韓　嘉

(兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司，山東鄒城 273500)

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煤基可紡瀝青生產(chǎn)工藝

韓嘉

(兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司，山東鄒城 273500)

摘要：可紡瀝青是生產(chǎn)高性能材料碳纖維的原材料，目前在國(guó)內(nèi)已有間歇法生產(chǎn)，但以煤為原料通過萃取的方法連續(xù)生產(chǎn)可紡瀝青尚未見報(bào)道。該文綜述了可紡瀝青生產(chǎn)現(xiàn)狀及溶劑萃取法生產(chǎn)工藝。

關(guān)鍵詞：可紡瀝青，生產(chǎn)現(xiàn)狀，溶劑萃取法生產(chǎn)工藝

1可紡瀝青概述

煤基瀝青是一種組成與結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜的混合物，它的確切成份尚不清楚，但其基本組成單元基本是多環(huán)、稠環(huán)芳烴以及衍生物[1]，主要由C、H元素組成，同時(shí)含有少量的N、S、O和一定的灰分，平均相對(duì)分子質(zhì)量在400以上。由于煤瀝青具有流動(dòng)性好、易石墨化、價(jià)格低廉、資源豐富和含碳量高等優(yōu)點(diǎn)，因此相對(duì)于石油瀝青和人工合成瀝青，煤基瀝青在碳材料開發(fā)利用方面更具優(yōu)勢(shì)。普通煤瀝青具有殘?zhí)柯实?、炭化后孔隙率高等缺點(diǎn)，這會(huì)對(duì)最終炭素產(chǎn)品的物理及其機(jī)械性能帶來(lái)不利影響，使得碳材料材料的機(jī)械強(qiáng)度降低、電阻率增大、密度下降、抗氧化能力變差。此外，在生產(chǎn)炭纖維過程中，低分子量物質(zhì)的存在會(huì)造成瀝青紡絲時(shí)斷絲，分子量分布寬會(huì)嚴(yán)重影響炭纖維的強(qiáng)度。所以煤基瀝青需要改性，以消除低分子量物質(zhì)，提高殘?zhí)柯室约罢{(diào)整分子量分布、流變性能等來(lái)滿足炭素制品的使用需要[2]。目前已有較多的文獻(xiàn)研究了煤瀝青的改性[3-10]。瀝青改質(zhì)處理方法包括真空閃蒸、高溫?zé)峋酆?、空氣氧化、化學(xué)催化、溶劑分離等。溶劑分離是一種瀝青改性的有效方法，這種方法避免了高溫處理會(huì)帶來(lái)瀝青熱聚合和分解的問題。溶劑分離改性后的中間體瀝青進(jìn)行加氫精制調(diào)質(zhì)改性，再進(jìn)行高溫聚合和真空減壓蒸餾，除去易在生絲內(nèi)產(chǎn)生氣泡的輕組份，蒸余物即是可紡瀝青。

2可紡瀝青生產(chǎn)現(xiàn)狀

2004年，全世界可紡瀝青總產(chǎn)量達(dá)到了40000t，其中有1萬(wàn)t用于紡制高強(qiáng)度瀝青碳纖維和制造高級(jí)針狀焦等高科技碳素材料。特別是高強(qiáng)度瀝青碳纖維因價(jià)格昂貴(在美國(guó)的價(jià)格是2500美元/kg)，主要在軍事工業(yè)和航空航天等高科技領(lǐng)域應(yīng)用。另有6000t用于紡制通用級(jí)瀝青碳纖維，剩余的24000t用于其他碳素材料的制備(截止到目前為止，上述的可紡瀝青全部來(lái)源于石油瀝青和高溫煤焦油瀝青，沒有直接從煤中用溶劑抽提制取可紡瀝青的廠家)。

