一种利用煤炭制备优质碳材料原料的方法与流程

本发明涉及煤化工，特别是一种优质碳材料原料的制备方法。

背景技术：

1、碳材料如针状焦、碳纤维、活性炭等在新能源、自动驾驶汽车、储能、新一代信息技术、高端装备制造和节能环保等战略性新兴产业领域都有较高的应用。我国煤炭资源丰富，利用煤来制备生产高性能的碳材料，具有天然的优势，并且煤基沥青具有具有含碳量高、分子量低、芳香度和聚合度高等优点，所制成的碳材料产品具有较高的导电、导热性能、机械强度及石墨化性能，是制备碳材料的优质原料。

2、目前煤沥青的制备方法主要是以煤干馏(操作温度500℃-1100℃)后得到的煤焦油为原料，经过蒸馏、萃取等分离方法来分离出煤焦油中的沥青组分。但是这种煤沥青的制备工艺存在如下技术问题：

3、一是，原料煤在十分高的温度下发生剧烈地裂解和缩聚反应，生成了大量气体和焦类产品，使得煤基沥青的收率较低(约为进料煤的2％)；同时煤裂解产生的沥青类产物又在高温下互相缩聚生成高缩聚的有机物，这些高缩聚的有机物会影响碳材料生成过程中碳原子的有序生长，从而严重影响碳材料的品质，使得该方法制备的煤沥青用来制备碳材料时，所得碳材料的性能较差。

4、二是，在煤的干馏过程中，细颗粒的原料煤粉、焦粉都会随着反应气体混入到煤焦油中，从而使得煤基沥青产品中含有较高的灰分；并且原料煤中的氧、氮、硫等有害元素在干馏或焦化过程中不能得到有效脱除，也会进入煤焦油中，进而聚集在煤基沥青产品中，使得煤基沥青产品中的有害杂元素含量也十分高；这些灰分和杂元素也会严重影响碳材料生成过程中碳原子的有序生长。

5、因此上述煤基沥青产品不能直接用于高强度和高密度的高档碳材料产品的生产，因此必须将进行二次精加工，这无疑会增加碳材料生产装置的设备投资、运行成本以及生产周期等，使得碳材料产品的生产成本居高不下，严重影响产品的竞争力。

6、另外还有一种煤基沥青的制备方法，神华集团有限责任公司对煤直接液化残渣进行萃取，从液化残渣中提取沥青类产品。但是神华集团有限责任公司的煤直接液化工艺所采用的反应条件十分苛刻，根据其申请的专利cn108998068a中所述，该工艺的反应温度为440-465℃，反应压力为15-25mpa。该煤液化工艺由于温度和压力较高，煤分子在反应过程中深度裂解加氢生成了较多的油品和气体，沥青收率较低。并且该工艺所生成的沥青与未转化的煤、重质液化油等混合在一起形成液化残渣，为了获得沥青产品，需要对液化残渣进一步加工处理，如采用专利cn101962560b所公开的技术方案，通过对液化残渣进行萃取得到沥青类物质，再对沥青类物质进行热处理，得到品质较高的中间相沥青产物；根据该专利实施例中公开的数据，中间相沥青的收率约为煤直接液化残渣的20％，液化残渣一般约占进料煤量的30％，进而推算出中间相沥青的收率约为进料煤的6％。这种煤基沥青的制备方法，由于压力、温度都较十分高，因此设备投资、操作成本都十分高，且中间相沥青的收率也较低。

7、目前随着碳材料的技术发展，市场对优质的煤基沥青需求量越来越大，而现有技术中优质的煤基沥青的工艺路线较长、且收率都比较低，难以满足市场需求，急需一种高收率、且工艺路线简洁的优质煤基沥青的新技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述问题和不足，提供一种利用煤炭制备优质碳材料原料的方法，相较于现有煤基沥青的制备方法，通过在较低的温度和压力条件下，将油煤浆加氢处理，以避免原料煤在反应过程中的过度裂解和缩聚，从而获得较高的沥青产品收率；同时加氢反应还可以脱除沥青产品中的杂元素，大大提高煤基沥青产品的品质。本发明的煤基沥青产品可作为优质碳材料原料，无需二次精加工，即可保证碳材料在生成过程中碳原子能够有序生长，从而制备出高强度、高密度的高档碳材料产品。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一种利用煤炭制备优质碳材料原料的方法，包括油煤浆制备、热解加氢、和产物分离；油煤浆经热解加氢后，所制得的熟煤浆经过产物分离制得作为优质碳材料原料的煤基沥青产品；其特点在于：所述油煤浆中煤粉与溶剂油、催化剂的重量配比为1：1.4-2：0.001-0.03；所述催化剂为粒度小于200的硫铁矿粉末；所述热解加氢的操作条件为：压力4-8mpa、温度390-440℃、停留时间30-90分钟、氢气与油煤浆的体积比为300-600：1。

3、进一步地，所述产物分离包括液固分离，所述液固分离为加压热滤分离，所述液固分离包括一级液固分离、二级液固分离；首先将所述熟煤浆与助溶剂混合进行一级液固分离，制得第一液体产物与第一固体产物，然后将所述第一固体产物与助溶剂混合进行二级液固分离，制得第二液体产物与第二固体产物；将第一液体产物与第二液体产物混合制得混合液体产物；所述助溶剂为馏程小于200℃的轻质煤焦油。

4、更进一步地：所述熟煤浆与助溶剂的重量比例为0.5-2:1，所述一级液固分离的操作温度为：60-120℃，所用滤布孔径为200-800目，压力为0.1-0.8mpa。

