工业生产中影响针状焦形成的主要条件

张戈， 熊楚安

（1.宝泰隆新材料股份有限公司，七台河 154600；2.黑龙江科技大学 环境与化工学院，哈尔滨 150022）

0 引言

我国作为全球最大的钢铁生产国，随着近年来石墨电极行业产品结构的持续优化，超高功率石墨电极比重不断增加，针状焦的需求量越来越大。虽然我国针状焦经过近30年来的研发已经实现工业化生产，针状焦研发在技术上有了突破性进展，特别是煤系针状焦产品已经批量投放市场，并用其成功生产出大规格超高功率石墨电极，在国内大型电弧炉使用效果良好，但还存在着产品质量不稳定等问题。本文主要从以下五个方面，探讨这些因素如何影响针状焦质量，并起到指导工业生产的目的。

1 原料沥青中QI对针状焦形成的影响

针状焦生产中，一般要求原料沥青中QI含量在0.1%以下[1]。但实际生产中，因沥青预处理难度较大，很难长时间稳定将原料沥青中QI控制在0.1%以下，一般要求在0.3%以内即可。

原料沥青QI含量高，可视为在焦化塔内的反应为非均相成核[2]，其反应特点为：在反应初期，原料沥青中的QI起到了 “核”的作用，该“核”会加快体系内中间相小球体的生成速率。且非均相反应形成的中间相小球体，初期不易融并，且几乎没有新的小球体生成。后期待小球体长大融并后，其热形变能力差，在外力不作用下，不易形成针状结构[3]。QI含量高的沥青，即非均相反应形成的焦炭，多为镶嵌结构，纤维结构很少，焦炭发黑，煅烧后，其颜色也没有银灰色的金属关泽。

原料沥青QI含量低，可视为在焦化塔内反应为均相成核，该反应的特点为：在反应前期的任意时期内，体系内的中间相小球体的生成、生张及融并同时进行，融并后的结构热变形能力强，易在高温油气溢出的外力作用下，形成针状结构[4]。该原料沥青中形成的焦炭多为广域—流线型结构，煅烧后，其颜色呈银灰色金属光泽。

2 进料分布方式对针状焦生产的影响

在没有安装进料分布器的焦化塔内，进料口在焦化塔底盖中心位置，进料后呈浪花状向四周扩散，进料通道为焦化塔中心位置。由于进料管道较细，焦化塔直径较粗，进料后，物料向四周扩散过程中，流向塔壁的时间较长。在此过程中，一方面由于分散面较大，向四周扩散时间长，导致体系内轻组分溢出速率较快，越向四周分布，体系粘度越大，不易中间相小球体的生成与融并。且越向四周，体系粘度越大，轻组分越小，造成拉焦油气不足，导致焦炭结构不好，特别是塔壁焦。另一方面是，因扩散时间长，导致焦化塔内径向温度分布不均匀，不利于反应的进行。

通过改变焦化塔底的进料方式，使进料向四周扩散，形成的进料通道在焦化塔中心与塔壁中间某位置，呈圆筒分布，其好处为：物料进入塔内，很快就会铺满焦化塔径向层面，温度分布均匀，物料黏度也均匀，可为中间相小球体的生张与融并形成有利条件。因进料通道分布变广，不仅会为吹油气时创造有利条件，还可改善塔壁焦质量不好的问题。

3 加热炉出口温度对针状焦生成的影响

焦化生产时，温度要求一般指加热炉出口温度。物料进入焦化塔后，因不同单位的管道保温、焦化塔保温及散热量的不同，进料温度也不尽相同，但总体所遵循的原则为：初期进料时，温度控制应偏低，后期进料时，温度控制应偏高。

温度对针状焦生产的影响为：由沥青最终生成针状焦的历程可大致概括为：稠环及大分子芳烃—中间相小球体—小球体长大并融并—气流拉焦形成纤维结构—固化成焦。由于延迟焦化单塔反应周期为36小时左右，进料初期的物料反应时间最长，所以初期温度控制应较低，为中间相小球体的生长与融并提供充足的反应时间。随着持续进料，物料的反应时间逐渐变短，需相应提高反应温度，来缩短中间相小球体成长为纤维结构的时间。所以在进料后期，需要较高的温度。反应温度过低，会影响焦炭的强度及成焦率等指标；反应温度过高，会导致反应过快，会对针状焦纤维结构排列的有序性造成影响。

4 焦化塔操作压力对针状焦生成的影响

针状焦生产时，需在较高的反应压力下进行。在操作过程中，需对焦化塔进行提压操作。进料中后期，可视情况进行降压操作，但应小幅度降压。因不同单位所用原料性质及设备参数不同，反应所需最佳压力也不同，需结合本单位情况而定。

操作压力对针状焦生产的影响为：中间相小球体的生成、长大及融并，需在较低的黏度体系内进行。如焦化塔压力过低，物料进入焦化塔后，轻组分很快就会以油气的形式溢出，使反应体系内的黏度增大，不利于中间相小球体间的互相接触。反应后期，因体系内没有足够的油气进行拉焦，对生成纤维结反应体系在较长的时间内维持低粘度，有利于中间相小球体生长融并。反应后期，也有足够的构也会造成影响。增大焦化塔压力，可减慢轻组分在体系内的溢出速度，增大停留时间，可使油气进行定向拉焦，促进融并后的小球体转化为广域—流线型结构。在进料后期，为使物料快速反应，生成针状结构，适当降压后，可增大油气溢出速率，使拉焦外力增强，加快形成纤维结构时间。

5 循环比对针状焦生成的影响

因各地区原料性质不完全相同，所用循环比也不尽相同。循环比主要影响反应体系内的黏度与拉焦强度。循环比过大，一方面会造成原料沥青内非均相反应的进行，另一方面，因油气溢出速率过大，会造成拉焦过于剧烈，影响针状焦纤维结构的排列规整性。循环比过低，一方面会造成体系内粘度过高，不利于中间相小球体的长大与融并。另一方面也会造成拉焦油气不足，不利于形成纤维结构。

6 结论

通过长时间的生产实践，本文主要从工业化生产的角度，探索原料沥青中喹啉不溶物含量（QI）、焦化塔进料分布方式、焦化加热炉出口温度、焦化塔压力、循环比等因素对针状焦的形成及结构纹理的影响，得出以下结论：

（1）原料沥青中QI含量越低越好，一般不能超过0.3%。

（2）焦化塔进料应向四周分布，会改善焦化塔内反应环境，一般需加进料分布器。

（3）加热炉出口温度应尽量控制在470—500℃之间。太低会使反应不完全，太高会加快物料结焦，并且增大加热炉结焦风险。

（4）操作压力应根据本单位物料性质决定，应适中，过低过高对针状焦的形成都没有好处。

（5）循环比一般控制在1左右。