[发明专利]煤的催化提取方法

说明书

本发明以授予号DE-FC26-03NT41874在美国能源部(DOE)的支持下作出。政府对本发明具有某些权利。然而，本文表述的任何主张、发现、结论或建议为申请人的，并且不必然反映DOE的观点。

发明背景

技术领域

本发明涉及可用于包括生产石墨电极、特种石墨或碳阳极的应用的焦炭。更具体地，本发明涉及一种用于由煤的溶剂提取物生产具有所选的热膨胀系数(CTE)的焦炭的方法，所述焦炭用作呈现期望的热膨胀系数的石墨产品的原料。

背景技术

碳电极(尤其是石墨电极)在钢工业中用于熔融在电-热炉中用于形成钢的金属和补充成分两者。通过将电流通过至少一个(更通常，多个)电极并在电极和金属之间形成电弧，产生熔融基材金属所需的热量。通常使用超过100,000安培的电流。同样，在铝熔炼操作中采用碳阳极，并起到引导电流通过铝土矿或其它铝矿到阴极床的作用。

石墨电极以及碳阳极和特种石墨的制造需要选择煅烧的焦炭填料和粘合剂如沥青，用于有效和经济的操作。通常，将焦炭填料与粘合剂混合、成型和烘焙，以形成单个的固体物质。常规级别的焦炭或海绵焦炭适于铝工业中的碳阳极，并且必须满足某些要求，包括硫、灰分和金属含量低。特别关注钒和镍的存在，它们可充当氧化催化剂。由于碳阳极在电解产生铝金属中被消耗，在全球基础上需要大量优质焦炭。在石墨电极中使用的焦炭具有必须建立长程订单(order)的额外要求。由于它们的高度结晶性质，这些焦炭看起来是针状的。虽然比起碳阳极，石墨电极以较小的规模生产，但是它们仍然是钢和其它金属工业的关键商品。

石墨电极通常使用针状焦炭填料与沥青粘合剂组合来制造。针状焦炭为具有针状、各向异性微观结构的焦炭品级。目前用于生产如石墨电极和碳阳极的制品的大多数焦炭作为在石油精炼厂中通过延迟焦化方法得到的副产物而生产。延迟焦化可通过热降解机理将多种重石油馏分转化为馏出物燃料，其中碳在延迟焦化器的内腔上沉积。虽然在延迟焦化器操作期间的工艺条件可影响焦炭的品质，但是重要的考虑是液体进料的化学性质和组成。仅某些石油馏分会可靠地生产期望的焦炭。这通过以下事实证明：在延迟焦化器中生产的焦炭中仅约四分之一可看作阳极级别并且小得多的百分比可看作针状级别。

石墨电极所需的高度取向(或“各向异性”)的焦炭由相对低API比重的高级芳族油生产。比起更加脂族的原料，这些油还倾向于更高的焦炭产率。

为了产生可承受期望的超高功率处理量的石墨电极，针状焦炭必须具有低电阻率和低热膨胀系数(CTE)，同时当石墨化时还能生产相对高强度制品。针状焦炭指定的CTE值常规如下测定：将已研磨，煅烧的焦炭与沥青粘合剂混合，挤出焦炭/沥青共混物以形成电极，接着热处理电极至约3000℃，以使电极石墨化。随后对石墨化的电极测量CTE值。

针状焦炭的特定的性质主要取决于原料的选择，在一定程度上取决于其中将适当的碳原料转化为焦炭的焦化方法中的参数控制。通常，通过级别水平系统进行针状焦炭的分类，所述级别水平作为在某个温度范围内CTE的函数而区分。例如，高级针状焦炭通常分类为在约100℃-约400℃的温度范围内具有小于约1.00×10^-6/℃的平均CTE，而常规级别针状焦炭在约100℃-约400℃的温度范围内具有约1.00×10^-6/℃-约1.25×10^-6/℃的平均CTE。使用膨胀计或电容方法(描述于G.Wagoner等人，Carbon Conference 1986 Proceedings，第234页，Baden-Baden，1986)，在挤出(即，纵向)方向测量使用焦炭填料生产的石墨化电极的CTE值。

如上所述，为了将针状焦炭转化为石墨，应通常在约2000℃-约3500℃的范围将含有针状焦炭的制品(例如，电极)加热，以将针状焦炭转化为石墨结晶结构，同时消除挥发性杂质。这种杂质不利地提高所形成的石墨电极的CTE，并且当施加电流时可导致电极膨胀。膨胀将改变电极的电弧放电性质，使得该方法不太有效或可能导致电极破裂。