코크스
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1. 개요
코크스는 석탄을 고온에서 구워 생산하는 고체 연료로, 주로 제철 과정에서 철광석을 제련하는 환원제로 사용된다. 고대 중국에서 처음 사용되었으며, 영국 산업 혁명 시기에 고로 기술 발전에 기여하며 널리 사용되었다. 현재 세계 최대 코크스 생산국은 중국이며, 미국에서도 19세기 후반에 대량 생산되었다. 코크스 생산 과정에서는 다양한 부산물이 발생하며, 특히 코크스 오븐 배출물은 건강과 환경에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 한국의 코크스 산업은 철강 기업을 중심으로 발전해왔으며, 최근에는 환경 규제 강화와 친환경 제철 기술 개발로 인해 코크스 의존도가 낮아질 것으로 예상된다.
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코크스 | |
---|---|
개요 | |
종류 | 연료 |
주성분 | 탄소 |
용도 | 제철 주조 난방 |
설명 | |
정의 | 석탄을 고온으로 가열하여 얻는 고체 연료. |
제조 과정 | 건류: 석탄을 공기가 없는 상태에서 가열하여 휘발성 성분을 제거하는 과정. 탄화: 휘발성 성분이 제거된 석탄을 더욱 높은 온도에서 가열하여 탄소 함량을 높이는 과정. |
특징 | 높은 탄소 함량: 높은 발열량을 가짐. 낮은 휘발성분: 연소 시 연기가 적게 발생. 다공성 구조: 표면적이 넓어 연소 효율이 높음. |
역사 | |
기원 | 17세기, 영국에서 석탄을 이용한 제철 기술 개발과 함께 시작. |
발전 | 18세기: 산업 혁명과 함께 수요 급증. 19세기: 제철 기술 발전에 필수적인 연료로 자리매김. |
종류 | |
제철용 코크스 | 제철 과정에서 환원제로 사용되는 고품질 코크스. |
용광로 코크스 | 용광로에서 철광석을 녹이는 데 사용되는 코크스. |
주조용 코크스 | 주조 과정에서 금속을 녹이는 데 사용되는 코크스. |
난방용 코크스 | 난방용으로 사용되는 코크스. |
제조 방법 | |
코크스 오븐 | 석탄을 밀폐된 공간에서 고온으로 가열하여 코크스를 제조하는 설비. |
건식 코크스 냉각법 (CDQ) | 코크스를 질소 등의 불활성 기체로 냉각하는 방법. 에너지 회수 및 환경 오염 저감 효과. |
습식 코크스 냉각법 (WCQ) | 코크스를 물로 냉각하는 방법. |
환경 문제 | |
대기 오염 | 코크스 제조 과정에서 발생하는 먼지, 황산화물, 질소산화물 등의 대기 오염 물질. |
수질 오염 | 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수. |
지구 온난화 | 코크스 연소 시 발생하는 이산화탄소. |
참고 자료 | |
관련 항목 | 석탄 제철 탄소 |
2. 역사
코크스는 고대부터 사용된 연료 및 환원제이다. 코크스 제조의 초기 형태는 덩어리탄을 사용하여 숯을 굽는 방식과 유사했다.
고대 중국에서는 4세기경부터 코크스 생산을 시작하여, 11세기경부터 제철 연료로 활용하였다.[26]
1589년 영국에서는 석탄을 이용하여 철과 강철을 만드는 특허가 나왔으며, 1603년에는 석탄을 숯처럼 만드는 방법이 제안되었다. 1709년 에이브러햄 다비 1세는 코크스 소성 고로를 설립하여 주철을 생산했는데, 이는 산업 혁명의 중요한 요인이 되었다.
1817년 미국에서는 처음으로 용광로에 코크스가 사용되었고, 19세기 후반에는 서부 펜실베이니아의 탄전을 중심으로 코크스 제조업이 크게 발전하였다.
초창기 증기 기관차는 코크스를 일반적인 연료로 사용했다. 이는 초기 환경 법률에 따라 모든 기관차가 "자신의 연기를 소비"해야 했기 때문이다.[37]
"가스 공장"에서는 밀폐된 챔버에서 석탄을 가열하여 코크스를 생산했다. 이때 발생한 가연성 가스는 가스 홀더에 저장되어 가정 및 산업용으로 사용되었으며, "타운 가스"라고 불렸다. 이 가스는 천연 가스로 대체되기 전까지 사용되었다.
