CNOOC(칭다오) 중질유 가공 엔지니어링 기술 연구센터 유한회사
장비 유지보수 기술, 32호, 2021년
요약: 중국 과학 기술의 지속적인 발전은 사회 각 분야의 발전을 촉진해 왔으며, 동시에 경제력과 국가 전체의 역량을 효과적으로 강화해 왔습니다. 전기로 제강 공정의 중요한 구성 요소인 니들 코크스는 주로 흑연 전극 생산에 사용되며, 리튬 배터리 제품 생산뿐만 아니라 원자력 발전 및 항공 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 과학 기술의 발전과 함께 전기로 제강 기술의 지속적인 최적화 및 개선이 추진되었고, 사회 생산 발전의 요구에 부응하기 위해 니들 코크스의 연구 개발 및 생산 과정에서의 관련 표준 및 요구 사항도 끊임없이 업데이트되었습니다. 생산 공정에서 사용되는 원료에 따라 니들 코크스는 석유계와 석탄계로 나뉩니다. 구체적인 적용 결과를 보면 석유계 니들 코크스가 석탄계 니들 코크스보다 화학적 활성이 더 강하다는 것을 알 수 있습니다. 본 논문에서는 석유 니들 포커스 시장의 현황과 관련 기술의 연구 및 생산 과정에서의 문제점을 연구하고, 석유 니들 포커스의 생산 개발상의 어려움과 관련 기술적 난제를 분석한다.
I. 서론
니들 코크스는 흑연 전극 생산에 중요한 역할을 합니다. 현재 개발 상황을 살펴보면, 미국과 일본과 같은 해외 선진국들은 니들 코크스의 연구 개발 및 생산을 비교적 일찍 시작하여 관련 기술의 적용이 성숙 단계에 이르렀고, 석유 니들 코크스의 핵심 제조 기술을 확보했습니다. 이에 비해 석유 부문 니들 코크스의 독자적인 연구 개발 및 생산은 상대적으로 늦게 시작되었습니다. 그러나 시장 경제의 지속적인 발전과 다양한 산업 분야의 전면적인 확장에 힘입어, 석유 부문 니들 코크스의 연구 개발은 최근 몇 년 동안 획기적인 발전을 이루어 산업 생산에 도달했습니다. 하지만 여전히 수입 제품과 비교했을 때 품질 및 사용 효과 면에서 격차가 존재합니다. 따라서 석유 시스템 내 니들 코크스의 현재 시장 개발 현황과 기술적 난제를 명확히 파악할 필요가 있습니다.
II. 석유 니들 코크스 기술의 소개 및 응용 분석
(1) 국내외 석유 니들 코크스의 개발 현황 분석
석유 니들 코크스 기술은 1950년대 미국에서 시작되었습니다. 하지만 우리나라는 공식적으로 개방되어 있습니다.
석유 니들링 코크스 기술 및 제조에 대한 연구는 1980년대 초에 시작되었습니다. 국가 기술 연구 개발 정책의 지원을 받아 중국 연구 기관들은 석유 니들링 코크스에 대한 다양한 시험을 수행하고 여러 시험 방법을 끊임없이 연구해 왔습니다. 또한, 1990년대에는 니들링 코크스 제조 시스템에 대한 많은 실험 연구를 완료하고 관련 기술 특허를 출원했습니다. 최근에는 관련 국가 정책의 지원에 힘입어 많은 국내 과학원과 관련 기업들이 연구 개발에 투자하고 산업 내 생산 및 제조 발전을 촉진했습니다. 석유 니들링 코크스 기술의 연구 개발 수준 또한 지속적으로 향상되고 있습니다. 이러한 현상의 주된 원인은 석유 니들링 코크스에 대한 국내 수요가 매우 높기 때문입니다. 그러나 국내 연구 개발 및 생산은 시장 수요를 충족시키지 못하고 있으며, 국내 시장의 상당 부분을 수입 제품이 차지하고 있습니다. 현재의 발전 상황을 고려할 때, 석유 니들 중심 기술의 연구 개발 및 제조에 대한 관심과 집중은 증가하고 있지만, 기술 연구 개발 수준 측면에서는 몇 가지 어려움이 있어 관련 기술 연구 개발에 장애물이 되고 있으며, 이는 우리나라와 선진국 간의 큰 격차로 이어지고 있습니다.