5、更进一步地，所述第一固体产物与助溶剂的重量比例为1：1.5-3，二级液固分离的操作温度为：为60-100℃，所用滤布孔径为200-800目，压力为0.5-0.8mpa。

6、本发明的有益效果：

7、一是，本发明在较温和的压力、反应温度以及催化剂的作用下，使煤分子裂解转化到沥青烯为止，并使沥青烯第一时间溶解在溶剂内、给予加氢进行稳定，避免沥青烯的进一步裂解或缩聚，从而降低低分子的油气产物或高缩聚有机物的产率，进而获得较高的沥青产品收率，并使生成的沥青产品保留煤分子中原有的芳环结构；同时原料煤中的氧、氮、硫这些杂元素在热解加氢时，很容易与氢气反应生成水、氨、硫化氢等氢化物，从而将这些杂元素以及含这些杂元素的官能团有效脱除，这样能极大地降低沥青产品中的杂元素含量，从而大大提高本发明沥青产品的品质；本发明的煤基沥青产品具有芳环结构排列缜密有序、芳环侧链及不饱和环含量多、反应活性高、喹啉不溶物含量低等特点，是制备各种碳材料的的优质原料。

8、二是，采用粒度小于200目的硫铁矿粉体作为催化剂，一方面催化剂廉价易得、成本较低、不用考虑催化剂回收，具有较高的经济性和操作便利性；同时催化剂粒径较小，使得催化剂微粒的表面积较大，这不仅有使得催化剂在油煤浆中具有十分高的分散性，也使得催化剂微粒具有更高的反应活性，从而更加有利于促进煤分子的裂解、加氢过程。

9、此外，本发明的反应温度、压力都比较低，且能够直接生产优质的煤基沥青产品，从而可以采用较低压力温度等级的设备，并能够大大简化生产工艺流程，进而可以大大降低设备投资和操作成本，具有较高的经济收益。

技术特征：

1.一种利用煤炭制备优质碳材料原料的方法，包括依序执行如下步骤：油煤浆制备、热解加氢和产物分离；油煤浆经热解加氢后制得所需的熟煤浆，所述熟煤浆经过产物分离制得作为优质碳材料原料的煤基沥青产品；其特征在于：所述油煤浆中煤粉与溶剂油、催化剂的重量配比为1：1.4-2：0.001-0.03；所述催化剂为粒度小于200的硫铁矿粉末；所述热解加氢的操作条件为：压力4-8mpa、温度390-440℃、停留时间30-90分钟、氢气与油煤浆的体积比为300-600：1。

2.根据权利要求1所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述产物分离包括液固分离，所述液固分离为加压热滤分离，所述液固分离包括一级液固分离、二级液固分离；首先将所述熟煤浆与助溶剂混合进行一级液固分离，制得第一液体产物与第一固体产物，然后将所述第一固体产物与助溶剂混合进行二级液固分离，制得第二液体产物与第二固体产物；将第一液体产物与第二液体产物混合制得混合液体产物；所述助溶剂为馏程小于200℃的轻质煤焦油。

3.根据权利要求2所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述熟煤浆与助溶剂的重量比例为0.5-2:1，所述一级液固分离的操作温度为：60-120℃，所用滤布孔径为200-800目，压力为0.1-0.8mpa。

4.根据权利要求2所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述第一固体产物与助溶剂的重量比例为1：1.5-3，二级液固分离的操作温度为：为60-120℃，所用滤布孔径为200-800目，压力为0.5-0.8mpa。

5.根据权利要求2所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述产物分离还包括蒸馏分离；所述蒸馏分离包括第一常压蒸馏分离、减压蒸馏分离；将所述混合液体产物首先进行第一常压蒸馏分离，得到回收的助溶剂和重质组分；再将所述重质组分进行减压蒸馏分离，得到溶剂馏分油和煤基沥青产品。

6.根据权利要求5所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述第一常压蒸馏分离操作条件为：塔顶压力0.05至0.1mpa、塔顶温度180-220℃。

7.根据权利要求5所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述减压蒸馏分离的操作条件为：塔顶压力-0.05至-0.1mpa、塔釜温度330-360℃。

8.根据权利要求5所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：还包括低温干馏：将所述第二固体产物进行低温干馏，得到干馏粗油和半焦产品；所述低温干馏的操作温度为500-550℃。

9.根据权利要求8所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：还包括溶剂油制备：将所述干馏粗油与溶剂馏分油混合后进行加氢处理，得到加氢混合油；将所述加氢混合油进行第二常压蒸馏分离，分离得到溶剂油和轻油产品；所述加氢处理的操作条件为：330-390℃，空速1.0-1.5/h、氢油比600-1000:1、压力9-12mpa。

10.根据权利要求1所述煤炭制备优质碳材料原料的方法，其特征在于：所述油煤浆中煤粉的粒度小于200目。

技术总结本发明提供一种利用煤炭制备优质碳材料原料的方法，通过将油煤浆在较低的温度、压力条件下加氢处理，以避免原料煤在反应过程中的过度裂解和缩聚，从而获得较高的沥青产品收率；同时加氢反应还可以脱除沥青产品中的杂元素，大大提高煤基沥青产品的品质。本发明的煤基沥青产品可作为优质碳材料原料，无需二次精加工，即可保证碳材料在生成过程中碳原子能够有序生长，从而制备出优质的碳材料产品。技术研发人员：吴克,陈作真,苏天雄,高晋生,吴春来受保护的技术使用者：肇庆市顺鑫煤化工科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/26