生产煤系针状焦副产品沥青的应用研究

贾楠楠 ，芦参 ，张展 ，王晓楠

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁 鞍山 114021；3.鞍钢化学科技有限公司，辽宁 鞍山 114021）

随着国家不断出台对新能源汽车的利好政策，作为制造高级石墨电极的主要原料，针状焦在负极材料市场的需求量正在迅猛增加。由于原料来源不同，针状焦可分为石油系针状焦和煤系针状焦［1］。煤系针状焦的主要原料是软沥青，其主要成分为芳香烃，含有一定量的喹啉不溶物，会阻碍针状焦的生成，因此，生产煤系针状焦时，需要经过原料预处理，在此过程中会生成副产品沥青。考虑到节能环保和降低成本的需要，目前以煤系针状焦生产为主，随着市场需求的增多，副产品沥青的产量也会逐渐增大，对副产品沥青应用的深入研究亦显得尤为重要。由于国内外还没有焦化企业深挖副产品沥青的用途，也为了解决副产品沥青的销路问题，本文进行了副产品沥青部分替代中温沥青生产改质沥青的混配比例和反应釜试验研究。

1 试验条件与方法

1.1 试验原料及设备

本研究以原料预处理后产生的副产品沥青和中温沥青为原料，检测结果如表1所示。从表1可以看出，副产品沥青甲苯和喹啉不溶物含量较高，其它质量指标均与中温沥青接近。

表1 副产品沥青和中温沥青的检测结果

试验采用10 L多功能反应釜进行高温热聚合反应生产改质沥青。试验设备结构示意图见图1。设备采用镍铬-镍硅热电偶跟踪监测炉膛和釜内温度，用数显控温仪控制温度，顶盖上有加料孔、测温孔和排气孔，可通过排气孔调节釜内压力。

图1 试验设备结构示意图

1.2 试验方案

以中温沥青为原料，分别考察热聚合反应温度、反应压力和恒温时间对改质沥青质量指标的影响，最终确定最佳工艺参数。再分别按副产品沥青：中温沥青=5:5,4.5:5.5,4:6,3.5:6.5,3:7和2:8的配比进行原料混配，在最佳的工艺参数条件下，进行反应釜的高温热聚合反应生产改质沥青，考察原料配比对改质沥青质量指标的影响，分析改质沥青的软化点、甲苯不溶物、喹啉不溶物和结焦值等指标，若不合格，再调整原料配比，直至改质沥青质量指标合格为止。改质沥青行业标准一级品的质量指标要求如表2所示。

表2 改质沥青行业标准一级品的质量指标要求

1.3 试验方法

（1）选用原料粒度为0.007 4 mm，物料总加入量为3 kg，一般装料至总体积的3/4。混配试验中，按配比称量副产品沥青和中温沥青的加入量后进行混配装料。

（2）开始设置温控程序的反应温度和时间，进行程序升温。程序升温曲线如图2所示。

图2 程序升温曲线

由室温开始逐步升温，待釜内物料温度达到其软化点后，开启釜内搅拌装置，通入冷却循环水，程序升温到300℃；继续升温30 min至350℃；再程序升温30 min至370℃（以反应温度控制在370℃为例），保持一定的恒温时间。

（3）反应过程中及时调节釜内压力，反应结束后程序终止，关闭加热装置和循环冷却装置，待降至室温后减压开釜取料。

2 试验结果与分析

2.1 热聚合反应温度对改质沥青的影响

维持反应釜内压力为0.15 MPa，由室温开始逐步升温，进行不同反应温度下的反应釜试验，保持恒温时间1.0 h，然后分别取适量不同反应温度下产生的改质沥青进行质量指标检测。反应温度和改质沥青质量指标情况如表3所示。

表3 反应温度和改质沥青质量指标情况

从表3可以看出，改质沥青的各项质量指标均随反应温度的升高而增大。当恒温时间1.0 h、反应压力0.15 MPa，反应温度在360～380℃的范围内变化时，对照改质沥青行业标准一级品的质量指标要求（表2），只有反应温度370℃时生产的改质沥青质量指标合格，因此，改质沥青生产的最佳反应温度是370℃。

2.2 热聚合反应压力对改质沥青的影响

反应温度控制在370℃，进行不同反应压力下的反应釜试验，保持恒温时间1.0 h，然后分别取适量不同反应压力下产生的改质沥青进行质量指标检测。反应压力和改质沥青质量指标情况如表4所示。

表4 反应压力和改质沥青质量指标情况

从表4可以看出，改质沥青的各项质量指标均随反应压力的升高而增大。当恒温时间1.0 h、反应温度370℃，反应压力在0.10～0.30 MPa范围内变化时，对照改质沥青行业标准一级品的质量指标要求（表2），只有反应压力0.15 MPa时生产的改质沥青质量指标合格，因此，改质沥青生产的最佳反应压力是0.15 MPa。

2.3 热聚合恒温时间对改质沥青的影响

维持反应釜内压力为0.15 MPa，反应温度控制在370℃，进行不同恒温时间下的反应釜试验，并分别取适量不同恒温时间下产生的改质沥青进行质量指标检测。恒温时间和改质沥青质量指标情况如表5所示。

表5 恒温时间和改质沥青质量指标情况

从表5可以看出，改质沥青各项指标均随恒温时间的延长而增大。当反应压力0.15 MPa、反应温度370℃，恒温时间在0.5～2.5 h范围内变化时，对照改质沥青行业标准一级品质量指标要求（表2），仅恒温时间1.0 h时生产的改质沥青质量指标合格，因此，改质沥青生产的最佳恒温时间是1.0 h。

2.4 原料配比对改质沥青质量的影响

综合上述试验研究，可以确定改质沥青生产的最佳工艺参数，即反应温度370℃、反应压力0.15 MPa和恒温时间1.0 h。在最佳工艺参数下，进行不同原料配比的反应釜试验。原料配比和改质沥青质量指标情况如表6所示。

表6 原料配比和改质沥青质量指标情况

从表6看出，在最佳工艺参数条件下，当原料配比不同时，生产改质沥青的质量指标也不同，只有当副产品沥青:中温沥青=3.5:6.5时，生产的改质沥青质量指标达到了行业标准一级品的要求。

综上所述，在改质沥青生产中，应用副产品沥青替代部分中温沥青是可行的，且在反应温度370℃、反应压力0.15 MPa和恒温时间1.0 h的条件下，副产品沥青和中温沥青的配比为3.5:6.5时，得到的改质沥青质量能够达到行业一级品的标准。

3 应用前景

对应用副产品沥青替代部分中温沥青生产改质沥青的前景进行分析，相关指标在应用前后的变化情况如表7所示。从表7可以看出，应用混配原料生产改质沥青，可以使中温沥青用量减少约35.0%，改质沥青成本降低约18.1%，副产品沥青销量提高约75.2%，节约的中温沥青可以用来生产更多的软沥青，软沥青产量提高约5.1%，能源消耗量降低。

表7 混配原料生产改质沥青前后指标变化情况

4 结论

副产品沥青的软化点和结焦值与中温沥青比较接近且价格较低，用其部分替代中温沥青生产改质沥青是可行的，生产的最佳原料配比为副产品沥青:中温沥青=3.5:6.5，最佳工艺参数为反应温度370℃、反应压力0.15 MPa和恒温时间1 h。应用该工艺可以使中温沥青用量减少约35.0%，改质沥青成本降低约18.1%，副产品沥青销量提高约75.2%，节约的中温沥青可以用来生产软沥青，软沥青产量提高约5.1%，能源消耗量降低。