“針狀焦主要用于生產(chǎn)高功率（HP）和超高功率（UHP）石墨電極。目前，世界上能規(guī)模生產(chǎn)針狀焦的主要有美國(guó)、日本等幾個(gè)國(guó)家，美國(guó)只生產(chǎn)油系針狀焦，日本煤系、油系針狀焦都能生產(chǎn)。近年來(lái)我國(guó)針狀焦研發(fā)獲得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。各企業(yè)針狀焦應(yīng)用技術(shù)存在一定的差異，在質(zhì)量方面，與國(guó)外優(yōu)質(zhì)針狀焦相比，還存在一定差距。”
國(guó)內(nèi)外針狀焦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析
隨著電爐煉鋼技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)炭素材料的要求越來(lái)越高，針狀焦的開發(fā)和生產(chǎn)，正在不斷適應(yīng)這種發(fā)展的要求。根據(jù)原料路線不同，針狀焦分為油系和煤系兩種，兩種針狀焦的生產(chǎn)方法也有一定差異。
1950年美國(guó)大湖炭素公司首先發(fā)明了石油系針狀焦，1968年以后，在炭質(zhì)中間相理論迅速發(fā)展的同時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用研究也得到發(fā)展：油系針狀焦實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)（1968年）。由于石油加工向輕質(zhì)化深度加工方向發(fā)展，致使石油系針狀焦原料減少，加之20世紀(jì)70年代兩次石油危機(jī)，使人們感到原料供應(yīng)不穩(wěn)定。于是，日本等國(guó)致力于開發(fā)煤系針狀焦生產(chǎn)技術(shù)。1979年煤系針狀焦實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
我國(guó)對(duì)針狀焦的研究始于20世紀(jì)70年代末80年代初，從1979年到1985年，石化科學(xué)研究院先后完成了油系針狀焦試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)、小試和中試，探明了成焦機(jī)理、確定了原料和焦化工藝、建立了相應(yīng)的測(cè)試方法；從1986年到1993年，又完成了許多原料制備針狀焦的實(shí)驗(yàn)研究。“六五"期間，國(guó)家發(fā)改委大力支持針狀焦的開發(fā)，油系針狀焦在錦州石化公司和安慶石化公司進(jìn)行工業(yè)性開發(fā)；煤系針狀焦在鞍山沿�；ず蜕綎|兗礦科藍(lán)煤焦化有限公司進(jìn)行工業(yè)性開發(fā)。1995年11月，錦州石化公司采用石化科學(xué)院技術(shù)，油系針狀焦生產(chǎn)裝置投產(chǎn)成功；1994年鞍山沿�；げ捎冒吧浇够突鸩牧显O(shè)計(jì)研究院專利技術(shù)，建成了煤系針狀焦工業(yè)化生產(chǎn)裝置，并于1996年投料試生產(chǎn)。山東兗礦科藍(lán)煤焦化有限公司采用鞍山熱能院專利技術(shù)，2000年建成了溶劑法原料預(yù)處理煤系針狀焦工業(yè)裝置，預(yù)處理工序流程已經(jīng)打通。但是，由于技術(shù)、規(guī)模、成本等多方面原因，只有錦州石化公司油系針狀焦裝置堅(jiān)持生產(chǎn)。山西宏特煤化工有限公司5萬(wàn)噸/年煤系針狀焦于2006年投產(chǎn)成功。近幾年我國(guó)針狀焦的生產(chǎn)與研發(fā)一直沒有間斷過(guò)。
國(guó)內(nèi)針狀焦企業(yè)應(yīng)用技術(shù)介紹
針狀焦生產(chǎn)
針狀焦制備是采用液相炭化技術(shù)，焦化原料在液相炭化過(guò)程中逐漸經(jīng)熱解及縮聚形成中間相小球體。中間相小球體再經(jīng)充分長(zhǎng)大、融并、定向，最后固化為纖維狀結(jié)構(gòu)的炭產(chǎn)物，即針狀焦。無(wú)論是油系針狀焦還是煤系針狀焦，生產(chǎn)工藝均為原料預(yù)處理、延遲焦化和煅燒三部分。
