劉 鑫

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石油焦新材料的探索應用技術(shù)研究

劉 鑫

（東北石油大學，黑龍江 大慶 163301）

石油焦以碳為主要成分，是比較廉價的石油副產(chǎn)品。目前石油工業(yè)隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展而在不斷發(fā)展，在材料科學也同樣進展飛快的情況下，作為一種碳源材料的石油焦具有十分獨特的作用。主要講述了幾種石油焦新材料，探索了石油焦新材料的應用技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。

石油焦；新材料；應用技術(shù)

石油焦作為一種石油副產(chǎn)品在石油加工的過程中產(chǎn)生，即原油在經(jīng)過蒸餾之后分離輕重質(zhì)油，而重質(zhì)油再經(jīng)過熱裂轉(zhuǎn)化為石油焦。若是石油焦由石油加工直接就可以得到，那么該種石油焦為生焦或者普通焦。石油焦形狀不規(guī)則，呈暗灰色或者黑色，為多孔結(jié)構(gòu)，具有金屬光澤。石油焦含碳量十分高，大概在百分之九十，主要存在形式為碳氫化合物。而石油焦中的其他含量，如灰分、水分或者揮發(fā)分，都比較低。很多石油焦具有較高的硫含量，大致在2%到5%之間[1]。石油焦熱值十分高，其品質(zhì)和無煙煤十分接近，可以作為燃料。石油焦比其他的碳原料具有更緊密的結(jié)構(gòu)、更高程度的有序化、更高的結(jié)晶度，可以說是一種部分石墨化的碳素形態(tài)。

1 石油焦新材料現(xiàn)狀

目前，石油焦產(chǎn)量在日益上升，其市場需求卻漸漸趨向于飽和，人們越來越重視石油焦新的利用途徑，并且開始對其進行探索。如今材料科學快速發(fā)展，石油焦出現(xiàn)了許多新的材料，為石油焦市場帶來了很大的好處，為相關(guān)企業(yè)帶來了極大的經(jīng)濟效益。石油焦是一種廉價但是卻很優(yōu)質(zhì)的碳源，可以為很多新材料的制備提供碳源。因此，可以將石油焦新材料進行充分利用，應用于石油焦新技術(shù)之中。

2 石油焦新材料

2.1 高比表面積活性碳

在化工、醫(yī)藥或者食品等等這些領域里，活性炭具有十分廣泛的應用。在對高比表面積活性碳進行制備時，混合堿性活化劑和石油焦顆粒，其中石油焦可以尺寸一定要符合相關(guān)標準。制備的工藝要合適，獲得的活性炭就可以超過表面積3 000 m2/g。石油焦原料的粒度尺寸不能太小，一般要在100~200mm之間。比表面積要達到最大限度，其活化溫度也必須處于700~800 ℃之間[2]。而且，活化的時間應該少于2 h。

2.2 納米碳化物顆粒

一般來說，碳化物都有較高的硬度以及較高的熔點，被廣泛應用于硬質(zhì)合金的制備之中。納米碳化物的熔點在其表面能較高的情況下會快速下降，若是燒結(jié)溫度較低、保溫時間較短，其制備出來的陶瓷會很致密，性能也會十分優(yōu)良。燒結(jié)后，納米碳化物的晶粒會很小，其強度和硬度卻因此變得更高。

2.3 先進復合材料

首先是反應燒結(jié)碳化硅，也可以簡稱為RBSC。RBSC是通過液化硅深入碳坯之中，經(jīng)過相關(guān)化學反應之后原位生成SIC陶瓷的一種工藝。直接燒結(jié)SIC陶瓷時，所需的時間和溫度都比RBSC要長、高，設備也更昂貴，而RBSC可以將SIC陶瓷具備比較好的尺寸保持性，還能對具有復雜形狀的制品進行制備。再者，采用石油焦制備RBSC可以將成本有效降低。因此，可以將石油焦與SIC顆粒混合，再將混合之后的液體滲硅。此外，還可以將填充物混入石油焦之中，對碳素材料的密度進行調(diào)節(jié)再滲硅。

2.4 電流變智能材料

電流變智能材料包括壓電陶瓷、電流變和形狀記憶合金等材料，涵蓋的范圍很廣。其中，由于電流變材料的電流變液的黏度在一定強度的外電場作用下，可以從低瞬間變高，甚至可能變?yōu)楣腆w，而被人們重視并且廣泛應用。比如離合器、減振器和液壓閥門等等場合。石油焦被應用于電流變材料的相關(guān)研制，經(jīng)過研磨之后可以得到10~75 μm的粒子，通過分散在50 mm2/s黏度的甲基硅油之中而使甲基硅油的體積分數(shù)介于33%~35%之間。在外場強度是2 kV/mm的情況下，若是材料黏度與零場黏度相比大了20倍，則表示其電流變效應很好。另外，當其電流密度比60μA/cm2還要小時[3]，則表示其懸浮穩(wěn)定性很好。

2.5 鋰電池負極材料

鋰離子電池的正負極為不同電位的嵌入材料，使得鋰離子在電池進行充電的時候從正極中脫嵌，而嵌入負極中。在放電的時候，情況恰好相反。要將具有高性能的鋰電池開發(fā)出來，首先就是要找到合適的負極材料，其工作電壓要盡可能低、鋰嵌入量要較高、鋰離子脫嵌可逆性良好。碳材料是最成功的負極材料，包括石油焦、活性炭、石墨等[4]。

