——访热溶催化煤液化制碳材料耦合工艺技术带头人吴克

文︱记者 陈继军

 

在国内煤化工领域，煤制油无疑是最悲催的一个。

 

一方面，受煤价高企、成品油供大于求叠加成品油消费税征收范围扩大等因素影响，煤制油（含煤焦油加氢）企业费用大幅增加，成本倒挂严重，已经连续多年出现行业性亏损；另一方面，由于整体规模小、产业集中度低、投资强度大，其油头化尾、延链增值的努力受挫。另外，随着环保政策趋严，煤制油还面临日益增大的节能减碳压力。近几年，国内不仅鲜有规划上马的煤制油项目，甚至连已经获批在建的项目也纷纷按下了暂停键。

 

正当业内唏嘘煤制油前途渺茫之际，近期在江西宜春召开的2023煤炭深加工产业高质量发展大会上，一项热溶催化煤液化制碳材料耦合技术让大家眼前一亮。这项技术具有完全自主知识产权，在生产超低凝柴油、高密度航煤、火箭燃料等特色油品的同时，还能利用煤液化生成的重质油生产出高端碳材料。

 

那么，热溶催化煤液化制碳材料耦合到底是一项什么技术？又如何能够使煤制油产业脱困突围？带着这些问题，记者专访了该技术带头人、广东煤基碳材料研究有限公司总经理吴克。

 

记者：请您介绍一下热溶催化煤液化制碳材料耦合工艺技术。

 

吴克：这个工艺由两部分组成：一是液化单元，也就是煤制油单元；二是高端碳材料制备单元，就是采用液化单元生成的重质油（稠环沥青）制备各种碳材料。

具体工艺流程如下：低阶煤→热溶催化→分离→煤气+轻质油+稠环沥青+半焦，煤气和半焦作为燃料、能源或原料使用，轻质油→加氢处理→分离→大比重航煤+超低凝点柴油，稠环沥青→结构改质→中间相沥青+泡沫碳+煤基沥青碳纤维+超级多孔碳+超级电容炭+三维掺杂石墨烯负极等。

采用这一工艺，煤液化的反应压力仅为6～8兆帕，投资不到高压加氢液化的1/2，原料来源广泛，除无烟煤之外均可使用，吨油综合成本不足45美元/桶。由于反应条件温和，工艺方法简捷、安全，鲜有激烈化学反应，综合能耗与生产成本低，最大限度地减少了煤炭加工利用过程中二氧化碳的产生与排放，同时产品附加值高。

 

记者：如果用一句话表述这一技术的关键点——

 

吴克：那就是可以将低阶煤转化为高端特色油品和高端碳材料。

 

记者：能不能这样理解，就是在煤制油的同时，还能同时生产出高端碳材料，而且这个高端碳材料还成为项目盈利点？

 

吴克：是这样。按传统煤制油工艺，煤制油后生成的重质油和油煤浆，要么作为燃料直接燃烧，要么通过加氢裂化进一步加工为成品油。

我和团队不再追求油的收率，而是将着力点放在重质油和稠环沥青上。我们攻克了低成本获取性能卓越的中间相沥青、精准温度/压力控制制备高端碳材料两大卡脖子难题，利用低阶煤液化生成的30%～50%重质油和稠环沥青加工成高端碳材料，让煤制油项目的竞争力和盈利能力大幅提升。

 

记者：高端碳材料包括什么产品？

 

吴克：我们说的高端碳材料，是指碳基新材料和功能性碳材料品种，如高强高模碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、高导热泡沫石墨、超级电容炭、泡沫碳、多孔碳、超级电容负极等。这些产品目前大都需要进口。以超级电容炭为例。随着新能源的快速增长和电动汽车的普及，超级电容器的需求量将呈现爆发式增长，继而带动超级电容炭需求猛增。预计未来5～10年，超级电容炭市场规模将超过5000亿元。我们估计，整个高端碳材料市场规模将超过2万亿元。

 

记者：应用你们的技术主要能生产哪些高端碳材料？

 

