02煤沥青的性质及应用

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目前， 煤沥青资源的加工利用水平和效益对整个 煤焦油加工来说至关重要。国内许多煤焦油加工企 业，沥青基本不再加工，其价格常低于原料焦油，造 成煤焦油加工企业效益不佳甚至于亏损，可见如何 对煤沥青进行必要的深加工，提高产品的附加值是 煤焦油加工的一个重要问题
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作者简介： 常宏宏 " 男" AH’’ 年出生" !&&I 年毕业于太原理工大学" 在职博士生" 太原" &B&&!I
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常宏宏等： 煤沥青的性质及应用
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种， 球状沥青是用煤沥青经特殊的成型工艺而制成的 一种沥青产品， 已广泛用于高炉出铁沟浇铸料中。球 结焦 状沥青生产希望原料的软化点在 !!" # !$% & ， 值 ’%( 以上。 ! ) " * 浸渍剂沥青 浸渍剂沥青是生产电炉炼钢用高功率 （ +, ） 、 超 高功率 （ -+, ） 石 墨 的 主 要 原 料 之 一。发 达 国 家 在 +,、 -+, 石墨电极生产中非常重视原料的选择， 浸渍 工序普遍使用专用浸渍剂沥青， 国内一直没有专用浸 渍剂沥青， +,、 -+, 石墨电极生产用浸渍剂以普通中 温沥青代替。与国外先进生产工艺相比， 存在生产周 期长， 生产费用高， 产品质量差， 而且不能生产大直径 产品在国际市场上无竞争力。 优质 -+, 石墨电极， 在浸渍剂沥青研制开发方面， 鞍山热能研究院、 武汉 科技大学、 华东冶金学院和无锡焦化厂等做了大量的 实验工作。山东兖矿科蓝煤焦化有限公司采用溶剂 沉降法净化煤沥青， 在工业装置上试产浸渍剂沥青获 得成功， 生产的浸渍剂沥青各项质量指标已达到国际 先进水平。 ! ) ! * 煤沥青针状焦 针状焦是 .% 世纪 /% 年代炭材料中大力发展的 一个优质品种， 具有低热膨胀系数、 低空隙度、 低硫、 低灰分、 低金属含量、 高导电率等一系列优点。其石 墨化制品化学稳定性好、 耐腐蚀、 导热率高、 低温和高 温时机械强度良好， 主要用于制造超高功率电极和特 种炭素制品， 是发展电炉炼钢新技术的重要材料。 根据原料线路不同， 针状焦分为油系和煤系 . 种， 其生产方法也有一定差异。世界针状焦年总产量 约 !.% 万 0， 主要生产国只有美国和日本等几个国家， 长期以来， 我国针状焦一直依赖进口。 “ 六五” 期间， 针状焦被列为国家重点科技攻关项目， 经过多家科研 院所和企业共同努力， 技术上有所突破， 并获得了我 国自己的专利。 “ 八五” 期间， 国家安排了 $ 个针状 焦试验项目： 辽宁鞍山沿海化工厂 （ 原鞍山化肥厂） . 万 0 1 年煤系针状焦 （ 改制法） 项目、 山东兖矿科蓝煤 焦化有限公司 （ 原山东济宁煤化公司） . 万 0 1 年煤系 针状焦 （ 溶剂法） 项目、 辽宁锦州石化公司 2 万 0 1 年 油系针状焦项目及安徽安庆石化公司油系针状焦项 目。后来山东海化集团又建设了 . 万 0 1 年油系针状 万方数据 +, 电极的生 焦装置。目前生产的针状焦已经用于
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山西焦煤科技
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!""# 以上生产沥青的聚合反应时， 少量焦油的蒸馏 加热时不溶化， 所 生成的， 它的 $ % & 原子比为 ’( )) ， 生成的焦炭呈各向同性， 石墨化性能差， 不利于沥青 中间相的成长； ! 树脂是一种不同于 ! 组分的物质， 其 $ % & 原子比为 *( +’ ， 单独焦化时与 ,- 一样， 不经 溶化阶段形成各向同性焦， 其石墨化性能差， 但与苯 可溶物共热时， 溶解成具有流体状易石墨化的碳， 因 此， 有利于沥青质量的提高。 ! 