2024년, 미국 내 코크스 연소 시설에 대한 조사 결과, 매년 약 892명의 조기 사망과 주민들의 천식 증상 증가 및 기타 건강 영향의 원인이 될 수 있는 것으로 나타났다.[44]
2. 1. 중국
고대 중국에서 4세기경의 역사적 자료는 이미 코크스 생산을 묘사하고 있다.[26] 늦어도 9세기부터 중국에서는 코크스를 난방과 요리에 사용했다. 11세기 초, 황허 계곡의 중국 제철업자들은 코크스를 사용하여 용광로에 연료를 공급하기 시작했는데, 이는 나무가 부족한 지역에서 연료 문제를 해결하는 데 도움을 주었다.[27] 1078년경, 중국에서 철 생산에 숯 대신 코크스를 사용하면서 산업이 급증하여 연간 생산량이 125,000톤에 달했다. 이 철은 도구, 무기, 현수교용 체인, 불상 제작에 사용되었다.[28]오늘날 중국은 세계 최대의 코크스 생산국이자 수출국이다.[29] 중국은 세계 코크스 생산량의 60%를 차지한다. 대기 오염에 대한 우려로 인해 에너지 효율이 낮은 구식 코크스 기술을 제거하여 코크스 산업의 기술 변화를 촉진했다.[30]

2. 2. 영국
1589년, 토머스 프록터와 윌리엄 피터슨은 석탄을 이용해 철과 강철을 만들고 납을 제련하는 특허를 받았다. 이 특허는 석탄을 "요리"하여 만드는 것에 대한 분명한 언급을 담고 있다.[31] 1603년, 휴 플랫은 석탄을 목탄을 나무에서 생산하는 방식과 유사하게 숯으로 만들 수 있다고 제안했다.1709년, 에이브러햄 다비 1세는 코크스 소성 고로를 설립하여 주철을 생산했다. 코크스의 우수한 압축 강도는 고로가 더 높고 커질 수 있도록 했다. 그 결과, 저렴한 철의 가용성은 산업 혁명을 이끄는 요인 중 하나였다. 이전에는 제철 과정에서 많은 양의 목탄을 사용했는데, 꺾꽂이 방식의 숲 관리가 수요를 충족할 수 없게 되자, 숯 대신 코크스를 사용하는 것이 영국에서 보편화되었다.[34] 18세기 후반에는 벽돌 벌집 가마가 개발되어 연소 과정을 더 잘 제어할 수 있게 되었다.[34]
19세기 중반, 스코틀랜드 철강 산업은 코크스 채굴장에서의 열풍 공정 채택을 통해 빠르게 확장되었다.[36]
2. 3. 미국
미국에서 용광로에 코크스를 처음 사용한 것은 1817년경 펜실베이니아주 페이엣 카운티에 있는 아이작 미슨의 플럼스톡 퍼들링 용광로 및 압연 공장에서였다.[38] 19세기 후반, 서부 펜실베이니아의 탄전은 코크스 제조에 풍부한 원료를 제공했다. 1885년, 로체스터 앤 피츠버그 석탄 및 철강 회사[39]는 펜실베이니아주 월스턴에 세계에서 가장 긴 코크스 오븐 열을 건설했으며, 총 길이 2km에 걸쳐 475개의 오븐이 있었다. 이들의 생산량은 월 22,000톤에 달했다. 펜실베이니아주 헌팅던 카운티의 광부 마을 코크스 오븐은 1991년 미국 국립 사적지에 등재되었다.[40]
1870년에서 1905년 사이에 미국의 벌집 오븐 수는 약 200개에서 31,000개로 증가했으며, 이로 인해 피츠버그 지역에서만 거의 18,000,000톤의 코크스가 생산되었다.[41] 한 관찰자는 기차에 실으면 "1년 생산량으로 기차를 만들면 앞의 기관차가 샌프란시스코까지 갔다가 커넬스빌로 돌아올 때까지 뒤쪽 객차가 커넬스빌 역을 출발하지 못할 정도"라고 자랑했다. 피츠버그의 벌집 오븐 수는 1910년에 거의 48,000개로 정점을 찍었다.[42]
