کک نفتی (Petroleum Coke) که به اختصار “پت کک” (Petcoke) نیز نامیده می‌شود، یک محصول جانبی جامد، سیاه رنگ و سرشار از کربن است که از فرآیند پالایش نفت خام به دست می‌آید. این ماده در واقع حاصل تجزیه حرارتی (کراکینگ) هیدروکربن‌های سنگین نفت خام در دما و فشار بالا در واحدهای کک‌سازی پالایشگاه‌هاست. کک نفتی به دلیل خلوص بالای کربن، ارزش حرارتی زیاد و خواص فیزیکی و شیمیایی خاص خود، کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع مختلف پیدا کرده است.

فرآیند تولید کک نفتی

کک نفتی از ته مانده‌های بسیار سنگین برج تقطیر نفت خام (مانند وکیوم باتوم، مازوت یا نفت سنگین) تولید می‌شود. رایج‌ترین روش تولید آن، فرآیند کک‌سازی تأخیری (Delayed Coking) است. در این فرآیند:

1. خوراک سنگین نفت (مثل وکیوم باتوم) در کوره‌های مخصوص تا دماهای بسیار بالا (حدود ۴۸۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) حرارت داده می‌شود.

2. این خوراک داغ و نیمه‌بخار شده، به برج‌های کک‌ساز (Coke Drums) منتقل می‌شود. این برج‌ها ظروف بسیار بزرگی هستند که در دما و فشار کنترل‌شده، فرآیند کراکینگ حرارتی در آن‌ها رخ می‌دهد.

3. هیدروکربن‌های سنگین به مولکول‌های سبک‌تر (مانند نفتا، گازوئیل، LPG) و یک ماده جامد کربنی (کک نفتی) تبدیل می‌شوند. محصولات سبک‌تر به صورت بخار از بالای برج خارج شده و برای پردازش بیشتر به سایر واحدها فرستاده می‌شوند.

4. کک نفتی به صورت جامد در داخل برج رسوب می‌کند. پس از پر شدن برج، جریان خوراک به برج دوم منتقل می‌شود تا فرآیند به صورت پیوسته ادامه یابد.

5. پس از خنک شدن برج، کک جامد با روش‌های مکانیکی (مانند برش با جت آب پرفشار) از برج خارج و آماده مراحل بعدی می‌شود. کک نفتی تولید شده در این مرحله، کک نفتی خام (Green Coke) نام دارد که حاوی مقداری ناخالصی و مواد فرار است و برای برخی کاربردهای حساس نیاز به فرآوری بیشتر دارد.

انواع کک نفتی و ویژگی‌های آن‌ها

کک نفتی بر اساس شکل ظاهری، خواص فیزیکی و شیمیایی، و کاربرد نهایی به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شود:

1. کک نفتی خام (Green Coke):

   • این نوع کک مستقیماً از واحد کک‌سازی به دست می‌آید و حاوی مقداری رطوبت و مواد فرار (حدود ۱۰-۱۵ درصد) است.

   • ظاهری متخلخل و نامنظم دارد.

   • معمولاً به عنوان سوخت صنعتی در نیروگاه‌ها، کارخانه‌های سیمان، و برخی صنایع دیگر استفاده می‌شود. ارزش حرارتی بالایی دارد.

2. کک نفتی کلسینه شده (Calcined Petroleum Coke – CPC):

   • این کک از حرارت دادن کک خام در دماهای بسیار بالا (حدود ۱۲۰۰ تا ۱۳۵۰ درجه سانتی‌گراد) در کوره‌های کلسیناسیون به دست می‌آید.

   • هدف از کلسیناسیون، حذف کامل رطوبت و مواد فرار باقی‌مانده، افزایش خلوص کربن، بهبود هدایت الکتریکی و افزایش استحکام مکانیکی کک است.

   • کک کلسینه شده دارای خلوص کربن بسیار بالا (بیش از ۹۸.۵ درصد)، گوگرد پایین و فلزات سنگین ناچیز است.

   • گران‌تر از کک خام است و در کاربردهای با ارزش افزوده بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

3. کک اسفنجی (Sponge Coke):

   • این نوع کک به دلیل شباهت ظاهری به اسفنج به این نام خوانده می‌شود و دارای تخلخل بالایی است.

   • معمولاً از خوراک‌های نفتی با محتوای آسفالتین، گوگرد و فلزات کم تا متوسط تولید می‌شود.

   • کاربرد اصلی آن در تولید آندهای آلومینیوم و الکترودهای گرافیتی است.

