석유코크스
Petroleum coke
약칭 코크스 또는 펫코크(Petcoke)는 최종 탄소가 풍부한 고체 물질로 정유에서 유래한 것으로, 코크스라고 하는 연료군의 한 종류다. 펫코크는 특히 최종 균열 공정(석유의 긴 사슬 탄화수소를 더 짧은 사슬로 분할하는 열연계 화학공학 공정)에서 유래한 코크스로, 코커 단위라는 단위로 이루어진다.[1] (다른 종류의 코크스는 석탄에서 유래한다.) 간결하게 표현하면, 코크스는 "석유 가공에서 얻은 고부화 탄화수소 분율의 탄산화 제품(중잔류)"[1]이다. 펫코케는 캐나다의 석유 모래에서 추출한 비투멘과 베네수엘라의 오리노코 석유 모래에서 추출한 합성 원유(싱크루드) 생산에서도 생산된다.[2][3]
석유코커 유닛에서는 석유정제에 사용되는 다른 증류 공정의 잔여 오일을 가스와 휘발유를 배출하고 남은 경유와 중유를 분리시킨 후 높은 온도와 압력으로 처리한다. 이러한 과정은 "코킹 프로세스"라고 불리며, 대부분의 경우 지연 코킹의 특정 프로세스를 위해 화학공학 플랜트 운영을 채택한다.
이 코크스는 연료 등급(황과 금속 함량이 높음) 또는 양극 등급(황과 금속 함량이 낮음)일 수 있다. 코커에서 직접 나온 생코크스를 그린코크라고 부르는 경우가 많다.[1] 이 맥락에서 "녹색"은 처리되지 않은 것을 의미한다. 회전 가마에 석회화하여 그린 코크스를 추가로 가공하면 코크스에 남아 있는 휘발성 탄화수소가 제거된다. 석회화된 석유 코크스는 원하는 모양과 물리적 성질의 양극 코크스를 생산하기 위해 양극 베이킹 오븐에서 추가로 가공될 수 있다. 양극은 주로 알루미늄과 철강 산업에서 사용된다.
펫코크는 탄소가 80%가 넘고 연소 시 에너지 단위당 석탄보다 이산화탄소(CO2)가 5~10% 더 많이 배출된다. 펫코케는 에너지 함량이 높아 중량 단위당 석탄보다 30~80% 더 많은 CO를2 배출한다.[3] 생산된 에너지 단위당 CO2 생산량의 차이는 에너지 단위당 CO2(연소 열)를 증가시키는 석탄의 습기와 에너지 단위당2 CO를 감소시키는 석탄과 코크스의 휘발성 탄화수소에 따라 달라진다.
종류들
석유 코크스에는 니들 콜라, 벌집 콜라, 스펀지 콜라, 샷 콜라 등 최소한 4가지 기본 종류가 있다. 석유 코크스의 종류마다 작동변수와 공급원료의 성격 차이로 인해 미세구조가 다르다. 다른 종류의 코크스, 특히 재와 휘발성 물질 함량에서도 상당한 차이가 관찰된다.[4]
니들 코크스는 아큐르 콜라라고도 불리는데, 강철과 알루미늄 산업의 전극 생산에 사용되는 매우 결정성이 높은 석유 코크스로, 전극을 정기적으로 교체해야 하기 때문에 특히 가치가 높다. 니들 코크스는 유체 촉매 균열(FCC) 디컨트 오일 또는 콜타르 피치에서 독점적으로 생산된다.