3 石油焦新材料的應用技術(shù)探索與研究

在這里以高硫石油焦清潔化利用技術(shù)開發(fā)的幾種技術(shù)為例進行講述。

3.1 活性炭技術(shù)

在國外，將石油焦應用于活性炭技術(shù)的制備已經(jīng)有20多年的歷史，其原料以低硫石油焦為主。硫含量極大地影響著活性炭的比表面積，高硫的石油焦只有在達到98%的脫硫率時，才能大幅度提高活性炭產(chǎn)物的比表面積。而在國內(nèi)，關(guān)于這方面的研究只處于小試階段。高硫石油焦可以充當具備高性能的天然氣吸附劑的生產(chǎn)原料。只是排放氣體中，由于其含硫較高，沒有達到環(huán)保水平的相關(guān)要求。

3.2 鋁用預焙陽極技術(shù)

這種技術(shù)在電解鋁企業(yè)中會占據(jù)較大的消費需求，其原料以低、中硫石油焦為主。鋁業(yè)的快速發(fā)展推動著預焙陽極的需求增長，能夠滿足預焙陽極生產(chǎn)條件的石油焦開始供不應求。與此同時，人們對高硫石油焦的需求也在日益提高。只是在采用高硫石油焦進行鋁用預焙陽極生產(chǎn)時，會由于其產(chǎn)生的二氧化硫平均濃度過高而受制于相關(guān)環(huán)保要求，應用范圍也相對受到限制。

3.3 立式水泥窯燃燒技術(shù)

如今，機立窯水泥生產(chǎn)線上的高硫石油焦的應用技術(shù)已經(jīng)成熟，不但質(zhì)量穩(wěn)定，其廢氣排放也已經(jīng)達到了環(huán)保標準要求。而立式水泥窯也有其缺點，即為規(guī)模比較小，生產(chǎn)技術(shù)也比較落后。由于“十二五”期間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，很多落后的水泥產(chǎn)能已經(jīng)漸漸被淘汰，包括大部分的立式水泥窯。所以高硫石油焦的消費隨著立式水泥窯的產(chǎn)能下降而出現(xiàn)下滑的趨勢。

3.4 CFB技術(shù)

CFB技術(shù)是應用于生產(chǎn)蒸汽與電力的一種技術(shù)，流程簡單，脫流效果極佳，成本也不高，廣泛應用于煉油廠以及電廠。

表1 CFB技術(shù)的特點

其流程為：通過給料機將粉碎后的石灰石和石油焦送入爐膛下部，使其被循環(huán)的高溫物料進行加熱和燃燒。一次空氣預熱之后，從爐膛的底部送到爐內(nèi)，使其顆粒向上流動，形成密相流化床。經(jīng)過二次空氣預熱之后，將其從爐膛的焦炭進料口上面送到爐內(nèi)，將燃燒顆粒細粉挾帶出CFB爐膛[5]，再送入旋風分離器，分離之后的物料會被返料系統(tǒng)送回爐膛再次燃燒。其煙氣通過省煤器和熱情進行換熱，再通過除塵器進行除塵，然后排入煙囪，將灰渣從爐底的排渣口排出。

某公司在2006年投用了2臺465 t/h的CFB鍋爐，將高硫石油焦作為設計燃料，其中含硫量為6.0%~6.7%。而1號鍋爐的燃料為100%的高硫石油焦。半年的正常運行之后，其主要參數(shù)都滿足了相關(guān)控制范圍，而且鍋爐和脫硫的效率指標都極佳，超過了設計值，為95.17%、97.3%。表2為該公司1號鍋爐在正常運行時的參數(shù)數(shù)值。

表2 1號鍋爐在正常運行時的參數(shù)數(shù)值

CFB技術(shù)已經(jīng)在逐漸完善，并且提高了可用率。以高硫石油焦燃料為主要原料的CFB鍋爐的并發(fā)項目將會逐漸增加。值，為95.17%、97.3%。

4 結(jié)束語

隨著材料科學的發(fā)展越來越快，石油焦新材料的應用將會越來越廣泛，應用的領域也會越來越多，為社會和企業(yè)帶來比傳統(tǒng)應用途徑更加大的社會效益以及經(jīng)濟效益。

［1］鄭雁軍，崔立山，崔曉龍，徐春明. 高附加值石油焦新材料[J]. 新型炭材料，2006(1)：56-57.

［2］葉文堯. 高硫石油焦脫硫新技術(shù)研究[D]. 長沙：湖南大學，2012(4)：77-78.

［3］徐可忠，繆超，宋愛萍. 高硫石油焦清潔利用技術(shù)淺析[J]. 上海公路，2011（20）: 89-90.

［4］張淮浩, 陳進富. ANG中吸附熱效應的研究進展[C]. 第九屆全國化學工藝學術(shù)年會論文集, 2005.

［5］趙淑紅, 吳鋒, 蘇岳鋒. 電化學電容器碳基電極材料研究進展[J]. 材料導報, 2003（04）.

Research on Application Technology of Petroleum Coke New Material

（Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163301，China）

Petroleum coke’s main component is carbon, it is relatively cheap petroleum by-products. The oil industry is continuously developing with the development of social economy; in fast development progress of material science, the petroleum coke as a carbon source material plays a unique role. In this article, several kinds of petroleum coke new materials were introduced; application technology of petroleum coke new material was discussed.

Petroleum coke; New materials; Application technology

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1093-03

2014-04-18

劉鑫（1992-），男，海南白沙黎族自治縣人，研究方向：化學工程與工藝。