炭素工艺学

炭素材料的制备原料

1、石油焦

2、沥青焦

3、冶金焦

4、无烟煤

5、煤沥青

6、其他辅助原料

1、石油焦

石油焦是石油炼制过程中的副产品。石油经过常压或减压蒸馏，分别得到汽油、煤油、柴油和蜡油，剩下的残余物称为渣油。将渣油进行焦化便得到石油焦。因而石油焦的性质主要取决于渣油的种类。

石油焦是生产各种炭素材料的主要原料。这种焦炭灰分比较低，一般小于1％。

石油焦在高温下容易石墨化。石油焦的特性对炭素材料的性能有很大影响。

延迟焦化是将原料经深度热裂化转化为气体烃类，轻、中质馏分油及焦炭的加工过程。

原料一般是深度脱盐后的原油经减压蒸馏所得的渣油。有时在减压渣油中配有一定比例的热裂化渣油或页岩油。

（1）焦化反应

石油焦是由渣油经过焦化工艺而制得的产品。渣油的组成很复杂。渣油与原油同样都是由各种烃类和烃类化合物组成的。在渣油中还有沥青质组分。它与沥青焦有相似之处，但它含有较多氧、氮、硫。在重柴油馏分中沥青质脱去一个脂族基便能转化为树脂质。树脂质和沥青质在高温下会进行缩聚反应，最后可得焦炭。

渣油的焦化反应可归纳为：

1) 渣油中的树脂质—沥青质—焦炭

2) 渣油中的芳香烃等—高分子缩聚物—树脂质—沥青质—焦炭

3) 渣油中的烷烃、环烷烃、带长侧链稠环—芳香烃—高分子缩聚物—树脂质—沥青质—焦炭

（2）石油焦的分类

根据石油焦结构和外观，石油焦产品可分为针状焦、海绵焦、弹丸焦和粉焦4种。

根据硫含量的不同，可分为高硫焦和低硫焦。

石油焦按照硫含量、挥发分和灰分等指标的不同,分为3个牌号,每个牌号又按质量分为Ａ、Ｂ两种。

根据原料渣油的不同，石油焦又分为裂化石油焦、常减压石油焦和页岩石油焦

2、沥青焦

沥青焦是一种含灰分和硫分均较低的优质焦炭，它的颗粒结构致密，气孔率小，挥发分较低，耐磨性和机械强度比较高，其来源是以煤沥青为原料，采用高温干馏（焦化）的方式制备而得。

沥青焦虽然也是一种易石墨化焦，但与石油焦相比，经过同样的高温石墨化后，真密度略低，且电阻率较高、线膨胀系数较大。沥青焦是生产铝用炭素阳极和阳极糊的原料，也是生产石磨电极、电炭制品的原料。

生产沥青焦的原料是中温沥青和高温沥青，高温沥青是中温沥青在氧化釜中用热空气氧化而成。高温沥青粘度大，装炉温度较高，挥发分含量小，有利于装炉操作。

由于沥青焦成焦温度较高，达到1300～1350℃，所以不经煅烧也可以直接使用。但沥青焦从炼焦炉中推出后采用浇水熄火，一般水分含量大，所以在生产中它与石油焦一起按比

例混合后进行煅烧。

沥青焦生产

（1）炉室法

（2）延迟焦化法

3、冶金焦

冶金焦是用几种炼焦煤按一定配比在焦炉中高温干馏焦化而得到的一种固体残留物。生产冶金焦以炼焦煤为主，适当配入部分肥煤、气煤和瘦煤。首先将选好的炼焦煤破碎和粉碎，然后按一定比例进行配煤，混合均匀后送入贮煤塔，通过装煤机将塔中原料煤定量从炉顶装入焦炉炭化室。原料煤在炭化室内处于高温干馏状态。从装煤到出焦的生产周期约15h左右。当焦饼中心温度达到950～1050℃时，即可推焦出焦，送到熄焦塔用水熄焦(或干法熄焦)。冷却后的冶金焦最后经筛选分级，检验入库。

冶金焦是生产各种炭块和电极糊的主要原料，此外还可用作为焙烧的填充料、石墨化的保温料和电阻料。

冶金焦的特点：灰分含量较高，一般为10～15%，挥发分含量为1%左右，不易石墨化。对于炭素生产来说，冶金焦的灰分应尽可能低一些。

炭素生产用冶金焦的质量指标：灰分：≯13．5％；硫分：≯0．8％；挥发分：≯1．2％；水分：≯4.0％。

4、无烟煤

煤是古代植物埋藏在地下，在细菌作用及一定的温度和压力下逐渐变质而得到的含碳量很高的矿物。按变质程度排列，自然界中有泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。变质程度越高，则煤的含碳量越高，颜色逐渐变深，密度逐渐增大，硬度和光泽也逐渐增强。

无烟煤是变质程度较深的一种煤，含碳量一般在90％以上。它的特点是：有机质含量少、结构致密、强度较高、发热量较高，是生产冶金用炭块、炭电极（如铝电解槽阴极）和电极糊料的原料。

无烟煤是生产炭素材料的主要原料，但是并不是所有的无烟煤都可以作为生产炭素材料的生产原料，能作生产炭素材料的无烟煤必须具有以下条件：

（1）灰份含量要低。灰分含量高的无烟煤生产出的炭素制品质量将会降低，因为无烟煤中的灰分将全部转移到炭素材料中，在一定程度上降低炭素材料的质量。生产阴极炭块和高炉炭块的无烟煤灰份要求在8％以下；生产电极糊的无烟煤灰分应小于10％。

（2）机械强度要高。机械强度较高的优质无烟煤经煅烧后，仍能保持原来的块状，说明强度仍然很高，这样的煤热稳定性能好，是生产炭素制品所要求的主要特性之一。只有原料的机械强度高，才能制造出机械强度高的炭素制品。

（3）热稳定性要高。有的无烟煤在煅烧后容易裂成小块，强度降低，这样的无烟煤热稳定性不好。有的无烟煤在煅烧以后，仍然保持原来的块状，机械强度仍然很高，这样的无烟煤热稳定性好。

（4）硫分要少。若无烟煤中含硫量过多，不仅燃烧时放出SO2气体污染环境，而且容易引起无烟煤块爆裂。

5、煤沥青

煤沥青是炼焦工业的副产品。烟煤在炼焦炉中受高温作用发生热分解，得到三种产物：①焦炭；②煤气；③煤焦油。一吨干烟煤可得到720～780kg焦炭，150～190m3煤气，25～42kg煤焦油。其中煤焦油是生产煤沥青的原料，煤焦油再经过蒸馏得到的残渣便是煤沥青。

（1）煤沥青在炭素材料中的作用

煤沥青是生产炭素材料的粘结剂和浸润剂。它能很好的浸润和渗透到各种焦炭及无烟煤的表面和孔隙。并使各种配入的颗粒互相粘结形成具有良好的塑性状态的糊料。糊料成型或