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石油コークス（略称コークス、ペットコークス、またはペトコークス）は、石油精製から得られる最終的な炭素を豊富に含む固体物質であり、コークスと呼ばれる燃料群の一種です。ペトコークスは、特に、コーカーユニットと呼ばれる装置で行われる、石油の長鎖炭化水素をより短い鎖に分解する熱ベースの化学工学プロセスである最終分解プロセスから得られるコークスです 。 [ 1 ] （他の種類のコークスは石炭から得られます。）簡潔に言うと、コークスは「石油処理で得られる高沸点炭化水素留分（重質残渣）の炭化生成物」です。 [ 1 ]ペトコークスは、カナダのオイルサンドやベネズエラのオリノコオイルサンドから抽出されたビチューメンから合成原油（シンクルード）を製造する際にも生産されます。[ 2 ] [ 3 ] 石油コークス製造装置では、石油精製に使用される他の蒸留プロセスからの残油が高温高圧で処理され、ガスや揮発性物質が排出され、残りの軽質油と重質油が分離されて石油コークスが残ります。これらのプロセスは「コークス化プロセス」と呼ばれ、遅延コークス化の特定のプロセスには、通常、化学工学プラントの運転が採用されます。
このコークスは、燃料用（硫黄と金属の含有量が多い）または陽極用（硫黄と金属の含有量が少ない）のいずれかです。コークス炉から直接出てくる生のコークスは、しばしばグリーンコークスと呼ばれます。[ 1 ]この文脈では、「グリーン」とは未加工を意味します。回転窯で焼成することによってグリーンコークスをさらに加工すると、コークスから残留揮発性炭化水素が除去されます。焼成された石油コークスは、陽極焼成炉でさらに加工して、所望の形状と物理的特性を持つ陽極コークスを製造できます。陽極は主にアルミニウムおよび鉄鋼業界で使用されます。
石油コークスは炭素が80%以上を占め、燃焼時にエネルギー単位当たりで石炭よりも5%から10%多く二酸化炭素（CO2 ）を排出します。石油コークスはエネルギー含有量が高いため、重量単位当たりで石炭よりも30%から80%多くCO2を排出します。 [ 3 ]石炭とコークスのエネルギー単位当たりのCO2生成量の差は、石炭中の水分量（燃焼熱）によってエネルギー単位当たりのCO2が増加する一方、石炭とコークス中の揮発性炭化水素量によってエネルギー単位当たりのCO2が減少するためです。
石油コークスには、ニードルコークス、スポンジコークス、ショットコークスの少なくとも3つの基本的な種類があります。異なる種類の石油コークスは、操業条件や原料の性質の違いにより、異なる微細構造を持っています。また、異なる種類のコークスの特性、特に灰分と揮発性物質の含有量にも大きな違いが見られます。[ 4 ]
ニードルコークス（針状コークスとも呼ばれる）は、鉄鋼業やアルミニウム産業で使用される電極の製造に用いられる高結晶性の石油コークスであり、電極は定期的に交換する必要があるため、特に価値が高い。ニードルコークスは、流動接触分解（FCC）デカント油またはコールタールピッチのみから製造される。
石油コークスは、加熱または精製された生コークスを焼成するプロセスによって変化し、資源の成分の大部分が除去されます。通常、石油コークスは精製されると、重金属を揮発性物質や排出物として放出しません。[ 5 ]
使用される石油原料によっては、石油コークス中の炭素の割合は98～99%にも達することがあります。これにより、3.0～4.0%の濃度で水素を含む炭素ベースの化合物が生成されます。未処理（またはグリーン）コークスには、0.1～0.5%の窒素と0.2～6.0%の硫黄が含まれており、これらはコークスが焼成される際に排出物となります。[ 5 ]
熱処理によって重量比で組成が減少し、揮発性物質と硫黄が放出される。[ 6 ]このプロセスは、その名の通り穴の開いた固体炭素構造であるハニカムペトコークスで終わる。[ 6 ]
燃料用コークスは、スポンジコークスとショットコークスの形態に分類されます。石油精製業者は100年以上にわたりコークスを生産してきましたが、スポンジコークスやショットコークスが形成されるメカニズムは十分に解明されておらず、正確に予測することはできません。一般的に、低温と高圧はスポンジコークスの形成を促進します。さらに、コークス炉原料中のヘプタン不溶物の量と軽質成分の割合も影響します。
石油コークスは、発熱量が高く灰分が少ないため、石炭焚きボイラーでの発電に適した燃料ですが、硫黄分が多く揮発分が少ないため、燃焼時に環境（および技術）上の問題が生じます。総発熱量（HHV）は8000 kcal/kg近くで、発電に使用される平均的な石炭の2倍です。[ 5 ]石油コークスの燃焼によく用いられる硫黄回収装置は、よく知られているWSAプロセスに基づくSNOX排煙脱硫技術です。[ 7 ]流動床燃焼は、石油コークスの燃焼によく用いられます。この原料ではガス化がますます利用されるようになっています（多くの場合、製油所自体に設置されたガス化装置が使用されます）。
