我国针状焦生产技术现状与发展方向
针状焦是生产超高功率电极、特种炭素材料、炭纤维及其复合材料等高端炭素制品的原料，其石墨化制品的化学稳定性好，耐腐蚀，导热率高，低温和高温时的机械强度良好，主要用于生产电炉炼钢用的高功率（HP）和超高功率（UHP）石墨电极和特种炭素制品，也是电刷、电池、炼钢用增碳剂、高温优质耐火炉料的新型材料，在电极、锂离子电池、燃料电池、电化学电容器、核石墨、冶金等方面得到广泛应用。
随着环保监管的日趋严格以及供给侧改革的推进，电炉炼钢需求增长速度加快，推高了超高功率和高功率石墨电极用针状焦的需求量。锂离子动力电池用人造石墨负极需求量的逐年增加，也进一步助推了市场对针状焦的需求。我国对针状焦的需求量大，国产针状焦的产量不足，质量有待提高，仍需大量进口。国际市场上，针状焦产品供不应求，价格一直在攀升。因此，发展针状焦生产，提高针状焦质量，成为国内的热门课题。
1 国内外针状焦生产概况
根据使用的原料，目前生产的针状焦可分为石油系和煤系两类。石油系以美国为代表，煤系则以日本为代表。近几年针状焦发展迅猛，市场规模不断扩大，特别是2017年以来，复产、扩产、拟在建项目大面积开工，目前全球在产产能已达1800kt·a-1， 但受限于原料、技术、市场等方面的原因，产能利用率并不高，优质针状焦资源仍十分有限。
1.1 国外针状焦生产概况
国外针状焦的生产企业集中在美国、英国、日本等几个国家，针状焦产能排在前五的企业分别是英国菲利浦66、美国菲利浦66、美国海波、日本JX、日本水岛等。表1为国外针状焦的主要生产企业及产能情况，总产能超过1000kt·a。
1.2 我国针状焦生产概况
我国针状焦生产近10年来才快速发展，国内已建成的针状焦生产装置设计产能达 600kt·a-1 以上，但受工艺技术、环保高压态势、石墨电极等下游产品限产等的影响，装置的开工率较低，产能利用率低 (最高35%)。2017年中国针状焦产能约600kt， 产量约129.6kt，较2016年的产量63 kt(包括沥青焦)增长114.9%，但产能利用率仍较低，仅约20%。受下游需求带动，近3年针状焦产品的表现强势。
随着电弧炉产能的增长，加上2017年以来炭素企业环保限产等因素的共同作用，从2017年开始，针状焦的市场需求急剧增长，2017年度中国针状焦 价格一度达到40000元·t-1的历史最高位，掀起了一股兴建针状焦装置的热潮。2021 年前，国内有意向新建、扩建针状焦的产能达到120万t·a-1，但实际开工建设的不多。
受限于技术壁垒，真正能生产高等级针状焦（用于生产超高功率电极或者电极接头）产品的新增产能预计不超过30万t·a-1。上海石化、安庆石化相继完成了针状焦生产的工业化试验。目前部分传统炼油企业正在抓紧推进针状焦生产项目，预计2019年有新产能可实现工业化生产。我国针状焦的主要生产企业产能及在建情况见表2。
2 我国针状焦市场概况
中国是针状焦的最大消费国，也是全球未来针状焦消费增量的主要贡献国。虽然国内针状焦的生产能力有爆发式增长，但是下游行业对针状焦的需求也将长期保持较快增长，特别是质量等级高的针状焦将长期供不应求。据最新统计，国内高功率和超高功率电极的需求量为 6~10万t·a-1，相应的针状焦需要量为6~12万t·a-1。
目前，因进口的针状焦数量有限，锦州石化公司的产量也只有3万t·a-1，因此，国内超高功率电极的产量只好由针状焦的数量来决定。同时国产针状焦一个明显的问题是质量不如进口焦稳定，这也在很大程度上限制了国产针状焦对进口产品的替代，导致进口针状焦的价格长期居高不下。
据统计，2018年中国国内生产高等级产品约8万 t，进口针状焦总量为22万t，其中菲利普66进口量为14.8万t，占总进口量的67.27%。配额给石墨电极市场的量仅为 3.8万t左右，约占25.68%，部分贸易商手里的货源价格一度被热捧到37000元·t-1左 右。2019年上半年, 进口菲利普66针状焦的价格普遍调涨，其中石墨电极用针状焦 的价格涨幅为23.53%，负极材料用针状焦部分调涨16.67%左右。
2019年1~6月，中国进口菲利普66针状焦的价格按照以下执行：石墨电极用针状焦价格为HNP为4200美元·t-1，HSP为4600美元·t-1；负极材料用针状焦价格主流为1200~1400美元·t-1， 部分高报2250美元·t-1。
