我國煤系針狀焦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

程俊霞，趙雪飛，朱亞明，賴士全，高麗娟

(遼寧科技大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

0 引 言

針狀焦按照原料來源不同可分為煤系針狀焦和油系針狀焦，煤系針狀焦的原料是高溫煤焦油瀝青，油系針狀焦的原料是熱裂化渣油和催化裂化澄清油等石油加工廠重質(zhì)餾分油[1-3]。我國能源架構(gòu)是典型的“富煤少油”型，在“雙碳”目標(biāo)背景下，將高溫煤焦油瀝青等煉焦副產(chǎn)品充分資源化利用一方面有利于延長煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，另一方面可以促進(jìn)煤焦油下游化工產(chǎn)品向精細(xì)化、高附加值方向發(fā)展，是助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效途徑[4-8]。煤系針狀焦是高溫煤焦油瀝青進(jìn)行深加工時(shí)獲得的一種高附加值產(chǎn)品，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、低熱膨脹系數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度、低灰低硫、易石墨化等特性，是高性能炭材料制備領(lǐng)域中不可或缺的優(yōu)質(zhì)原料[9-11]。

煤系針狀焦的發(fā)展最早可追溯到20世紀(jì)70年代，其生產(chǎn)技術(shù)一直掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手里。近年來，我國煤系針狀焦技術(shù)取得了飛速發(fā)展，打破了煤系針狀焦一直以來依賴進(jìn)口的局面，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升。2015年，我國出臺(tái)了煤系針狀焦標(biāo)準(zhǔn)，為針狀焦品質(zhì)的分級(jí)奠定了基礎(chǔ)。盡管如此，國內(nèi)高品質(zhì)煤系針狀焦產(chǎn)品短缺問題依然突出，如高功率或超高功率石墨電極的“接頭焦”幾乎均采用高品質(zhì)油系針狀焦；部分特炭材料的原料往往選擇油系針狀焦。筆者主要從煤系針狀焦企業(yè)采用的生產(chǎn)工藝技術(shù)方面剖析目前針狀焦工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)行業(yè)內(nèi)存在的共性問題進(jìn)行探討和分析，以期助力國產(chǎn)煤系針狀焦產(chǎn)品在高端定位、多元化應(yīng)用方面不斷優(yōu)化升級(jí)。

1 我國煤系針狀焦的發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代初，美國最先實(shí)現(xiàn)了油系針狀焦的工業(yè)化生產(chǎn)，但是在20世紀(jì)70—80年代，全世界經(jīng)歷了2次大規(guī)模的石油危機(jī)，在一定程度上限制了油系針狀焦的發(fā)展。截至20世紀(jì)70年代末期，德國、日本等國家以煤焦油瀝青為原料，采用不同于油系針狀焦生產(chǎn)工藝的方法實(shí)現(xiàn)了煤系針狀焦的工業(yè)化生產(chǎn)。由于發(fā)達(dá)國家對(duì)針狀焦生產(chǎn)技術(shù)封鎖，我國煤系針狀焦技術(shù)從研發(fā)到工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)跌宕起伏的歷程，主要為3個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 我國煤系針狀焦的發(fā)展過程Fig.1 Development process of coal-based needle coke in China

第1階段，我國針狀焦的研發(fā)和生產(chǎn)起步較晚，在20世紀(jì)80年代初，針狀焦的制備技術(shù)研究被列為國家“65科技攻關(guān)計(jì)劃”。煤系針狀焦制備技術(shù)研究發(fā)源于遼寧鞍山，由鞍山熱能研究院開發(fā)了溶劑萃取沉降的原料預(yù)處理工藝，與此同時(shí)鞍山鋼鐵學(xué)院和鞍山焦耐院聯(lián)合開發(fā)了閃蒸熱縮聚的原料預(yù)處理工藝[12]。1994年6月，鞍山沿?；す窘ǔ闪水a(chǎn)能2萬t/a的煤系針狀焦工業(yè)裝置，開創(chuàng)了我國煤系針狀焦生產(chǎn)的先河，為我國煤系針狀焦的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

第2階段，自2001年鞍山沿?；っ合滇槧罱股a(chǎn)裝置關(guān)停后，煤系針狀焦的工業(yè)化生產(chǎn)沉寂了一段時(shí)間。2006年7月山西宏特煤化工有限公司