벌집코크스는 중간 코크스로 타원형 모공이 균일하게 분포되어 있다. 니들 코크스에 비해 벌집 코크스는 열팽창 계수가 낮고 전기전도율이 낮다.[4]
구성
펫코크는 가열되거나 정제된 생코크스의 석회화 과정을 통해 변형되어 자원의 구성 요소를 상당 부분 제거한다. 보통 정제할 때 펫코크는 중금속을 휘발성 물질이나 배출물로 방출하지 않는다.[5]
사용되는 석유 사료 원료에 따라 펫코크의 구성은 다를 수 있지만, 주된 것은 주로 탄소라는 것이다.[5] 펫코케는 주로 탄소로 이루어져 있는데, 순수한 형태의 펫코케는 무게가 98-99%까지 나갈 수 있고, 이것은 수소가 채워진 탄소 기반 화합물을 만든다. 원시 형태에서 수소는 3.0~[5]4.0%의 중량 범위를 가질 수 있다. 생(녹색 코크스) 질소의 페트코크 0.1~0.5%와 황 0.2~6.0%는 코크스가 석회화된 후 배출량이 된다.[5]
| 구성 요소 | 생(녹색) 콜라 |
|---|---|
| 탄소(wt%) | 80-95 |
| 수소(wt%) | 3.0-4.5 |
| 질소(wt%) | 0.1- 0.5 |
| 황(wt%) | 0.2-6.0 |
| 휘발성 물질(wt%) | 5.0-15 |
| 수분(wt%) | 0.5-10 |
| 애쉬(wt%) | 0.1- 1.0 |
| 밀도(wt%) | 1.2- 1.6 |
| 중금속(ppm. wt) | |
| 알루미늄 | 15-100 |
| 붕어 | 0.1- 15 |
| 칼슘 | 25- 500 |
| 크롬 | 5-50 |
| 코발트 | 10-60 |
| 철 | 50-5000 |
| 망간 | 2-100 |
| 마그네슘 | 10-250 |
| 몰리브덴 | 10-20 |
| 니켈 | 10-500 |
| 칼륨 | 20-50 |
| 실리콘 | 50-600 |
| 나트륨 | 40-70 |
| 티타늄 | 2-60 |
| 바나듐 | 5-500 |
열처리 과정을 통해 휘발성 물질과 유황이 방출되면서 무게의 조성이 감소한다.[6] 이 과정은 허니콤 펫코크에서 끝나는데, 이름에 따라 그 안에 구멍이 있는 고체 탄소 구조물이다.[6]
| 구성 요소 | 펫코케 (@ 2375°F = 1300°C 계산) [5] |
|---|---|
| 탄소(wt%) | 98.0-99.5 |
| 수소(wt%) | 0.1 |
| 질소(wt%) | |
| 황(wt%) | |
| 휘발성 물질(wt%) | 0.2-0.8 |
| 수분(wt%) | 0.1 |
| 애쉬(wt%) | 0.02-0.7 |
| 밀도(wt%) | 1.9-2.1 |
| 중금속(ppm. wt) | |
| 알루미늄 | 15-100 |
| 붕어 | 0.1- 15 |
| 칼슘 | 25- 500 |
| 크롬 | 5-50 |
| 코발트 | 10-60 |
| 철 | 50-5000 |
| 망간 | 2-100 |
| 마그네슘 | 10-250 |
| 몰리브덴 | 10-20 |
| 니켈 | 10-500 |
| 칼륨 | 20-50 |
| 실리콘 | 50-600 |
| 나트륨 | 40-70 |
| 티타늄 | 2-60 |
| 바나듐 | 5-500 |
연료 등급
연료급 콜라는 스펀지 코크스 또는 샷 코크스 형태학으로 분류된다. 정유사들이 100년 넘게 콜라를 생산해 왔지만 스펀지 콜라나 샷 콜라를 형성하게 하는 메커니즘은 잘 파악되지 않아 정확하게 예측할 수 없다. 일반적으로 낮은 온도와 높은 압력은 스폰지 코크스 형성을 촉진한다. 또한, 존재하는 헵탄 오물체의 양과 코커 피드의 빛 구성 요소의 비율이 기여한다.
높은 열과 낮은 재 함량이 석탄 화력 보일러에서 발전용 연료로 적합한 반면, 석유 코크스는 황 함량이 높고 휘발성 함량이 낮으며, 이는 연소에 환경적(그리고 기술적) 문제를 야기한다. 총열량(HHV)은 8000Kcal/kg에 육박해 발전용 평균 석탄의 2배에 달한다.[5] 석유 코크스를 태우기 위한 황 회수 유닛의 일반적인 선택은 잘 알려진 WSA 프로세스를 기반으로 한 SNOX 연도 가스 탈황 기술이다.[7] 유동층 연소는 일반적으로 석유 코크스를 태울 때 사용된다. 가스화는 이 공급 원료와 함께 점점 더 많이 사용되고 있다(흔히 정유소 자체에 비치된 가스를 사용한다).
