我国煤系针状焦原料预处理技术工业化研究进展

针状焦是碳素材料中的优质品种，由于粉碎后呈细长的针状结构而得名，外观具有金属光泽、内部具有层状结构，其取向性好，导电、导热性能好，是生产超高功率石墨电极的主要原料。采用高功率或超高功率电炉炼钢时，可使冶炼时间缩短30 %一50%，节电10%一50%，经济效益明显。同时，在国家大力倡导节能减排，发展大电炉炼钢的时期，为国产针状焦提供更大的市场空间。

针状焦按照生产针状焦的原料不同分为油系针状焦和煤系针状焦，以石油重质油为原料生产的针状焦为油系针状焦，以煤焦油沥青及其馏分为原料生产的针状焦为煤系针状焦。其中煤系针状焦生产工艺包括原料预处理、延迟焦化、煅烧三个工序，煅烧后的成品能否达到优质针状焦的质量要求，其中原料预处理起着至关重要的作用。

原料预处理的目的是脱除煤焦油沥青及其馏分中的原生喹啉不溶物(QI)，而不含QI、具有一定芳香度的重质油经过系统加热后，发生热分解和热缩聚反应，生成光学上各向异性的中间相小球体，它具有一定的化学活性和粘度，在适当的条件下，它们会逐渐长大、融并，球体成为堆积中间相，堆积中间相在裂解气流的作用下气流拉焦进行取向、炭化，最终能够发展成具有流线型的针状结晶碳结构。对于含有较多QI的煤焦油沥青，中问相小球体的生成、成长、长大及融并会受到这些QI的影响，球体不容易长大，炭化后只能形成非针状的镶嵌结构。因此，必须对生产针状焦的原料进行预处理以脱除其中的QI。

原料预处理技术有蒸馏法、离心法、溶剂法、改质法等，实现工业化的方法有溶剂法、改质法等，本文主要对我国煤系针状焦生产企业所采用的原料预处理技术工业化研究进展进行介绍。

1溶剂法

溶剂法是芳香烃和脂肪烃按一定比例配制的混合溶剂，与原料煤焦油沥青混合，经过静置沉降分离，脱出原料煤焦油沥青中的QI，其原理是利用相似相容原理，原料煤焦油沥青与混合溶剂混合后，煤焦油沥青溶解在溶解度大的芳香烃中，又在溶解度小的脂肪烃的作用下，使煤焦油沥青中的极细颗粒的QI等杂质发生凝聚沉降，使颗粒变大，沉降分离成两部分，轻相基本不含QI，而重相聚集了几乎全部的QI，轻、重两相混合物均以以蒸馏方式分别回收溶剂后得到精制沥青和重质沥青。

1.1兖矿科蓝煤焦化有限公司

1987年山东兖矿科蓝煤焦化有限公司(原济宁煤化公司)与鞍山热能研究院合作，采用溶剂萃取静置沉降法制备精制沥青，1989年初，该试验顺利完成并通过鉴定，由于资金原因只完成了煤软沥青的精制工艺，其产品只能是高品质黏结剂沥青或浸渍沥青，主要作为生产冶炼电极的辅料。其工艺路线是将煤油与洗油混合配制成混合溶剂，此溶剂与煤焦油软沥青按一定比例混合后在静置沉降槽中分成轻、重两相：轻相通过管式炉加热后进入分馏塔，回收溶剂后得到精制沥青，重相则经间歇蒸馏釜蒸出溶剂得重质沥青。此工艺复杂，操作控制难度大，容易造成设备和管道的堵塞，导致运行不顺利。

1.2中钢集团鞍山热能研究院

2006年中钢鞍山热能研究院在原有研究成果的基础上，与辽宁科技大学合作开展了煤系针状焦用原料沥青评价的基础试验研究和100 kg／h煤系针状焦工业性实验装置建设工作。中试装置于2006年12月开始运行，开展了大量的工业性实验研究，2007年完成了对原料预处理工艺从溶剂萃取．静置沉降向溶剂萃取．连续沉降法的技术改进，获得了优质针状焦的工业实验结果，产品质量己达到日本进口煤系针状焦的水平。目前一期4万讹煤系针状焦已建成投产，质量达到了日本进口的针状焦水平，属于国内同行业先进水平，产品已被国内多家炭素厂制成超高功率石墨电极。

其中溶剂萃取．静置沉降工艺流程是将脂肪烃与芳香烃按一定比例混合后再与煤焦油软沥青按一定比例混合均匀，然后打入静置沉降分离罐中，静置沉降16'-24 h后，将上部轻相部分放入轻相中间罐中，经蒸馏回收溶剂后得到精制沥青，下部重相部分放入重相中间罐中，整个分离过程为问歇式分离。但是该工艺存在设备多、占地面积大、投资大、操作复杂等问题，同时容易造成设备和管道堵塞，使工艺不能顺行。

