第2章　瀝青焦和針狀焦

煤瀝青經(jīng)過(guò)高溫炭化，能生產(chǎn)出瀝青焦；煤瀝青或石油渣油經(jīng)歷中溫液相炭化可形成碳質(zhì)中間相，再通過(guò)高溫炭化，能生產(chǎn)出針狀焦，針狀焦顆粒具有針狀或纖維狀紋理走向；石油渣油經(jīng)高溫炭化能生產(chǎn)出石油焦，是煉油工業(yè)的副產(chǎn)品。瀝青焦、針狀焦和石油焦不僅可以用作燃料，還能用來(lái)生產(chǎn)人造石墨電極、鋁用預(yù)焙陽(yáng)極、特殊石墨等產(chǎn)品，應(yīng)用在冶煉、電解制鋁、核電站建設(shè)等重要領(lǐng)域[1，2]。

瀝青焦、針狀焦、石油焦都是液相原料經(jīng)過(guò)高溫炭化的產(chǎn)品，與高爐煉鐵所用的焦炭不同。焦炭是以焦煤或者幾種煤的配煤為原料，在隔絕空氣條件下加熱至1000℃左右、經(jīng)過(guò)高溫干餾形成的固態(tài)產(chǎn)物。煉焦的同時(shí)也生產(chǎn)出焦?fàn)t煤氣、煤焦油等產(chǎn)品[2]。焦炭形狀不規(guī)則，呈現(xiàn)銀灰或黑色多孔結(jié)構(gòu)，質(zhì)地堅(jiān)硬，富含大小不等的氣孔，其主要成分是碳，也含有少量氫、氧、氮、硫、磷、鉀及其他元素。焦炭是高爐煉鐵不可缺少的原料，也應(yīng)用于冶金、鑄造、生產(chǎn)合成氣、生產(chǎn)電石等。高爐煉鐵時(shí)，焦炭通過(guò)燃燒提供熱量，并作為還原劑將鐵礦石還原，同時(shí)，焦炭還起到支撐骨架、疏松爐料的作用，使鐵礦石等均勻分布在煉鐵爐中，讓還原性氣體穿過(guò)并與鐵礦石充分反應(yīng)，也為鐵水、熔渣的下降提供自由空間。我國(guó)高爐煉鐵對(duì)焦炭需要量巨大，焦炭產(chǎn)量從1993年起就占據(jù)世界首位。近年中國(guó)焦炭產(chǎn)量占世界焦炭總產(chǎn)量的50%左右，出口量占世界總貿(mào)易量的60%左右。2014年，我國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.77億噸，占世界總產(chǎn)量60%以上，2016年我國(guó)焦炭產(chǎn)量調(diào)整為4.49億噸。

與焦炭相似的是，瀝青焦、針狀焦和石油焦也主要由碳組成，也含有較少量的其他元素，因此有一些相同用途。但是由于采用不同的生產(chǎn)原料和生產(chǎn)工藝，成本不同，這幾種炭材料具有不同特點(diǎn)和優(yōu)先應(yīng)用領(lǐng)域，基本情況列于表2-1中。圖2-1是這些炭材料樣品的外觀形貌照片。

表2-1　幾種炭材料的生產(chǎn)方法、特點(diǎn)和應(yīng)用[1～3]

圖2-1　幾種炭材料樣品的外觀形貌照片

石油焦是煉油工業(yè)的副產(chǎn)品。石油煉制時(shí)，利用延遲焦化裝置，將石油渣油（或重質(zhì)油）進(jìn)行高溫深度熱裂化和縮聚反應(yīng)，生產(chǎn)出焦化氣體、焦化石腦油（焦化汽油）、焦化柴油、焦化蠟油（或焦化餾出油）和石油焦，使低價(jià)值油品主要轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的液體油品和氣體，石油焦是副產(chǎn)品。以石油工業(yè)為基礎(chǔ)，石油焦具有穩(wěn)定的原料來(lái)源，產(chǎn)量較高、成本低。石油焦的生產(chǎn)促進(jìn)了炭素工業(yè)的快速發(fā)展。但是，原油中的各種雜質(zhì)以及煉油時(shí)使用的催化劑等，殘留在石油渣油中，最后很大部分保留在石油焦中，其中作為有害物質(zhì)的硫含量，是石油焦重要質(zhì)量指標(biāo)之一。高硫石油焦在氣化制造合成氣時(shí)需要進(jìn)行脫硫處理。1984年，以石油焦為原料的高溫德士古（Texaco）氣化爐工業(yè)裝置開(kāi)始運(yùn)行，能使石油焦中98%以上的硫轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫分離出去[4]。石油焦主要采用延遲焦化工藝生產(chǎn)，到2010年底，我國(guó)建成延遲焦化裝置112套，每年加工能力超過(guò)1.1億噸，生產(chǎn)出大量石油焦[5，6]。2016年，我國(guó)的石油焦產(chǎn)量為2590萬(wàn)噸。

與石油渣油相比，煤瀝青的芳香性較強(qiáng)，主要由多環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物組成，通過(guò)高溫液相炭化生產(chǎn)出來(lái)的瀝青焦或針狀焦具有自己的特點(diǎn)。通常情況下，瀝青焦和針狀焦的揮發(fā)分、硫含量和灰分比石油焦的低，結(jié)構(gòu)比較致密，氣孔率低，強(qiáng)度和耐磨性能較高。

瀝青焦作為原料，被用來(lái)生產(chǎn)普通人造石墨電極、鋁用預(yù)焙陽(yáng)極、電極糊、炭塊等[7]；針狀焦主要被用來(lái)生產(chǎn)超高功率人造石墨電極，用在超高功率電弧爐上，進(jìn)行高效煉鋼，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能和降低電極損耗。

生產(chǎn)針狀焦時(shí)，煤瀝青或石油渣油需要經(jīng)過(guò)原料預(yù)處理、焦化、煅燒三個(gè)步驟。通過(guò)原料預(yù)處理，脫除原料中的喹啉不溶物。焦化時(shí)，原料經(jīng)歷由液相向中間相開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)化、最后形成廣域型體中間相階段，然后經(jīng)過(guò)氣流拉焦，使碳質(zhì)中間相分子實(shí)現(xiàn)取向排布、固化形成生焦（又稱(chēng)半焦）。最終，生焦經(jīng)過(guò)高溫煅燒，形成針狀焦。根據(jù)所用初始原料的不同，把針狀焦分成兩類(lèi)：用石油渣油生產(chǎn)出來(lái)的針狀焦稱(chēng)為油系針狀焦；用煤瀝青生產(chǎn)出來(lái)的針狀焦稱(chēng)為煤系針狀焦。與油系針狀焦相比，煤系針狀焦通常具有較小的熱膨脹系數(shù)、電阻率低、煉鋼時(shí)電極損耗較低等特點(diǎn)。

本章主要介紹瀝青焦和煤系針狀焦生產(chǎn)工藝、性能和應(yīng)用，它們均采用煤瀝青為初始原料。