煤焦油制備針狀焦的技術研究
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摘 要：作為煤炭副產品之一，針狀焦對提高煤炭能源的利用和炭材料加工業的發展有著至關重要的作用，使得煤炭副產品的價值得到顯著提升。針狀焦是生產高功率和超高功率電爐煉鋼用石墨電極的主要原料，近年來更是被廣泛應用于超級電容器和電鋰離子電池等領域的研究，針狀焦市場發展一度空前活躍，為了滿足我國國內日益增加的針狀焦需求，打破美國、日本等發達國家對我國針狀焦的技術封鎖，避免針狀焦市場發展過于受限其他國家，我國對針狀焦生產技術進行自主研發已經迫在眉睫。
關鍵詞：針狀焦；生產技術；自主研發
我國的焦炭生產總量一直在世界前列，作為焦炭生產大國，我國的年焦炭總產量可占世界總產量的50%，這種充足的煤焦油資源為針狀焦的生產提供了充足的生產原料。此外，隨著我國經濟的不斷高速發展，作為電極材料研究的針狀焦的需求量更是逐年遞增，這也為生產針狀焦的企業打下了堅實的市場基礎。當前我國針狀焦技術尚處于起步階段，美國、日本等發達國家還對我國實施技術封鎖，使我國國內的針狀焦價格持續走高，為了挽回技術發展頹勢，扭轉針狀焦貿易市場的局面，我國必須強化針狀焦生產技術的自主研發力度，擴大國內針狀焦的產能。
1 我國煤焦油制備針狀焦概述
1.1 我國煤焦油制備針狀焦研發過程
近年來，寶鋼煤化工公司經過多年的努力和不斷的自主研發，對于煤焦油制備針狀焦產品已經實現中試，在滿足我國生產超高功率特殊碳素制品和石墨電極生產需求的同時，其產品質量也已達到世界先進水平，目前此項目已經正式進入工業化設計階段。
1.2 針狀焦的成焦機理研究
煤焦油制備針狀焦的主要成焦過程是：煤焦油—不穩定中間相小球體—堆積中間相—針狀焦，其成焦機理為氣流拉焦工藝和液相碳化理論。
首先，氣流拉焦工藝是指在中間相小球體發生解體的過程中生成中間相瀝青，在其固化的過程中焦化塔內有氣體連續定向移動，能夠對中間相瀝青施加足夠的剪切力而不能產生攪動，使中間相瀝青分子在有序的排列中形成固化，最后生成流線型結構的生焦。
其次，液相碳化理論是指在較高的溫度條件下，具有多種組分瀝青中的分子受熱發生熱解和縮聚反應，形成多環縮合芳香烴平面大分子，這些平面稠環芳香烴分子因熱運動及外界的擾動作用而發生取向，并在范德華力作用下層積，為了達到體系的最低能量狀態， 層積體在表面張力的作用下變成中間相小球體，小球體進一步吸收母相中的分子后長大，當兩個球體相遇碰撞后在平面分子層面相互打插入，融并為一個大的球體。然后， 大球體之間再繼續碰撞并融并成為更大的球體，進而發生固化反應，逐步形成了光學性質不同的生焦。
2 針狀焦生產技術研究
當前我國的煤焦油制備針狀焦技術主要分為三個部分，即：原料的預處理、延遲焦化以及煅燒。
2.1 原料預處理
煤焦油瀝青主要由稠環芳香烴構成，由于其組成成分中喹啉不溶物的存在使其不能作為生產優質針狀焦的直接原料，因此，必須對原材料煤焦油瀝青進行預處理。煤焦油瀝青原材料進行預處理的關鍵在于控制喹啉不溶物的含量，合理的分子量分布和較溫和的熱反應活性，通常采用蒸餾法、改質法、離心法以及溶劑法進行處理，在這四種實現煤焦油瀝青原材料預處理的處理工藝中，只有改質法和溶劑法能夠實現工業化生產，但是這改質工藝方法存在一定的控制缺點，其工藝在設計上存在一定的問題，相比較而言溶劑法的控制條件更加容易，在生產針狀焦的應用中取得了突破性的進展，能夠保障煤焦油制備針狀焦的質量和穩定性。
2.2 延遲焦化
延遲焦化部分主要由一個焦化加熱爐、兩個焦炭塔和一個分餾塔組成。精制瀝青原料由原料泵打入加熱爐，加熱到合適的溫度后送入其中一個正在生產運行的焦炭塔，油氣由焦化塔頂出來后經大油氣線進入分餾塔。
2.3 煅燒
由于高壓水切焦的介入使用，使得針狀焦含有較高的水份和揮發分，要想作為高級碳素制品的原材料，針狀焦必須要進行隔絕空氣進行高溫煅燒處理，才能夠滿足品質的需求。在整個煅燒的過程中，針狀焦的元素組成和結構都會發生一系列根本性的變化，進而提升其理化性能。
3 針狀焦的主要性能指標
衡量針狀焦性能的主要指標有：熱膨脹系數、真密度、電阻率、機械強度、灰分、硫分、氮含量、K值（長寬比）等。針狀焦的熱膨脹系數反應了其抗熱震的性能，熱膨脹系數值越小，針狀焦在承受溫度巨變造成的體積變化值越小，性能越好，其石墨化的程度越高。由于煤焦油制備的針狀焦中含有較高的氮和硫，使其在石墨化的過程中易造成“晶脹”的現象發生，所以通常情況下，煤焦油制備的針狀焦多被廣泛應用為石墨電極的骨料。
綜上所述：當前我國市場對于針狀焦的需求量較大，但我國的煤焦油制備針狀焦技術相比與發達國家還存在一定的距離，無論在產品質量上還是生產規模上都存在較大的差距，我國要進一步加強煤焦油制備針狀焦深加工技術的實驗和研發，盡快實現國產化高品質針狀焦的量產，進而全面提升我國針狀焦的市場競爭力。
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