درجات واستخدامات فحم الكوك النفطي (Petcoke): الإبري، الإسفنجي، المكلسن – دليل شامل

فحم الكوك النفطي، الذي يُختصر عادةً بـ (Petcoke)، هو مادة صلبة غنية بالكربون، وهي منتج ثانوي لعملية تكرير النفط الخام، وتحديداً مشتقة من الكسور الهيدروكربونية الثقيلة مثل زيت الوقود (Fuel Oil) والزيوت المتبقية. يمثل هذا المنتج المرحلة النهائية من عملية التكرير، حيث يحول المخلفات ذات القيمة المنخفضة إلى منتجات ذات قيمة أعلى. محتواه العالي من الكربون يجعله مادة خام ومصدر طاقة حاسمًا عبر مختلف الصناعات.

ما هو فحم الكوك النفطي (Petcoke)؟ التركيب والفروق في الدرجات

يختلف فحم الكوك النفطي (Petroleum Coke) عن فحم الكوك المعدني الذي يتم الحصول عليه من الفحم الحجري. فحم الكوك النفطي مادة صلبة كربونية مشتقة حصريًا من مخلفات النفط.

المكونات الرئيسية والتركيب الكيميائي

يتكون فحم الكوك النفطي بشكل أساسي من الكربون الثابت، ولكن جودته تُعرَّف بمستويات الشوائب:

الاسم الآخر لفحم الكوك النفطي: فحم الكوك، أو بتكوك، أو الفحم الحجري؟ِ

على الرغم من أنه غالبًا ما يسمى ببساطة “فحم الكوك”، إلا أن الأسماء الصحيحة هي فحم الكوك النفطي أو بتكوك (Petcoke). إنه ليس مثل الفحم الحجري، على الرغم من أن كلاهما وقود يعتمد على الكربون. يتمتع البتكوك بقيمة حرارية أعلى بكثير (طاقة أكبر لكل كتلة) ومحتوى رماد أقل من معظم أنواع الفحم، ولكنه غالبًا ما يحتوي على نسبة أعلى من الكبريت (Sulfur) والمعادن الثقيلة، مما يؤثر على اللوائح البيئية.

أنواع البتكوك حسب المعالجة والبنية المجهرية

يُصنف فحم الكوك النفطي في المقام الأول حسب مستوى معالجته وبنيته المجهرية الناتجة (الشكل). يعد فهم أنواع البتكوك هذه أمرًا ضروريًا لاختيار المادة المناسبة.

١. فحم الكوك الأخضر (Green Coke – خام أو غير مكلسن)

• الوصف: المنتج الصلب الأولي الذي يتم الحصول عليه مباشرة من وحدة إنتاج الكوك، ويحتوي على هيدروكربونات متبقية (مواد متطايرة)، ورطوبة، وشوائب مثل الكبريت.

• الإنتاج: يتم إنتاجه في عمليات مثل عملية التكويك المؤجل (Delayed Coking Process).

• الاستخدامات: يُستخدم مباشرة كوقود (بديل منخفض القيمة لزيت الوقود (Fuel Oil)) أو، إذا كان عالي النقاء، كمادة خام (Lub Cut) لإنتاج فحم الكوك المكلسن.

٢. فحم الكوك النفطي المكلسن (CPC)

• الوصف: منتج مُعالج ذو قيمة عالية ناتج عن تسخين فحم الكوك الأخضر في درجات حرارة عالية جدًا (تصل إلى 1350°C) في أفران دوارة. تزيل عملية التكليس (Calcination Process) هذه المواد المتطايرة والرطوبة، مما يزيد بشكل كبير من محتوى الكربون الثابت والكثافة.

• الإنتاج: عملية التكليس (خطوة تكميلية رئيسية).

• الاستخدامات: السلائف الأساسية لصنع منتجات كربونية عالية الجودة، وخاصة الأنودات المخبوزة مسبقًا لصناعة الألومنيوم (فحم الكوك من الدرجة الأنودية).

٣. فحم الكوك الإسفنجي (Sponge Coke)

• الوصف: يتميز ببنيته شديدة المسامية وغير المنتظمة، الشبيهة بالإسفنج. ينتج من مخلفات التفريغ بمستويات متوسطة من الأسفلتين والشوائب.

• الإنتاج: نتيجة لعملية التكويك المؤجل في ظل ظروف تشغيل معينة.

