石油焦新材料的探索应用技术研究

刘 鑫



石油焦新材料的探索应用技术研究

刘 鑫

（东北石油大学，黑龙江 大庆 163301）

石油焦以碳为主要成分，是比较廉价的石油副产品。目前石油工业随着社会经济的发展而在不断发展，在材料科学也同样进展飞快的情况下，作为一种碳源材料的石油焦具有十分独特的作用。主要讲述了几种石油焦新材料，探索了石油焦新材料的应用技术的相关内容。

石油焦；新材料；应用技术

石油焦作为一种石油副产品在石油加工的过程中产生，即原油在经过蒸馏之后分离轻重质油，而重质油再经过热裂转化为石油焦。若是石油焦由石油加工直接就可以得到，那么该种石油焦为生焦或者普通焦。石油焦形状不规则，呈暗灰色或者黑色，为多孔结构，具有金属光泽。石油焦含碳量十分高，大概在百分之九十，主要存在形式为碳氢化合物。而石油焦中的其他含量，如灰分、水分或者挥发分，都比较低。很多石油焦具有较高的硫含量，大致在2%到5%之间[1]。石油焦热值十分高，其品质和无烟煤十分接近，可以作为燃料。石油焦比其他的碳原料具有更紧密的结构、更高程度的有序化、更高的结晶度，可以说是一种部分石墨化的碳素形态。

1 石油焦新材料现状

目前，石油焦产量在日益上升，其市场需求却渐渐趋向于饱和，人们越来越重视石油焦新的利用途径，并且开始对其进行探索。如今材料科学快速发展，石油焦出现了许多新的材料，为石油焦市场带来了很大的好处，为相关企业带来了极大的经济效益。石油焦是一种廉价但是却很优质的碳源，可以为很多新材料的制备提供碳源。因此，可以将石油焦新材料进行充分利用，应用于石油焦新技术之中。

2 石油焦新材料

2.1 高比表面积活性碳

在化工、医药或者食品等等这些领域里，活性炭具有十分广泛的应用。在对高比表面积活性碳进行制备时，混合碱性活化剂和石油焦颗粒，其中石油焦可以尺寸一定要符合相关标准。制备的工艺要合适，获得的活性炭就可以超过表面积3 000 m2/g。石油焦原料的粒度尺寸不能太小，一般要在100~200mm之间。比表面积要达到最大限度，其活化温度也必须处于700~800 ℃之间[2]。而且，活化的时间应该少于2 h。

2.2 纳米碳化物颗粒

一般来说，碳化物都有较高的硬度以及较高的熔点，被广泛应用于硬质合金的制备之中。纳米碳化物的熔点在其表面能较高的情况下会快速下降，若是烧结温度较低、保温时间较短，其制备出来的陶瓷会很致密，性能也会十分优良。烧结后，纳米碳化物的晶粒会很小，其强度和硬度却因此变得更高。

2.3 先进复合材料

首先是反应烧结碳化硅，也可以简称为RBSC。RBSC是通过液化硅深入碳坯之中，经过相关化学反应之后原位生成SIC陶瓷的一种工艺。直接烧结SIC陶瓷时，所需的时间和温度都比RBSC要长、高，设备也更昂贵，而RBSC可以将SIC陶瓷具备比较好的尺寸保持性，还能对具有复杂形状的制品进行制备。再者，采用石油焦制备RBSC可以将成本有效降低。因此，可以将石油焦与SIC颗粒混合，再将混合之后的液体渗硅。此外，还可以将填充物混入石油焦之中，对碳素材料的密度进行调节再渗硅。

2.4 电流变智能材料

电流变智能材料包括压电陶瓷、电流变和形状记忆合金等材料，涵盖的范围很广。其中，由于电流变材料的电流变液的黏度在一定强度的外电场作用下，可以从低瞬间变高，甚至可能变为固体，而被人们重视并且广泛应用。比如离合器、减振器和液压阀门等等场合。石油焦被应用于电流变材料的相关研制，经过研磨之后可以得到10~75 μm的粒子，通过分散在50 mm2/s黏度的甲基硅油之中而使甲基硅油的体积分数介于33%~35%之间。在外场强度是2 kV/mm的情况下，若是材料黏度与零场黏度相比大了20倍，则表示其电流变效应很好。另外，当其电流密度比60μA/cm2还要小时[3]，则表示其悬浮稳定性很好。

