 메탄가스(CH4) 등 여러가지 유해가스를 배출하는데, 메탄가스에 의한 온실효과는 이산화탄소 대비 23배 이상으로 악영향을 주고 있으며 악취도 강해 심각한 환경영향을 발생시키고 있다. 발열상태의 석탄을 방치할 경우 열 축적이 일어나면서 착화온도에 이르면 발화해 화재가 발생하게 되며 대부분 분진폭발을 동반한 화재로 이어지면서 인명피해와 재산피해를 발생시킨다. 이와 같이 화재과학의 측면에서 석탄은 스스로 산소를 흡수하여 발열하는 연료이기 때문에 화재의 3요소(산소-열-연료)를 모두 갖춘 특별한 가연성 물질에 해당한다.

화재의 3요소

국내 석탄발전소와 제철소에서 수입하는 석탄은 '하역-이송-저장-미분'의 '연소 전 단계'를 거쳐 보일러에 투입되는데 이러한 '연소 전 단계'에서 '공기접촉-산화-발열'의 자기발열 과정을 거치게 되고 방치할 경우 발화하여 화재가 발생하는 것은 석탄의 화재과학 측면에서 예고된 일이다.

석탄의 산화에 의해서 시작하는 자연발화는 저탄 전에 산화와 휘발을 억제하는 자연발화 억제제를 적용하면 어느 정도 예방할 수 있다. 아울러 석탄은 분탄이 많은 경우 자연발화 위험성이 높아지는 경향을 보이는데, 이는 석탄입자의 크기가 작을 수록 산소와의 접촉면이 확대되어 산화속도가 빠르기 때문이며 석탄더미 내부온도가 높을수록(발열 현상) 산소흡수율이 증가하여 자연발화 가능성이 높아지기도 한다. 이러한 석탄의 분진화 와 발열현상은 하역작업 시 습윤성이 우수한 분진억제제를 물과 혼합하여 석탄에 분사하면 예방할 수 있다.

상기와 같이 석탄산업체에서는 자연발화로 인한 화재와 폭발의 위험성이 상시 존재하나 “국가화재안전기준”의 화재 분류에는 석탄화재에 대한 정의와 관련규정이 아직도 없다. 석탄은 자연발화의 특성을 가진 광물이며 대부분의 석탄화재는 자연발화와 분진화가 원인이다. 석탄화재는 자연발화와 분진 억제기술을 적용하면 상당부분 예방이 가능하다. 더욱이 석탄으로 인한 화재는 분진폭발을 동반함에 따라 사후 화재진압이 어려워지기 때문에 사전 선제적 예방이 필수적이다. 이에 따라 법제도 측면에서 화재예방활동 대상에 석탄 자연발화를 포함하는 것을 적극 검토할 필요가 있다.

아직까지 자연발화가 실제 발화로 이어져 분진폭발을 동반한 대형 석탄화재가 발생한 빈도가 적고 큰 인명 피해를 야기한 경우가 없었다고 판단할 수는 있지만 석탄은 화재발생 전단계에서 온실가스, 미세먼지 및 비산먼지 등 대기환경 오염을 일으키는 과정(자연발화 초기)이 항상 발생하고 있기 때문에 잠재적 위험성이 큰 화재로 인식하여야 한다. 석탄의 자연발화는 석탄산업체에서 항상 발생하는 환경 및 안전문제이고 실제로 분진폭발까지 동반한 화재가 매년 발생하고 있어 선제적 예방이 시급하다.

석탄발전소 인근 주민들의 석탄 비산먼지로 인한 민원이 끊임없이 발생됨에 따라 발전자회사들은 2015년 이후부터는 석탄발전소 건설 시 옥내저탄장을 도입하고 있다. 환경부도 2019년 대기환경보전법 시행규칙을 개정해 '저탄시설 옥내화'를 의무화해 2024년까지 모든 석탄발전소는 옥내저탄장 또는 사일로에 석탄을 보관하여야 함에 따라 현재 각 석탄발전소는 옥내저탄장을 건설 중인 실정이다. 따라서 모든 석탄발전소의 석탄야적장이 환경정책에 따라 옥내저탄장으로 변경되는 상태이다.