隨著可紡瀝青下游產(chǎn)品的強(qiáng)勁需求，導(dǎo)致對(duì)原料的需求量不斷增加，2005年，僅美國(guó)伊士曼公司一家的需求量就高達(dá)2000t，但卻不能找到產(chǎn)量如此大的廠家。在這種情況下，可紡瀝青目前的產(chǎn)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。目前，生產(chǎn)可紡瀝青的公司主要集中在日本、美國(guó)和歐洲，其中日本的吳羽化工產(chǎn)能最大，其可紡瀝青的總產(chǎn)量達(dá)2萬(wàn)t，占世界總產(chǎn)量的64.5%。原料來(lái)源構(gòu)成為石油占55%、煤焦油占45%。2004年的消費(fèi)構(gòu)成情況如表1所示。

表1　2004年世界可紡瀝青消費(fèi)構(gòu)成(%)

2004年，我國(guó)可紡瀝青生產(chǎn)量達(dá)到1000t/年，即上海浦東煤氣公司與日本大阪煤氣公司合資企業(yè)——上海東島碳素材料有限公司，產(chǎn)品全部出口到日本。

3煤基可紡瀝青工藝流程簡(jiǎn)述

可紡瀝青可以以煤焦油和石油瀝青作為初始原料。其加工方法主要是將粗瀝青用溶劑溶解稀釋后進(jìn)行熱過濾，除去固體雜質(zhì)，然后進(jìn)行加氫精制調(diào)質(zhì)改性，再進(jìn)行高溫聚合和真空減壓蒸餾，除去易在生絲內(nèi)產(chǎn)生氣泡的輕組份，蒸余物即是可紡瀝青。

可紡瀝青技術(shù)在國(guó)內(nèi)已有間歇法生產(chǎn)，在多年研究試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以煤為原料用萃取的方法連續(xù)生產(chǎn)可紡瀝青的新技術(shù)。

該技術(shù)與其他煤化工技術(shù)最大區(qū)別就是沒有將煤中固有的天然瀝青類物質(zhì)進(jìn)行高溫破壞，其天然的優(yōu)良特性被最大限度地保留下來(lái)，從而使煤中有用的東西得到了較好的開發(fā)利用。該技術(shù)的關(guān)鍵是“連續(xù)”，即可實(shí)現(xiàn)瀝青浸出提取、溶液多級(jí)過濾、溶劑蒸發(fā)回收復(fù)用、殘?jiān)懦龊秃娓擅撊?、中間體瀝青直接通入氫氣后實(shí)現(xiàn)低成本加氫精制、可紡瀝青排出冷卻等所有工序的連續(xù)化生產(chǎn)。同時(shí)也為使用DCS進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動(dòng)化控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和降低成本創(chuàng)造了好條件。

萃取方法工藝過程中物理和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，溶劑分子在高溫高壓下獲得了巨大的能量，再加上本身固有的強(qiáng)大的溶解能力，就把煤中游離的直鏈烴和稠環(huán)芳烴及環(huán)烷烴首先溶解出來(lái)，然后再把與煤的碳組織結(jié)構(gòu)得不牢固的更大稠環(huán)芳烴與碳組織之間的鍵打斷，使其脫落溶解到溶劑中形成混合溶液，再經(jīng)脫溶劑后就獲得中間產(chǎn)品——中間體瀝青，中間體瀝青生產(chǎn)的示意方程式如圖1所示。

圖1　中間體瀝青萃取熱溶過程

中間體瀝青被加熱熔化后被泵加壓與高壓氫氣混合送入有催化劑的瀝青加氫反應(yīng)器，進(jìn)行加氫反應(yīng)，目的就是使中間體瀝青中的大稠環(huán)芳烴部分開環(huán)，適當(dāng)形成側(cè)鏈，以便于大分子之間互相牽連形成纖維狀，從而獲得瀝青纖維，另外加氫后可有效地脫除輕組份，因?yàn)檫@些輕組份在瀝青纖維內(nèi)易生成氣泡，從而造成斷絲。瀝青質(zhì)加氫的示意方程式如圖2所示。