为了解决以上问题，自主发明了溶剂萃取．连续沉降工艺。其工艺流程与静置沉降工艺不同之处在于是将混合油连续打入沉降分离设备中，轻相液慢慢上升，待其QI达到要求后，轻相从上部出液口不断流入轻相中间罐，经蒸馏后得到精制沥青，而重相慢慢下降，由下部出料口用泵抽出，整个沉降过程为连续运行，其混合油在罐中的停留时间为10-15 h。

1.3上海宝钢化工有限公司

宝钢从2000年开始致力于针状焦的生产技术研发，经过近8年的努力宝钢研发的煤系针状焦产品已顺利完成中试，产品质量接近国际领先水平，能满足生产超高功率石墨电极和特殊碳素制品的需要。为降低投资风险，以原有沥青焦装置为基础，通过技术改造，改建成一个工业化试验平台，2010年上半年“沥青焦装置配套针状焦工业化生产改造工程”已顺利实现流程打通，生产出了合格的针状焦产品，其关键指标处于国内领先水平，实现了工业化生产的预期目标。

上海宝钢化工有限公司所采取的原料预处理方法也是溶剂萃取一连续沉降工艺，与中钢热能研究院不同之处在于宝钢是通过管道混合器将煤沥青与混合溶剂混合，其工艺流程是混合溶剂与煤焦油沥青通过管道混合器进行混合，混合物连续进入沉降槽进行沉降，轻相从沉降槽的轻相出口连续排出，重相从沉降槽的重相出口连续排出，重相离心分离得到离心液和残渣，轻相则经过蒸馏塔回收溶剂后得到净化沥青。

2改质法

改质法是在不添加溶剂的条件下对原料软沥青进行加热闪蒸，除去QI，然后再将纯净的闪蒸油进行热缩聚处理，获得适宜软化点和分子量分布的精制沥青。

2.1鞍山沿海化工有限公司

鞍山沿海化工的煤系针状焦采用鞍山焦化耐火材料设计研究院(现中冶焦耐工程技术有限公司)专利技术。装置始建于1992年4月，1994年6月完成装置建设转入试车及以原专利技术为基础的工业化技术研究。历经生产试车、装置改造、技术改进等过程，1998年煤系针状焦工业化突破了工艺顺行关，实现了连续生产，产品用于制造高级石墨电极。其工艺路线是软沥青升温后进入真空闪蒸塔，在真空闪蒸塔内分离为闪蒸油气和高温液体沥青两部分，

塔顶闪蒸油气经冷凝后分离出闪蒸油，闪蒸油进入专用聚合釜进行聚合，获得针状焦原料缩聚沥青。由于改质法存在各种参数不易控制的缺点，并且其工艺上存在缺陷，针状焦产品收率和质量均没有达到设计要求，最终以失败而告终。

2.2山西宏特煤化工有限公司

山西宏特是改质法真正实现工业化生产的企业，2006年7月，拥有自主知识产权5万吨的煤系针状焦工业化生产装置建成投产 ，国内多数碳素厂用宏特的针状焦成功生产出各种规格350mm、400 mm、450 mm、500 mm、600 mm的超高功率石墨电极，其中600 mm超高功率石墨电极的理化指标达到了同类进口产品的质量，目前该公司10万吨/a的针状焦生产装置也已建成。

其工艺流程是软沥青中加入一定量的石油组分配制成煤焦油沥青，经过真空闪蒸脱除重沥青，得到闪蒸油全馏分，闪蒸油全馏分采用分步冷凝法得到重、中、轻三段馏分，采用改进的沥青循环法将中段闪蒸油进行缩聚反应得到缩聚沥青，缩聚沥青与重段闪蒸油作为焦化原料进行焦化制得针状焦。该工艺较简单，但不太成熟，装置生产不稳定。

总结

经过30多年的研究，我国在煤系针状焦原料预处理研发技术上有了突破性进展，溶剂法和改质法得到工业化应用，煤系针状焦产品已经批量投放市场，并用其成功生产出大规格超高功率石墨电极，在国内大型电炉使用效果良好，但是还存在着产品质量不稳定的问题，还不能完全满足超高功率石墨电极生产的需求，与进口针状焦相比还有一定的差距。我国煤系针状焦生产企业还应加大原料预处理的研发力度，努力提高产率、产品质量的稳定性以及设备的长周期运行，生产出更优质的煤系针状焦净化原料，同时还应加强对富含QI的残余重质沥青的有效利用，提高其附加值。

来源：王勇，彭友林 广东化工 我国煤系针状焦原料预处理技术工业化研究进展