采用閃蒸熱縮聚原料預(yù)處理、延遲焦化、回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝，建設(shè)了一套5萬t/a煤系針狀焦生產(chǎn)裝置并于2007年7月實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。但是閃蒸熱縮聚預(yù)處理工藝在操作穩(wěn)定性、長周期運(yùn)行以及精制瀝青的熱化學(xué)活性等方面存在著一定缺陷，后續(xù)改為溶劑萃取沉降預(yù)處理工藝。2006年，鞍山熱能研究院與遼寧科技大學(xué)合作開展了煤系針狀焦用原料瀝青的溶劑萃取沉降分離及精制瀝青的熱轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，獲得了實(shí)驗(yàn)室制備煤系針狀焦的優(yōu)化工藝條件，在鞍山建設(shè)了100 kg/h進(jìn)料的煤系針狀焦工業(yè)試驗(yàn)裝置，為規(guī)模化生產(chǎn)的工藝包設(shè)計(jì)提供了完整的技術(shù)參數(shù)。2009年9月在鞍山投產(chǎn)了一條4萬t/a煤系針狀焦生產(chǎn)線，生產(chǎn)出與日本進(jìn)口針狀焦相同質(zhì)量的產(chǎn)品，至此，我國煤系針狀焦真正實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，打破煤系針狀焦一直以來依賴進(jìn)口的局面。隨著國內(nèi)煤系針狀焦規(guī)模化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)技術(shù)不斷優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，競(jìng)爭(zhēng)力日趨提高，國外技術(shù)開始涌入國內(nèi)市場(chǎng)。2013年6月，擁有世界上最大的煤系針狀焦產(chǎn)能的日本新日鐵公司在國內(nèi)成立了喜科墨(江蘇)針狀焦科技有限公司，在江蘇省徐州市建立了一條6萬t/a煤系針狀焦生產(chǎn)線。

第3階段，國產(chǎn)化后的煤系針狀焦經(jīng)過幾年的市場(chǎng)考驗(yàn)后，質(zhì)量不斷提高，但是與國外的優(yōu)質(zhì)焦炭相比仍具有一定差距。同時(shí)，受國外技術(shù)排擠和國際整體經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，進(jìn)口煤系針狀焦價(jià)格不斷下滑，導(dǎo)致國內(nèi)的煤系針狀焦生產(chǎn)企業(yè)開工率低，整體產(chǎn)能釋放不理想。在建和待建項(xiàng)目呈現(xiàn)觀望態(tài)度。煤系針狀焦工業(yè)生產(chǎn)在2014—2016年進(jìn)入了寒冬期。然而，在此期間，我國煤系針狀焦的技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)技改并未停止。2016年末，國際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)逐漸明朗，國內(nèi)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革政策的出臺(tái)，使得電爐煉鋼產(chǎn)能不斷提升，對(duì)石墨電極需求量劇增，繼而帶動(dòng)了針狀焦行業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí)，隨著新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池碳負(fù)極材料需求的增加，為針狀焦的應(yīng)用提供了一條嶄新的途徑，煤系針狀焦的工業(yè)化生產(chǎn)蓬勃開展。已建的煤系針狀焦生產(chǎn)線滿負(fù)荷生產(chǎn)，待建項(xiàng)目紛紛上馬。國內(nèi)煤系針狀焦主要生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能見表1。

表1 國內(nèi)煤系針狀焦主要生產(chǎn)企業(yè)

續(xù)表

2 煤系針狀焦生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)煤系針狀焦的生產(chǎn)過程主要由3個(gè)工序組成(原料預(yù)處理、延遲焦化和煅燒)，各工序技術(shù)水平代表了國內(nèi)該行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 原料預(yù)處理工藝

據(jù)報(bào)道[13-15]，可用于煤系針狀焦生產(chǎn)的原料種類繁多，但是目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的原料主要是高溫煤焦油直餾或回配軟瀝青[16]。該瀝青并不能直接用于針狀焦的生產(chǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以滿足高品質(zhì)焦炭對(duì)原料的要求。工業(yè)生產(chǎn)中，預(yù)處理的主要目的是脫除原料瀝青中的喹啉不溶物(QI)，這是因?yàn)镼I含量直接影響針狀焦的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀質(zhì)量。常見的原料預(yù)處理方法有溶劑萃取法[17-18]、離心法[19]、閃蒸縮聚法[20-21]、改質(zhì)法等[22-23]，國內(nèi)煤系針狀焦生產(chǎn)企業(yè)主要采用溶劑萃取處理法，具體工藝如圖2所示。