그러나 환경정책으로 시행 중인 옥내저탄장은 환경시설물인 동시에 소방법 상 특정가연물에 해당하는 석탄을 보관하는 특정소방대상물에 해당한다. 이와 함께 옥내저탄장은 열배출과 석탄의 선입선출이 어려워 자연발화에 취약하며 분진폭발의 5조건을 갖추게 되어 안전대책이 시급하다. 이러한 사실은 2015년부터 옥내저탄장을 운영 중인 석탄발전소(삼척, 태안, 포천, 당진 등)와 제철소의 자연발화와 분진폭발로 인한 실제 화재발생과 장기간 악취발생 사고에서도 확인할 수 있다. 옥내저탄장이 자연발화, 분진폭발 등 큰 문제점을 가지고 있는 상황임에도 불구하고 국내 석탄산업체는 아직도 자연발화를 “관찰 후 화재발생 시 진압” 방식으로 대응하고 있다. 관찰기간 중 화재가 발생하기 전에는 석탄의 산화와 발열이 진행되는데 이 과정에서 온실가스와 미세먼지가 지속적으로 발생하여 대기환경오염이 수반된다. 자연발화 예방이 중요한 이유가 여기에 있다.

분진폭발의 5조건

석탄은 자연발화 특성 때문에 항상 환경영향과 화재에 노출되어 있고 실제로 '하역-이송-저장-미분'의 '연소 전 과정'은 '화재 전 단계'에 해당되며 석탄발전소와 제철소에서는 이러한 '화재 전 단계'가 항상 현재진행형이다. 석탄발전소나 제철소의 저탄장에서는 항상 자연발화가 발생해 이곳 저곳에서 연기가 발생되고 있으며 적시에 소화하지 않을 경우 발화되어 화재로 이어지는 경우도 적지 않으나 대부분 소방서에 신고하지 않기 때문에 화재 통계에도 등록되지 않는다. 저탄장에서 화재가 발생할 경우 중장비를 이용한 압탄 또는 이탄으로 초기 대응하도록 매뉴얼화 되어 있고 이러한 초기대응에도 진압이 안 될 경우에는 자체 소방차로 화재를 진압하기 때문이다.

물론 석탄발전소와 제철소의 저탄장에는 살수장치가 여러 곳 설치되어 있고 주기적으로 살수를 한다. 그러나 물에도 산소가 존재하여 석탄에 물을 분사하게 되면 결국 산소를 공급하게 되어 습윤열과 산화열 발생에 기여하게 되기 때문에 자연발화 위험성을 높일 수 있다. 저탄장에서 심각한 자연발화가 발생할 경우 대량의 물을 사용하여 진압하기도 하는데 이 경우 수분과잉으로 연소장애, 침출수로 인한 토양오염 등 또 다른 문제가 발생한다. 때문에 물 사용을 최소화하면서 석탄의 자연발화와 분진화를 억제해주는 약제를 거품형태로 분사해 주는 것이 최선이다.

석탄은 가루부터 덩어리까지 다양한 크기로 구성된 고체연료이기 때문에 석탄을 취급하는 모든 과정에서 석탄 비산먼지가 발생한다. 이러한 비산먼지(분진)는 자연발화가 발생하게 되면 마치 금속분말에 불이 붙은 것처럼 여기저기서 분진폭발이 일어나 진압이 쉽지 않다. 때문에 소방차도 제 역할을 하기가 어렵다. 석탄을 사용하는 가장 큰 수요처가 발전소라는 점을 고려하면 화재발생 시 발전소 가동이 중단될 수도 있어 국가적인 피해가 예상된다. 각 석탄발전소가 옥내저탄장 도입에 앞서 자연발화와 분진화 억제대책이 선행돼야 하는 이유다. 석탄의 자연발화와 분진화 예방은 온실가스, 미세먼지 및 비산먼지 등 환경영향 예방과도 맞닿아 있는 대기환경오염 저감대책이다. '연소 전 석탄'의 관리 측면에서 가장 중요한 분야이다.

석탄의 분진폭발은 나트륨이나 알루미늄 등 금속분말이 상온에서 공기와 결합해 화학변화를 일으키는 현상과 유사하다.