석회화
석회화석유코크(CPC)는 석회화석유코크스의 제품이다. 이 콜라는 원유 정제소의 코커 유닛의 제품이다. 석회석 석유 코크스는 알루미늄, 강철 및 티타늄 제련 산업의 양극을 만드는 데 사용된다. 녹색 코크스는 양극 재료로 사용할 수 있을 만큼 충분히 낮은 금속 함량을 가져야 한다. 이렇게 금속 함량이 낮은 그린 코크스를 양극급 콜라라고 한다. 그린 코크스는 금속 함량이 과다할 경우 석회화되지 않고 용해로에서 연료 등급 코크스로 사용된다.
탈황
펫코크에 함유된 높은 황 함량은 시장가치를 떨어뜨리고, 환경상의 이유로 황산화물 배출이 제한되어 연료로 사용하지 못하게 할 수 있다. 따라서 펫코크의 황 함량을 줄이거나 제거하는 방법이 제안되었다. 대부분은 코크스의 모공이나 표면에 존재하는 무기유황의 탈착, 방향제 탄소골격에 부착된 유기유황의 분할과 제거가 포함된다.
잠재적 석유 탈황 기법은 다음과 같이 분류할 수 있다.[8]
- 용제추출
- 화학 처리
- 열탈황
- 산화 대기 중의 탈황
- 황 함유 가스 대기 중의 탈황
- 탄화수소 가스 대기 중의 탈황
- 수황화
2011년 현재 펫코크를 탈황시키는 상업적 과정은 없었다.[9]
보관, 폐기 및 판매
거의 순수한 탄소인 펫코크는 연소될 경우 이산화탄소의 강력한 원천이다.[10]
석유 코크스는 판매가 보류 중인 정유공장 인근 더미에 보관될 수 있다. 예를 들어, 2013년에 디트로이트 강 근처에 있는 코흐 카본 소유의 대규모 비축물은 2012년 11월에 알버타의 석유 모래에서 비투멘을 정제하기 시작한 디트로이트의 마라톤 석유 정제 공장에서 생산되었다. 2013년 현재 캐나다에도 대규모 펫코크 비축이 존재했고, 중국과 멕시코는 캘리포니아에서 수출된 펫코크가 연료로 쓰일 시장이었다. 2013년 현재, 윌리엄 1세 소유의 옥스보우 주식회사. 펫코케의 주요 딜러였던 코치는 연간 1,100만 톤을 판매했다.[11]
AP통신 조사 결과 2017년 미국의 연료 수출량의 4분의 1이 인도로 넘어간 것으로 나타났다. 2016년 기준 800만톤 이상에 달해 2010년의 20배가 넘는다.[12] 인도 환경오염방지청은 뉴델리 인근에서 사용 중인 수입 펫코크를 검사한 결과 유황 농도가 법적 한도의 17배에 이르는 것으로 나타났다.[12]
IMO가 채택한 국제 선박오염방지협약(MARPOL 73/78)은 2020년부터 해양 선박이 유황 함량이 0.5% 이상인 잔존 연료유(벙커 연료 등)를 소비하지 못하도록 의무화했다.[13] 잔존 연료유의 거의 38%가 운송 부문에서 소비되고 있다. 코킹 공정을 통해 잉여 잔존유를 가벼운 기름으로 바꾸는 과정에서 펫 콜라가 부산물로 생성된다. 펫코크스 이용가능성은 향후 잔존유 수요 감소로 인해 증가할 것으로 예상된다. 펫콜라는 펫콜라 처리 문제를 피하기 위해 합성 천연가스 등을 생산하기 위해 메타네이션 공장에서도 사용된다.[14]
건강 위험
석유 코크스는 때로 미세먼지의 근원인데, 이는 사람의 기도의 여과 과정을 뚫고 폐에 들어가 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있다. 석유코크스 자체가 독성이 낮고 발암성의 증거가 없다는 연구결과가 나왔다.[15][16]
석유 코크스는 독성 금속인 바나듐을 함유할 수 있다. 바나듐은 디트로이트 강 옆에 보관된 석유 코크스 인근 점령지에서 수거된 먼지 속에서 발견됐다. EPA에 따르면 바나듐은 공기 세제곱 미터당 0.8 마이크로그램으로 소량 독성이 있다.[17]
여러 EPA 연구와 분석에 따르면 석유 코크스는 인간의 건강 위험 가능성이 낮다. 그것은 어떠한 발암성, 발달성 또는 생식효과도 가지고 있지 않다. 동물 사례 연구 중 만성 흡입은 먼지 입자에 의한 호흡기 염증을 보였지만 석유 코크스에만 국한되지는 않았다.[18]
환경 위험
환경 문제는 펫코크의 저장과 연소에서 비롯된다. 펫코크 처리가 진행되면서 부폐물이 축적돼 폐기물 관리가 이슈가 되고 있다. 펫코케의 높은 실트 함량은 21.2%로 강풍에 펫코크 군더기로부터 멀어지는 비산먼지의 위험성을 높인다. 미국에서는 매년 PM10과 PM2.5를 포함한 약 100톤의 펫코크 도망 먼지가 대기 중으로 방출된다.[19] 특히 시카고, 디트로이트, 그린베이 등 도시에서는 쓰레기 관리와 유출이 이슈가 되고 있다.[18]
외부 효과는 잠재적인 환경적 영향을 끼치는 펫코크에서 기인한다. 펫코크는 중량에 따른 90% 원소 탄소로 구성되며 연소 시 CO2로