溶劑萃取法的核心技術(shù)是采用合適的溶劑沉降分離輕重相的油品，萃取劑主要是由脂肪烴溶劑和芳香烴溶劑按照一定比例組成的混合物。圖2(a)中雙槽式兩級(jí)萃取沉降分離精制工藝技術(shù)采用的萃取溶劑是航空煤油和脫酚酚油，經(jīng)過不斷技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展，目前采用該技術(shù)的生產(chǎn)企業(yè)萃取溶劑有航空煤油和洗油，或航空煤油和焦化輕油。該技術(shù)的特點(diǎn)是采用兩級(jí)沉降槽，逐級(jí)沉降；同時(shí)該法采用蒽油回配一級(jí)沉降槽，可以增加重相油的流動(dòng)性，防止一級(jí)沉降槽底部堵塞；回配的蒽油經(jīng)過重相塔側(cè)線采出后循環(huán)利用。圖2(b)單槽萃取沉降分離精制工藝中萃取劑是航空煤油和洗油，是我國自主研發(fā)的一種經(jīng)典溶劑萃取法，在一個(gè)沉降槽內(nèi)完成了輕重相油品的分離；該法具有投資少、工藝簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，因此采用該法進(jìn)行預(yù)處理的企業(yè)相對(duì)較多；有企業(yè)嘗試將焦化重油替代洗油與航空煤油混合作為萃取劑，但萃取效果并不理想，工藝難以順行。盡管圖2(c)溶劑自動(dòng)調(diào)配快速萃取沉降分離精制工藝采用的萃取劑以及沉降槽的數(shù)量與圖2(b)工藝一致，但是該法實(shí)現(xiàn)了溶劑的自動(dòng)調(diào)配，輕重相分離后，經(jīng)過輕重相塔的蒸餾可得到的產(chǎn)品除目標(biāo)產(chǎn)物精制瀝青，還可獲得炭黑油和高軟化點(diǎn)的重相瀝青；該工藝副產(chǎn)品的附加值較高，與前2種預(yù)處理工藝有明顯區(qū)別。

總體來說，3種溶劑萃取沉降工藝原理相似而又各具特色。與其他預(yù)處理方法相比，溶劑萃取沉降工藝收率高，可達(dá)77%～78%，QI脫除徹底，但操作上受原料穩(wěn)定性影響較大。各生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)自身原料瀝青的性質(zhì)適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，如脂芳比、溶劑比和沉降時(shí)間等，可以獲得QI含量較低的精制軟瀝青。目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)在原料瀝青QI脫除方面的技術(shù)與方法已經(jīng)逐漸成熟。

2.2 延遲焦化工藝

延遲焦化是重質(zhì)油在加熱爐爐管內(nèi)迅速升溫至高溫裂解溫度，然后進(jìn)入焦炭塔，將焦化反應(yīng)“延遲”到焦炭塔內(nèi)進(jìn)行的工藝過程[25]。在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)是我國石油行業(yè)重質(zhì)油加工的主要方法。20世紀(jì)50年代后期，美國率先利用延遲焦化工藝生產(chǎn)出了油系針狀焦。在延遲焦化階段，瀝青完成了向焦炭轉(zhuǎn)化的整個(gè)過程(圖3)。其中，瀝青熱解炭化形成針狀焦的過程，如圖4所示。延遲焦化工藝參數(shù)的調(diào)控對(duì)針狀焦的質(zhì)量起重要作用。

圖3 延遲焦化工藝[26]Fig.3 Process of delayed coking[26]

圖4 煤瀝青熱解形成針狀焦的示意[26]Fig.4 Carbonization scheme of coal tar pitch into a needle coke[26]