• الاستخدامات: يستخدم بشكل أساسي لـ فحم الكوك من الدرجة الأنودية في صناعة الألومنيوم، شريطة أن يكون محتوى الكبريت والمعادن فيه منخفضًا. كما أن بنيته المسامية تجعله مناسبًا لامتصاص الغاز والسائل.

٤. فحم الكوك الإبري (Needle Coke)

• الوصف: بتكوك ممتاز وعالي التبلور، معروف ببنيته البلورية الطويلة والألياف والشبيهة بالإبرة، مما يمنحه مقاومة كهربائية منخفضة وتمددًا حراريًا منخفضًا.

• الإنتاج: ينتج من مواد خام عطرية للغاية (مثل زيت الديكانت) في ظل ظروف عملية التكويك المؤجل الخاصة بالضغط العالي.

• الاستخدامات: المادة الخام المفضلة لتصنيع أقطاب الجرافيت عالية الطاقة المستخدمة في أفران القوس الكهربائي لصناعة الصلب، وبشكل متزايد لأنودات بطاريات الليثيوم أيون.

أنواع أخرى: فحم الكوك الحبيبي (Shot Coke) وفحم الكوك المُمَيَّع (Fluid Coke)

• فحم الكوك الحبيبي: كروي، صلب، وكثيف. غالبًا ما يرتبط بمواد التغذية عالية الأسفلتين/ الكبريت؛ وعادةً ما يكون فحم كوك من الدرجة الوقودية بقيمة سوقية منخفضة.

• فحم الكوك المُمَيَّع: كوك ناعم ومسحوق ينتج عن طريق عملية التكويك بالسرير المُمَيَّع؛ ويستخدم بشكل أساسي للتحويل إلى غاز والمراجل الصناعية.

عملية إنتاج فحم الكوك النفطي (Petroleum Coke)

يتم إنتاج البتكوك من خلال عمليات تكرير متخصصة مصممة لتحويل كسور الزيت الثقيل إلى نواتج تقطير أخف وأكثر قيمة (مثل الديزل و البنزين و الكيروسين) ومخلفات الكربون الصلبة.

١. عملية التكويك المؤجل (Delayed Coking Process)

هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج فحم الكوك الإسفنجي و فحم الكوك الإبري و فحم الكوك الحبيبي.

• يتم تسخين المادة الأولية الثقيلة (مثل مخلفات التفريغ) بسرعة وضخها في براميل كوك كبيرة تحت ضغط ودرجة حرارة عالية.

• تؤدي الحرارة إلى تكسير جزيئات الهيدروكربون الكبيرة، وتتصلب البقايا لتصبح فحم كوك أخضر داخل البراميل.

• يكمن الفرق بين فحم الكوك الإبري و فحم الكوك الإسفنجي بالكامل في جودة المادة الأولية (غنية بالمركبات العطرية للإبري) وظروف التشغيل الدقيقة (ضغط/إعادة تدوير عالٍ للإبري).

٢. عملية التكليس (Calcination Process)

هذه الخطوة الثانوية، بعد الإنتاج، حيوية لصنع CPC.

• يتم تسخين فحم الكوك الأخضر ببطء في أفران دوارة إلى درجة حرارة تتراوح بين 980°C و 1350°C.

• تزيل هذه الحرارة جميع المواد المتطايرة والرطوبة تقريبًا، مما ينتج عنه فحم كوك مكلسن عالي النقاء ومناسب لتطبيقات الدرجة الأنودية.

مقارنة بين درجات البتكوك الرئيسية

يلخص هذا الجدول الفروق الأساسية بين الأنواع الرئيسية من فحم الكوك النفطي، ويسلط الضوء على خصائصها وتطبيقاتها:

هل فحم الكوك النفطي سام؟ المخاوف البيئية

فحم الكوك النفطي بحد ذاته مادة كربونية صلبة مستقرة وغير سامة بشكل حاد. ومع ذلك، تنشأ المخاوف البيئية والصحية بشكل أساسي مما يلي:

• الانبعاثات أثناء الحرق: يطلق البتكوك عالي الكبريت كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت (SO2) وأكاسيد النيتروجين (NOx)، وهي ملوثات هواء رئيسية.

• المعادن النزرة: يمكن إطلاق شوائب مثل الفاناديوم والنيكل أثناء الاحتراق أو تسربها من المخزونات، مما يشكل مخاطر بيئية طويلة الأمد.

• الغبار/الجسيمات المعلقة: يمكن أن يؤدي التعامل والتخزين إلى تكوين غبار كربوني ناعم، وهو مهيج للجهاز التنفسي.