2019年预计新增针状焦需求20万t以上，其中石墨电极新增产能约40万t，因生产流程较长，有效新增产能15万t；负极材料预计保持30%以上的高增长率，新增需求量为8~10万t·a-1。
未来3~5年，预计针状焦需求保持可观增长速度。一是受国家政策影响，国家不断压减地条钢、中频炉炼钢的产能，加之工业化发展到一定阶段，回收废钢量不断增加，导致高频电炉炼钢成为行业发展重点，全国粗钢产能超过9亿t，电炉炼钢2016年以前占比为4%，现在占比为10%，将来要达到20%。占比每增加1%，石墨电极需求就增加1.5~2万t·a1 ，高功率/超高功率电极供不应求。
二是负极材料行业的高速发展。2018年负极材料产量为20万t，基本全部在中国，而且连续多年保持30%~40%的年增长率。车载动力电池的发展速度较快，且行业内普遍看好蓄能电站建设对负极材料的需求，负极材料对针状焦的需求也将快速增长。
3 国内外针状焦的生产技术及产品质量
3.1 针状焦的主要生产技术
由于具有结晶度高、颗粒密度大、烧蚀量低、热膨胀系数低等特点，针状焦被广泛应用于航天及炼钢等行业。根据原料路线的不同，针状焦分为油系和煤系两种，其生产方法有一定差异。油系针状焦的生产方法是美国在20世纪50年代后期开发的，以热裂化渣油和催化裂化澄清油等石油加工厂重质馏分油为原料，经延迟焦化和煅烧等工艺过程，制得成品油系针状焦。从20世纪80年代中期开始，美国生产针状焦的原料以催化油浆为主，生产能力居世界第一。
煤系针状焦的生产方法是1979年由日本新日铁和三菱化成公司开发的，以煤炼焦副产品煤焦油沥青为原料，经原料预处理、延迟焦化和煅烧3个工艺过程，制得成品煤系针状焦。作为新日铁集团旗下一家专业生产碳素制品的公司，C-Chem目前也是全球最大的煤系针状焦生产商。
国外的针状焦生产技术已经比较成熟，但生 产技术高度保密，公开的相关技术资料比较缺乏。2013年日本新日铁公司与我国方大炭素新材料公司联合，在江苏邳州市经济开发区成立方大喜科墨（江苏）针状焦科技有限公司，建设60kt·a-1针状焦项目，核心技术仍由日本掌握。
我国对针状焦的研究始于20世纪70年代末。1979~1985年，石油化工科学研究院（简称石科院）先后完成了油系针状焦的实验室试验、小试和中试， 探明了成焦机理，确定了原料和焦化工艺，建立了相应的测试方法。油系针状焦在锦州石化公司和安庆石化公司进行了工业性开发，在抚顺石油二厂、大庆石化等公司的焦化装置进行了针状焦工业试验。煤系针状焦在鞍山沿海化工和山东兖矿科蓝煤焦化有限公司进行了工业性开发。
1994年，鞍山沿海化工采用鞍山焦化耐火材料设计研究总院的专利技术，建成了煤系针状焦工业化生产装置，并于1996年投料试生产。1995年11月，锦州石化公司采用石科院技术的油系针状焦生产装置投产成功。2000年，山东兖矿科蓝煤焦化有限公司采用鞍山热能院的专利技术，建成了溶剂法原料预处理煤系针状焦工业生产装置，预处理工序流程被打通。但之后由于技术、规模、成本等多方面的原因，当时只有锦州石化公司油系针状焦装置坚持生产，但其生产的产品质量不稳定，产量一直在20kt·a-1左右。
近10年来，我国在针状焦方面的研究投入巨大，生产技术取得突破性成果，针状焦产能翻番。煤系针状焦生产技术主要来自于中钢热能研究院、中冶焦耐工程技术有限公司、宝钢化工、上海宏特、鞍山开炭、鞍山兴德、宝舜化工。油系针状焦生产方面，锦州石化等采用石科院专利技术，山东益大、山东泓达均采用与石油大学合作研发的技术，山东京阳采用自主研发技术。
3.2 国内外针状焦产品质量比较
从质量跟踪数据看，进口针状焦质量比国产针状焦稳定。进口针状焦的微量元素、硫含量相比国产焦低；国产焦易碎，强度差，韧性差，结合不好，振实密度小，比电阻比进口焦小，表面来看导电性好，但针状性强度差。国际针状焦的振实密度大，国产焦小。一般情况下，油系针状焦的质量优于煤系针 状焦。国产、进口针状焦的质量指标典型数据见表3、表4。
用户反映，与进口焦相比，国产质量最好的油系针状焦的振实密度仍然偏低，针状性能差，颗粒轻度差，CTE偏高20%左右。炼油企业开发高端炭素材料用针状焦，关键在于能否生产出与进口针状焦质量相当的产品。
