石油焦新材料的探索應用技術研究

劉 鑫

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石油焦新材料的探索應用技術研究

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品。目前石油工業隨著社會經濟的發展而在不斷發展，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的相關內容。

石油焦；新材料；應用技術

石油焦作為一種石油副產品在石油加工的過程中產生，即原油在經過蒸餾之后分離輕重質油，而重質油再經過熱裂轉化為石油焦。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。石油焦形狀不規則，呈暗灰色或者黑色，為多孔結構，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構、更高程度的有序化、更高的結晶度，可以說是一種部分石墨化的碳素形態。

1 石油焦新材料現狀

目前，石油焦產量在日益上升，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展，石油焦出現了許多新的材料，為石油焦市場帶來了很大的好處，為相關企業帶來了極大的經濟效益。石油焦是一種廉價但是卻很優質的碳源，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之中。

2 石油焦新材料

2.1 高比表面積活性碳

在化工、醫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，性能也會十分優良。燒結后，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

首先是反應燒結碳化硅，也可以簡稱為RBSC。RBSC是通過液化硅深入碳坯之中，經過相關化學反應之后原位生成SIC陶瓷的一種工藝。直接燒結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節再滲硅。

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，甚至可能變為固體，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研制，經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探索與研究

在這里以高硫石油焦清潔化利用技術開發的幾種技術為例進行講述。

3.1 活性炭技術

在國外，將石油焦應用于活性炭技術的制備已經有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物的比表面積。而在國內，關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原料。只是排放氣體中，由于其含硫較高，沒有達到環保水平的相關要求。

3.2 鋁用預焙陽極技術

這種技術在電解鋁企業中會占據較大的消費需求，其原料以低、中硫石油焦為主。鋁業的快速發展推動著預焙陽極的需求增長，能夠滿足預焙陽極生產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時，會由于其產生的二氧化硫平均濃度過高而受制于相關環保要求，應用范圍也相對受到限制。

3.3 立式水泥窯燃燒技術

如今，機立窯水泥生產線上的高硫石油焦的應用技術已經成熟，不但質量穩定，其廢氣排放也已經達到了環保標準要求。而立式水泥窯也有其缺點，即為規模比較小，生產技術也比較落后。由于“十二五”期間的產業結構優化調整，很多落后的水泥產能已經漸漸被淘汰，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能下降而出現下滑的趨勢。

3.4 CFB技術

CFB技術是應用于生產蒸汽與電力的一種技術，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，使其顆粒向上流動，形成密相流化床。經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，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，其主要參數都滿足了相關控制范圍，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數值。

表2 1號鍋爐在正常運行時的參數數值

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

4 結束語

隨著材料科學的發展越來越快，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，為社會和企業帶來比傳統應用途徑更加大的社會效益以及經濟效益。

［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。