煤焦油制备针状焦的技术研究
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摘 要：作为煤炭副产品之一，针状焦对提高煤炭能源的利用和炭材料加工业的发展有着至关重要的作用，使得煤炭副产品的价值得到显著提升。针状焦是生产高功率和超高功率电炉炼钢用石墨电极的主要原料，近年来更是被广泛应用于超级电容器和电锂离子电池等领域的研究，针状焦市场发展一度空前活跃，为了满足我国国内日益增加的针状焦需求，打破美国、日本等发达国家对我国针状焦的技术封锁，避免针状焦市场发展过于受限其他国家，我国对针状焦生产技术进行自主研发已经迫在眉睫。
关键词：针状焦；生产技术；自主研发
我国的焦炭生产总量一直在世界前列，作为焦炭生产大国，我国的年焦炭总产量可占世界总产量的50%，这种充足的煤焦油资源为针状焦的生产提供了充足的生产原料。此外，随着我国经济的不断高速发展，作为电极材料研究的针状焦的需求量更是逐年递增，这也为生产针状焦的企业打下了坚实的市场基础。当前我国针状焦技术尚处于起步阶段，美国、日本等发达国家还对我国实施技术封锁，使我国国内的针状焦价格持续走高，为了挽回技术发展颓势，扭转针状焦贸易市场的局面，我国必须强化针状焦生产技术的自主研发力度，扩大国内针状焦的产能。
1 我国煤焦油制备针状焦概述
1.1 我国煤焦油制备针状焦研发过程
近年来，宝钢煤化工公司经过多年的努力和不断的自主研发，对于煤焦油制备针状焦产品已经实现中试，在满足我国生产超高功率特殊碳素制品和石墨电极生产需求的同时，其产品质量也已达到世界先进水平，目前此项目已经正式进入工业化设计阶段。
1.2 针状焦的成焦机理研究
煤焦油制备针状焦的主要成焦过程是：煤焦油—不稳定中间相小球体—堆积中间相—针状焦，其成焦机理为气流拉焦工艺和液相碳化理论。
首先，气流拉焦工艺是指在中间相小球体发生解体的過程中生成中间相沥青，在其固化的过程中焦化塔内有气体连续定向移动，能够对中间相沥青施加足够的剪切力而不能产生搅动，使中间相沥青分子在有序的排列中形成固化，最后生成流线型结构的生焦。
其次，液相碳化理论是指在较高的温度条件下，具有多种组分沥青中的分子受热发生热解和缩聚反应，形成多环缩合芳香烃平面大分子，这些平面稠环芳香烃分子因热运动及外界的扰动作用而发生取向，并在范德华力作用下层积，为了达到体系的最低能量状态， 层积体在表面张力的作用下变成中间相小球体，小球体进一步吸收母相中的分子后长大，当两个球体相遇碰撞后在平面分子层面相互打插入，融并为一个大的球体。然后， 大球体之间再继续碰撞并融并成为更大的球体，进而发生固化反应，逐步形成了光学性质不同的生焦。
2 针状焦生产技术研究
当前我国的煤焦油制备针状焦技术主要分为三个部分，即：原料的预处理、延迟焦化以及煅烧。
2.1 原料预处理
煤焦油沥青主要由稠环芳香烃构成，由于其组成成分中喹啉不溶物的存在使其不能作为生产优质针状焦的直接原料，因此，必须对原材料煤焦油沥青进行预处理。煤焦油沥青原材料进行预处理的关键在于控制喹啉不溶物的含量，合理的分子量分布和较温和的热反应活性，通常采用蒸馏法、改质法、离心法以及溶剂法进行处理，在这四种实现煤焦油沥青原材料预处理的处理工艺中，只有改质法和溶剂法能够实现工业化生产，但是这改质工艺方法存在一定的控制缺点，其工艺在设计上存在一定的问题，相比较而言溶剂法的控制条件更加容易，在生产针状焦的应用中取得了突破性的进展，能够保障煤焦油制备针状焦的质量和稳定性。
2.2 延迟焦化
延迟焦化部分主要由一个焦化加热炉、两个焦炭塔和一个分馏塔组成。精制沥青原料由原料泵打入加热炉，加热到合适的温度后送入其中一个正在生产运行的焦炭塔，油气由焦化塔顶出来后经大油气线进入分馏塔。
2.3 煅烧
由于高压水切焦的介入使用，使得针状焦含有较高的水份和挥发分，要想作为高级碳素制品的原材料，针状焦必须要进行隔绝空气进行高温煅烧处理，才能够满足品质的需求。在整个煅烧的过程中，针状焦的元素组成和结构都会发生一系列根本性的变化，进而提升其理化性能。
3 针状焦的主要性能指标
衡量针状焦性能的主要指标有：热膨胀系数、真密度、电阻率、机械强度、灰分、硫分、氮含量、K值（长宽比）等。针状焦的热膨胀系数反应了其抗热震的性能，热膨胀系数值越小，针状焦在承受温度巨变造成的体积变化值越小，性能越好，其石墨化的程度越高。由于煤焦油制备的针状焦中含有较高的氮和硫，使其在石墨化的过程中易造成“晶胀”的现象发生，所以通常情况下，煤焦油制备的针状焦多被广泛应用为石墨电极的骨料。
综上所述：当前我国市场对于针状焦的需求量较大，但我国的煤焦油制备针状焦技术相比与发达国家还存在一定的距离，无论在产品质量上还是生产规模上都存在较大的差距，我国要进一步加强煤焦油制备针状焦深加工技术的实验和研发，尽快实现国产化高品质针状焦的量产，进而全面提升我国针状焦的市场竞争力。
参考文献：
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