辽宁省石油化工规划设计院有限公司 辽宁沈阳
摘要：作为新型碳材料之一的针状焦，伴随着研究炭质中间相的脚步发展而起，其主要依据液相碳化理论为基础。因此，本文主要介绍针状焦自身发展过程、制备时所需原料与种类、针对生产过程提出主要问题并研究新的进展。
关键词：针状焦；发展历程；原料与种类；进展
0 前言
针状焦凭借其自身具有膨胀系数低、石墨化性能较好的优势，成为了炭焦工业的重要原材料之一。针状焦外形在遭受到碰撞破碎之后呈现出特定的针状结构，在显微镜观察下更是呈现出了非常明显的纤维状结构以及具有高度的各向异性。因此，不仅大量用于我国各类工业领域，在国防技术领域应用尤为深远。
1 针状焦发展历程
早在1950年前，由学者Great Lake Carbcn Corp首先针对针状焦进行大量研究，并且成功制备除石油系针状焦。而在1968年，随着碳质中间相理论不断完善，关于针状焦制备技术的也得到了快速的发展，并且在同年，油系针状焦以及煤系针状焦得到了正式投入生产的机会。此后，针状焦的国际市场主要由美国垄断了80%。
而在上个世纪的80年代初，国内众多学者也对此展开研究，并且在1985年，完善了油针状焦的生产方案，在此期间也探究了针状焦的成焦机理，进一步优化了焦化工艺，并且随之建立起一套相应的测试方案。而这项技术也在抚顺公司石油二厂以及大庆石化总厂，正式投入到工业生产当中。也在这一段时间，部分学者也开始着手研究针状焦的应用领域，并且将其作为原料制备高功率石墨电极。在针状焦制备工艺的完善后，我国至1993年为止，开发出了其他几种原料制备针状焦的方案，在此基础上进一步完善了工艺。1995年末，针状焦以100kt/a投入到了我国锦州石化公司中进行生产装置投产，成功突破了以往针状焦不能在工业上连续生产的屏障。
于2003年，根据已有的数据表明，针状焦每年在高功率电极以及超高功率电极方面的消耗率高达8-10万t，国内许多炭素厂家为降低成本而使用油系针状焦代替进口针状焦的状况，因此，也促成了国内外研制开发针状焦的步伐。
2 制备针状焦原料以及针状焦种类
众所周知，针状焦的主要用途是石油加工以及煤焦油加工过程中的重质馏分油环节。就好比如，热裂化渣油、煤沥青以及催化裂化澄清油等。通常企业进行生产工艺是最喜欢使用以及购买优质的原料，也就是市面上很常见的富含短侧链、线型连接或者多环芳香烃等结构的原料。根据所采用的原料种类不同，也决定了针状焦的种类也有所不同，就如煤系针状焦和油系针状焦。
对于针状焦的工艺生产过程，也表现出了对原料的高标准要求。对于含量较高的芳香烃一般重量比要求在30-50%范围内，含量相对低的胶质沥青一般要求将庚烷不溶物需控制在2%以内，而对于灰分一般控制在0.05%以内，硫分含量则不大于0.5%等。
3 生产工艺中存在的关键性问题
现针状焦的生产工艺流程主要为原料的预处理、延迟焦化以及煅烧三部分组成。其中最为关键的环节为延迟焦化。
3.1延迟焦化中温度的作用
温度在热转化环节中起着决定性的作用，铸就优质的针状焦重要前提是拥有较低的温度以及较慢的升温速率从而达到最有利于中间相生成的目的，才能够产生更大的平面大分子。
但实际上，如果在热转华环节的温度过低或者是升温速率过慢的话同样会导致会引起焦炭不成熟的状况，从而导致产出的多数是软焦或是油焦；或是按照相反的情况考虑，过高的温度以及过快的升温速率则会导致中间相小球体因为外界因素而来不及发育产生固化，其结果就是不能够产生良好的各向异性针状焦，达不到预想的效果。因此，在延迟焦化环节，需要选择适宜的温度条件，为创造出更多更优质的针状焦营造最有利的环境。
实际上，在生产过程中，工厂一般情况下会采用变温来控制生产针状焦，因其温度变化对于生产环节中需要维护的热平衡以及物料平衡的影响占比较大，甚至有的时候还会出现因油泵被抽空的现象而导致生产被迫停止。基于此，除了选择最为合适的温度以外还需要与其合适的压力与循环比进行彼此之间的配合，除此之外，还可以采用普通焦与针状焦之间相互联合达到能够弥补生产中的物料平衡问题。
3.2针状焦生产中压力的作用
压力相对于工艺生产过程中的主要作用就是能够减少焦化塔内轻组分析出量，能够最大程度有利于焦炭的纤维组织的形成，提高针状焦的产出质量，与此同时达到增加针状焦的收率。而一般情况下对于石油针状焦的成焦压力控制在0.17MPa，煤系针状焦则为0.2-0.5MPa。
3.3循环比的作用
循环比是指，循环油量与新鲜原料量的比，作为反映整个制备过程关于热平衡、物料平衡的主要参数，也能够有效控制针状焦的质量与收率。可以看作是，当循环比提高时，将会类似于低温高压的效果。一般情况下石油系针状焦的循环比需达到0.5-0.8，而煤系针状焦循环比为0.5-2.0。
4 针状焦研究新进展
根据我国石油化工科学研究院针对乙烯渣油的报道表明，其特点主要在于低含量饱和烃，通过蒸汽裂解渣油的方案可以采用沥青制备针状焦。当沥青中含有丰富的沥青质时，其在热转化过程中不利于中间相小球体的生产，通过蒸汽裂解渣油的方案可以采用沥青制备针状焦。当沥青中含有丰富的沥青质时此时结焦速率可以得到有效的提升。若采用预处理技术，焦化反应制备的得到的针状焦的热膨胀系数可以控制在较低的水平。此外，基于我国生产针状焦原料不足的背景下，石油化工科学院通过采用“双路进料系统的渣油焦化工艺”，真正实现了2种进料，2个生产方案。
查庆芳通过配制不同比例的油浆与渣油通过混合，并放置在温度为490℃、环境压强为0.8Mpa的环境下，发现针状焦制备效果较佳。此外，李开喜等人，通过改变条件，发现温度为500℃、压强为1Mpa的制备条件获得流线型光线结构的针状焦良品率较高。此外，刘以红等经过溶剂萃取对减压渣油研究后发现将渣油中适合制备针状焦的组分进行掐头去尾的处理方法能有效获得更纯的针状焦制备原料。
5 结束语
综上所述，我国针对针状焦开发技术尚且存在规模小以及质量不稳定等问题，这也表明我们需要在这方面的研究更加深入以及透彻，将针状焦的工艺以及应用领域开放到最大限度，早日为国民服务。
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作者简介：聂旭阳，男，1986年03月，单位：辽宁省石油化工规划设计院有限公司，高级工程师，研究方向:化工工艺与管道。