吴克：我们现在能够生产近10种高端碳材料。其中，比较有代表性的产品有：

——煤基泡沫碳。这是一种新型功能碳材料，具有低密度、高强度、耐酸碱、特低热膨胀系数、耐高温（1700摄氏度以上）、高导热、高导电、电磁屏蔽性卓越、化学稳定性优、抗冲击性强等显著特点，广泛用于航空航天、军工、雷达、火箭、导弹等领域。1998年美国橡树岭国家实验室研发成功后，迅即被美国国防部重金买断，不再对外许可。包括美国帕克太阳探测器热防护系统、B -2轰炸机等尖端武器均采用了煤基泡沫碳，帮助美国尖端武器始终领先世界。我们生产的煤基泡沫碳，各种性能指标与美国橡树岭国家实验室产品相当，完全能够满足国内某航空航天公司招标的所有指标要求，可替代价格奇高且进口量受限的产品。

 

——沥青基超级电容炭。超级电容炭是目前超级电容器领域实现商业化应用最主要的电极材料，其成本占整个超级电容器成本的30%～50%。我国超级电容炭90%依赖高价进口。我们生产的电容炭粉体的各项指标分别接近或优于国际著名超级电容炭供应商日本可乐丽株式会社的产品，是生产超级电容器的优质原料。2022 年 9 月 21 日，第三方检测机构对我们的产品给出书面检测结论：粒度、比表面积、pH 值、灰分、过渡金属含量、振实密度等关键数据均达到国际标准要求，与业内通用的进口活性炭粉体性能相当；按照目前的配方比例，可以制成涂布均匀的极片，其厚度、面密度、压实密度、活性物质发挥容量和比容量完全满足超级电容器常规产品要求 ；该粉体制备的超级电容器，能通过常规高温负荷测试，建议尽快扩大规模实现商业化生产，为材料国产化贡献力量。

 

——超级多孔碳。碳负极材料在充放电时体积变化很小，具有较好的循环稳定性，且其本身是离子与电子的混合导体，而硅与碳化学性质相近，二者能够紧密结合，以碳为分散基体、硅为活性物质复合成的碳硅复合材料是目前理想的新型负极材料。我们制备的多孔碳吸硅量超过 50%、沉积完硅容量超过 2000 毫安时/克、首效超过 90%，加之具有丰富的内部介孔结构和坚韧连通的网架，能够防止反复充电过程中硅的膨胀粉化，是性价比极高的硅碳复合材料炭基。2023年以来，已有十多家负极生产商试用，急需我们产业化大批量供货。

 

未来我们会研发出沥青基高等级碳纤维等更多高端碳材料。

 

记者 ：这项技术对煤种有何要求？

 

吴克 ：与传统煤制油（包括煤中低温热解）希望最大限度地生产轻质煤焦油不同，我们的技术更希望多产令传统煤制油头痛的重质油甚至沥青。因此，理论上讲，该工艺技术适用于除无烟煤外所有煤种。不过，低阶煤资源量大，用起来综合成本更低，加之产油率（轻质油 + 重质油 + 稠环沥青）高，采用热溶催化煤液化制碳材料耦合工艺经济效益非常显著。这种工艺把煤中 60% 以上的碳固定制成碳材料，是一个符合双碳政策的项目。

 

记者 ：测算过这项技术的投资规模与收益吗？

 

吴克 ：根据我们的测算，按当前的市场，一个年处理 30 万吨煤规模的热溶催化煤液化制碳材料耦合项目投资不超过 24 亿元，投资回收期不超过 3.5 年。另外，由我公司和使用单位进行的经济性测算显示：用我们的技术生产的煤基中间相沥青为原料，建设 1 个 1 万吨 / 年三维石墨烯项目，总投资约 4 亿元，年利润可达 2.75 亿元。若建设一个 2000 吨 / 年的超级活性炭项目，投资额约 1.4 亿元，年利润可达 1.5 亿元。不含建设期的投资回收期均不超过 3 年。

记者 ：这项技术是否达到了工业化项目运行？

 

吴克 ：我们历经 20 年、经过成百上千次试验，中试是成功的。目前我们正在筹划30 万吨 / 年工业化示范项目。

 

记者 ：祝你们示范项目成功，为国内煤制油产业闯出一条新路！

 

吴克 ：我们会努力的。

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内容来源：中国石油和化学工业联合会官方中央期刊——《中国石油和化工产业观察》
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