석유계 코크스에 대한 정리

제철소, 음극재, 알루미늄 용해로 등 많은 산업분야에서 사용되는 코크스는 석유와 석탄으로부터 얻을 수 있다.

같은 코크스지만 조금 다른 특징이 있는데, 이번 게시글은 그중 석유계 코크스에 대해 정리했다.

 

방향족 성분이 많은 석탄에 비해, 석유는 주로 탄화수소의 긴 사슬형태로 존재한다. 사슬의 길이가 짧은 휘발유도 있고, 아주 긴 아스팔트도 섞여 있는데, 이런 석유의 불순물을 제거하고 분자량별로 분류하면 플라스틱의 원료나 휘발유 등의 상품이 된다. 

원유는 정제하는 과정에서 다양한 물질들로 분리된다. 끓는점이 낮은 가벼운 나프타부터 등유, 경유, 중유, 아스팔트 등으로 분리가 된다. 그중, 아스팔트와 같은 무거운 물질들은 기화되지 않고 증류탑 아래로 가라앉는다.

증류탑의 모습

증류탑에서 분리되지 않은 무거운 물질(Residue)을 자갈, 모래와 섞어 아스팔트 콘크리트로 만들기도 하지만, 중축합 과정을 통해 한 번 더 유분을 분리할 수도 있다. 이 과정을 코킹 공정(Coking process)이라 한다.

중축합 과정에서 가벼운 물질과 무거운 물질로 분리되는데, 이 공정을 거치면 기름과 코크스를 얻을 수 있다. 예전에는 기름의 수율을 높이고자 이 공정을 수행했고 코크스는 값싸게 팔렸지만, 산업 분야에서 코크스의 활용도가 점점 커지고 수요가 늘어나면서 요즘은 코크스도 중요해졌다.  

 

 

석유계 코크스의 종류

코크스의 종류는 형태로 나눠진다. 벌집모양(honeycomb coke), 바늘모양(needle coke), 총알모양(shot coke), 스펀지 모양(sponge coke) 등이 있는데, 그중 바늘 모양 코크스는 전극봉에 사용되는 고품질의 코크스로, 주로 FCC-DO를 이용해서 만들어진다.

1. 유동접촉 분해유(Fluid Catalytic Cracking Decant Oil, FCC-DO)

FCC 공정도

FCC공정은 간단하게 말하자면, 촉매를 이용해서 값싼 기름을 더 높은 가치를 갖는 기름으로 바꾸는 공정이다. 

기름 중에는 수요가 많은 성분이 있고 적은 성분이 있다. 그중 휘발유는 비싼 기름에 속하는데, 이 공정을 통해 중질유로 휘발유 등을 생산할 수 있다. 이 공정을 유동 접촉 분해(FCC; Fluid Catalytic Cracking)라 한다. 이 과정에서 나오는 잔유를 FCC-DO라고 하는데, 질소 등의 불순물이 적어 고품질 코크스의 원료(침상 코크스)가 된다.

 

2. 열 분해유(Pyropyrolysis Fuel Oil, PFO)

요즘 전 세계적으로 플라스틱 쓰레기 문제가 이슈다. 그 해결 방법 중 하나로 떠오르는 것이 열분해 유화 기술이다. 폴리에틸렌(PE)·폴리프로필렌(PP)·폴리스티렌(PS)300~400도로 간접 가열하면 플라스틱이 열분해유와 가스로 전환된다. FCC-DO와 마찬가지로 이 열분해유를 사용해 코크스를 제작할 수 있다. 

 

3. 석유 잔사유(Petroleum residue)

석유 잔사유는 석유화학공정에서 원유를 분별 증류하는 과정에서 나오는 무거운 물질이다. 가탄재나 아스팔트, 야금용 코크스 등의 원료가 된다. 고품질의 코크스를 만들기에는 여러 무거운 물질들이 섞여있어서 추가적인 공정이 필요하다. 

 

그 외에도 윤활유 추출유, steam-cracked tar, catalytic slurry 등이 석유계 코크스의 원료가 된다. 

CN108102710B

 

석유계 코크스의 사용처

• 가탄재: 강철을 만드는 과정에서 탄소 함량을 높여주기 위해 첨가하는 물질
• 주물용 코크스(Foundry coke): 주철을 용해할 때 연료로 사용
• 야금용 코크스(Metallurgical coke): 용광로에서 제선용으로 사용. 
• 전극봉(Carbon electrode): 철광석을 녹일 때 사용하는 물질로, 고온의 환경을 만드는 데 사용된다. 
• 인조흑연(Artificial graphite): 코크스를 흑연화시키면 얻을 수 있는 물질로, 배터리의 음극(-)으로 사용된다. 

2020/09/30 - [탄소화학] - 석탄계 코크스란?

석탄계 코크스란?