코크스

코크스

코크스(Coke)는 탄소 함량이 높고 불순물은 미량인 연료의 일종으로 골탄(骨炭), 해탄(骸炭)이라고도 한다. 대개 석탄을 원료로 만든다. 석탄에서 만들어진 코크스는 회색을 띠며 단단하고 다공성이다. 코크스는 자연적으로 만들어질 수도 있지만, 대개 사용되는 것들은 사람이 만든 것이다. 코크스는 산화되면 일산화탄소가 된다.

석탄을 가공해 만드는 연료로써, 불순물을 거의 포함하지 않은 고순도 탄소로 구성된 코크스는 주로 역청탄(bituminous)을 분해 증류(destructive distillation)하여 얻을 수 있으며, 단단한 다공성의 물질로 회색을 띤다. 주로 쓰이는 연료용 외에도 용광로에서 철 제련 시 환원제로 쓰이고 미국의 나사(NASA)에서 개발한 열차단 소재에 활용되기도 한다.

상세

화석 연료를 정제하여 특별히 고탄소화시킨 것을 지칭한다.

산업 혁명의 핵심 중 한 가지로 고대 중국에서 개발되었지만, 서양에선 17세기 경부터 쓰이기 시작했다. 제철소 연료론 1709년에 사용되었다. 코크스가 없던 시대에는 목탄(나무)을 연료로 삼았는데, 코크스 덕분에 효율도 좋고, 양질의 철을 생산하게 되어 철강과 산업 전체의 질이 달라지게 된다.

한국에서는 역청탄이 거의 생산되지 않기 때문에 와닿지 않을 수도 있지만, 산업혁명이 일어난 영국 기타 유럽 여러 나라에서 채굴되는 석탄은 거의 대부분이 역청탄이었고, 무연탄이 산출되는 광산은 극히 드물었다. 그리고 이러한 역청탄은 코크스화 과정을 거치지 않으면 사용이 곤란하였다. 즉, 코크스는 석탄시대를 이끈 원동력이다. 그냥 석탄은 특히 탄화도가 무연탄에 비해 떨어지는 역청탄의 경우 여러 물질이 뒤섞여 있는데, 단순히 탄소만이 아니라 석탄의 원료가 된 나무에서 유래한 탄화가 덜 된 각종 유기화합물이 포함되어 있다. 이 중에는 인체에 해로운 독성물질도 있고, 철 등에 들어가면 성능을 떨어뜨리는 황 등도 있다. 따라서 코크스화 공정이 개발되기 전에는 석탄은 제철용으로 쓸 수 없었을 뿐더러, 난방용 연료로도 목탄에 비해 열등한 것으로 취급되었다. 산업혁명 초창기 제철산업의 팽창으로 연료목이 아예 고갈되었던 영국의 경우, 석탄을 난방용으로 사용할 수밖에 없었던 결과 대기 오염이 심각해졌다. 코크스가 혁명적인 발명인 이유가 이것이다.

석탄 코크스 외에 석유 정제 과정에서 생기는 석유계 코크스 또한 산업에서 다방면에서 쓰이고 있다. petroleum coke, pet-coke라고 부른다. 석탄계 코크스보다 일반적으로 불순물 함량이 낮고 불순물의 종류가 예측 가능해서 식수용 활성탄 제조나 불순물 편차를 줄이고 싶은 정밀한 제조 상황 등지에서 쓰인다.

사용 예시는 철의 불순물을 없애는 제선과정에 사용된다. 높이 100미터 가량의 고로(용광로)에 철광석과 코크스를 투입하고 1500도의 열풍을 불어 넣어주면 철광석의 삼산화이철과 코크스가 반응하여 산소를 잃고 쇳물이 된다. 이 과정에서 산소가 코크스와 결합해 이산화탄소를 만들게 된다. 산소를 제거해 철 원소를 환원 시켜줌과 동시에 오로지 탄소만 철에 공급해서 강철의 원료를 만들어주는 완벽한 조건을 만드는 그야말로 제강산업에 있어 마법의 재료다.

코크스의 생산

주로 역청탄을 진공 용광로에서 약 1000 ℃도로 가열하여 코크스를 얻는데, 이때 그 탄에 포함된 수분과 석탄 가스, 타르를 비롯한 여러 휘발성 물질들이 제거된다. 코크스의 강도를 높이거나 적당한 부피 팽창을 유도하기 위해 코크스에 포함된 이들 물질의 양을 적절히 조절할 필요가 있다. 특히 코크스 생산을 위한 석탄 혼합물의 이상적인 휘발성 물질 함유량은 26-29 %이며, 이를 맞추기 위해 코크스로 가열되기 전 여러 종류의 석탄들이 다양한 비율로 혼합된다. 초창기 코크스의 생산에는 일반 목탄 생산 방법과 유사한 평로법(hearth process)이 사용되었으나, 이후 보다 효율적인 벌집 모양 오븐(beehive oven)을 활용한 코크스 생산 공정이 빠르게 평로법을 대체하게 되었다.

코크스의 활용

주로 연료로 쓰이지만 용광로에서 철광석을 제련할 때 환원제로 쓰이기도 한다. 이는 코크스를 연소시킬 때 방출되는 일산화 탄소가 철 속의 포함된 철 산화물의 생성을 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한, 코크스로 가공되는 과정에서 매연을 방출하는 물질들이 대부분 제거되기 때문에 가정용 난방에도 쓰일 수 있으며, 일부 양조업자들이 스카치 위스키에 들어가는 맥아를 볶을 때 사용하기도 한다. 연소할 때 일산화 탄소를 방출하기 때문에 그러한 화합물이 포함된 합성 가스를 제조할 때도 사용된다. 한편, 코크스가 다른 물질과 혼합될 경우, 뛰어난 열차단 효과를 가진다는 것이 우연히 밝혀지면서 일찍이 미국 나사에서는 코크스가 포함된 열차단 특수 소재(AVCOAT 5026-39)를 개발하였고, 이를 화성 탐사 차량인 패스파인더(Pathfinder)에 사용하기도 하였다.

참고자료

• 〈코크스〉, 《위키백과》
• 〈코크스〉, 《나무위키》
• 〈코크스〉, 《화학백과》

같이 보기

• 석탄
• 석유
• 철

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