Welchen Einfluss hat die Mikrostruktur von Petrolkoks (nadelförmig, schwammartig und pelletförmig) auf die Kalzinierungsschrumpfungsrate und die Reindichte?

1. Nadelkoks: Ein typisches Beispiel für geringe Schrumpfung und hohe Reindichte

• Strukturelle Merkmale: Nadelkoks weist eine faserige oder längliche Struktur mit geordnet angeordneten, länglichen, elliptischen Poren auf. Diese Struktur zeigt ein ausgezeichnetes Verdichtungsvermögen beim Kalzinieren.
• Kalzinierungsschrumpfung:
  • Nadelkoks weist eine relativ geringe Schrumpfungsrate auf, die typischerweise zwischen 10 % und 20 % liegt. Seine Faserstruktur bewirkt eine Schrumpfung durch molekulare Umlagerung und Porenverschluss unter hohen Temperaturen, während die geordnete Anordnung der Poren den Raum für ungeordnete Schrumpfung verringert und dadurch die Gesamtschrumpfungsrate senkt.
  • Bei einer Kalzinierungstemperatur von 1300°C kann beispielsweise die Volumenschrumpfung von Nadelkoks nur halb so groß sein wie die von Schwammkoks, da Nadelkoks die Fähigkeit besitzt, thermische Spannungen gleichmäßig zu verteilen.
• Wahre Dichte:
  • Nadelkoks besitzt eine hohe Reindichte von im Allgemeinen 2,10–2,15 g/cm³. Dies spiegelt seinen hohen Graphitisierungsgrad und seine dichte Kristallstruktur wider, die eng mit der geordneten Anordnung der Kohlenstoffschichten in seiner Faserstruktur zusammenhängt.
  • Untersuchungen zeigen, dass die wahre Dichte von Nadelkoks etwa 5–10 % höher ist als die von Schwammkoks, da weniger Strukturdefekte und eine dichtere Stapelung der Kohlenstoffschichten vorliegen.

2. Schwammkoks: Ein typisches Beispiel für hohe Schrumpfung und niedrige Reindichte

• Strukturelle Merkmale: Schwammkoks besitzt eine poröse, schwammartige Struktur mit unregelmäßig großen und verteilten Poren, dünnen Kohlewänden und Sprödigkeit.
• Kalzinierungsschrumpfung:
  • Schwammkoks weist eine hohe Schrumpfungsrate auf, die typischerweise zwischen 30 % und 50 % liegt. Seine ungeordnete poröse Struktur neigt während der Kalzinierung aufgrund der Freisetzung flüchtiger Bestandteile und der Konzentration thermischer Spannungen zum Porenkollaps, was zu einer erheblichen Schrumpfung führt.
  • Bei einer Kalzinierungstemperatur von 1200°C kann beispielsweise die Volumenschrumpfung von Schwammkoks 40% überschreiten und ist damit deutlich höher als die von Nadelkoks.
• Wahre Dichte:
  • Schwammkoks hat eine relativ geringe Reindichte, die im Allgemeinen zwischen 1,90 und 2,05 g/cm³ liegt. Dies ist auf die große Anzahl an Restporen und die ungeordnete Anordnung der Kohlenstoffschichten in seiner Struktur zurückzuführen, was zu zahlreichen Kristallfehlern führt.
  • Im Vergleich zu Nadelkoks kann die wahre Dichte von Schwammkoks aufgrund unzureichender Verdichtung um 10–15 % niedriger sein.

3. Shot Coke: Ein Zwischenzustand mit mäßiger Schrumpfung und echter Dichte

• Strukturelle Merkmale: Schrotkoks erscheint kugelförmig oder pelletartig, mit einer harten Oberfläche und wenigen Poren und stellt ein strukturelles Zwischenstadium zwischen Nadelkoks und Schwammkoks dar.
• Kalzinierungsschrumpfung:
  • Schrotkoks weist typischerweise eine Schrumpfungsrate von 20 bis 30 % auf. Seine sphärische Struktur schrumpft aufgrund der Oberflächenspannung während der Kalzinierung, jedoch begrenzt die geringe innere Porosität das Ausmaß der Schrumpfung.
  • Bei einer Kalzinierungstemperatur von 1250°C kann beispielsweise die Volumenschrumpfung von Schüttkoks 25% betragen und liegt damit zwischen der von Nadelkoks und Schwammkoks.
• Wahre Dichte:
  • Schrotkoks hat im Allgemeinen eine Reindichte zwischen 2,00 und 2,10 g/cm³. Seine Strukturverdichtung ist besser als die von Schwammkoks, aber schlechter als die von Nadelkoks, was zu einer mittleren Reindichte führt.
  • Untersuchungen zeigen, dass die wahre Dichte von Schrotkoks etwa 5 % höher ist als die von Schwammkoks, aber 3–5 % niedriger als die von Nadelkoks.

Umfassende Analyse der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

• Schrumpfungsmechanismus:
  • Die geordnete Faserstruktur von Nadelkoks reduziert ungeordnete Schrumpfungswege und senkt somit seine Schrumpfungsrate; die ungeordnete Porenstruktur von Schwammkoks führt aufgrund des Porenkollapses zu einer hohen Schrumpfung; die sphärische Struktur von Schüttkoks erzielt durch Oberflächenspannung eine moderate Schrumpfung.
• Wahrer Dichtemechanismus:
  • Die Reindichte steht in direktem Zusammenhang mit der Verdichtung der Kristallstruktur. Die geordnete Anordnung der Kohlenstoffschichten und die geringe Defektdichte von Nadelkoks führen zu einer hohen Reindichte; die ungeordnete Struktur und die Restporen von Schwammkoks verringern die Reindichte; Schrotkoks weist intermediäre Eigenschaften auf.
• Empfehlungen zur Prozessoptimierung:
  • Für Anwendungen, die eine geringe Schrumpfung und eine hohe Reindichte erfordern (z. B. Hochleistungs-Graphitelektroden), wird Nadelkoks bevorzugt;
  • Für kostensensible Anwendungen mit geringeren Leistungsanforderungen (z. B. Brennstoffe) sind Schwammkoks oder Schüttkoks möglicherweise besser geeignet.
  • Durch Anpassen der Kalzinierungstemperatur (z. B. über 1300 °C) und der Aufheizrate (z. B. unter 50 °C/min) lassen sich die wahre Dichte und die Schrumpfung des Nadelkoks weiter optimieren.