انواع و کاربردهای کک نفتی (Petcoke): سوزنی، اسفنجی، کلسینه – راهنمای کامل

کک نفتی، که معمولاً با عبارت اختصاری پت‌کک (Petcoke) شناخته می‌شود، یک ماده جامد و غنی از کربن است که محصول فرعی فرآیند پالایش نفت خام، به ویژه از برش‌های سنگین هیدروکربنی مانند مازوت (Fuel Oil) و باقیمانده‌های نفتی است. این ماده نشان‌دهنده مرحله نهایی فرآیند پالایش است و باقیمانده‌های کم‌ارزش را به محصولات با ارزش بالا تبدیل می‌کند. محتوای کربن بالای آن، این ماده را به یک منبع انرژی و یک ماده اولیه حیاتی در صنایع مختلف تبدیل کرده است.

کک نفتی چیست؟ ترکیب و تفاوت درجات

کک نفتی (Petroleum Coke) با کک متالورژی که از زغال‌سنگ به دست می‌آید، متفاوت است. پت‌کک یک ماده جامد کربنی است که منحصراً از باقیمانده‌های نفتی حاصل می‌شود.

اجزای کلیدی و ترکیب شیمیایی

ترکیب اصلی پت‌کک کربن ثابت است، اما کیفیت آن توسط سطح ناخالصی‌ها تعریف می‌شود:

نام دیگر کک نفتی: کک، پت‌کک یا زغال‌سنگ؟ 

اگرچه اغلب به‌سادگی “کک” نامیده می‌شود، اما نام‌های صحیح آن کک نفتی (Petroleum Coke) یا پت‌کک (Petcoke) است. این ماده با زغال‌سنگ یکسان نیست، اگرچه هر دو سوخت‌های مبتنی بر کربن هستند. پت‌کک ارزش حرارتی بسیار بالاتر و محتوای خاکستر کمتری نسبت به بیشتر زغال‌سنگ‌ها دارد، اما اغلب محتوای گوگرد (Sulfur) و فلزات سنگین بالاتری دارد که بر مقررات زیست‌محیطی تأثیر می‌گذارد.

انواع کک نفتی بر اساس فرآوری و ساختار میکروسکوپی

کک نفتی در درجه اول بر اساس سطح فرآوری و ساختار میکروسکوپی (ریخت‌شناسی) خود طبقه‌بندی می‌شود. درک این انواع کک نفتی برای انتخاب ماده مناسب ضروری است.

۱. کک سبز (Green Coke – خام یا کلسینه نشده)

• توضیح: محصول جامد اولیه که مستقیماً از واحد کک‌سازی به دست می‌آید و حاوی هیدروکربن‌های باقیمانده (مواد فرار)، رطوبت و ناخالصی‌هایی مانند گوگرد است.

• تولید: در فرآیندهایی مانند فرآیند کک‌سازی تأخیری تولید می‌شود.

• کاربردها: مستقیماً به عنوان سوخت (جایگزینی برای مازوت کم‌ارزش) یا، در صورت خلوص بالا، به عنوان ماده اولیه برای تولید کک کلسینه استفاده می‌شود.

۲. کک نفتی کلسینه شده (CPC)

• توضیح: یک محصول فرآوری‌شده با ارزش بالا است که در نتیجه حرارت دادن کک سبز در دماهای بسیار بالا (تا ۱۳۵۰ درجه سانتی‌گراد) در کوره‌های دوار به دست می‌آید. این فرآیند کلسیناسیون مواد فرار و رطوبت را حذف می‌کند و محتوای کربن ثابت و چگالی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

• تولید: فرآیند کلسیناسیون (یک مرحله تکمیلی کلیدی).

• کاربردها: پیش‌ساز ضروری برای ساخت محصولات کربنی با کیفیت بالا، به ویژه آندهای پیش‌پخته برای صنعت آلومینیوم (کک با گرید آندی).

۳. کک اسفنجی (Sponge Coke)

• توضیح: با ساختار متخلخل، نامنظم و اسفنجی مانند خود مشخص می‌شود. از باقیمانده‌های وکیوم با سطوح متوسط آسفالتین و ناخالصی تولید می‌شود.

• تولید: نتیجه فرآیند کک‌سازی تأخیری تحت شرایط عملیاتی خاص.

