1. 개요
coke[1]탄소가 주성분인 화석 연료를 정제하여 특별히 고탄소화시킨 것을 지칭한다. 나무로 숯 또는 목탄을 만들듯, 석탄으로 코크스를 만든다.
이것은 석탄 형성 과정에서 내부에 가스와 여러 유기용질등 이물질들이 함유되는데 이것을 산화시킬 산소를 차단한 상태에서 가열하면 여러 녹는점과 휘발점이 낮은 물질들이 빠져 나온다. 그리고 거의 순수한 탄소만으로 응집된 금속질의 덩어리가 만들어지는데 이 과정을 건류(乾溜, Dry distillation)라 하고, 이로부터 얻어진 석탄을 점결탄(粘結炭, Coking Coal,Coke(英),Koks(獨))이라 한다. 이 건류의 정도에 따라 강점결탄, 부분강점결탄, 약점결탄, 부분 약점결탄으로 분류된다.
이 코크스는 강도가 높은 회흑색 금속질의 물질로서 강도가 높을 뿐더러 건류과정에서 여러 휘발성 물질들이 빠져나와 다공질성을 갖고 있기에 산소와 접촉면이 많아 화력이 강하고 일정하다. 거기에 금속성 강도도 가지므로 제철시 덩어리로 고로(高爐)에 철광석과 함께 투입될 경우 액화된 철광석이 고로 바닥으로 고이는 것을 버텨내면서 지속적으로 높은 온도의 연소가 가능하다. 이것은 과거 엄청난 양의 목탄과 송풍장치가 있어야 달성 가능했던 철의 용융점에 비할 데 없이 빠르게 접근 가능해, 연료의 낭비도 줄이고 철의 변성도 적어져서 고품질의 선철을 대량으로 제조하게 한다. 이로 인해 철과 이를 이용한 강철이 제품으로서뿐만 아니라 공업, 산업적 재료로서 대량으로 사용되기 시작한 것이다.
또한 건류 과정에서의 부산물인 석탄가스도 유용하게 이용되었는데, 바로 런던의 명물이었던 가스등의 사용이 그것이다. 이미 로마시대에 템즈강 하류에 도시가 형성되어 론디니움이라 불리웠던 이 도시는 확장에 따라 환경악화와 치안 부재로 이름이 높았다. 그러나 런던이 코크스를 제조할 때 만들어진 석탄가스를 이용한 가스등을 이용해 밤을 밝히면서 치안이 비약적으로 향상되게 된다.
2. 상세
산업 혁명의 핵심 중 한 가지로 고대 중국에서 개발되었지만[2] 서양에서는 17세기 경부터 쓰이기 시작했으며, 제철소 연료로는 1709년에 사용되었다.[3] 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, 산업 혁명이 일어난 영국 기타 유럽 여러 나라에서 채굴되는 석탄은 거의 대부분이 역청탄이었고, 무연탄이 산출되는 광산은 극히 드물었다.[4] 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 제철산업[5]의 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 쇳물[6]이 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.
이렇게 코크스는 철강산업에서 필수적이지만, 코크스를 통해 철강을 만드는 과정에서 대량의 대기오염 물질이 발생하고, 또한 이산화탄소가 발생해 기후변화를 초래하는 문제가 있다. 이 문제 때문에 전 세계에서 코크스를 대체할 연료 개발에 매진하고 있다. 산화철에서 산소를 뽑아내는 것이 핵심이기 때문에 이론적으로는 환원제로 사용 할 수 있는 물질이면 코크스를 대체할 수 있으며, 가장 유력한 대체 후보는 수소이다. 이미 수소를 활용한 수소환원 등의 신기술들이 개발되고 있으며, 수소를 사용할 경우 수소+산소=물 만이 발생하므로 이산화탄소 발생을 줄일 수 있다.
북한은 외화 부족으로 해외에서 코크스를 수입할 수 없게 되자 북한 내에 풍부하게 매장되어 있는 무연탄을 코크스 대용으로 사용해 주체철이라는 철을 제작하는 공정을 확보했다고는 하나 이렇게 생산된 주체철은 기존보다 에너지를 더 많이 소비하고 또 품질도 기존보다 조악하다고 한다.
과거 중식을 만들 때, 강한 불과 열을 내기 위해 코크스가 연료로 쓰였다.[8] 당연히 중식당의 주방 내부는 한겨울에도 초열지옥이었다고 한다.
3. 관련 문서
[1] 코카콜라의 준말로 쓰는 coke와 거짓짝 관계이다.[2] 단, 당시 중국의 코크스는 질이 낮았다. 오죽하면 송나라의 무기가 약한 이유 중 하나가 저품질의 코크스 사용으로 추정될 정도. 애초에 송나라의 코크스 발명이 서양보다 700년이나 앞섰던걸 고려할 필요가 있다. 대신 당시 송나라의 선철 생산량 자체는 엄청나게 높았다.[3] 네이버 지식백과[4] 사실 무연탄은 나무가 더 오랜 세월 동안 탄화과정을 거친 것이므로, 지구 전체로 놓고 보면 무연탄은 역청탄보다 드물 수밖에 없다. 오히려 무연탄이 흔한 한반도가 특이한 것.[5] 코크스 발명 전에는 제철연료로 목탄만을 사용할 수 있었다.[6] 이대로 식으면 코크스에서 발생한 탄소가 왕창 첨가된 선철이 된다. 보통 무쇠라고 하면 알아듣는데 무식하게 단단하지만 엄청 쉽게 깨져서 실제로 산업에 사용되는 경우는 없다.[7] 수소는 물, 석유 등 화합물의 형태로 상당히 많은 양이 지구에 있으나, 수소로 만들기 위해서는 화합물 생성시에 특유의 격렬한 반응으로 뿜어낸 에너지를 다시 집어 넣어야(전기분해 등)하기 때문에 생산비용이 비싸다. 또한 지각의 수소전에서 채굴을 하더라도 순수 수소인 기체상태에서는 용기 틈새로 새버리기 때문에 운반비용 또한 많이 들어간다.[8] 중국은 목재 부족 등을 이유로 10세기 송나라 시절부터 석탄을 주방에 사용했다. 한반도의 국가(고려, 조선)는 목재가 풍부하여 이럴 필요가 없었으나, 17세기 소빙하기 이후로는 목재 자원의 고갈로 후기 조선의 국토는 죄다 민둥산이 되고 만다.[9] 제철소에서 제련 과정을 거칠 때 철광석(산화철)에서 산소를 떼어내야 하는데, 코크스(탄소)를 같이 집어넣고 녹여 산소를 떼어내기(이산화탄소) 위해 사용한다.