原料預(yù)處理
1）煤系針狀焦原料預(yù)處理
煤系針狀焦原料預(yù)處理主要是去除煤瀝青中的喹啉不容物（QI），一般稱為煤瀝青凈化。煤瀝青的組成對(duì)中間相形成有一定的影響，例如，活性組分、喹啉不溶物、金屬元素、雜環(huán)化合物和氮、氧、硫等。煤瀝青的主要成分是芳香烴，但其中含有一定量的QI，其中不僅有煤焦油蒸餾時(shí)某些高分子樹脂狀物質(zhì)受熱聚合生成的無(wú)定形碳，還有從煉焦?fàn)t室隨煤氣帶出來(lái)的煤粉和焦粉。它們附著在中間相周圍，阻礙球狀晶體的長(zhǎng)大、融并。焦化后也不能得到纖維結(jié)構(gòu)良好的針狀焦組織。因此，需對(duì)煤瀝青原料進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是：首先除去其中妨礙小球體生長(zhǎng)的原生喹啉不溶物（QI），然后再進(jìn)行組分調(diào)制，以獲得滿足針狀焦生產(chǎn)需要的原料，這是用煤瀝青生產(chǎn)針狀焦的重要條件。
煤瀝青的凈化方法主要有過(guò)濾法、離心分離法、溶劑法（溶劑法又分為溶劑一沉降法、溶劑一離心法、溶劑一過(guò)濾法、溶劑一絮凝法、溶劑一抽提法）、真空蒸餾法。
2）油系針狀焦原料的選擇及預(yù)處理
油系針狀焦的原料是石油加工廠的重質(zhì)油，主要成分是脂肪烴，芳香烴含量很少，由于長(zhǎng)期儲(chǔ)存在地下以及在加工過(guò)程中使用各種催化劑，使得石油重油中含有一定的雜質(zhì)元素，這些都對(duì)針狀焦生產(chǎn)不利，因此也必須對(duì)針狀焦原料進(jìn)行選擇和處理。首先選擇芳香烴含量高、含硫低的重質(zhì)油，再除去其中的雜質(zhì)（如催化劑粉末等）。另外，石油加工過(guò)程生成的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)也在重質(zhì)油當(dāng)中，對(duì)針狀焦生產(chǎn)是不利的。
美國(guó)有關(guān)資料介紹，通常用于生產(chǎn)焦炭（針狀焦）的原料是重油，如蒸餾原油的殘?jiān)�、�?rùn)滑油的萃取物、加氫脫硫潤(rùn)滑油的萃取物及從石油蒸餾或裂化得到的殘?jiān)驓浠摿虍a(chǎn)品。最好的原料是所謂熱解燃料油或黑油，沸點(diǎn)高于裂解汽油，即沸點(diǎn)高于218℃的殘留重質(zhì)黑油，是熱裂解液體碳?xì)浠衔镌�，催化裂解傾析油，熱裂解焦油，潤(rùn)滑油萃取物以及加氫脫硫產(chǎn)物等。一般來(lái)說(shuō)，這些原料含硫量低，即含硫量低于1.5%（質(zhì)量），最好是低于0.8%，也可以用這些原料的混合物。
延遲焦化
延遲焦化是一種連續(xù)和間歇過(guò)程相結(jié)合的工藝，生產(chǎn)瓦斯氣、各種成品油和焦。原料經(jīng)加熱爐加熱，然后進(jìn)人焦化塔（間歇過(guò)程) ,并在焦化塔內(nèi)保溫時(shí)進(jìn)行汽化和裂解。因此，這個(gè)過(guò)程是重質(zhì)油的一種熱裂解過(guò)程。生產(chǎn)的焦有燃料用焦、海綿狀焦、粒狀焦和針狀焦。
油系針狀焦和煤系針狀焦的焦化過(guò)程（延遲焦化）工藝流程很相近，主要差別在分餾系統(tǒng)（延遲焦化）工藝流程很相近，主要差別在分餾系統(tǒng)，得到的氣體和液體產(chǎn)品也不同。
石油重油的延遲焦化工藝裝置包括餾分塔，加熱爐和焦化塔等，該工藝過(guò)程在餾分塔和加熱爐中是連續(xù)過(guò)程，但在焦化塔中是間歇過(guò)程，因此，兩個(gè)焦化塔對(duì)應(yīng)1個(gè)分餾塔和1個(gè)加熱爐是必需的。一般說(shuō)來(lái)，原料進(jìn)入分餾塔底，與循環(huán)油進(jìn)行調(diào)合，并穩(wěn)定塔底溫度，然后餾分塔底物料用泵打入焦化爐，迅速加熱至焦化條件，在不到3 min內(nèi)裂解和汽化，然后進(jìn)入焦化塔。
在焦化塔內(nèi)，裂解、汽化和縮合，直至形成焦。而液體物被汽化并從焦化塔頂回到餾分塔。焦不斷地形成并堆積至塔內(nèi)直至達(dá)到需要的量時(shí)切換到第二個(gè)塔連續(xù)進(jìn)行。停止進(jìn)料后的焦化塔經(jīng)冷卻處理后，用高壓水（17~23MPa）進(jìn)行水力切焦，然后為下一周期做準(zhǔn)備。焦化周期通常為24小時(shí)，但有時(shí)為了增加處理量，焦化周期調(diào)整到14~20小時(shí)。
