Coke di petrolio ad alto-zolfo o a basso-zolfo: come scegliere per le diverse applicazioni?

Il contenuto di zolfo del coke di petrolio è l'indicatore fondamentale per misurarne il grado di qualità e la gamma di applicazioni. Secondo gli attuali standard di settore, il coke di petrolio con un contenuto di zolfo inferiore all'1% è chiamato coke a basso-zolfo (corrispondente a 1#, 2A), con un contenuto di zolfo compreso tra 1% e 3% è chiamato coke a medio-zolfo (corrispondente a 2B, 2C, 3A, 3B, 3C) e con un contenuto di zolfo superiore al 3% è classificato come coke ad alto-zolfo. Questa classificazione determina direttamente la destinazione a valle e il prezzo di mercato del coke di petrolio.

Nelle applicazioni pratiche sono ampiamente utilizzati anche standard di classificazione più raffinati. Secondo lo standard di qualità cinese del coke di petrolio ritardato (ZBE44002-86), il coke grezzo è classificato in No. 1, No. 2 e No. 3, ciascuno ulteriormente suddiviso in Coke A e Coke B. No. 1 Coke A ha un contenuto di zolfo non superiore allo 0,5%, No. 1 Coke B non superiore allo 0,8%, No. 2 Coke A non superiore all'1,0% e No. 2 Coke B non superiore all'1,5%. Quanto prima è la lettera e quanto più piccolo è il numero, tanto minore è il contenuto di zolfo e migliore è la qualità.

Vale la pena notare che attualmente non esiste uno standard nazionale per il coke di petrolio con un contenuto di zolfo pari o superiore al 3%. Sebbene lo standard aziendale precedentemente emesso da Sinopec sia stato abolito, è ancora utilizzato nel mercato del coke ad alto-zolfo.

Il coke a basso-zolfo, con la sua qualità superiore, è diventato la materia prima preferita per i prodotti di carbonio-di fascia alta, svolgendo un ruolo insostituibile negli elettrodi di grafite, nei materiali anodici delle batterie agli ioni di litio-e negli anodi precotti di fascia alta-.

• Elettrodi di grafite

Gli elettrodi di grafite rappresentano una delle applicazioni più importanti del coke a basso-zolfo. La principale materia prima per la produzione degli elettrodi di grafite è il coke di petrolio. Una piccola quantità di coke di pece può essere aggiunta ai normali elettrodi di grafite di potenza, ma il contenuto di zolfo sia del coke di petrolio che del coke di pece non può superare lo 0,5%. Per la produzione di elettrodi di grafite ad alta-potenza o ultra-alta-potenza, è necessario il coke ad ago. Il contenuto di zolfo ha un impatto particolarmente critico sulle prestazioni degli elettrodi di grafite-durante il processo di grafitizzazione ad alta-temperatura, lo zolfo non può essere rilasciato completamente. Quando l'elettrodo è esposto a temperature superiori a 1500 gradi, lo zolfo si decompone, provocando l'espansione dei cristalli. Durante il raffreddamento, i cristalli si contraggono, provocando la rottura dell'elettrodo. Questo fenomeno, noto come "espansione del gas", influisce gravemente sulla qualità e sulle prestazioni dell'elettrodo di grafite.

Gli elettrodi di grafite ad altissima-alta-potenza non solo richiedono una bassa resistività ma anche bassi coefficienti di dilatazione termica, una buona resistenza all'ossidazione e una buona resistenza allo shock termico dopo la grafitizzazione. Il coke ad aghi ad alte-prestazioni viene utilizzato per produrre elettrodi di grafite di alta-qualità per forni elettrici ad alta-potenza e ultra-alta-potenza, mentre il coke di petrolio contenente circa l'1% di zolfo viene utilizzato principalmente nell'industria della fusione dell'alluminio per la produzione di pasta anodica o anodi di carbonio.

• Materiali anodici per batterie agli ioni di litio-

Negli ultimi anni, con la crescita esplosiva dei veicoli a nuova energia e delle industrie di stoccaggio dell'energia, è emersa rapidamente l'applicazione del coke a basso-zolfo nel campo dei materiali anodici delle batterie agli ioni di litio-. Il coke a basso-zolfo ha un basso coefficiente di espansione termica, bassa porosità, basso contenuto di ceneri ed elementi metallici, elevata conduttività ed è facilmente grafitizzabile, il che lo rende una materia prima ideale per la preparazione di materiali anodici di grafite artificiale.