圖2　中間體瀝青加氫方程式

煤基可紡瀝青工藝流程如圖3所示。

圖3　可紡瀝青工藝流程

(1)煤粉制備工段

合格粒度的原料煤(0.5mm～3mm)由汽車運(yùn)輸進(jìn)廠，進(jìn)入半地下貯倉(cāng)貯存。貯倉(cāng)的原料煤經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)、斗式提升機(jī)、密封螺旋給料機(jī)，進(jìn)入真空耙式干燥機(jī)進(jìn)行烘干，獲得干燥無(wú)水的煤粉。干燥的煤粉進(jìn)入冷卻式煤粉倉(cāng)，經(jīng)帶水冷卻夾套的密封螺旋給料機(jī)送入冷卻吸附圓筒倉(cāng)，利用煤的自然裂隙以及抽真空后的負(fù)壓作用將真空泵送來(lái)的廢氣中的溶劑進(jìn)行吸附回收，從而達(dá)到力爭(zhēng)完全回收溶劑的目的(這是本項(xiàng)目一個(gè)非常獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新，希望達(dá)到的目標(biāo)是溶劑的消耗量不超過3kg/t原料煤)。將吸附了溶劑蒸汽的煤粉用密閉式螺旋給料機(jī)送入全封閉的攪拌器內(nèi)，進(jìn)入煤漿制備工段。

(2)煤漿制備工段

在全封閉的攪拌器內(nèi)，加入適量的粗溶劑，制成固體含量約60%的煤漿，再用管式隔膜泵加壓后送入中溫中壓瀝青連續(xù)浸出抽提器。

(3)瀝青抽提工段

從管式隔膜泵泵送來(lái)的高壓煤漿自抽提器的上部進(jìn)入，遇到溶劑后立即分散成松散的煤顆粒散落到托板上。在一定的溫度和壓力作用下，煤粒表層的瀝青首先被溶劑溶解出來(lái)，并形成許多小孔洞，溶劑將沿著這些小孔洞繼續(xù)向深處進(jìn)入，以把更深處的瀝青溶解提取出來(lái)。散落在托板上的煤粉受到順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的撥料輪推動(dòng)，向著該層托板的下料口處移動(dòng)。

新鮮的溶劑被高壓泵加壓后從抽提器的下部給入，沿逆時(shí)針方向逐層向上移動(dòng)，它與下落的煤粉形成逆向運(yùn)動(dòng)，并源源不斷地把從煤粉中溶解出來(lái)的瀝青通過抽提器上部的出口帶走。

殘?jiān)淙氤樘崞鞯牡撞亢?，穿過抽提器底部的高壓球閥進(jìn)入排渣鎖斗，設(shè)定時(shí)切換。當(dāng)向鎖斗中入料達(dá)到設(shè)定的時(shí)間時(shí)，發(fā)出信號(hào)，抽提器底部的高壓球閥關(guān)閉，鎖斗開始減溫減壓。當(dāng)溫度和壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，鎖斗下部的高壓球閥被打開，殘?jiān)淙攵纷訐瓶觾?nèi)。殘?jiān)趴蘸螅撉蜷y被關(guān)閉，然后向鎖斗內(nèi)充滿粗溶劑后加壓，當(dāng)壓力達(dá)到與抽提器內(nèi)的壓力相同時(shí)，打開抽提器內(nèi)底部的球閥，殘?jiān)淙肱旁i斗，開始新一輪的循環(huán)。抽提器底部備有適當(dāng)空間以便于在排渣鎖斗排渣期間能儲(chǔ)存一部分殘?jiān)?，使生產(chǎn)不至于中斷。

(4)瀝青溶液過濾工段

本工段共設(shè)三級(jí)過濾器，第一級(jí)的孔徑為5μm，設(shè)三臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)再生；第二級(jí)的孔徑為0.2μm，也設(shè)三臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)再生；第三級(jí)為把關(guān)過濾器，孔徑為0.2μm，設(shè)二臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)再生。