최고 품질의 연료를 만들었지만, 코크스 제조는 주변 지역을 오염시켰다. 1900년 이후, 벌집 코크스 제조의 심각한 환경 피해가 전국적인 주목을 받았지만, 피해는 수십 년 동안 지역을 괴롭혔다. 1911년 미국 이민 위원회의 W. J. 로크는 "일부 오븐에서 나오는 연기와 가스는 작은 광산 공동체 주변의 모든 식물을 파괴한다"고 언급했다.[43] 기차를 타고 이 지역을 지나가던 위스콘신 대학교 총장 찰스 반 하이즈는 "불꽃이 터져 나오고 짙은 연기 구름이 솟아 하늘을 어둡게 만드는 벌집 오븐의 긴 열을 보았다. 밤에는 이 수많은 불타는 구덩이로 인해 장면이 형언할 수 없을 정도로 생생해진다. 벌집 오븐은 코크스 제조 지역 전체를 우울한 하늘로 만들고, 암울하고 건강에 좋지 않게 만든다."고 말했다.[43]



3. 생산
코크스는 석탄을 공기가 없는 상태에서 고온으로 가열하는 건류 과정을 통해 생산된다. 이 과정을 코킹이라고 한다. 코크스 제조의 "가마" 공정은 덩어리탄을 사용하여 숯 굽는 방식과 유사하며, 코크스 먼지로 덮인 석탄 더미가 사용되었다. 가마 공정은 19세기 전반기에 많이 사용되었지만, 용광로에서의 열풍 발명과 벌집형 코크스 오븐의 도입으로 그 중요성이 크게 줄었다. 용광로에서 냉풍 대신 뜨거운 공기를 사용하는 것은 1828년 스코틀랜드의 닐슨(Neilson)에 의해 처음 도입되었다.[36]
코크스의 벌크 비중은 일반적으로 약 0.77이며, 매우 다공성이다. 화학적 조성과 물리적 특성은 모두 고로에서 코크스의 유용성에 중요하다. 조성 측면에서는 낮은 회분과 황 함량이 바람직하다. M10, M25, M40 시험 분쇄 지수는 고로로 운송하는 동안 코크스의 강도를 나타내는 중요한 특성이며, 반응 후 코크스 강도 (CSR) 지수는 고로 내부의 격렬한 조건에서 미세 입자로 변하기 전에 코크스가 견딜 수 있는 능력을 나타낸다. 코크스 조각은 "벨 코크스" (30 - 80 mm), "너트 코크스" (10 - 30 mm), "코크스 브리즈" (< 10 mm)와 같은 용어로 표시된다.[23]
코크스 내의 수분 함량은 코크스 공정 완료시 거의 0이지만, 고로로 운송하기 위해 종종 물로 급랭된다. 코크스의 다공성 구조는 질량의 약 3~6%의 수분을 흡수한다. 더 현대적인 코크스 공장에서는 공기 급랭을 사용하는 고급 코크스 냉각 방법을 사용한다.
3. 1. 산업용 코크스 용광로
석탄은 공기가 없는 가마, "코크스 용광로" 또는 "코킹 오븐"에서 2000°C에 달하는 고온에서 굽지만, 일반적으로 1000°C~1100°C 정도의 온도에서 굽는다.[2] 이 과정에서 석탄 내 유기 물질이 증발하거나 분해되어 물, 석탄 가스, 콜타르와 같은 휘발성 및 액체 생성물이 배출된다. 코크스는 분해의 비휘발성 잔류물로, 단단하고 약간 유리질인 고체 형태로, 원래 석탄 입자의 탄소와 광물 잔류물이 서로 굳어진 것이다.3. 2. 벌집 코크스 오븐 (Beehive coke oven)
벌집 오븐은 돔 모양의 내화 벽돌 챔버로, 일반적으로 너비 4m, 높이 2.5m 정도이다. 지붕에는 석탄 등을 위에서 투입하기 위한 구멍이 있고, 벽 하단에는 배출 구멍이 있다. 코크스 오븐 배터리에는 여러 개의 오븐이 인접한 오븐 사이에 공통 벽이 있는 열로 건설되는데, 때로는 수백 개의 오븐이 한 줄로 구성되기도 한다.[8]
석탄은 위에서 투입되어 약 60cm 깊이의 균일한 층을 만든다. 처음에는 석탄에 불을 붙이기 위해 공기가 공급된다. 탄화가 시작되면 휘발성 물질이 생성되고, 이는 부분적으로 닫힌 측면 문 안에서 연소된다. 탄화는 위에서 아래로 진행되며 2~3일 만에 완료된다. 이 과정에 필요한 열은 연소하는 휘발성 물질에 의해 공급되므로 부산물은 회수되지 않는다. 배기 가스는 대기 중으로 배출된다. 뜨거운 코크스는 물로 급랭되고 측면 문을 통해 수동으로 배출된다. 오븐이 지속적으로 사용될 때 벽과 지붕은 다음 투입물의 탄화를 시작할 수 있을 만큼 충분한 열을 유지한다.