(2) 국내 석유 니들 코크스 기업의 기술 응용 분석
국내외 제품 품질 및 적용 효과 분석에 따르면, 석유 니들 코크스의 품질 차이는 주로 열팽창 계수와 입자 크기 분포라는 두 가지 지표의 차이에서 비롯되며, 이는 제품 품질의 차이를 반영합니다[1]. 이러한 품질 격차는 주로 제조 공정의 어려움에서 비롯됩니다. 석유 니들 코크스의 구체적인 생산 공정 및 방법 내용과 결합하여, 핵심 생산 기술은 주로 원료의 전처리 단계에 있습니다. 현재 산시 홍테 화학 유한회사, 시노스틸(안산), 진저우 석유화학만이 양산에 성공했습니다. 반면, 진저우 석유화학의 석유 니들 코크스 생산 및 제조 시스템은 비교적 성숙되어 있고, 설비의 처리 능력이 지속적으로 향상되어 관련 제품이 시장에서 중고급 수준에 도달했으며, 고출력 또는 초고출력 제강 전극에 사용될 수 있습니다.
iii. 국내 석유 니들 코크스 시장 분석
(1) 산업화가 가속화됨에 따라 니들 코크스에 대한 수요는 날로 증가하고 있다.
우리나라는 세계 최대의 산업 생산국이며, 이는 주로 우리나라의 산업 구조 방식에 의해 결정됩니다.
철강 생산은 우리 경제 발전을 촉진하는 중요한 산업 중 하나입니다. 이러한 배경에서 니들링에 대한 수요는 날로 증가하고 있습니다. 그러나 현재 우리의 기술 연구 개발 수준과 생산 능력은 시장 수요를 따라가지 못하고 있습니다. 주된 이유는 품질 기준을 충족하는 석유 니들링 전문 기업이 부족하고 생산 능력이 불안정하기 때문입니다. 관련 기술 연구 개발은 현재 진전되고 있지만, 고출력 또는 초고출력 흑연 전극의 요구 사항을 충족하기에는 여전히 큰 격차가 있어 석유 니들링 제품의 품질 관리에 걸림돌이 되고 있습니다. 현재 니들링 코크스 시장은 석유 니들링 코크스와 석탄 니들링 코크스로 나뉘어 있습니다. 그러나 석유 니들링 코크스는 프로젝트 개발 규모나 개발 수준 면에서 석탄 니들링 코크스에 비해 다소 뒤처져 있으며, 이는 중국 석유 니들링 코크스 시장의 효과적인 확장을 저해하는 주요 원인 중 하나입니다. 하지만 철강 산업 생산 기술 수준이 지속적으로 향상됨에 따라 초고출력 흑연 전극에 대한 철강 생산 및 제조 수요가 증가하고 있습니다. 이는 또한 산업 발전 수준이 지속적으로 향상되고 산업화 과정이 가속화됨에 따라 니들 코크스 수요가 더욱 커질 것임을 보여줍니다.
(2) 니들 코크스 시장의 변동 가격 분석
현재 우리나라의 산업 발전 수준과 산업 구조 및 산업 내용 조정에 따르면, 석유계 니들 코크스가 석탄계 니들 코크스보다 우리나라에 더 적합한 것으로 나타났으며, 이는 국내 니들 코크스 수급 불균형 상황을 더욱 악화시킬 것입니다. 석유계 니들 코크스의 수급 불균형 문제를 해결하기 위해서는 수입에 의존할 수밖에 없습니다. 최근 수입 제품의 가격 변동 특성을 분석해 보면, 수입 석유계 니들 코크스 제품 가격은 2014년 이후 지속적으로 상승해 왔습니다. 따라서 국내 산업계는 공급 부족 심화와 수입 가격 상승으로 인해 석유계 니들 코크스가 중국 니들 코크스 산업의 새로운 투자 유망 분야가 될 것입니다[2].