대부분의 석탄발전소와 제철소의 저탄장에서는 자연발화와 분진화 억제를 위해 물 또는 약제를 사용하고는 있으나, 약제 대부분이 저가(1,000원/kg 이하)의 표면경화제로 일시적인 분진비산 방지기능만 있을 뿐 자연발화 예방과는 거리가 멀다. 표면경화제와 관련해 지난 2019 국정감사에서 심각한 유해성이 지적되기도 했었다.

석탄화재는 대부분 이송과 저탄 중인 석탄에서 온실가스와 미세먼지가 발생하는 발열단계에서 시작된다. 상세하게는 석탄화재는 그 원인이 '산화•휘발→발열→발화•폭발'로 이어지는 자연발화이며 발화 이전에 산화하고 발열하면서 온실가스와 미세먼지를 내뿜는 대기환경 오염단계를 거치고 이를 방치할 경우 발화하는 특수한 화재이다. 그러므로 하역작업 시 분진발생을 억제하는 습윤성 약제를 적용하고 저탄 전에 산화와 휘발을 억제하는 자연발화억제제를 적용하면 분진•온실가스•미세먼지 발생을 억제해 대기환경오염을 예방할 수 있고 이러한 대기환경오염을 예방하면 화재도 상당부분 예방할 수 있다.

결론적으로 석탄화재는 석탄의 대기환경오염 예방활동을 통해서 예방이 가능하다. 이와 함께 대부분의 화재가 초기 진압이 중요한데 석탄화재는 화원이 표면에서 1미터 이하의 내부에 위치하고 있어 포소화약제로 진압하기가 어렵다. 재발화가 쉽게 일어나 화원 진압이 쉽지 않다. 옥내저탄장의 경우 분진폭발을 동반하기 때문에 소방차로 대응하기도 어렵다. 석탄화재에 적응성 있는 소화약제의 기술기준도 없어서 대부분 대량 살수로 대응하고 있는 실정이므로, 이에 대한 법제도적 개선방안이 절실하다.

지난 2019년 5월 대기환경보전법 시행규칙 개정으로 '발전업의 저탄시설 옥내화'가 진행 중이다. 옥내저탄장은 선진화된 석탄보관방법이지만 열배출과 선입선출이 어려운 구조로 자연발화에 취약하다. 이미 삼척, 당진, 태안 등 옥내저탄장을 운영 중인 발전소에서 자연발화로 인한 화재가 발생하여 가동중단, 장기간 악취발생 등의 문제가 발생한 바 있다. 석탄산업은 옥내저탄장 운영에 앞서 자연발화와 분진 대책이 선행돼야 한다. 자연발화 대책을 수립하지 않으면 '수입-하역-이송-저탄-미분'의 '연소 전 단계'에서 CH4 등의 온실가스를 비롯 60종이상의 유해가스로 인한 대기환경오염이 지속되고 분진폭발을 동반한 화재 발생의 위험성도 상존한다. 뿐만 아니라 수입한 석탄이 보일러에 투입되기도 전에 자연발화해 열량이 소실되는 손해도 발생한다.

온실가스와 미세먼지가 발생하는 환경문제, 화재와 분진폭발의 위험성이 있는 안전문제, 열량손실로 이어지는 경제적 손실 등의 큰 문제를 발생시키는 석탄의 자연발화는 전국 대부분의 저탄장에서 현재 진행형 상태이므로 이에 대한 국가차원의 대책이 필요하다.

국가와 국민의 안전을 위해서는 석탄 사용에 자연발화와 같은 불편한 현실을 타개해야 한다. 지금이라도 소방당국은 석탄화재와 대기환경오염 예방이 이뤄지도록 법적 제도적기준을 시급히 마련해야 할 것이다.

남형권기자는...
한양대 신문방송과에서 언론학을 전공하고 에너지경제신문, 한국에너지신문, 전기신문, 산경에너지 등에서 25년의 기자생활을 했다.
2017년 6월부터 에너지타임뉴스 발행인 겸 편집국장을 맡고있다.

남형권 기자  cabinnam@enertopianews.co.kr

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