煤系針狀焦生產(chǎn)采用的延遲焦化工藝流程主要有2種形式，如圖5所示。多數(shù)企業(yè)采用的是可調(diào)循環(huán)比的延遲焦化工藝流程。循環(huán)比是指進(jìn)入加熱爐輻射段的焦化混合油中自產(chǎn)的重質(zhì)油分(簡稱重油)與精制軟瀝青的比值。2種工藝的根本差異在于零循環(huán)比的延遲焦化過程進(jìn)入焦炭塔的原料是精制軟瀝青，而可調(diào)循環(huán)比的延遲焦化過程進(jìn)入焦炭塔的原料是精制軟瀝青和重油的混合物(通稱為“混合油”[27])。盡管行業(yè)內(nèi)認(rèn)為重油在延遲焦化系統(tǒng)內(nèi)僅起到“循環(huán)”作用，但是從2種工藝獲得的延遲焦(生焦)的收率數(shù)據(jù)分析可知，零循環(huán)比工藝的生焦收率普遍低于可調(diào)循環(huán)比工藝的生焦收率，這是因?yàn)椴糠种赜驮诮固克?nèi)參與了“結(jié)焦”反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果也同樣證明了該結(jié)論[28]。

圖5 延遲焦化工藝流程Fig.5 Delayed coking process

隨著混合油在焦炭塔內(nèi)反應(yīng)程度的不同，裂解產(chǎn)生的重組分組成并不完全一致，從而影響混合油的性質(zhì)。生產(chǎn)過程中盡管在同一個(gè)生焦周期內(nèi)通過不斷調(diào)整循環(huán)比來維持混合油密度等宏觀性質(zhì)的穩(wěn)定[29]，但是實(shí)際上同一生焦周期內(nèi)，不同進(jìn)料時(shí)間的混合油在結(jié)構(gòu)組成、黏流特性、熱力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面[30-31]都存在明顯差異。因此，在同一個(gè)生焦周期內(nèi)，不同進(jìn)料時(shí)間的混合油生成焦炭的質(zhì)量不均勻[32]。工業(yè)生產(chǎn)中，很多企業(yè)在水力除焦過程中，根據(jù)焦炭在焦炭塔內(nèi)的位置，進(jìn)行上、中、下3個(gè)部位的分級(jí)處理，獲得不同質(zhì)量等級(jí)的生焦。除此之外，混合油中的重油參與結(jié)焦反應(yīng)后，得到生焦真密度略低于零循環(huán)比工藝生產(chǎn)的生焦真密度。

采用2種不同工藝進(jìn)行針狀焦的工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，零循環(huán)比工藝的操作方式是恒溫、變壓、短生焦周期，而可調(diào)循環(huán)比工藝操作方式是變溫、變壓、變循環(huán)比、長生焦周期。此外，2種工藝在進(jìn)料結(jié)束后的處理略有不同，通常零循環(huán)比的工藝進(jìn)料結(jié)束后沒有吹油氣的過程，而可調(diào)循環(huán)比的工藝大多存在吹油氣環(huán)節(jié)。盡管國內(nèi)針狀焦延遲焦化的主流工藝為可調(diào)循環(huán)比的工藝，但是各企業(yè)根據(jù)自身精制瀝青的性質(zhì)，在工藝參數(shù)初始進(jìn)料溫度、壓力、低溫恒溫時(shí)間、升溫速率、進(jìn)料終溫等方面各具特色。

2.3 煅燒工藝

將炭質(zhì)原料在高溫下進(jìn)行熱處理，除去所含揮發(fā)分，并相應(yīng)地提高原料理化性能的生產(chǎn)工序稱為煅燒。針狀焦生焦煅燒的主要目的是：排出生焦中的水分和揮發(fā)分，增加焦炭的真密度，提高機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能。煅燒的升溫速率、終溫等操作條件對(duì)針狀焦體積的收縮、熱應(yīng)力等方面產(chǎn)生很大影響，最終經(jīng)過煅燒后針狀焦的宏觀性質(zhì)如真密度、電阻率以及強(qiáng)度等發(fā)生了不可逆的變化[33-35]。針狀焦生產(chǎn)企業(yè)常用煅燒設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯，如圖6(a)所示，部分企業(yè)在應(yīng)急狀態(tài)下也有采用罐式爐煅燒(圖6(b))。