含瀝青和細(xì)煤粉的混合液經(jīng)過三級(jí)過濾器過濾最終分離出煤粉固體顆粒。

(5)中間體瀝青蒸發(fā)脫溶工段

合格濾液進(jìn)入該工段后，首先用新鮮的冷溶劑進(jìn)行換熱降溫，目的是防止高溫高壓溶劑產(chǎn)生過度爆發(fā)式蒸發(fā)帶走瀝青，同時(shí)也可以預(yù)先回收部分熱能。設(shè)定溫度為從150℃降到120℃，然后再進(jìn)入溶劑蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器產(chǎn)生的瀝青稱為中間體瀝青(以下簡(jiǎn)稱瀝青質(zhì))。溶劑蒸發(fā)器設(shè)三級(jí)。第一級(jí)為初級(jí)脫溶濃縮，將溶有瀝青的混合液蒸發(fā)脫除大部分溶劑后，變?yōu)槿軇┡c瀝青質(zhì)的混合懸浮液，蒸發(fā)器內(nèi)溶劑蒸汽溫度為100℃，壓力為0.27MPa；第二級(jí)為緩沖脫溶濃縮，主要是控制溶劑的蒸發(fā)；第三級(jí)為最終脫溶帶式干燥機(jī)，瀝青質(zhì)被脫溶干燥后呈小片狀進(jìn)入中間體瀝青倉(cāng)。第一級(jí)蒸發(fā)器出來(lái)的溶劑蒸汽首先與新鮮的冷溶劑換熱，再次回收復(fù)用熱能。換熱后的溶劑蒸汽進(jìn)入水冷式冷凝器，全部溶劑得到冷凝回收，在水冷式冷凝器上設(shè)安全閥，當(dāng)超壓時(shí)打開，排入抽提器的安全閥出口冷凝器回收溶劑。帶式干燥機(jī)設(shè)置一級(jí)水冷式冷凝器。水冷式冷凝器的出口接在真空泵上，真空泵出口接到二級(jí)水冷式冷凝器，再次對(duì)溶劑進(jìn)行回收，二級(jí)水冷式冷凝器的出口接到煤粉冷卻吸附圓筒倉(cāng)的下部入口，在此將殘余的溶劑蒸汽進(jìn)行煤粉吸附，從而將溶劑徹底回收。

(6)瀝青質(zhì)加氫精制工段

從中間體瀝青倉(cāng)送來(lái)的瀝青質(zhì)經(jīng)破碎后進(jìn)入瀝青懸浮液制備攪拌桶，同時(shí)按1∶1比例加入正己烷，攪拌制成懸浮液，該懸浮液進(jìn)入柱塞泵加壓。從甲醇工廠弛放氣氫回收裝置引來(lái)氫氣后進(jìn)行加壓，與柱塞泵送來(lái)的高壓瀝青懸浮液混合后送入裝有催化劑的瀝青加氫反應(yīng)器進(jìn)行加氫反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為6h～8h，反應(yīng)溫度330℃～340℃，壓力為20MPa。反應(yīng)后的液體瀝青進(jìn)入高溫分離器，釋放出輕組份和未反應(yīng)的氫氣，這些氣體進(jìn)入輕組份分餾塔，產(chǎn)生輕油和可燃?xì)怏w?？扇?xì)怏w經(jīng)降溫后送活性炭廠用于加熱炭化爐和活化爐或?qū)λ魵饧訜?；液體瀝青用泵從高溫分離器的底部抽出送入聚合釜，同時(shí)再加入適量的四氫萘，在攪拌狀態(tài)下進(jìn)行熱聚合，聚合時(shí)間約4h。反應(yīng)后的液體進(jìn)入真空蒸發(fā)釜的上部，在真空作用下，輕組份被迅速地抽出送入分餾塔回收重油?？杉彏r青液自真空蒸發(fā)釜的底部依靠自重進(jìn)入緩沖密封貯槽，再由該槽的底部自流到瀝青冷卻機(jī)冷卻后獲得成品固體可紡瀝青。也可將可紡瀝青液體用齒輪油泵加壓后送入碳纖維生產(chǎn)裝置的噴絲頭直接生產(chǎn)瀝青纖維，如此可使紡絲生產(chǎn)更穩(wěn)定、易操作且能降低能耗。

