第2章　瀝青焦和針狀焦

煤瀝青經過高溫炭化，能生產出瀝青焦；煤瀝青或石油渣油經歷中溫液相炭化可形成碳質中間相，再通過高溫炭化，能生產出針狀焦，針狀焦顆粒具有針狀或纖維狀紋理走向；石油渣油經高溫炭化能生產出石油焦，是煉油工業的副產品。瀝青焦、針狀焦和石油焦不僅可以用作燃料，還能用來生產人造石墨電極、鋁用預焙陽極、特殊石墨等產品，應用在冶煉、電解制鋁、核電站建設等重要領域[1，2]。

瀝青焦、針狀焦、石油焦都是液相原料經過高溫炭化的產品，與高爐煉鐵所用的焦炭不同。焦炭是以焦煤或者幾種煤的配煤為原料，在隔絕空氣條件下加熱至1000℃左右、經過高溫干餾形成的固態產物。煉焦的同時也生產出焦爐煤氣、煤焦油等產品[2]。焦炭形狀不規則，呈現銀灰或黑色多孔結構，質地堅硬，富含大小不等的氣孔，其主要成分是碳，也含有少量氫、氧、氮、硫、磷、鉀及其他元素。焦炭是高爐煉鐵不可缺少的原料，也應用于冶金、鑄造、生產合成氣、生產電石等。高爐煉鐵時，焦炭通過燃燒提供熱量，并作為還原劑將鐵礦石還原，同時，焦炭還起到支撐骨架、疏松爐料的作用，使鐵礦石等均勻分布在煉鐵爐中，讓還原性氣體穿過并與鐵礦石充分反應，也為鐵水、熔渣的下降提供自由空間。我國高爐煉鐵對焦炭需要量巨大，焦炭產量從1993年起就占據世界首位。近年中國焦炭產量占世界焦炭總產量的50%左右，出口量占世界總貿易量的60%左右。2014年，我國焦炭產量為4.77億噸，占世界總產量60%以上，2016年我國焦炭產量調整為4.49億噸。

與焦炭相似的是，瀝青焦、針狀焦和石油焦也主要由碳組成，也含有較少量的其他元素，因此有一些相同用途。但是由于采用不同的生產原料和生產工藝，成本不同，這幾種炭材料具有不同特點和優先應用領域，基本情況列于表2-1中。圖2-1是這些炭材料樣品的外觀形貌照片。

表2-1　幾種炭材料的生產方法、特點和應用[1～3]

圖2-1　幾種炭材料樣品的外觀形貌照片

石油焦是煉油工業的副產品。石油煉制時，利用延遲焦化裝置，將石油渣油（或重質油）進行高溫深度熱裂化和縮聚反應，生產出焦化氣體、焦化石腦油（焦化汽油）、焦化柴油、焦化蠟油（或焦化餾出油）和石油焦，使低價值油品主要轉化為高價值的液體油品和氣體，石油焦是副產品。以石油工業為基礎，石油焦具有穩定的原料來源，產量較高、成本低。石油焦的生產促進了炭素工業的快速發展。但是，原油中的各種雜質以及煉油時使用的催化劑等，殘留在石油渣油中，最后很大部分保留在石油焦中，其中作為有害物質的硫含量，是石油焦重要質量指標之一。高硫石油焦在氣化制造合成氣時需要進行脫硫處理。1984年，以石油焦為原料的高溫德士古（Texaco）氣化爐工業裝置開始運行，能使石油焦中98%以上的硫轉化成單質硫分離出去[4]。石油焦主要采用延遲焦化工藝生產，到2010年底，我國建成延遲焦化裝置112套，每年加工能力超過1.1億噸，生產出大量石油焦[5，6]。2016年，我國的石油焦產量為2590萬噸。

與石油渣油相比，煤瀝青的芳香性較強，主要由多環芳烴和雜環化合物組成，通過高溫液相炭化生產出來的瀝青焦或針狀焦具有自己的特點。通常情況下，瀝青焦和針狀焦的揮發分、硫含量和灰分比石油焦的低，結構比較致密，氣孔率低，強度和耐磨性能較高。

瀝青焦作為原料，被用來生產普通人造石墨電極、鋁用預焙陽極、電極糊、炭塊等[7]；針狀焦主要被用來生產超高功率人造石墨電極，用在超高功率電弧爐上，進行高效煉鋼，同時實現節約電能和降低電極損耗。

生產針狀焦時，煤瀝青或石油渣油需要經過原料預處理、焦化、煅燒三個步驟。通過原料預處理，脫除原料中的喹啉不溶物。焦化時，原料經歷由液相向中間相開始逐漸轉化、最后形成廣域型體中間相階段，然后經過氣流拉焦，使碳質中間相分子實現取向排布、固化形成生焦（又稱半焦）。最終，生焦經過高溫煅燒，形成針狀焦。根據所用初始原料的不同，把針狀焦分成兩類：用石油渣油生產出來的針狀焦稱為油系針狀焦；用煤瀝青生產出來的針狀焦稱為煤系針狀焦。與油系針狀焦相比，煤系針狀焦通常具有較小的熱膨脹系數、電阻率低、煉鋼時電極損耗較低等特點。

本章主要介紹瀝青焦和煤系針狀焦生產工藝、性能和應用，它們均采用煤瀝青為初始原料。