4. کک سوزنی (Needle Coke):

   • مرغوب‌ترین و گران‌ترین نوع کک نفتی است که دارای ساختار بلورین و سوزنی شکل است.

   • از خوراک‌های نفتی خاص (غنی از هیدروکربن‌های آروماتیک) تحت شرایط کنتر‌ل‌شده تولید می‌شود.

   • دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین و هدایت الکتریکی عالی است.

   • به دلیل این ویژگی‌ها، کک سوزنی ماده اولیه اصلی برای تولید الکترودهای گرافیتی فوق‌العاده با کیفیت است که در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) صنایع فولاد و سایر کاربردهای متالورژیکی با دمای بالا استفاده می‌شود.

5. کک ساچمه‌ای (Shot Coke):

   • به صورت گلوله‌های کروی شکل تولید می‌شود.

   • معمولاً دارای گوگرد و فلزات سنگین بالاتری است و کیفیت پایین‌تری نسبت به انواع دیگر دارد.

   • بیشتر به عنوان سوخت یا در کاربردهایی که خلوص کربن خیلی بالا اهمیت ندارد، استفاده می‌شود.

کاربردهای کک نفتی

کک نفتی با توجه به نوع و کیفیت آن، در طیف وسیعی از صنایع کاربرد دارد:

• صنایع آلومینیوم (تولید آند): مهم‌ترین مصرف‌کننده کک نفتی کلسینه شده (به ویژه کک اسفنجی)، صنعت آلومینیوم است. کک نفتی کلسینه شده به عنوان ماده اولیه برای ساخت آندهای کربنی در فرآیند ذوب الکترولیتی آلومینیوم (فرآیند هال-هرولت) استفاده می‌شود. این آندها در طی فرآیند، کربن مورد نیاز واکنش را تأمین کرده و مصرف می‌شوند.

• صنایع فولاد (الکترودهای گرافیتی و کربن‌دهی):

  • کک سوزنی ماده اصلی تولید الکترودهای گرافیتی با کیفیت بالا است که در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) برای ذوب قراضه آهن و تولید فولاد استفاده می‌شوند.

  • کک نفتی کلسینه شده و حتی در برخی موارد کک خام، به عنوان عامل کربن‌دهنده (Carburizer) در کوره‌های القایی و پاتیلی برای تنظیم محتوای کربن فولاد مذاب به کار می‌روند.

• تولید دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2): در فرآیند تولید رنگدانه دی‌اکسید تیتانیوم (به روش کلراید) به عنوان یک عامل احیاکننده و منبع کربن استفاده می‌شود.

• سوخت صنعتی: کک نفتی خام و همچنین کک ساچمه‌ای، به دلیل ارزش حرارتی بالا، در نیروگاه‌های تولید برق، کارخانه‌های سیمان و سایر واحدهای صنعتی به عنوان سوخت جایگزین یا مکمل استفاده می‌شوند.

• تولید گرافیت مصنوعی: کک نفتی کلسینه شده با کیفیت بالا، ماده اولیه برای تولید گرافیت مصنوعی است که در صنایع الکترونیک، باتری‌سازی (الکترودهای باتری‌های لیتیوم-یون) و مواد نسوز کاربرد دارد.

• صنایع شیمیایی: به عنوان یک منبع کربن در برخی فرآیندهای شیمیایی و تولید محصولات کربنی خاص.

• صنایع نسوز: به عنوان افزودنی در تولید برخی مواد نسوز به دلیل مقاومت در برابر حرارت.

چالش‌ها و چشم‌انداز

تولید کک نفتی، به خصوص کک خام، می‌تواند با چالش‌های زیست‌محیطی ناشی از محتوای گوگرد و انتشار اکسیدهای گوگرد در هنگام سوزاندن همراه باشد. به همین دلیل، نیاز به فناوری‌های تصفیه و کنترل آلایندگی در پالایشگاه‌ها و صنایع مصرف‌کننده آن رو به افزایش است.

از سوی دیگر، با توجه به رشد صنایع آلومینیوم و فولاد در جهان و نیاز فزاینده به منابع کربنی خالص، تقاضا برای کک نفتی، به ویژه انواع کلسینه شده و سوزنی، همچنان بالا خواهد بود. بسیاری از کشورها، از جمله ایران، در تلاشند تا با توسعه واحدهای کک‌سازی، نیاز داخلی خود را تأمین کرده و وابستگی به واردات این ماده استراتژیک را کاهش دهند.