從焦化塔出來(lái)的裂解氣進(jìn)入分餾塔，分離出不同的液體，包括汽油、煤油、柴油和蠟油。該產(chǎn)物中的一部分用于加工動(dòng)力燃料油或作為化工原料。針狀焦的延遲焦化工藝流程和設(shè)備與普通焦的延遲焦化基本相同，只是在個(gè)別設(shè)備、焦化條件和操作上采取了某些必要的措施，如控制進(jìn)料的升溫速度、焦化塔壓力、注汽量和調(diào)整循環(huán)比，使油料在焦化塔內(nèi)維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，充分利用中間相物質(zhì)的塑性流動(dòng)和分子排列的有序性，同時(shí)使氣相產(chǎn)物產(chǎn)生剪切力，創(chuàng)造所謂的“氣流拉焦"的條件，最終形成流線狀結(jié)構(gòu)的針狀焦。為保證針狀焦生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行，須對(duì)個(gè)別設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。工藝參數(shù)、操作周期以及焦炭產(chǎn)率均有很大差別。
煤系針狀焦和油系針狀焦在工藝參數(shù)、操作周期以及焦炭產(chǎn)率等方面均有一定的差別，如焦炭產(chǎn)率煤系針狀焦遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油系針狀焦。
煅燒
延遲焦化生產(chǎn)的針狀焦含有較高的水分和揮發(fā)性組分，稱為生焦，需在隔絕空氣條件下進(jìn)行高溫煅燒處理才能作為高功率、超高功率石墨電極的原料。在煅燒過(guò)程中，針狀焦的結(jié)構(gòu)和元素組成發(fā)生一系列的變化，從而提高了針狀焦的理化性能。煅燒的目的是脫除生焦中的水分和揮發(fā)分，提高焦炭的含碳量、密度、強(qiáng)度、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性。
針狀焦煅燒通常是在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行。生焦從窯的一端進(jìn)入，與高溫煅燒的廢氣接觸，在出口端有燃?xì)饣蛉加腿紵�，煅燒帶溫度高達(dá)1500℃。窯體的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焦炭在窯內(nèi)的停留時(shí)間和加熱速度具有決定性的影響。評(píng)價(jià)煅燒效果的好壞，煅燒后針狀焦真密度大小是一個(gè)重要指標(biāo)，真密度大于2.13g/m3的為質(zhì)量好的針狀焦。
國(guó)內(nèi)針狀焦企業(yè)應(yīng)用技術(shù)介紹
針狀焦的生產(chǎn)方法主要區(qū)別在原料預(yù)處理，焦化和煅燒工藝原理是相同的。我國(guó)在針狀焦原料預(yù)處理的研發(fā)方面做了大量的工作。我國(guó)針狀焦雖然有很多單位在研發(fā)，到目前為止，真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的只有山西宏特化工有限公司、中鋼集團(tuán)（鞍山）和錦州石化3個(gè)企業(yè)。山西宏特化工有限公司和中鋼集團(tuán)（鞍山）生產(chǎn)煤系針狀焦，錦州石化生產(chǎn)油系針狀焦。焦化均采用延遲焦化工藝，煅燒為回轉(zhuǎn)窯煅燒，主要區(qū)別在于原料的處理和選擇。
改質(zhì)生產(chǎn)煤系針狀焦
鞍山沿海化工和山西宏特第一套針狀焦裝置采用改質(zhì)法原料預(yù)處理。是將混合煤焦油系原料油送到特定閃蒸塔內(nèi)，在一定溫度和真空度下閃蒸出閃蒸油，閃蒸油進(jìn)入專用聚合釜內(nèi)，在較高溫度和壓力下進(jìn)行聚合，獲得針狀焦原料縮聚瀝青（精料）。該工藝較簡(jiǎn)單，但是針狀焦原料（精料）收率低。鞍山沿�；]擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，山西宏特化工有限公司二期針狀焦也將原料預(yù)處理改為溶劑沉降法。