넷째, 당사의 오일 니들 연구 개발 및 생산 기술 관련 어려움 분석
(1) 원료 전처리 난이도 분석
석유 니들 코크스의 생산 및 제조 전 과정을 분석해 보면, 원료 전처리 단계에서 석유가 주원료임이 알 수 있습니다. 석유 자원의 특성상 원유는 지하에서 채굴해야 하며, 우리나라의 원유는 채굴 및 가공 과정에서 다양한 촉매를 사용하기 때문에 석유 제품에 일정량의 불순물이 함유되어 있습니다. 이러한 전처리 방식은 석유 니들 코크스 생산에 악영향을 미칩니다. 또한, 석유 자체의 구성 성분은 대부분 지방족 탄화수소이며 방향족 탄화수소 함량이 낮은데, 이는 현존하는 석유 자원의 특성 때문입니다. 고품질 석유 니들 코크스 생산을 위해서는 원료에 대한 엄격한 요구 조건이 필요하며, 방향족 탄화수소 함량이 높고 황, 산소, 아스팔텐 등이 적은 석유를 원료로 사용해야 합니다. 즉, 황 함량은 0.3% 미만, 아스팔텐 함량은 1.0% 미만이어야 합니다. 그러나 원유 성분 분석 결과, 우리나라에서 처리되는 원유의 대부분은 고유황 원유이며, 방향족 탄화수소 함량이 높은 니들 코크스 생산에 적합한 원유가 부족한 것으로 나타났습니다. 원유 내 불순물 제거는 기술적으로 매우 어려운 과제입니다. 한편, 현재 연구 개발 및 제조 역량이 더욱 발달한 진저우 석유화학은 석유 니들 코크스 생산 및 가공 과정에서 니들 코크스 생산에 적합한 원료를 필요로 합니다. 원료 부족과 품질 불안정은 니들 코크스 품질 안정성을 저해하는 주요 요인 중 하나입니다[3]. 산둥 이다 신소재 유한회사는 석유 니들 코크스 생산 설비에 원료 전처리 공정을 설계 및 적용했습니다.
동시에, 고형 입자 물질을 제거하기 위해 다양한 방법이 채택되었다. 니들 코크스 생산에 적합한 중질유를 선별하는 것 외에도, 코크스 제조 전에 원료의 유해 물질을 제거했다.
(2) 석유 니들 코크스의 지연 코크스화 공정에서의 기술적 어려움 분석
니들 코크스 생산 공정은 비교적 복잡하며, 구체적인 공정에서 환경 온도 변화 및 작동 압력 제어에 대한 요구 조건이 높습니다. 니들 코크스 생산 코크스화 공정에서 어려운 점 중 하나는 코크스의 압력, 시간 및 온도를 과학적이고 합리적으로 제어하여 반응 시간이 표준 요구 조건을 충족할 수 있는지 여부입니다. 동시에 코크스화 공정 매개변수 및 구체적인 작동 기준을 최적화하고 조정하는 것은 전체 니들 코크스 생산의 최적화 및 품질 향상에 중요한 역할을 할 수 있습니다.
