석유계/석탄계 코크스 비교

어떤 제품이든지 사용되는 원료에 따라 성능이 달라지는 건 특별한 이야기가 아니다. 코크스는 크게 석탄과 석유로부터 얻을 수 있기 때문에 각 원료의 특징을 알아두는 것이 중요하다. 

 

석탄과 석유의 유래

석탄과 석유의 생성원리는 아직 명확하게 밝혀진 것이 아니지만 가장 유력한 가설은 다음과 같다.

식물성 유기물 또는 동물성 유기물이 매몰되어 열과 압력을 받는 것에 따라 석탄과 석유가 생산된다고 한다. 

 

석탄과 석유의 구성 성분 차이

석탄과 석유는 구성 성분에서 차이가 난다. 모든 석탄과 석유에 해당하는 내용은 아니지만 대체로 석탄은 석유에 비해 이종원소의 함량이 높고 H/C 값이 낮다. 이유는 석탄은 고리 모양의 방향족 성분을 많이 포함하고 있기 때문이다.

방향족 성분들

방향족 성분은 사슬 구조의 탄화수소에 비해 탄소함량이 높다. 

Coke Quality and Production

 

석탄의 H/C 값은 약 0.8인데 비해 액체 상태의 석유는 약 2.0에 해당한다. 뿐만 아니라 석탄에는 산소 등의 이종원소들도 다량 함유되어 있다.

석유와 석탄의 CHO 비

Kirare, Abubakar Surajo Ibrahim, and Osama EA Attia. "DIFFERENCES BETWEEN COAL AND HYDROCARBONS (PETROLEUM)." (2018)

 

 

석탄과 석유의 특성 차이

석유와 석탄의 구조적 차이에 기인한 특성 차이가 몇 가지 있다.

• 석탄은 석유에 비해 개질하기 어렵다. 석유는 열분해 공정, 유동 접촉 분해, 리포밍 등의 개질 방법이 있지만 탄소 함량이 높은 석탄을 개질하기 위해서는 고압 하에 수소를 첨가하는 등의 어려운 공정을 필요로 한다.
• 석탄은 공명구조를 형성하며 비교적 안정한 상태로 존재하기 때문에, 탄소 및 수소 이외에 질소나 산소, 황을 다소 포함한다.
• 산소로 인해 석탄의 발열량이 석유에 비해 낮다.
  • C: 7,100kcal/kg
  • H: 17,100kcal/kg
  • O: 0kcal/kg

 

석탄계 코크스와 석유계 코크스

코크스를 만들기 위해 사용되는 석탄의 등급에도 코크스의 특징이 달라질 수 있다. 석탄계 코크스의 휘발분과 고정탄소 함량은 사용하는 석탄의 rank, 석유의 공정에 따라 달라진다. 

석탄의 Rank

석탄은 매장되는 깊이나, 생성되는 온도에 따라 다른 특성을 갖는다. 온도가 낮을 땐 부드럽고, 저등급인 갈탄이 된다. 온도가 더 올라가면 갈탄은 아역청탄, 역청탄 순으로 변한다. 

이보다 더 높은 온도에서, 지구의 지각의 접힘과 단층에 의해 발생하는 강렬한 변형을 동반하면 석탄의 최고 등급인 무연탄이 생산된다. 석탄 등급이 올라가면 고정 탄소의 양 증가와 석탄 내 수분 및 기타 휘발성 물질의 양이 감소한다.  low-rank coal(저등급 석탄)은 화력발전과 같은 연소에 많이 사용된다.

석유계 코크스에 대한 추가 설명은 이전 게시글을 참고한다.

2020/09/30 - [탄소화학] - 석탄계 코크스에 대한 정리

석탄계 코크스에 대한 정리

 

석유의 공정

석유의 공정에 대해서는 이전 게시글을 참고한다.

2020/09/30 - [탄소화학] - 석유계 코크스에 대한 정리

석유계 코크스에 대한 정리

 

공업 분석(Proximate Analysis)

다른 특징을 갖는 코크스를 분석하는 방법에는 여러가지가 있다. 그 중에서 가장 일반적이고 쉬운 방법은 공업분석(Proximate analysis)이다. 분석항목은 다음과 같다.

• Ash yield (회분. 연소되지 않은 물질의 함량)
• Moisture (수분)
• Volatile matter(휘발분. 분해 온도에서 가스형으로 변해 분리되는 탄화수소)
• Fixed carbon(고정탄소. 수분, 회분, 휘발분을 제거하고 남은 고체)

이 중 ash, moisture는 공업 조건에 따라 변하는 항목이지만 휘발분과 고정탄소는 원료에 영향을 많이 받는다. 석탄계는 석유계에 비해 휘발분이 높은 편이며, 하소 등의 공정을 통해 휘발분을 조절한다. 회분과 수분은 전처리 공정에 따라 달라지고 공정 단계에 따라 달라지기 때문에 석탄계와 석유계의 차이라 보기 힘들 것이라 생각한다.