변환된다. 또한 펫코크를 사용하면 황의 방출이 발생하고 정제 및 보관에서 니켈과 바나듐 유출을 통한 수질오염의 가능성이 발생한다.[17]
참고 항목
참조
- ^ Jump up to: a b c IUPAC, 화학용어 종합편찬, 제2편. ("금책")(1997년). 온라인 수정 버전: (2006–) "석유 콜라". doi:10.1351/골드북.P04522
- ^ "What Is Petcoke?". Retrieved 17 March 2017.
- ^ Jump up to: a b "석유 콜라: 2013년 1월, OilChange International priceofoil.org의 Tar Sands에 숨어있는 석탄".
- ^ Jump up to: a b 1990년 피츠버그의 피츠버그 대학 연구 보고서, 하산 알 하지 이브라힘 석유 코크스의 탈황.
- ^ Jump up to: a b c d e f g "Pet Coke". Retrieved 25 June 2017.[영구적 데드링크]
- ^ Jump up to: a b Tripathi, Nimisha; Singh, Raj S.; Hills, Colin D. (2019). "Microbial removal of sulphur from petroleum coke (petcoke)". Fuel. 235: 1501–1505. doi:10.1016/j.fuel.2018.08.072.
- ^ "SNOX 프로세스: A Success Story" 2009-07-21 Wayback Machine, energystorm.us에 보관. 여기에 인용: "학교책, 화학 2000, 헬지 마이긴드, ISBN 87-559-0992-2"
- ^ 석유 코크스 탈황: 하산 알 하지 이브라힘과 바디 1세. Morsi, Industrial and Engineering Chemical Research, 1992, 31, 1835–1840.
- ^ Agarwal, P.; Sharma, D.K. (2011). "Studies on the Desulfurization of Petroleum Coke by Organorefining and Other Chemical and Biochemical Techniques Under Milder Ambient Pressure Conditions". Petroleum Science and Technology. 29 (14): 1482–1493. doi:10.1080/10916460902839230.
- ^ Stockman, Lorne (January 2013). "Petroleum Coke: The Coal Hiding in the Tar Sands". Oil Change International. Retrieved May 18, 2013.
- ^ Austin, Ian (May 17, 2013). "A Black Mound of Canadian Oil Waste Is Rising Over Detroit". The New York Times. Retrieved May 18, 2013..
- ^ Jump up to: a b Tammy Webber; Katy Daigle (2017). "US exporting dirty fuel to pollution-choked India". San Jose Mercury-News. Bay Area News Group. Associated Press. p. A4. 누락 또는 비어 있음
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- ^ Jump up to: a b Andrews, Anthony (2013). "Petroleum Coke: Industry and Environmental Issues". Congressional Research Service: 9. Archived from the original on 2018-09-10. Retrieved 2017-02-01 – via nam.org.
- ^ "City of Chicago Fugitive Dust Study" (PDF). cityofchicago.org. March 1, 2015.
외부 링크
 | 위키미디어 커먼스는 석유 코크스 관련 매체를 보유하고 있다. |
- IUPAC는 다양한 형태의 고체 탄소를 정의한다.
- 석회화된 석유 코크스 생산 방법에 대한 BP 정보