석탄이 코크스 오븐에서 연소되면 가스로 제거되지 않은 석탄의 불순물이 슬래그로 오븐에 축적된다. 이것은 제거된 불순물의 덩어리이다. 슬래그는 처음에 그냥 버려졌으나, 나중에 벽돌 제조, 혼합 시멘트, 과립 덮개 및 비료 등 다양한 용도로 사용되었다.[9]
3. 3. 부산물
코킹의 부산물로는 콜타르 피치, 암모니아(NH3), 황화 수소(H2S), 피리딘, 시안화 수소 등이 있다.[3] 일부 시설에는 휘발성 분해 생성물을 수집, 정제 및 분리하여 연료 또는 화학 원료로 사용하는 "부산물" 코킹 오븐이 있다. 그렇지 않은 경우 휘발성 부산물은 코킹 오븐을 가열하기 위해 연소되는데, 이는 오래된 방식이지만 새로운 건설에도 여전히 사용되고 있다.[4]3. 4. 석유 코크스
석유를 크래킹 공정을 통해 정제하고 남은 고체 잔류물은 일종의 코크스이다. 석유 코크스는 연료 외에도 건전지 제조, 전기 분해 및 아크 용접 전극 제조 등 다양한 용도로 사용된다.[46]석유 코크스에는 일반적으로 딜레이드 코크스(delayed coke), 코킹 장치에서 채취된 그대로의 생 코크스(raw coke), 생 코크스를 다시 한번 구워서 휘발분을 제거한 소성 코크스(calcined coke)가 있다. 또한 코킹 방법에 따라 플루이드 코크스(fluid coke)라고 칭하는 분말 형태의 연료로 사용되는 것도 제조되고 있다.
석유 코크스는 용도상 황분, 금속분 등은 바람직하지 않다. 따라서 원료유는 저황분인 것으로, 바나듐, 니켈 등의 중금속분이 적은 것이 바람직하다. 또한, 고황 잔유에서는 코킹 전 처리로 직접 수소화 탈황 장치에 걸어 탈황 및 탈금속이 행해지기도 한다.
4. 주요 용도
코크스는 제철, 야금, 주물, 합금철, 탄소재, 알루미늄 정련, 연삭재 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.
- 제철: 연료 및 환원제로 사용되며, 코크스가 연소하며 생성된 일산화 탄소는 산화철을 환원시켜 철을 생산한다.
- 기타: 대장장이 작업 연료, 가정 난방용(영국에서는 무연탄 연료 대체재), 하이랜드 파크 증류소의 스코틀랜드 위스키 제조, 중화 요리나 말 냄비처럼 강한 화력이 필요한 요리에 사용된다.
코크스로 만들 수 있는 합성 가스는 다음과 같다.
- 수성 가스: 뜨겁게 달궈진 코크스 위로 증기를 통과시켜 만든다.
- 발생로 가스: 뜨겁게 달궈진 코크스 위로 공기를 통과시켜 만든다.
- 코크스 오븐 가스: 수소를 60% 함유하며, 수소 경제에 활용될 수 있다.[14]
주조사에서는 미세하게 분쇄된 역청탄이 사용되며, 큐폴라 용광로 바닥의 점토 라이닝과 혼합될 수 있다. 일본에서는 쓰레기 소각로의 보조 연료, 바이오 코크스를 생성하여 연료로 활용하는 시도도 있었다.[49]
4. 1. 제철
코크스는 연료로 사용될 수 있으며, 고로에서 철광석을 제련할 때 환원제로 사용된다.[11] 코크스가 연소하여 생성된 일산화 탄소는 산화철(적철광)을 환원시켜 철을 생산한다.[12]:
제철에서 코크스는 주로 연료로 사용된다. 갓 채굴한 석탄을 투입하면 함유된 황 성분이 철의 품질을 저하시키고, 콜타르와 피치는 고로의 고온 연소를 방해하기 때문에 고로의 연료로는 반드시 코크스가 사용된다. 석탄으로부터 코크스를 건류하여 생성하는 코크스 로를 병설하고 있는 제철소가 많다.
4. 2. 기타 용도
코크스는 대장장이 작업의 연료로 사용될 수 있다. 과거에는 가정 난방용으로도 사용되었으며, 특히 영국에서는 1956년 청정 대기법 이후 무연탄 연료 대체재로 널리 사용되었다.[11] 연기를 발생시키는 성분들이 제거되어 난로와 화로에서 바람직한 연료가 되기 때문이다. 코크스는 연기를 거의 또는 전혀 발생시키지 않고 연소될 수 있다는 장점이 있다.오크니의 하이랜드 파크 증류소에서는 코크스와 피트 혼합물을 태우는 가마에서 스코틀랜드 위스키에 사용할 맥아 보리를 굽는다.[13]
중화 요리나 말 냄비(자라 냄비)와 같이 강한 화력이 필요한 요리에도 사용된다. 중화 요리점에서는 실내 주방에서는 가스에 대체되었지만, 포장마차・점포 등에서는 지금도 코크스 연료의 화덕을 볼 수 있다.
