——訪熱溶催化煤液化制碳材料耦合工藝技術(shù)帶頭人吳克
文︱記者 陳繼軍
在國內(nèi)煤化工領(lǐng)域，煤制油無疑是最悲催的一個。
一方面，受煤價高企、成品油供大于求疊加成品油消費稅征收范圍擴大等因素影響，煤制油（含煤焦油加氫）企業(yè)費用大幅增加，成本倒掛嚴(yán)重，已經(jīng)連續(xù)多年出現(xiàn)行業(yè)性虧損；另一方面，由于整體規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)集中度低、投資強度大，其油頭化尾、延鏈增值的努力受挫。另外，隨著環(huán)保政策趨嚴(yán)，煤制油還面臨日益增大的節(jié)能減碳壓力。近幾年，國內(nèi)不僅鮮有規(guī)劃上馬的煤制油項目，甚至連已經(jīng)獲批在建的項目也紛紛按下了暫停鍵。
正當(dāng)業(yè)內(nèi)唏噓煤制油前途渺茫之際，近期在江西宜春召開的2023煤炭深加工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展大會上，一項熱溶催化煤液化制碳材料耦合技術(shù)讓大家眼前一亮。這項技術(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，在生產(chǎn)超低凝柴油、高密度航煤、火箭燃料等特色油品的同時，還能利用煤液化生成的重質(zhì)油生產(chǎn)出高端碳材料。
那么，熱溶催化煤液化制碳材料耦合到底是一項什么技術(shù)？又如何能夠使煤制油產(chǎn)業(yè)脫困突圍？帶著這些問題，記者專訪了該技術(shù)帶頭人、廣東煤基碳材料研究有限公司總經(jīng)理吳克。
記者：請您介紹一下熱溶催化煤液化制碳材料耦合工藝技術(shù)。
吳克：這個工藝由兩部分組成：一是液化單元，也就是煤制油單元；二是高端碳材料制備單元，就是采用液化單元生成的重質(zhì)油（稠環(huán)瀝青）制備各種碳材料。
具體工藝流程如下：低階煤→熱溶催化→分離→煤氣+輕質(zhì)油+稠環(huán)瀝青+半焦，煤氣和半焦作為燃料、能源或原料使用，輕質(zhì)油→加氫處理→分離→大比重航煤+超低凝點柴油，稠環(huán)瀝青→結(jié)構(gòu)改質(zhì)→中間相瀝青+泡沫碳+煤基瀝青碳纖維+超級多孔碳+超級電容炭+三維摻雜石墨烯負極等。
采用這一工藝，煤液化的反應(yīng)壓力僅為6～8兆帕，投資不到高壓加氫液化的1/2，原料來源廣泛，除無煙煤之外均可使用，噸油綜合成本不足45美元/桶。由于反應(yīng)條件溫和，工藝方法簡捷、安全，鮮有激烈化學(xué)反應(yīng)，綜合能耗與生產(chǎn)成本低，最大限度地減少了煤炭加工利用過程中二氧化碳的產(chǎn)生與排放，同時產(chǎn)品附加值高。
記者：如果用一句話表述這一技術(shù)的關(guān)鍵點——
吳克：那就是可以將低階煤轉(zhuǎn)化為高端特色油品和高端碳材料。
記者：能不能這樣理解，就是在煤制油的同時，還能同時生產(chǎn)出高端碳材料，而且這個高端碳材料還成為項目盈利點？
吳克：是這樣。按傳統(tǒng)煤制油工藝，煤制油后生成的重質(zhì)油和油煤漿，要么作為燃料直接燃燒，要么通過加氫裂化進一步加工為成品油。
我和團隊不再追求油的收率，而是將著力點放在重質(zhì)油和稠環(huán)瀝青上。我們攻克了低成本獲取性能卓越的中間相瀝青、精準(zhǔn)溫度/壓力控制制備高端碳材料兩大卡脖子難題，利用低階煤液化生成的30%～50%重質(zhì)油和稠環(huán)瀝青加工成高端碳材料，讓煤制油項目的競爭力和盈利能力大幅提升。
記者：高端碳材料包括什么產(chǎn)品？
吳克：我們說的高端碳材料，是指碳基新材料和功能性碳材料品種，如高強高模碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、高導(dǎo)熱泡沫石墨、超級電容炭、泡沫碳、多孔碳、超級電容負極等。這些產(chǎn)品目前大都需要進口。以超級電容炭為例。隨著新能源的快速增長和電動汽車的普及，超級電容器的需求量將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，繼而帶動超級電容炭需求猛增。預(yù)計未來5～10年，超級電容炭市場規(guī)模將超過5000億元。我們估計，整個高端碳材料市場規(guī)模將超過2萬億元。
記者：應(yīng)用你們的技術(shù)主要能生產(chǎn)哪些高端碳材料？
吳克：我們現(xiàn)在能夠生產(chǎn)近10種高端碳材料。其中，比較有代表性的產(chǎn)品有：
