——訪熱溶催化煤液化制碳材料耦合工藝技術帶頭人吳克

文︱記者 陳繼軍

 

在國內煤化工領域，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）企業費用大幅增加，成本倒掛嚴重，已經連續多年出現行業性虧損；另一方面，由于整體規模小、產業集中度低、投資強度大，其油頭化尾、延鏈增值的努力受挫。另外，隨著環保政策趨嚴，煤制油還面臨日益增大的節能減碳壓力。近幾年，國內不僅鮮有規劃上馬的煤制油項目，甚至連已經獲批在建的項目也紛紛按下了暫停鍵。

 

正當業內唏噓煤制油前途渺茫之際，近期在江西宜春召開的2023煤炭深加工產業高質量發展大會上，一項熱溶催化煤液化制碳材料耦合技術讓大家眼前一亮。這項技術具有完全自主知識產權，在生產超低凝柴油、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油生產出高端碳材料。

 

那么，熱溶催化煤液化制碳材料耦合到底是一項什么技術？又如何能夠使煤制油產業脫困突圍？帶著這些問題，記者專訪了該技術帶頭人、廣東煤基碳材料研究有限公司總經理吳克。

 

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。

 

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油（稠環瀝青）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+輕質油+稠環瀝青+半焦，煤氣和半焦作為燃料、能源或原料使用，輕質油→加氫處理→分離→大比重航煤+超低凝點柴油，稠環瀝青→結構改質→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。由于反應條件溫和，工藝方法簡捷、安全，鮮有激烈化學反應，綜合能耗與生產成本低，最大限度地減少了煤炭加工利用過程中二氧化碳的產生與排放，同時產品附加值高。

 

記者：如果用一句話表述這一技術的關鍵點——

 

吳克：那就是可以將低階煤轉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。按傳統煤制油工藝，煤制油后生成的重質油和油煤漿，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油和稠環瀝青上。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%重質油和稠環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爆發式增長，繼而帶動超級電容炭需求猛增。預計未來5～10年，超級電容炭市場規模將超過5000億元。我們估計，整個高端碳材料市場規模將超過2萬億元。

 

記者：應用你們的技術主要能生產哪些高端碳材料？

 

吳克：我們現在能夠生產近10種高端碳材料。其中，比較有代表性的產品有：

——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、耐高溫（1700攝氏度以上）、高導熱、高導電、電磁屏蔽性卓越、化學穩定性優、抗沖擊性強等顯著特點，廣泛用于航空航天、軍工、雷達、火箭、導彈等領域。1998年美國橡樹嶺國家實驗室研發成功后，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、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先世界。我們生產的煤基泡沫碳，各種性能指標與美國橡樹嶺國家實驗室產品相當，完全能夠滿足國內某航空航天公司招標的所有指標要求，可替代價格奇高且進口量受限的產品。

 

——瀝青基超級電容炭。超級電容炭是目前超級電容器領域實現商業化應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。我們生產的電容炭粉體的各項指標分別接近或優于國際著名超級電容炭供應商日本可樂麗株式會社的產品，是生產超級電容器的優質原料。2022 年 9 月 21 日，第三方檢測機構對我們的產品給出書面檢測結論：粒度、比表面積、pH 值、灰分、過渡金屬含量、振實密度等關鍵數據均達到國際標準要求，與業內通用的進口活性炭粉體性能相當；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、活性物質發揮容量和比容量完全滿足超級電容器常規產品要求 ；該粉體制備的超級電容器，能通過常規高溫負荷測試，建議盡快擴大規模實現商業化生產，為材料國產化貢獻力量。

 

——超級多孔碳。碳負極材料在充放電時體積變化很小，具有較好的循環穩定性，且其本身是離子與電子的混合導體，而硅與碳化學性質相近，二者能夠緊密結合，以碳為分散基體、硅為活性物質復合成的碳硅復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%，加之具有豐富的內部介孔結構和堅韌連通的網架，能夠防止反復充電過程中硅的膨脹粉化，是性價比極高的硅碳復合材料炭基。2023年以來，已有十多家負極生產商試用，急需我們產業化大批量供貨。

 

未來我們會研發出瀝青基高等級碳纖維等更多高端碳材料。

 

記者 ：這項技術對煤種有何要求？

 

吳克 ：與傳統煤制油（包括煤中低溫熱解）希望最大限度地生產輕質煤焦油不同，我們的技術更希望多產令傳統煤制油頭痛的重質油甚至瀝青。因此，理論上講，該工藝技術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，加之產油率（輕質油 + 重質油 + 稠環瀝青）高，采用熱溶催化煤液化制碳材料耦合工藝經濟效益非常顯著。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 ：測算過這項技術的投資規模與收益嗎？

 

吳克 ：根據我們的測算，按當前的市場，一個年處理 30 萬噸煤規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濟性測算顯示：用我們的技術生產的煤基中間相瀝青為原料，建設 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。不含建設期的投資回收期均不超過 3 年。

記者 ：這項技術是否達到了工業化項目運行？

 

吳克 ：我們歷經 20 年、經過成百上千次試驗，中試是成功的。目前我們正在籌劃30 萬噸 / 年工業化示范項目。

 

記者 ：祝你們示范項目成功，為國內煤制油產業闖出一條新路！

 

吳克 ：我們會努力的。

合作請聯系：18219113021（微信同號）
內容來源：中國石油和化學工業聯合會官方中央期刊——《中國石油和化工產業觀察》
聲明：轉載文章的版權歸原作者或原公眾號所有，如涉及到侵權請及時告知，我們將予以核實刪除。