2.5 锂电池负极材料

锂离子电池的正负极为不同电位的嵌入材料，使得锂离子在电池进行充电的时候从正极中脱嵌，而嵌入负极中。在放电的时候，情况恰好相反。要将具有高性能的锂电池开发出来，首先就是要找到合适的负极材料，其工作电压要尽可能低、锂嵌入量要较高、锂离子脱嵌可逆性良好。碳材料是最成功的负极材料，包括石油焦、活性炭、石墨等[4]。

3 石油焦新材料的应用技术探索与研究

在这里以高硫石油焦清洁化利用技术开发的几种技术为例进行讲述。

3.1 活性炭技术

在国外，将石油焦应用于活性炭技术的制备已经有20多年的历史，其原料以低硫石油焦为主。硫含量极大地影响着活性炭的比表面积，高硫的石油焦只有在达到98%的脱硫率时，才能大幅度提高活性炭产物的比表面积。而在国内，关于这方面的研究只处于小试阶段。高硫石油焦可以充当具备高性能的天然气吸附剂的生产原料。只是排放气体中，由于其含硫较高，没有达到环保水平的相关要求。

3.2 铝用预焙阳极技术

这种技术在电解铝企业中会占据较大的消费需求，其原料以低、中硫石油焦为主。铝业的快速发展推动着预焙阳极的需求增长，能够满足预焙阳极生产条件的石油焦开始供不应求。与此同时，人们对高硫石油焦的需求也在日益提高。只是在采用高硫石油焦进行铝用预焙阳极生产时，会由于其产生的二氧化硫平均浓度过高而受制于相关环保要求，应用范围也相对受到限制。

3.3 立式水泥窑燃烧技术

如今，机立窑水泥生产线上的高硫石油焦的应用技术已经成熟，不但质量稳定，其废气排放也已经达到了环保标准要求。而立式水泥窑也有其缺点，即为规模比较小，生产技术也比较落后。由于“十二五”期间的产业结构优化调整，很多落后的水泥产能已经渐渐被淘汰，包括大部分的立式水泥窑。所以高硫石油焦的消费随着立式水泥窑的产能下降而出现下滑的趋势。

3.4 CFB技术

CFB技术是应用于生产蒸汽与电力的一种技术，流程简单，脱流效果极佳，成本也不高，广泛应用于炼油厂以及电厂。

表1 CFB技术的特点

其流程为：通过给料机将粉碎后的石灰石和石油焦送入炉膛下部，使其被循环的高温物料进行加热和燃烧。一次空气预热之后，从炉膛的底部送到炉内，使其颗粒向上流动，形成密相流化床。经过二次空气预热之后，将其从炉膛的焦炭进料口上面送到炉内，将燃烧颗粒细粉挟带出CFB炉膛[5]，再送入旋风分离器，分离之后的物料会被返料系统送回炉膛再次燃烧。其烟气通过省煤器和热情进行换热，再通过除尘器进行除尘，然后排入烟囱，将灰渣从炉底的排渣口排出。

某公司在2006年投用了2台465 t/h的CFB锅炉，将高硫石油焦作为设计燃料，其中含硫量为6.0%~6.7%。而1号锅炉的燃料为100%的高硫石油焦。半年的正常运行之后，其主要参数都满足了相关控制范围，而且锅炉和脱硫的效率指标都极佳，超过了设计值，为95.17%、97.3%。表2为该公司1号锅炉在正常运行时的参数数值。

表2 1号锅炉在正常运行时的参数数值

CFB技术已经在逐渐完善，并且提高了可用率。以高硫石油焦燃料为主要原料的CFB锅炉的并发项目将会逐渐增加。值，为95.17%、97.3%。

4 结束语

随着材料科学的发展越来越快，石油焦新材料的应用将会越来越广泛，应用的领域也会越来越多，为社会和企业带来比传统应用途径更加大的社会效益以及经济效益。

［1］郑雁军，崔立山，崔晓龙，徐春明. 高附加值石油焦新材料[J]. 新型炭材料，2006(1)：56-57.

［2］叶文尧. 高硫石油焦脱硫新技术研究[D]. 长沙：湖南大学，2012(4)：77-78.

［3］徐可忠，缪超，宋爱萍. 高硫石油焦清洁利用技术浅析[J]. 上海公路，2011（20）: 89-90.

［4］张淮浩, 陈进富. ANG中吸附热效应的研究进展[C]. 第九届全国化学工艺学术年会论文集, 2005.

［5］赵淑红, 吴锋, 苏岳锋. 电化学电容器碳基电极材料研究进展[J]. 材料导报, 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

刘鑫（1992-），男，海南白沙黎族自治县人，研究方向：化学工程与工艺。