國(guó)內(nèi)外有不少專利介紹，用脂肪烴和芳香烴按一定比例制備成混合溶劑，以混合溶劑處理煤瀝青除去QI。在日本，用溶劑法生產(chǎn)煤系針狀焦的有新日鐵和三菱化成兩個(gè)工廠。用該技術(shù)處理后得到的針狀焦原料（精料）收率高，針狀焦產(chǎn)品質(zhì)量好，但工藝復(fù)雜，投資也高。
山西宏特化工有限公司和中鋼集團(tuán)（鞍山）均采用溶劑沉降法生產(chǎn)煤系針狀焦。以上兩個(gè)企業(yè)采用相同的方法對(duì)煤瀝青進(jìn)行凈化（脫QI)，但是在工藝設(shè)計(jì)上差距還是比較大的，主要區(qū)別在于以下兩個(gè)方面：主要設(shè)備沉降器的結(jié)構(gòu)不同、數(shù)量也不同，采用的芳香烴溶劑不同。溶劑沉降法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)裝置運(yùn)行正常并能生產(chǎn)出針狀焦。
油系針狀焦
油系針狀焦原料的選擇和預(yù)處理及存在的問(wèn)題：石油的主要成分是脂肪烴，芳香烴含量很少，由于長(zhǎng)期儲(chǔ)存在地下以及在加工過(guò)程中使用各種催化劑，使得石油重油中含有一定的雜質(zhì)元素，這些都對(duì)針狀焦生產(chǎn)不利，因此，必須對(duì)針狀焦原料進(jìn)行選擇和處理。首先選擇芳香烴含量高、含硫低的重質(zhì)油，再除去其中的雜質(zhì)（如催化劑粉末等）。存在以下問(wèn)題：我國(guó)加工的原油大部分屬于高硫原油，適合生產(chǎn)針狀焦的低硫油短缺；缺少適合生產(chǎn)針狀焦的芳香烴含量高的油；油系針狀焦的原料是石油煉制過(guò)程生產(chǎn)的重質(zhì)油，在煉油過(guò)程中攜帶到重質(zhì)油當(dāng)中的催化劑粉末很難去除干凈。
錦州石化選用適合生產(chǎn)針狀焦的原料進(jìn)行生產(chǎn)，原料不足和質(zhì)量不穩(wěn)定是制約針狀焦質(zhì)量穩(wěn)定的主要因素之一
山東益大新材料有限公司油系針狀焦生產(chǎn)裝置，設(shè)計(jì)采取了原料預(yù)處理工藝，除選擇適合生產(chǎn)針狀焦的重油外，并在焦化之前脫除原料當(dāng)中的有害物質(zhì)。
國(guó)內(nèi)針狀焦企業(yè)主要存在的瓶頸問(wèn)題
國(guó)內(nèi)雖然實(shí)現(xiàn)了針狀焦工業(yè)性生產(chǎn)，但工藝技術(shù)仍需進(jìn)一步完善，主要技術(shù)難點(diǎn)有以下幾方面：
原料預(yù)處理
煤系針狀焦原料的凈化，難點(diǎn)在于煤瀝青除QI方法、精制瀝青收率及精制瀝青性質(zhì)的穩(wěn)定程度等；另外，目前國(guó)內(nèi)外煤系針狀焦原料預(yù)處理均采用溶劑法去除QI，生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中富含QI組分流動(dòng)性比較差，給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很大困難，這一部分最后作為副產(chǎn)品如何利用也存在一定的難度。
油系針狀焦原料的選擇與凈化的難點(diǎn)在于，雜質(zhì)（催化劑等）的去除、高的芳烴含量以及低的含硫量等。為了擴(kuò)大原料來(lái)源，近幾年我國(guó)開始研究油系針狀焦的原料預(yù)處理，去除石油重質(zhì)油當(dāng)中的S、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)有待于繼續(xù)開展工作。
延遲焦化
延遲焦化過(guò)程存在的問(wèn)題：
1）操作條件的確定：焦化過(guò)程操作條件如溫度、壓力、氣流拉焦等工藝條件的確定。
2）工藝參數(shù)的優(yōu)化是延遲焦化的主要問(wèn)題，工藝參數(shù)與原料（精制瀝青）性質(zhì)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在穩(wěn)定原料質(zhì)量的前提下，如何優(yōu)化延遲焦化的工藝參數(shù)，是生產(chǎn)高質(zhì)量針狀焦需要解決的主要問(wèn)題。