焼成石油コークス（CPC）は、石油コークスを焼成して得られる製品です。このコークスは、原油精製所のコークス化装置で生成されます。焼成石油コークスは、アルミニウム、鉄鋼、チタンの製錬産業における陽極の製造や、合成黒鉛の製造原料として使用されます。陽極材料として使用するには、生コークスの金属含有量が十分に低くなければなりません。この低金属含有量の生コークスは、陽極グレードコークスと呼ばれます。生コークスの金属含有量が過剰な場合は、焼成せずに炉の燃料グレードコークスとして使用されます。
石油コークス中の硫黄含有量が高いと、その市場価値が低下し、環境上の理由から硫黄酸化物の排出規制により燃料としての使用が制限される可能性がある。そのため、石油コークスの硫黄含有量を低減または除去する方法が提案されている。これらの方法のほとんどは、コークスの細孔または表面に存在する無機硫黄の脱着、および硫黄含有芳香族複素環化合物などの有機硫黄化合物の分離と除去を伴う。
2011年の時点では、石油コークスを脱硫するための商業的なプロセスは存在しなかった。[ 9 ]
ほぼ純粋な炭素である石油コークスは、燃焼すると二酸化炭素の強力な発生源となる。[ 10 ]
石油コークスは、販売待ちの間、石油精製所の近くに積み上げられることがある。例えば、2013年には、デトロイト川近くにコッホ・カーボン社が所有する大規模な備蓄があったが、これは2012年11月にアルバータ州のオイルサンドからビチューメンの精製を開始したデトロイトのマラソン・ペトロリアム社の精製所によって生産されたものだった。2013年時点では、カナダにも石油コークスの大規模な備蓄があり、中国とメキシコはカリフォルニアから輸出された石油コークスの燃料として使用される市場だった。2013年時点で、ウィリアム・I・コッホが所有するオックスボウ社は石油コークスの大手ディーラーであり、年間1100万トンを販売していた。[ 11 ]
AP通信の調査によると、2017年には米国の燃料輸出の4分の1がインド向けだった。2016年には、これは800万トン以上となり、2010年の20倍以上だった。[ 12 ]インドの環境汚染管理局は、ニューデリー近郊で使用されている輸入石油コークスを検査し、硫黄濃度が法定限度の17倍であることを確認した。[ 12 ]
国際海事機関（IMO）が採択した船舶による汚染防止のための国際条約（MARPOL 73/78 ）は、 2020年から船舶が硫黄含有量が0.5%を超える残渣燃料油（バンカー燃料など）を消費してはならないと規定している。 [ 13 ]残渣燃料油の約38%は海運部門で消費されている。余剰残渣油をコークス化プロセスによってより軽い油に変換する過程で、副産物として石油コークスが生成される。残渣油の需要減少により、将来的に石油コークスの供給量が増加すると予想される。石油コークスは、石油コークスの廃棄問題を回避するために、合成天然ガスなどを製造するメタン化プラントでも使用されている。 [ 14 ]
石油コークスは、微細な粉塵の発生源となることがあり、この粉塵は人間の気道のろ過プロセスを通過して肺に付着し、深刻な健康問題を引き起こす可能性があります。研究によると、石油コークス自体の毒性は低く、発がん性の証拠はありません。[ 15 ] [ 16 ]
石油コークスには有毒金属であるバナジウムが含まれている可能性がある。デトロイト川のそばに保管されていた石油コークスの近くの居住住宅で採取された粉塵からバナジウムが検出された。EPAによると、バナジウムは微量（空気1立方メートルあたり0.8マイクログラム）でも有毒である。[ 17 ]
EPAの複数の研究と分析によると、石油コークスはヒトに対する健康被害の可能性が低い。発がん性、発達障害、生殖障害は認められない。動物実験では、反復投与による慢性吸入で粉塵粒子による呼吸器炎症が認められたが、石油コークス特有のものではなかった。 [ 18 ]
環境問題は、石油コークスの貯蔵と燃焼に起因します。石油コークスの処理中に副産物が蓄積されるため、廃棄物管理が問題となります。石油コークスのシルト含有量が21.2%と高いため、強風時に石油コークスの山から飛散する粉塵のリスクが高まります。米国では、PM10とPM2.5を含む石油コークスの飛散粉塵が年間約100トン大気中に放出されていると推定されています。 [ 19 ]廃棄物管理と飛散粉塵の放出は、シカゴ、デトロイト、グリーンベイなどの都市で特に問題となっています。[ 18 ]
石油コークスは、環境への影響を引き起こす可能性のある外部性をもたらします。石油コークスは重量比で90%の元素炭素で構成されており、燃焼時にCO2に変換されます。石油コークスの使用は、硫黄の排出、および精製と貯蔵からのニッケルとバナジウムの流出による水質汚染の可能性も生み出します。[ 17 ]
ウィキメディア・コモンズにある石油コークス関連のメディア