——煤基泡沫碳。這是一種新型功能碳材料，具有低密度、高強度、耐酸堿、特低熱膨脹系數(shù)、耐高溫（1700攝氏度以上）、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、電磁屏蔽性卓越、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)、抗沖擊性強等顯著特點，廣泛用于航空航天、軍工、雷達、火箭、導(dǎo)彈等領(lǐng)域。1998年美國橡樹嶺國家實驗室研發(fā)成功后，迅即被美國國防部重金買斷，不再對外許可。包括美國帕克太陽探測器熱防護系統(tǒng)、B -2轟炸機等尖端武器均采用了煤基泡沫碳，幫助美國尖端武器始終領(lǐng)先世界。我們生產(chǎn)的煤基泡沫碳，各種性能指標(biāo)與美國橡樹嶺國家實驗室產(chǎn)品相當(dāng)，完全能夠滿足國內(nèi)某航空航天公司招標(biāo)的所有指標(biāo)要求，可替代價格奇高且進口量受限的產(chǎn)品。
——瀝青基超級電容炭。超級電容炭是目前超級電容器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用最主要的電極材料，其成本占整個超級電容器成本的30%～50%。我國超級電容炭90%依賴高價進口。我們生產(chǎn)的電容炭粉體的各項指標(biāo)分別接近或優(yōu)于國際著名超級電容炭供應(yīng)商日本可樂麗株式會社的產(chǎn)品，是生產(chǎn)超級電容器的優(yōu)質(zhì)原料。2022 年 9 月 21 日，第三方檢測機構(gòu)對我們的產(chǎn)品給出書面檢測結(jié)論：粒度、比表面積、pH 值、灰分、過渡金屬含量、振實密度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)均達到國際標(biāo)準(zhǔn)要求，與業(yè)內(nèi)通用的進口活性炭粉體性能相當(dāng)；按照目前的配方比例，可以制成涂布均勻的極片，其厚度、面密度、壓實密度、活性物質(zhì)發(fā)揮容量和比容量完全滿足超級電容器常規(guī)產(chǎn)品要求 ；該粉體制備的超級電容器，能通過常規(guī)高溫負荷測試，建議盡快擴大規(guī)模實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，為材料國產(chǎn)化貢獻力量。
——超級多孔碳。碳負極材料在充放電時體積變化很小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，且其本身是離子與電子的混合導(dǎo)體，而硅與碳化學(xué)性質(zhì)相近，二者能夠緊密結(jié)合，以碳為分散基體、硅為活性物質(zhì)復(fù)合成的碳硅復(fù)合材料是目前理想的新型負極材料。我們制備的多孔碳吸硅量超過 50%、沉積完硅容量超過 2000 毫安時/克、首效超過 90%，加之具有豐富的內(nèi)部介孔結(jié)構(gòu)和堅韌連通的網(wǎng)架，能夠防止反復(fù)充電過程中硅的膨脹粉化，是性價比極高的硅碳復(fù)合材料炭基。2023年以來，已有十多家負極生產(chǎn)商試用，急需我們產(chǎn)業(yè)化大批量供貨。
未來我們會研發(fā)出瀝青基高等級碳纖維等更多高端碳材料。
記者 ：這項技術(shù)對煤種有何要求？
吳克 ：與傳統(tǒng)煤制油（包括煤中低溫?zé)峤猓┫Ｍ畲笙薅鹊厣a(chǎn)輕質(zhì)煤焦油不同，我們的技術(shù)更希望多產(chǎn)令傳統(tǒng)煤制油頭痛的重質(zhì)油甚至瀝青。因此，理論上講，該工藝技術(shù)適用于除無煙煤外所有煤種。不過，低階煤資源量大，用起來綜合成本更低，加之產(chǎn)油率（輕質(zhì)油 + 重質(zhì)油 + 稠環(huán)瀝青）高，采用熱溶催化煤液化制碳材料耦合工藝經(jīng)濟效益非常顯著。這種工藝把煤中 60% 以上的碳固定制成碳材料，是一個符合雙碳政策的項目。
記者 ：測算過這項技術(shù)的投資規(guī)模與收益嗎？
吳克 ：根據(jù)我們的測算，按當(dāng)前的市場，一個年處理 30 萬噸煤規(guī)模的熱溶催化煤液化制碳材料耦合項目投資不超過 24 億元，投資回收期不超過 3.5 年。另外，由我公司和使用單位進行的經(jīng)濟性測算顯示：用我們的技術(shù)生產(chǎn)的煤基中間相瀝青為原料，建設(shè) 1 個 1 萬噸 / 年三維石墨烯項目，總投資約 4 億元，年利潤可達 2.75 億元。若建設(shè)一個 2000 噸 / 年的超級活性炭項目，投資額約 1.4 億元，年利潤可達 1.5 億元。不含建設(shè)期的投資回收期均不超過 3 年。
記者 ：這項技術(shù)是否達到了工業(yè)化項目運行？
吳克 ：我們歷經(jīng) 20 年、經(jīng)過成百上千次試驗，中試是成功的。目前我們正在籌劃30 萬噸 / 年工業(yè)化示范項目。
記者 ：祝你們示范項目成功，為國內(nèi)煤制油產(chǎn)業(yè)闖出一條新路！
吳克 ：我們會努力的。
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