Attualmente, il coke di petrolio disponibile in commercio utilizzato in grandi quantità è tutto coke a basso-zolfo e la scarsità dell'offerta di coke a basso-zolfo comporta costi elevati. Nella struttura della domanda di coke a basso-zolfo, gli anodi delle batterie agli ioni di litio-rappresentano il 29% e il suo effetto di spiazzamento-sulla domanda proveniente dai settori tradizionali sta diventando sempre più evidente. Le aziende produttrici di materiali anodici mantengono il ritmo di espansione e la domanda di coke a basso-zolfo continua a crescere bene.

• Anodi precotti di fascia alta-

Gli anodi precotti sono componenti chiave nelle celle di elettrolisi dell'alluminio, conducono corrente e partecipano a reazioni elettrochimiche e sono cruciali nella produzione di elettrolisi dell'alluminio. Gli anodi a basse-emissioni utilizzano coke di petrolio con un controllo più rigoroso sul contenuto di zolfo e sugli indicatori di oligoelementi, che possono ridurre efficacemente le emissioni di anidride carbonica nelle operazioni di elettrolisi dell'alluminio, contribuendo al risparmio energetico e alla riduzione delle emissioni nell'ambito degli obiettivi del "doppio carbonio" del settore dell'elettrolisi dell'alluminio. Il coke di petrolio utilizzato per gli anodi precotti richiede tipicamente un contenuto di zolfo inferiore all'1,5%.

• Altre-applicazioni di fascia alta

Nel campo dei generatori di carbonio, l'industria della fonderia richiede solitamente un contenuto di zolfo estremamente basso, spesso utilizzando coke di petrolio "semi-grafitizzato" o "completamente grafitizzato" con un contenuto fisso di carbonio superiore al 98% e un contenuto di zolfo inferiore allo 0,05%. Inoltre, la produzione di prodotti in grafite ad elevata-purezza richiede che il contenuto di ceneri della materia prima sia il più basso possibile (ad esempio, inferiore allo 0,15%).

Sebbene il coke ad alto- zolfo abbia un contenuto di zolfo più elevato, è significativamente competitivo in termini di costi e scala di produzione e svolge ancora un ruolo importante in aree di applicazione specifiche.

• Anodi precotti

Con il rapido sviluppo dell'industria dell'alluminio elettrolitico, l'uso di coke ad alto- zolfo nella produzione di anodi precotti per l'alluminio sta mostrando una tendenza in aumento. A causa della scarsità di coke a basso-zolfo, molti impianti di carbonio hanno dovuto utilizzare coke di petrolio ad alto-zolfo, con conseguente aumento del contenuto di zolfo dei blocchi di carbonio anodico precotti, che a sua volta espone il processo di elettrolisi dell'alluminio al rischio di superare gli standard di emissione di anidride solforosa.

A livello tecnico, l’uso di coke di petrolio miscelato con diversi contenuti di zolfo è diventato un mezzo importante per i produttori di anodi di alluminio per bilanciare la qualità dell’anodo, il consumo dell’anodo e le prestazioni ambientali. Attraverso un processo di miscelazione ragionevole, è possibile soddisfare i requisiti ambientali controllando i costi.

• Nel settore dei carburanti,

Il coke ad alto- zolfo è stato tradizionalmente ampiamente utilizzato come combustibile nei cementifici e nelle centrali elettriche. Tuttavia, a causa delle politiche ambientali sempre più rigorose, l'uso del coke ad alto-zolfo come combustibile si trova ad affrontare restrizioni significative. Il "Piano d'azione per la conservazione dell'energia e la riduzione delle emissioni di carbonio" stabilisce esplicitamente che il coke ad alto-zolfo non può essere utilizzato come combustibile. Spinto dalle politiche di riduzione delle emissioni di carbonio, il coke ad alto-zolfo deve affrontare pressioni di sostituzione in applicazioni quali la produzione di carburanti e vetro.