가열로를 이용한 온도 변화 조작의 주된 목적은 니들 코크스 생산 공정에서 표준에 따라 작업을 수행하여 주변 온도를 요구되는 조건에 맞추는 것입니다. 실제로 온도 변화 공정은 코크스 반응이 느리고 낮은 온도 환경에서 진행되도록 촉진하는 동시에 코크스 반응의 속도를 늦춰 방향족 응축을 유도하고, 분자들의 규칙적인 배열을 확보하여 압력 하에서 배향 및 응고가 가능하도록 하며, 안정적인 상태를 유지하는 데 도움을 줍니다. 가열로는 석유 니들 코크스 생산 공정 전체에서 필수적인 조작이며, 특정 온도 범위 매개변수에 대한 요구 사항과 기준이 존재하는데, 최저 476℃, 최고 500℃를 초과할 수 없습니다. 동시에, 가변 온도로는 대형 장비 및 설비이므로 각 타워에서 생산되는 니들 코크스의 품질 균일성에 특히 주의를 기울여야 합니다. 투입 과정에서 온도, 압력, 풍속 등의 요인이 변화하기 때문에 각 타워에서 생산되는 니들 코크스의 품질이 고르지 못하고 중하위권에 머무르는 경우가 발생합니다. 니들 코크스의 품질 균일성 문제를 효과적으로 해결하는 것 또한 니들 코크스 생산에서 고려해야 할 중요한 과제 중 하나입니다.
5. 석유 니들 코크스의 향후 발전 방향 분석
(a) 국내 석유 시스템용 니들 코크스의 품질 지속적 향상을 촉진한다.
니들 포커스 기술과 시장은 미국과 일본이 주도해 왔습니다. 현재 중국의 니들 코크스 생산에는 품질 불안정, 낮은 코크스 강도, 분말 코크스 과다 생산 등의 문제점이 여전히 존재합니다. 생산된 니들 코크스는 고출력 및 초고출력 흑연 전극 생산에 대량으로 사용되고 있지만, 대구경 초고출력 흑연 전극 생산에는 대량으로 사용하기 어렵습니다. 최근 몇 년 동안 당사는 니들 포커스 연구 개발을 지속해 왔으며, 제품 품질 향상을 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 산시 홍테 석탄화학 유한회사, 시노스틸 석탄 계량 니들 코크스, 진저우 석유화학 유한회사의 석유 시리즈 니들 코크스 생산 설비는 연간 4만~5만 톤 규모로 안정적으로 가동되며, 품질을 지속적으로 개선하고 있습니다.
(2) 석유 니들 코크스에 대한 국내 수요는 계속 증가하고 있습니다.
철강 산업의 발전에는 대량의 초고출력 전극 및 고출력 전극이 필요합니다. 이러한 맥락에서 초고출력 전극 및 고출력 전극 생산에 필요한 니들 코크스 수요는 연간 약 25만 톤으로 추산되며 급속히 증가하고 있습니다. 중국의 전기로 제강 생산량은 전체 생산량의 10% 미만인 반면, 세계 평균 전기로 제강 생산량은 30%에 달합니다. 중국의 고철 생산량은 1억 6천만 톤에 이릅니다. 현재 상황으로 볼 때 장기적으로 전기로 제강의 발전은 불가피하며, 이에 따라 니들 코크스 공급 부족 현상도 필연적으로 발생할 것입니다. 따라서 원자재 공급원을 확대하고 생산 수요를 충족할 수 있도록 제조 방법을 개선하는 방안을 마련해야 합니다.
(3) 시장 수요의 확대는 국내 연구개발 기술 수준 향상을 촉진한다.
니들스코크의 품질 격차 해소와 수요 증가로 인해 니들스코크 개발을 가속화해야 할 필요성이 대두되었습니다. 니들스코크 개발 및 생산 과정에서 연구자들은 생산상의 어려움을 점차 인식하게 되었고, 이에 따라 연구 노력을 강화하고 소규모 및 시범 시험 설비를 구축하여 생산에 필요한 실험 데이터를 확보하는 데 주력해 왔습니다. 니들코크 가공 기술은 증가하는 수요를 충족하기 위해 지속적으로 개선되고 있습니다. 원료 및 제조 방법 측면에서 볼 때, 세계적인 석유 부족과 유황 함량 증가는 석유계 니들코크 개발을 저해하는 요인입니다. 이에 산둥 이다 신소재 유한회사는 석유계 니들코크 원료 전처리 산업 생산 설비를 신설 및 가동하여 우수한 석유계 니들코크 원료를 생산하고 있으며, 이는 석유계 니들코크의 품질 및 생산량 향상에 크게 기여할 것입니다.
게시 시간: 2022년 12월 7일