树脂含量增加， 从各组分的作用看， 沥青中芳香族化合物成分随 $ % & 原子比的增大而升高， 固定碳上升， 沥青软化点 提高， 黏结性增强。因此， 为了提高沥青黏结剂的质 适当提高 ! 树脂的 量， 要求降低沥青中 ,-. 的含量， 含量， 以求沥青获得较高的芳香性与高的碳含量， 以 及优良的润湿性与黏结力， 为此必须对沥青进行改性 处理。但在实际生产中， /0. 含量增加， 则沥青芳香 性与碳含量 （ $ % & 原子比） 降低； ,-. 与 ! 树脂含量 增加， 沥青的浸润性与黏结力下降。为了取得较好的 沥青焦化值， 获得较好的性能组合， 常要求沥青中原 改性后在 3 2 +. 左右， /生 ,- 含量在 1 2 !. 左右， 含量在 1! 2 1). 为宜。 ! 4 煤沥青的种类 煤沥青品种较多， 普通煤沥青产品包括低温沥青 （ 567 89:;9<=8><9 ;?8@A， 软化点 1" 2 3B # ） ， 又称软沥 青 （ C6D8 ;?8@A） 、 中温沥青 （ :9E?>: ;?8@A， 软化点为 3B 、 高温沥青 （ A?FA 89:;9<=8><9 ;?8@A， 软化点为 2 +B # ） +B 2 *’" # ） ， 又称硬沥 青 （ A=<E ;?8@A ） 和改质沥青 （ :6E?D?9E ;?8@A） 。改质沥青是普通煤沥青类型中的 高档产品， 改质沥青与高温沥青的区别在于： 高温沥 青仅对软化点有要求， 而改质沥青除了软化点与高温 沥青相近外， 还对沥青组分含量和结焦值等有具体要 求， 即改质沥青体现在对煤沥青结构组成和质量品级 的要求上， 而这些要求都是针对炭材料的实际生产需 要而设定的。 根据用户要求， 煤焦油加工企业也可生产软化点 例如高炉用热压小炭 为 *’" 2 ’B" # 的特高温沥青， 砖就采用软化点高达 *1" # 左右的高温沥青， 其甲苯 不溶物含量达 !’. ， 结焦值高达 3". ， 炼钢转炉内衬 用镁炭砖采用软化点为 *B" 2 1’" # 的高温沥青粉， 其固 定 炭 含 量 高 达 GB. 2 )G. ， ! 树脂含量高达 万方数据 1". 2 G". 。含炭耐火材料采用的煤沥青形式有液
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［ B］ 煤沥青的组成
煤沥青是以芳香族为主的结构复杂的高分子化 合物混合体， 其分子量范围广， 常含有不溶于溶剂的 碳质成分。根据使用的溶剂种类不同， 可将煤沥青分 为苯可溶组分 （ J( ）9 " 树脂、 喹啉不溶物 （ KL ）9 # 树脂以及甲苯不溶喹啉可溶组分 9 $ 树脂。苯可溶 相当于沥青中的石油质 （ " 组分） 和沥青质 组分 （ J(） （ $ 组分） ， 石油质 （ " 组分） 是含有 I ? @ 个苯环的芳 香族缩聚物， 其 . C F 原子比约为 &% @G ， 经轻度加热一 段时间后， 可以聚合为沥青质， 析焦量增大， 在沥青中 起溶剂作用， 其浸渍性强、 黏结性极弱， 能改善混合条 件， 适当降低沥青的软化点。沥青质 （ $ 组分） 是含 有 ’ 个以上苯环的芳香族缩聚物， 其 . C F 原子比约 为 A% &@ ， 具有极强的黏结性和易石墨化性能， 是沥青 为#组 中起黏合作用的主要成分。而苯不溶物 （ JL ） 分， 人们常称为游离碳， 是一种大分子量的缩聚苯环 化合物， . C F 原子比约为 A% =B ， 对碳没有黏结性与浸 润性， 因此沥青中苯不溶物含量不宜太高， 否则会降 低沥青的黏合性， 使制品在焙烧时体积胀大。但适量 的 JL 组分有利于 促 进 $ 、 生成强 " 组 分 一 起 焦 化， 固、 致密的黏合焦的作用， 它依据实验的溶剂喹啉又 可分为喹啉不溶物 （ KL ）9 # 树脂和苯不溶、 喹啉可 溶物 9 $ 树脂。喹啉不溶物 （ KL ）9 # 树脂是一种悬 浮在沥青中的过度相物质， 通常可细分为原生 KL、 次 生 KL、 灰分、 KL 取代物、 焦炭和煤粉。原生 KL 是在煤 焦炉焦化裂解反应时在焦油中产生的； 次生 KL 是在