• Nuovi tentativi di materiali per anodi per batterie agli ioni di litio-

Sebbene il coke a basso-zolfo rimanga la scelta principale per gli anodi delle batterie agli ioni di litio-, il coke ad alto-zolfo, con i suoi vantaggi in termini di costi di materie prime più economiche e volume di produzione più elevato, sta attirando molti produttori di grafite a esplorarne l'applicazione nel campo dei materiali anodici. Tuttavia, un contenuto di zolfo eccessivamente elevato nel coke ad alto-zolfo porta a una serie di problemi: durante la grafitizzazione, lo zolfo fuoriesce in forma gassosa, aumentando la porosità della grafite e l'area superficiale specifica; allo stesso tempo, lo zolfo ostacola la crescita continua della grafite, provocando il restringimento dei cristalli, riducendo l'anisotropia della grafite e determinando una significativa diminuzione della densità di compattazione, della capacità e dell'efficienza coulombiana iniziale. Attualmente, l'industria sta sviluppando tecnologie come i materiali compositi per anodi in grafite, nel tentativo di superare i limiti intrinseci del coke ad alto-zolfo attraverso la formulazione delle materie prime e l'ottimizzazione dei processi.

• Produzione chimica

Il coke grezzo ordinario-ad alto contenuto di zolfo può essere utilizzato nella produzione chimica, come la produzione di carburo di calcio e carburo di silicio, oppure come combustibile nella fusione dei metalli e nella produzione del vetro.

Sulla base dell'analisi di cui sopra, la selezione del coke di petrolio per diversi scenari applicativi può essere riassunta come segue:

Elettrodi di grafite: Gli elettrodi di grafite di potenza ordinari richiedono un contenuto di zolfo di coke di petrolio non superiore allo 0,5%; Gli elettrodi di grafite ad alta-potenza e ultra-ad alta-potenza richiedono coke ad ago, con requisiti di contenuto di zolfo ancora più severi.

Materiali anodici per batterie agli ioni di litio-: Attualmente, il materiale commerciale principale è il coke a basso-zolfo (contenuto di zolfo inferiore all'1%) e i materiali anodici di alta-qualità hanno un controllo estremamente rigoroso del contenuto di zolfo.

Anodi precotti: Il contenuto di zolfo in genere deve essere inferiore all'1,5%; gli anodi a basse-emissioni hanno requisiti ancora più severi e devono soddisfare gli standard ambientali nell'ambito dell'obiettivo "doppio carbonio".

Carbonizzatori: I carbonizzatori per colata-grade richiedono un contenuto di zolfo estremamente basso (inferiore o uguale allo 0,05%), rendendo necessario l'uso di coke di petrolio "semi-grafitizzato" o "completamente grafitizzato".

Produzione chimica e combustibile: il coke grezzo ordinario-ad alto contenuto di zolfo può essere utilizzato nella produzione chimica, ma il suo utilizzo come combustibile è strettamente limitato.

Quando si seleziona il coke di petrolio, oltre al contenuto di zolfo come indicatore principale, è necessario considerare in modo globale fattori quali il contenuto di ceneri, la densità effettiva, la resistenza allo shock termico e la morfologia. Il contenuto di ceneri ostacola la cristallizzazione e influisce sulle prestazioni del prodotto; la vera densità riflette il grado di cristallinità; e la morfologia determina l'applicabilità del coke di petrolio in applicazioni specifiche. Il consenso del settore è questo: l'uso previsto determina la selezione del grado-per gli anodi di alluminio elettrolitico o i prodotti di grafite di fascia alta-, è preferibile il coke di grado A; per prodotti o carburanti-di fascia bassa in termini di carbonio, è possibile selezionare il grado B e inferiore.

Sullo sfondo del continuo avanzamento degli obiettivi "dual carbon" e del rapido sviluppo del nuovo settore energetico, le posizioni di mercato del coke a basso-solfuro e del coke ad alto-zolfo stanno subendo profondi aggiustamenti. Il coke a basso-zolfo, con il suo ruolo insostituibile nelle applicazioni di fascia alta-, sta registrando una domanda in continua crescita; mentre il coke ad alto-zolfo deve far fronte a vincoli ambientali sempre più stringenti e necessita urgentemente di innovazioni tecnologiche e di espansione delle applicazioni. Per gli operatori del settore, comprendere con precisione i requisiti di qualità del coke di petrolio per diversi scenari applicativi e prendere decisioni scientifiche basate sui modelli di domanda e offerta di mercato e sulle tendenze dei prezzi sarà fondamentale per ottenere un vantaggio nel mercato sempre più differenziato del coke di petrolio.