가정에서 코크스를 연소시킬 때는 다량의 일산화 탄소가 발생하기 때문에, 일산화 탄소 중독을 피하기 위해 환기가 절대적으로 필요하다. 1970년대 무렵까지는, 관동 이북의 초・중학교 교실 대부분에서는 주로 코크스를 연료로 한 달마 스토브가 난방 기구로 이용되었다.
5. 건강 피해 및 환경 문제
코크스 제조 과정에서 발생하는 타르 등의 유독 가스는 폐암, 피부암 등 건강 문제를 일으킬 수 있다.[3] 코크스 공장 노동자들은 작업 중 흡입, 피부 접촉, 눈 접촉을 통해 코크스 오븐 배출물에 노출될 수 있으며, 이는 직업병 위험으로 이어진다.[10] 실제로 코크스 공장에서 일하다가 폐암에 걸리는 경우가 많아 산업재해 직업병으로 인정되기도 한다. 후쿠오카현 기타큐슈시의 한 코크스 공장에서는 전직 노동자가 폐암으로 사망하여 공장을 상대로 8500만 엔(8500만엔)의 손해 배상 청구 소송이 발생하기도 했다.
미국 산업안전보건청(OSHA)은 작업장에서의 코크스 오븐 배출물 노출 허용 기준을 8시간 작업일 동안 0.150 mg/m3 벤젠 가용성 분획으로 설정했다.[10] 미국 국립 산업 안전 보건 연구원(NIOSH)은 8시간 작업일 동안 0.2 mg/m3 벤젠 가용성 분획의 권고 노출 기준(REL)을 설정했다.[10]
코크스 제조는 대기 오염의 원인이 되기도 한다. 특히, 과거에 사용되던 벌집 코크스 오븐은 연소 과정에서 발생하는 배기 가스를 대기 중으로 그대로 배출하여 심각한 환경 피해를 유발했다.[8] 코크스 제조 폐수는 독성이 매우 강하고 발암성이 있으며, 페놀, 방향족, 헤테로고리 및 다환 유기물질과 시안화물, 황화물, 암모늄 및 암모니아를 포함한 무기물질이 포함되어 있다.[18] 흰색 부패균인 ''Phanerochaete chrysosporium''은 코크스 폐수에서 최대 80%의 페놀을 제거할 수 있다고 알려져 있다.[22]
최근에는 환경 문제와 탄소 중립 목표 달성을 위해 코크스 사용을 줄이고, 수소 환원 제철 등 새로운 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
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Killing Time: Leisure and Culture in Southwestern Pennsylvania, 1800–1850
University of Pittsburgh Press
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웹사이트
Granite City plant could be responsible for 6 to 11 premature deaths annually, report finds
https://www.stlpr.or[...]
2024-12-04
[45]
서적
"[[言泉]]:日本大辞典"
"[[大倉書店]]"
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웹사이트
http://www.tkcc.co.j[...]
[47]
뉴스
【旬材逸材】[[JFEスチール]]庵屋敷孝思主任研究員/鉄の未来 低炭素化に賭け『[[日経産業新聞]]』2019年7月1日(働き方面)。
[48]
웹사이트
ジェイパワー・エンテック株式会社HP「乾式脱硫脱硝装置の特長」
http://www.jpower.co[...]
[49]
웹사이트
特許庁技術分野別特許マップ 平成9年度「焼却炉技術」
http://www.jpo.go.jp[...]
[50]
웹사이트
関西熱化学(株)バーチャル史料館「ガス精製1」
http://www.coke-muse[...]
[51]
웹사이트
君津共同火力株式会社HP「発電所概要」
http://www.tgn.or.jp[...]
[52]
웹사이트
北九州イノベーションギャラリー「北九州ものづくり企業」
http://www.kigs.jp/d[...]
[53]
웹사이트
「コークス工場での労働で肺ガンに」北九州の遺族が新日鉄を提訴
http://k-shaiken.jp/[...]
[54]
웹사이트
코크스 폐암 소송
http://kd-lo.gr.jp/n[...]
[55]
웹사이트
타르 님 물질에 의한 질병의 인정 기준
http://www.joshrc.or[...]
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