• کاربردها: در درجه اول به عنوان کک با گرید آندی در صنعت آلومینیوم استفاده می‌شود، مشروط بر اینکه محتوای گوگرد و فلز آن پایین باشد. ساختار متخلخل آن همچنین آن را برای جذب گاز و مایع مناسب می‌سازد.

۴. کک سوزنی (Needle Coke)

• توضیح: یک کک نفتی ممتاز و بسیار کریستالی است که به دلیل ساختار کریستالی بلند، فیبری و سوزنی مانند خود شناخته می‌شود و هدایت الکتریکی و انبساط حرارتی پایینی دارد.

• تولید: از خوراک‌های بسیار آروماتیک (مانند روغن دکانت) تحت شرایط خاص فرآیند کک‌سازی تأخیری با فشار بالا تولید می‌شود.

• کاربردها: ماده اولیه ترجیحی برای ساخت الکترودهای گرافیتی با توان بالا است که در کوره‌های قوس الکتریکی برای صنعت فولاد استفاده می‌شود و به‌طور فزاینده‌ای برای آندها در باتری‌های لیتیوم-یون نیز کاربرد دارد.

انواع دیگر: کک شات (Shot Coke) و کک سیال (Fluid Coke)

• کک شات: کروی، سخت و متراکم. اغلب با خوراک‌های دارای آسفالتین/ گوگرد بالا مرتبط است؛ معمولاً کک با گرید سوختی با ارزش بازار پایین است.

• کک سیال: کک ریز و پودری که توسط فرآیند کک‌سازی با بستر سیال تولید می‌شود؛ عمدتاً برای گازی‌سازی و دیگ‌های بخار صنعتی استفاده می‌شود.

فرآیند تولید کک نفتی

پت‌کک از طریق فرآیندهای پالایشی تخصصی تولید می‌شود که برای تبدیل برش‌های سنگین نفتی به تقطیرهای سبک‌تر و باارزش‌تر (مانند گازوئیل، بنزین، و نفت سفید) و باقیمانده کربن جامد طراحی شده‌اند.

۱. فرآیند کک‌سازی تأخیری (Delayed Coking Process)

این رایج‌ترین روش برای تولید کک اسفنجی، کک سوزنی، و کک گلوله‌ای است.

• خوراک سنگین (مانند باقیمانده وکیوم) به‌سرعت گرم شده و تحت فشار و دمای بالا به درام‌های بزرگ کک پمپ می‌شود.

• حرارت، مولکول‌های بزرگ هیدروکربنی را می‌شکند و باقیمانده در داخل درام‌ها به صورت کک سبز جامد می‌شود.

• تفاوت بین کک سوزنی و کک اسفنجی کاملاً به کیفیت خوراک (غنی از آروماتیک برای سوزنی) و شرایط عملیاتی دقیق (فشار/گردش بالا برای سوزنی) بستگی دارد.

۲. فرآیند کلسیناسیون (Calcination Process)

این مرحله ثانویه و پس از تولید، برای ساخت CPC حیاتی است.

• کک سبز به‌آرامی در کوره‌های دوار تا دمای 980°C تا 1350°C حرارت داده می‌شود.

• این حرارت تقریباً تمام مواد فرار و رطوبت را حذف می‌کند و منجر به تولید کک کلسینه با خلوص بالا می‌شود که برای کاربردهای گرید آندی مناسب است.

مقایسه درجات اصلی پت‌کک

این جدول تفاوت‌های اصلی بین انواع عمده کک نفتی را خلاصه کرده و خواص و کاربردهای آن‌ها را برجسته می‌کند:

آیا کک نفتی سمی است؟ نگرانی‌های زیست‌محیطی

کک نفتی به خودی خود یک جامد کربنی پایدار است و به صورت حاد سمی نیست. با این حال، نگرانی‌های زیست‌محیطی و بهداشتی عمدتاً از موارد زیر ناشی می‌شوند:

• انتشارات در حین سوختن: پت‌کک با گوگرد بالا، دی‌اکسید گوگرد (SO2) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) قابل توجهی آزاد می‌کند که آلاینده‌های اصلی هوا هستند.

• فلزات جزئی: ناخالصی‌هایی مانند وانادیم و نیکل می‌توانند در حین احتراق آزاد شوند یا از انبارهای ذخیره‌سازی نشت کنند و خطرات زیست‌محیطی طولانی‌مدت ایجاد کنند.

• گرد و غبار/ذرات معلق: جابجایی و انبارش می‌تواند گرد و غبار کربنی ریز ایجاد کند که محرک تنفسی است.