圖6 煅燒工藝Fig.6 Calcination process

回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中，各企業(yè)控制的主要工藝參數(shù)是3個(gè)溫度帶的溫度。與罐式爐相比，回轉(zhuǎn)窯的煅燒收率偏低，僅維持在72%左右(國內(nèi))，其根本原因在于針狀焦生焦中揮發(fā)分含量低，達(dá)到較高的煅燒溫度時(shí)，針狀焦的炭質(zhì)燒損大。采用回轉(zhuǎn)窯煅燒時(shí)，影響針狀焦煅燒工段長周期運(yùn)行的主要因素為2方面：① 由于窯內(nèi)耐火材料性能及澆筑施工質(zhì)量;② 操作不當(dāng)引起的窯頭“返火”，損壞爐門[36]，這也是我國早期煤系針狀焦企業(yè)煅燒生產(chǎn)過程頻繁暫停的主要原因。

目前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，回轉(zhuǎn)窯煅燒的第2個(gè)缺點(diǎn)是在一定程度上破壞了針狀焦的粒度。因此，近年來，罐式爐煅燒重新研究，在不破壞粒度的前提下，開發(fā)了增加顆粒強(qiáng)度及振實(shí)密度的罐式爐煅燒針狀焦的新工藝[37]。

3 我國煤系針狀焦未來發(fā)展方向

近年來，受市場(chǎng)影響，煤系針狀焦產(chǎn)能劇增。除高功率和超高功率石墨電極方面對(duì)針狀焦的需求持續(xù)增加，鋰離子電池碳負(fù)極材料對(duì)針狀焦的需求態(tài)勢(shì)明顯增加。大部分企業(yè)缺乏基礎(chǔ)研發(fā)工作，針狀焦的生產(chǎn)質(zhì)量并不理想，且各企業(yè)間產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。為了徹底改善這一現(xiàn)狀，提升國內(nèi)煤系針狀焦技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)力，未來我國煤系針狀焦行業(yè)可以從2個(gè)方面入手。

3.1 生產(chǎn)過程中基礎(chǔ)研究的重要性

與國外優(yōu)質(zhì)的煤系針狀焦相比，我國煤系針狀焦質(zhì)量依然存在一定差距。這與我國煤系針狀焦生產(chǎn)過程中不重視基礎(chǔ)研究有一定關(guān)系。生產(chǎn)過程中，各工段的評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，忽視了其他基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，缺乏全面性。如原料預(yù)處理工序的主要目的是去除QI和調(diào)控精制軟瀝青的分子量分布[38]。但在生產(chǎn)過程中，各企業(yè)主要采用精制瀝青中QI含量判斷預(yù)處理效果，忽略了瀝青分子結(jié)構(gòu)和分子量的分布調(diào)控。從原料角度考慮，優(yōu)化精制軟瀝青的分子量分布是獲取優(yōu)質(zhì)針狀焦產(chǎn)品的必要條件。實(shí)際研究表明：精制軟瀝青的平均分子結(jié)構(gòu)為線性的2～4環(huán)縮合芳烴[39]，分子結(jié)構(gòu)中芳香指數(shù)fa和β樹脂值分別在0.95～0.98和13%～16%被認(rèn)為是優(yōu)良的原料[40-41]。因此，預(yù)處理過程中，一些重要的操作參數(shù)如脂芳比、溶劑比、沉降時(shí)間等對(duì)瀝青分子量分布調(diào)控影響的基礎(chǔ)研究有待進(jìn)一步深入。遼寧科技大學(xué)開發(fā)了一種可調(diào)控瀝青分子量分布的新的預(yù)處理技術(shù)[42]，在去除瀝青中QI的同時(shí)，注重調(diào)控分子量的分布，有利于提升精制瀝青的品質(zhì)，為優(yōu)質(zhì)針狀焦的生產(chǎn)提供原料保證。在煅燒工段，評(píng)價(jià)針狀焦煅燒程度主要以真密度為指標(biāo)。雖然真密度是評(píng)價(jià)針狀焦的一個(gè)重要指標(biāo)，但是僅采用真密度這一指標(biāo)來控制針狀焦的煅燒過程參數(shù)具有一定的片面性。實(shí)際上煅燒過程是生焦內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)重排的過程，最終將生焦的平面二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為煅后焦的三維類石墨微晶結(jié)構(gòu)。因此針狀焦的一切宏觀性質(zhì)是其微觀結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，朱亞明等[43]在分析國內(nèi)外幾種煤系針狀焦的微晶結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。隨著煅燒溫度的升高，針狀焦中碳晶體尺寸La、Lc及堆垛層逐漸增加，每層平均碳原子數(shù)n增多，趨于規(guī)整的石墨微晶含量Ig逐漸升高；相同煅燒溫度下，升溫速率越快，晶格尺寸越小，堆垛層數(shù)及每層平均碳原子數(shù)越少；升溫速率越慢，越有利于針狀焦中石墨微晶的發(fā)育[44]。因此，重視煅燒過程中焦炭內(nèi)部微晶結(jié)構(gòu)的演變比關(guān)注真密度的變化更具實(shí)際意義。