3）每一塔針狀焦質(zhì)量的均勻性問(wèn)題：每一焦化塔在進(jìn)料過(guò)程當(dāng)中，由于溫度、壓力、空塔氣速等因素是變化的，所以焦化塔成焦后上、中、下質(zhì)量是不均勻的。怎樣有效地解決針狀焦質(zhì)量的均勻性問(wèn)題，也是針狀焦生產(chǎn)應(yīng)該考慮的問(wèn)題之一。
煅燒
1）煅燒溫度：進(jìn)口的針狀焦均為煅后焦，我國(guó)炭素企業(yè)只煅燒石油焦（生焦) ,煅燒溫度在1250~1350℃（回轉(zhuǎn)窯）。而針狀焦煅燒溫度需要在1500℃以上，煅燒溫度比石油焦煅燒溫度高150℃以上，回轉(zhuǎn)窯耐火材料能否滿足高溫條件是煅燒應(yīng)該考慮的問(wèn)題。
2）生焦質(zhì)量的均勻性問(wèn)題：生焦（煅燒的原料）揮發(fā)分、水分、粒度分布對(duì)成品針狀焦質(zhì)量均勻性影響。這些問(wèn)題除優(yōu)化延遲焦化操作外，還需要在煅燒前對(duì)生焦進(jìn)行處理（如脫水、均質(zhì)）。
未來(lái)針狀焦發(fā)展方向分析
質(zhì)量將不斷提升
針狀焦的技術(shù)和市場(chǎng)一直由美國(guó)、日本等壟斷。目前國(guó)內(nèi)針狀焦實(shí)際生產(chǎn)中，還存在著質(zhì)量不夠穩(wěn)定，焦炭強(qiáng)度低及粉焦多等問(wèn)題。生產(chǎn)的針狀焦雖然已批量用于高功率和超高功率石墨電極生產(chǎn)，還不能大批量用于大直徑超高功率石墨電極生產(chǎn)。近幾年我國(guó)對(duì)針狀焦研發(fā)一直沒有停止，產(chǎn)品質(zhì)量將不斷提高。山西宏特煤化工有限公司、中鋼集團(tuán)煤系針狀焦，錦州石化公司油系針狀焦裝置均已達(dá)到4萬(wàn)~5萬(wàn)噸/年的規(guī)模，并能穩(wěn)定運(yùn)行，不斷改進(jìn)質(zhì)量。
需求增長(zhǎng)
鋼鐵工業(yè)的發(fā)展需要大量的超高功率電極和高功率電極。在這種背景下，用于超高功率電極和高功率電極生產(chǎn)的針狀焦的需求快速增長(zhǎng)，估計(jì)每年需25萬(wàn)噸左右。我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量比例不足10%，世界電爐鋼平均產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到30%。我國(guó)廢鋼量已經(jīng)達(dá)到1.6億噸。按現(xiàn)在狀況從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電爐鋼發(fā)展是必然的，針狀焦供給不足將不可避免。因此要采取措施，增加原料來(lái)源，改進(jìn)制造方法，以滿足生產(chǎn)的需要。
研發(fā)速度加快
針狀焦質(zhì)量上的差距和需求上的增長(zhǎng)要求加快我國(guó)針狀焦的研發(fā)速度，在研制和生產(chǎn)針狀焦時(shí)，研發(fā)人員越來(lái)越意識(shí)到針狀焦生產(chǎn)的難度，不斷加大研發(fā)力度，建設(shè)小試、中試裝置獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)。針狀焦的加工技術(shù)正在不斷進(jìn)行改進(jìn)，以滿足日益增長(zhǎng)的需求。
從原料和制造方式上看，目前世界性石油緊缺及含硫量越來(lái)越高，制約油系針狀焦的發(fā)展。油系針狀焦新的原料預(yù)處理工業(yè)生產(chǎn)裝置在山東益大新材料有限公建成投產(chǎn)，并生產(chǎn)出優(yōu)良的針狀焦原料，將有力提升油系針狀焦質(zhì)量和產(chǎn)量。
國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)
應(yīng)該說(shuō)我國(guó)針狀焦生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)有了突破，國(guó)外也看到了這一點(diǎn)，國(guó)外技術(shù)逐漸進(jìn)入中國(guó)。