体 （ 单独或复合） 、 固体 （ 粉、 粒、 球） 等， 球状沥青 （ H=55 是近年来生产的沥青新产品， 主要用于高炉出 ;?8@A） 铁沟浇注料等的生产， 该产品的使用条件不同于液体 煤沥青和粉状、 粒状煤沥青， 要求其具有 **B 2 *!" # 的软化点和 G". 以上的结焦残炭值。 对煤焦油或煤沥青进行净化处理， 可制备低杂质 ， 以净化沥青为原 含量精制净化沥青 （ ;><?D?9E ;?8@A ） 料可调制出高性能浸渍剂沥青 （ ?:;<9FI=8?IF ;?8@A ） ， 中间相沥青是生产 和中间相沥青 （ :9C6;A=C9 ;?8@A ） 煤沥青基碳纤维和中间相碳微球等新型炭材料的优 质原料， 净化沥青是生产煤沥青系针状焦的优质原
［ *］ 料 。 ［ ’， !］ " 4 煤沥青的应用
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黏结剂沥青 * ）炭材料黏结剂。在炭素制品生产中， 沥青是
不可缺少的黏合剂， 尤其是在电极生产过程中用于使 粉状固体料成型的黏合剂好坏对电极质量起着至关 重要的作用。随着炼铝工业和钢铁工业的发展， 铝厂 对阳极糊和钢厂对石墨电极的要求越来越高， 因此提 高黏结剂沥青的质量十分重要。我国自从 ’" 世纪 B" 年代前苏联援建吉林炭素厂和哈尔滨电碳厂起， 各种炭材料的生产一直选用中温沥青作为黏结剂。 ’" 世纪 )" 年代起， 贵阳铝厂和青铜峡铝厂引进电解 铝装置， 需要质量好、 软化点高的改质沥青后， 焦化工 作者开始研制改质沥青。随着沥青种类的增加和质 量的提高， 我国铝用炭材料生产中逐渐采用改质沥青 取代中温沥青作为黏结剂， 黑色冶金炭素行业也在着 手开展这方面的工作。改质沥青取代中温沥青作为 炭材料生产用黏结剂已是必然趋势。但由受我国炭 素制品生产技术装备现状的限制， 很多炭素厂希望黏 J-、 结剂沥青有较高的结焦值、 ! K 树脂和适宜的 ,-， 又不希望软化点太高。面对这种市场需求， 研制生产 了质量指标各异沥青品种， 形成系列产品， 有力支持 炭素行业的发展。 ’ ）耐火材料黏结剂。煤沥青另外一个重要用途 是耐火材料工业的黏结剂。镁碳砖的生产， 希望黏结 并有较高的结 剂沥青软化点在 *)" 2 ’"" # 范围内， 焦值 （ GB. 2 3". ） 。耐火材料以沥青作黏结剂由来 已久。沥青的使用形式有液体 （ 单独或复合） 、 固体 （ 粉、 粒、 球） 等。球状沥青是近几年生产的一个新品
" " 摘" 要" 阐述了煤沥青的性质、 组成和种类， 介绍了煤沥青在黏结剂、 浸渍剂、 碳纤维、 涂料及燃 料油等方面的应用。 关键词" 煤沥青； 黏结剂； 浸渍剂； 碳纤维 ! " 煤沥青的性质与组成 ! % ! " 煤沥青的性质 煤沥青全称为煤焦油沥青 （ 2$*1 9 :*;<-:2) ） ， 是煤 焦油蒸馏提取馏分 （ 如轻油、 酚油、 萘油、 洗油和蒽油 等） 后的残留物， 煤焦油是生产炼铁用冶金焦或生产 民用煤气时， 作为煤高温干馏的副产物得到的。煤沥 青是煤焦油加工过程中分离出的大宗产品，随蒸馏 条件的不同，其产率一般为 =&> ? @&> 。煤沥青具 有稳定的性能， 在炼钢、 炼铝、 耐火材料、 炭素工业、 筑 路及建材等行业日益得到广泛的应用。 煤沥青常温下为黑色固体， 无固定的熔点， 呈玻 璃相， 受 热 后 软 化 继 而 熔 化， 密 度 为 A% != ? A% B= 0 C 2D 。煤沥青的组成极为复杂， 已查明的化合物有 ’& 余种， 大多数为三环以上的多环芳烃， 还含有 E、 #、 ( 等元素的杂环化合物和少量直径很小的炭粒。 煤沥青的分子量在 A’& ? ! &&& 之间， 其 . C F 原子比 约为 A% ’ ? A% G ， 元素组成为 . 占 H!> ? HB> ， F占 B% => ? I% => ， 其余为 E、 #、 (。煤沥青组成既与炼 焦煤性质及其杂原子含量有关， 又受焦化工艺、 煤焦 油质量和煤焦油蒸馏条件的影响
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・专题综述・
煤沥青的性质及应用
常宏宏 " 魏文珑" 王志忠" 杨怀旺" 姚润生
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（ 太原理工大学化学化工学院） （ 临汾同世达实业有限公司） （ 山西金尧焦化有限公司）