(7)殘?jiān)稍锩撊芄ざ?/p>

自排渣鎖斗底部排出的殘?jiān)c溶劑的混合物落入斗式撈坑，液體溢流進(jìn)入儲(chǔ)罐，再回到制漿工段復(fù)用。斗子提升機(jī)撈出的殘?jiān)腿胝婵瞻沂礁稍餀C(jī)進(jìn)行脫溶干燥，干燥后的殘?jiān)M(jìn)入渣倉(cāng)。真空干燥機(jī)出來(lái)的溶劑蒸汽首先進(jìn)入一段水冷式冷凝器以回收溶劑，真空泵出口蒸汽再經(jīng)過二段冷凝器后，進(jìn)入冷卻吸附圓筒倉(cāng)，用干煤粉吸附殘余的溶劑。

(8)細(xì)殘?jiān)稍锩撊芄ざ?/p>

該工段的主要任務(wù)有二：其一，是回收過濾器反沖下來(lái)的細(xì)殘?jiān)图?xì)殘?jiān)械娜軇?。?dāng)過濾器再生時(shí)，反沖洗下來(lái)的細(xì)殘?jiān)軇┗旌弦菏紫冗M(jìn)入容積20m3帶有攪拌的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐下面接有兩個(gè)各容積5m3帶有攪拌的細(xì)殘?jiān)K脫溶釜，溶劑經(jīng)冷凝回收后，往細(xì)殘?jiān)K脫溶釜中通入一定量的水并攪拌排放到細(xì)殘?jiān)恋沓刈龌钚蕴加没蛩腿爰状贾茲{工段。其二，是清理濾芯內(nèi)殘?jiān)?。?dāng)過濾器濾芯不能反沖再生時(shí)，此時(shí)需要清理濾芯內(nèi)的殘?jiān)Ｊ紫认蜻^濾器夾套通入蒸汽加熱，將過濾器內(nèi)的殘留溶劑從過濾器頂部溶劑出口處蒸發(fā)出來(lái)并冷凝回收，然后通入熱氮?dú)庵脫Q過濾器內(nèi)溶劑蒸汽，當(dāng)檢測(cè)置換后氣體中溶劑含量達(dá)到排放要求時(shí)，再鼓入冷空氣置換過濾器內(nèi)氮?dú)?，置換完后，打開過濾器頂部封頭，將每根濾芯拆下來(lái)送入烤箱，通過高溫氧化將濾芯內(nèi)殘?jiān)摮?，脫除后將濾芯從烤箱中移出冷卻，并用高壓干燥清潔空氣清掃，將濾芯內(nèi)殘留物質(zhì)吹掃干凈，然后將濾芯重新組裝后備用。

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通訊作者：韓嘉，工程師，主要從事煤及煤化工生產(chǎn)及科研工作；E-mail：feibi_hj@163.com

中圖分類號(hào)：TQ 342+.74

The Production Technology of Coal-based Spinnable Pitch

HAN Jia

(Guohong Chemical Co.，Ltd.，Yankuang Group，Zoucheng 273500，Shandong，China)

Abstract：Spinnable pitch is the raw material of high performance material carbon fibers. But the continuous production of spinanable pitch by solvent extraction using coal as raw material has not been reported. In this paper，the production status and solvent extraction method of spinnable pitch were reviewed.

Key words：spinnable pitch，production status，solvent extraction method