3.2 煤系針狀焦延遲焦化新工藝開發(fā)

延遲焦化工段，瀝青完成了向生焦轉(zhuǎn)化的過程。成焦后的碳微晶結(jié)構(gòu)排列是決定針狀焦微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的主要因素[45]。因此，延遲焦化工序是煤系針狀焦生產(chǎn)過程中最重要的工段。目前各生產(chǎn)企業(yè)多采用可調(diào)循環(huán)比的延遲焦化工藝。受該工藝自身的特點(diǎn)影響：焦炭塔內(nèi)物料生成中間相過程和固化拉焦2個(gè)階段均受同一臺(tái)管式爐和同一個(gè)分餾塔控制，從而導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的物料平衡和熱量平衡波動(dòng)較大，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，造成針狀焦質(zhì)量波動(dòng)較大。若從根本上解決這一問題，則要不斷開發(fā)適于生產(chǎn)煤系針狀焦的延遲焦化新工藝。為有效阻止高溫油氣攜帶的焦粉進(jìn)入分餾塔內(nèi)，防止混合油中QI的污染，同時(shí)有利于調(diào)控重油的性質(zhì)，確保混合油質(zhì)量的穩(wěn)定，在焦炭塔的大油氣線上增加一座分離塔[46]，如圖7所示。

圖7 煤系針狀焦生產(chǎn)中混合油質(zhì)量的調(diào)控方法Fig.7 Control method of mixed oil quality inthe production of coal-based needle coke

為進(jìn)一步提升煤系針狀焦的質(zhì)量，研發(fā)出的煤系針狀焦生產(chǎn)二代焦化技術(shù)(兩爐三塔技術(shù))：“一種基于延遲焦化工藝制備針狀焦的裝置及方法”[47](圖8)，可以從根本上解決目前煤系針狀焦生產(chǎn)工藝上的缺陷，有利于完善煤系針狀焦的生產(chǎn)技術(shù)。

圖8 二代延遲焦化工藝Fig.8 Second-generation delayed coking process

此外，同時(shí)含有熱縮聚塔和焦化塔的多塔延遲焦化工藝[48]等新工藝方法也不斷涌現(xiàn)。

4 結(jié) 語

未來我國煤系針狀焦技術(shù)發(fā)展的核心及特點(diǎn)是：① 操作簡單，人為干預(yù)少，工藝參數(shù)控制精度高；② 采用2段焦化技術(shù)實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行，開工率高；③ 注重環(huán)保、副產(chǎn)品附加值高。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“品質(zhì)高端化”和“應(yīng)用差異化”。品質(zhì)高端化則是通過不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，從原料調(diào)控和工藝優(yōu)化2方面出發(fā)，持續(xù)提升焦炭質(zhì)量，不僅包括焦炭的宏觀性能改善，更要重視焦炭微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)育。應(yīng)用差異化則是根據(jù)下游客戶不同需求，有針對(duì)性地改善或優(yōu)化指標(biāo)，使其滿足相應(yīng)要求。對(duì)于石墨電極行業(yè)用焦，注重煅燒后針狀焦的真密度、熱膨脹系數(shù)(CTE)和合理的粒度分布。對(duì)于鋰離子電池負(fù)極材料用焦，應(yīng)重視生焦的真密度和片狀顯微組分含量。通過以上措施，實(shí)現(xiàn)煤系針狀焦行業(yè)的有序發(fā)展。