4 我国针状焦生产技术的方向
国外针状焦的总产能略超1000kt·a-1，至 2019年底，我国针状焦的总产能将超过 1000kt·a-1现有产能超过600kt·a-1，将成为针状焦生产大国。但受工艺技术、环保高压态势、石墨电极等下游产品限产等的影响，装置的开工率较低（仅约20%）。针状焦货源一半被美国和日本掌控，我国针状焦的下游产业依然受制于人。
进口针状焦（日本焦、英国焦、美国焦）的质量稳定，主要用于超高功率石墨电极接头焦和所有负极材料生产企业，但货源紧张，价格高涨，可控性较弱。国产针状焦的质量不稳定，主要用于超高功率小规格石墨本体、所有高功率石墨电极和部分负极材料，产量不高，货源也紧张。从产量仅为产能的 20%、仍需大量高价进口针状焦的现实情况看，我国针状焦的成套生产技术还没完全成熟，仍需深入开展相关技术的研究。
石油系针状焦在导电性、使用寿命等性能上比煤系更好，更容易受到客商青睐。随着石油价格的低位运行和环保严控，加之我国催化油浆（生产针状焦的良好原料）的供应充足，大部分炼油厂正从脱碳型向加氢型转变，焦化装置产能过剩，因此，我国应以发展油系针状焦为主。催化油浆生产针状焦的 一般工艺流程见图1。
20世纪80年代，石科院先后在抚顺石油二厂、大庆石化等公司的焦化装置进行了针状焦工业试验。1995年，锦州石化公司采用石科院技术的油系针状焦生产装置投产成功。上海石化采用石科院开发的石油系针状焦生产技术，对现有的油浆拔头装置进行改造后，对油浆进行切割，并利用柴油加氢装置对拔出的轻油浆进行精制，再对100万t·a-1 延迟焦化装置进行了适应性改造，在2015年下半年开展了针状焦工业试验，试生产出了石墨化后热膨胀系数小的优质油系针状焦，成果通过中石化集团鉴定。中石化安庆分公司拟建的10万t·a-1优质针 状焦项目，以高硫劣质催化油浆为原料，采用“减压蒸馏-加氢精制-延迟焦化”组合工艺生产优质针状焦。
山东益大与中国石油大学合作研发的技术，采用的是自主开发的原料预处理和烘焦技术。山东泓达采用与石油大学合作研发的技术，使用超临界萃取预处理技术和拥有自主知识产权的变温变压延迟焦化核心技术，生产高品质油系针状焦，填补了国内空白。
京阳科技开发了自己独特的生产工艺，3t 油浆约能生产1t针状焦，煅烧针状焦的颗粒度大幅提高，使针状焦在产量、质量上得到极大优化。2019年4月24日，京阳科技的300t煅后针状焦成功出口到日本。这是中国生产的针状焦首次成功进入日本市场，说明京阳针状焦的品质已经达到了国际水 平，同时也实现了历史性突破。
可见，我国已有较好的油系针状焦基础研究、应用研究基础和产业基础。但是，油系针状焦还需强化以下工作：
1）原料的预处理及评价。对催化油浆原料进行特性分析，采用脱催化剂粉末、糠醛溶剂精制、丙烷抽提或加氢脱胶质沥青质等适应性强的工艺技术进行预处理，对预处理油浆产品（焦化原料）进行特性分析。
2）制定焦化原料的质量指标，符合质量指标的预处理油浆产品（焦化原料）才能进入焦化工段。
3）焦化装置的工艺、设备、操作条件必须符合生产高质量针状焦的要求。应建立针状焦产品的质 量指标及产品质量的有效监控与反馈机制，使装置具有较强的适应性和灵活调节性，为装置生产保质、保量的针状焦提供有效保障。
4）优化煅烧工段的操作条件，保证关键指标合格，提高产品品质。
5）完善原料、中间产品、针状焦产品的质量标准，建立针状焦的上游、下游生产技术的关联联动，建立协调反馈机制，提高针状焦产能利用率和针状焦质量。
5 结论
针状焦是生产超高功率电极、特种炭素材料、炭纤维及其复合材料等高端炭素制品的原料，在电极、锂离子电池、燃料电池、电化学电容器、核石墨、冶金等行业应用广泛。高质量的针状焦在国内外仍属于稀缺产品，供不应求，价格高涨。我国针状焦产量仅为产能的20%，仍需大量高价进口针状焦的现状表明，我国针状焦的成套生产技术还没完全成熟，仍需深入开展相关的技术研究。基于石油价格稳定，供应平稳，环保严控，我国催化油浆供应充足，大部分炼油厂从脱碳型向加氢型转变，焦化装置产能过剩，石油系针状焦总体性能优于煤系针状焦等原因，我国应侧重于发展油系针状焦。
来源:化工技术与开发 作者：牟宗平，付公燚