第2章　沥青焦和针状焦

煤沥青经过高温炭化，能生产出沥青焦；煤沥青或石油渣油经历中温液相炭化可形成碳质中间相，再通过高温炭化，能生产出针状焦，针状焦颗粒具有针状或纤维状纹理走向；石油渣油经高温炭化能生产出石油焦，是炼油工业的副产品。沥青焦、针状焦和石油焦不仅可以用作燃料，还能用来生产人造石墨电极、铝用预焙阳极、特殊石墨等产品，应用在冶炼、电解制铝、核电站建设等重要领域[1，2]。

沥青焦、针状焦、石油焦都是液相原料经过高温炭化的产品，与高炉炼铁所用的焦炭不同。焦炭是以焦煤或者几种煤的配煤为原料，在隔绝空气条件下加热至1000℃左右、经过高温干馏形成的固态产物。炼焦的同时也生产出焦炉煤气、煤焦油等产品[2]。焦炭形状不规则，呈现银灰或黑色多孔结构，质地坚硬，富含大小不等的气孔，其主要成分是碳，也含有少量氢、氧、氮、硫、磷、钾及其他元素。焦炭是高炉炼铁不可缺少的原料，也应用于冶金、铸造、生产合成气、生产电石等。高炉炼铁时，焦炭通过燃烧提供热量，并作为还原剂将铁矿石还原，同时，焦炭还起到支撑骨架、疏松炉料的作用，使铁矿石等均匀分布在炼铁炉中，让还原性气体穿过并与铁矿石充分反应，也为铁水、熔渣的下降提供自由空间。我国高炉炼铁对焦炭需要量巨大，焦炭产量从1993年起就占据世界首位。近年中国焦炭产量占世界焦炭总产量的50%左右，出口量占世界总贸易量的60%左右。2014年，我国焦炭产量为4.77亿吨，占世界总产量60%以上，2016年我国焦炭产量调整为4.49亿吨。

与焦炭相似的是，沥青焦、针状焦和石油焦也主要由碳组成，也含有较少量的其他元素，因此有一些相同用途。但是由于采用不同的生产原料和生产工艺，成本不同，这几种炭材料具有不同特点和优先应用领域，基本情况列于表2-1中。图2-1是这些炭材料样品的外观形貌照片。

表2-1　几种炭材料的生产方法、特点和应用[1～3]

图2-1　几种炭材料样品的外观形貌照片

石油焦是炼油工业的副产品。石油炼制时，利用延迟焦化装置，将石油渣油（或重质油）进行高温深度热裂化和缩聚反应，生产出焦化气体、焦化石脑油（焦化汽油）、焦化柴油、焦化蜡油（或焦化馏出油）和石油焦，使低价值油品主要转化为高价值的液体油品和气体，石油焦是副产品。以石油工业为基础，石油焦具有稳定的原料来源，产量较高、成本低。石油焦的生产促进了炭素工业的快速发展。但是，原油中的各种杂质以及炼油时使用的催化剂等，残留在石油渣油中，最后很大部分保留在石油焦中，其中作为有害物质的硫含量，是石油焦重要质量指标之一。高硫石油焦在气化制造合成气时需要进行脱硫处理。1984年，以石油焦为原料的高温德士古（Texaco）气化炉工业装置开始运行，能使石油焦中98%以上的硫转化成单质硫分离出去[4]。石油焦主要采用延迟焦化工艺生产，到2010年底，我国建成延迟焦化装置112套，每年加工能力超过1.1亿吨，生产出大量石油焦[5，6]。2016年，我国的石油焦产量为2590万吨。

与石油渣油相比，煤沥青的芳香性较强，主要由多环芳烃和杂环化合物组成，通过高温液相炭化生产出来的沥青焦或针状焦具有自己的特点。通常情况下，沥青焦和针状焦的挥发分、硫含量和灰分比石油焦的低，结构比较致密，气孔率低，强度和耐磨性能较高。

沥青焦作为原料，被用来生产普通人造石墨电极、铝用预焙阳极、电极糊、炭块等[7]；针状焦主要被用来生产超高功率人造石墨电极，用在超高功率电弧炉上，进行高效炼钢，同时实现节约电能和降低电极损耗。

生产针状焦时，煤沥青或石油渣油需要经过原料预处理、焦化、煅烧三个步骤。通过原料预处理，脱除原料中的喹啉不溶物。焦化时，原料经历由液相向中间相开始逐渐转化、最后形成广域型体中间相阶段，然后经过气流拉焦，使碳质中间相分子实现取向排布、固化形成生焦（又称半焦）。最终，生焦经过高温煅烧，形成针状焦。根据所用初始原料的不同，把针状焦分成两类：用石油渣油生产出来的针状焦称为油系针状焦；用煤沥青生产出来的针状焦称为煤系针状焦。与油系针状焦相比，煤系针状焦通常具有较小的热膨胀系数、电阻率低、炼钢时电极损耗较低等特点。

本章主要介绍沥青焦和煤系针状焦生产工艺、性能和应用，它们均采用煤沥青为初始原料。