炭材料石墨化的應(yīng)用探究

朱 峰

(鐵法煤業(yè)集團(tuán)鐵強(qiáng)環(huán)保材料股份有限公司，遼寧 調(diào)兵山 112700)

1 新型炭材料發(fā)展背景

炭材料又稱炭素材料，包括以炭和石墨為原料生產(chǎn)的材料。炭材料分為普通炭材料和特種炭材料，從發(fā)展的時(shí)間上又分為傳統(tǒng)炭材料和新型炭材料。新型炭材料是通過(guò)應(yīng)用新技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的具有超過(guò)傳統(tǒng)炭材料理化性能的新材料和以炭元素開(kāi)發(fā)出來(lái)的新材料，以及炭材料與其它材料復(fù)合得到的新材料。近些年發(fā)展的新型炭材料種類很多，其中具有代表性的有炭纖維、等靜壓石墨、核石墨、鋰電池負(fù)極材料、柔性石墨、炭纖維復(fù)合材料、熱解石墨、石墨稀、高導(dǎo)熱石墨、熱解石墨、超高功率石墨電極等。新型炭材料具有耐高溫、高導(dǎo)電、低體密、高強(qiáng)度、各向異性和各項(xiàng)異性、耐腐蝕、自潤(rùn)滑及優(yōu)越的電子性能等特性，引起了世界各行業(yè)的高度重視，近幾年開(kāi)發(fā)出了很多產(chǎn)品，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于核電、汽車、航空航天、冶金、化工、機(jī)械、醫(yī)療、電子等行業(yè)，已成為現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)中不可缺少的一種非金屬材料。所以新型炭材料又被稱為“黑色的金子”，被公認(rèn)為21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现?。因此新型炭材料?duì)于我國(guó)科技的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要意義。我國(guó)新型炭材料工業(yè)起步較晚，無(wú)論技術(shù)水平和產(chǎn)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比都有較大差距。所以新型炭材料產(chǎn)業(yè)已被列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。

新型炭材料是工業(yè)部門及高科技領(lǐng)域中的重要原材料，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、良導(dǎo)電性、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。近年來(lái)，伴隨著科技進(jìn)步，該材料以其優(yōu)異的性能受到了越來(lái)越多人的青睞，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、機(jī)械、電機(jī)、化工、建材、電氣、電子、航空、航天、軍事以及核工業(yè)等領(lǐng)域。新型炭材料在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在多晶硅原材料制造、單晶硅棒拉制以及多晶硅錠鑄造等環(huán)節(jié)，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，兩者共生共榮。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)新型炭材料制品的需求量逐年擴(kuò)大，新型炭材料制品有著很好的發(fā)展前景和潛力。

近些年，我國(guó)新能源、新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到高度重視，光伏產(chǎn)業(yè)和新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)新型炭材料需求增加，為新型炭材料的發(fā)展提供了廣闊空間。同時(shí)伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的提高，新型炭材料在軍工、飛機(jī)、汽車、高鐵、核工業(yè)、電子等工業(yè)領(lǐng)域的快速推廣應(yīng)用，新型炭材料作為一種新興工業(yè)產(chǎn)品，迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。另外隨著新型炭材料的技術(shù)進(jìn)步和成本的降低，在民用產(chǎn)品領(lǐng)域也有著廣闊的市場(chǎng)空間。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)每年新型炭材料需求量約10萬(wàn)t，并以每年20%以上的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到60萬(wàn)t以上，產(chǎn)值達(dá)到500億元～700億元。

遼寧省是優(yōu)質(zhì)人造石墨原材料的生產(chǎn)大省，撫順石化公司和葫蘆島石化公司生產(chǎn)的石油焦銷往全國(guó)各地。借助原材料優(yōu)勢(shì)，近些年已形成了石墨電極產(chǎn)品、石墨原料加工、石墨電極加工為主的產(chǎn)業(yè)集群，以遼寧方大集團(tuán)為代表的炭材料企業(yè)已達(dá)40多家。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)2013年，炭材料制品產(chǎn)量已達(dá)150多萬(wàn)t，年產(chǎn)值超過(guò)百億元，為遼寧地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但目前產(chǎn)品以低端、低附加值的產(chǎn)品為主，如何利用本地區(qū)優(yōu)勢(shì)，提高技術(shù)水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力成為行業(yè)發(fā)展必須解決的問(wèn)題。該項(xiàng)目利用遼寧省原材料優(yōu)勢(shì)，依托調(diào)兵山市煤炭電力和瓦斯燃?xì)饽茉磧?yōu)勢(shì)及沈陽(yáng)理工大學(xué)炭材料科研和技術(shù)、人才優(yōu)勢(shì)，充分整合優(yōu)勢(shì)資源，發(fā)展新型炭材料產(chǎn)業(yè)。該項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)于帶動(dòng)遼寧省炭材料集群產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)建發(fā)展設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。它的建成對(duì)于我國(guó)新型炭材料行業(yè)的發(fā)展、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步具有重要意義。不僅能為企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來(lái)可觀的社會(huì)效益。

2 項(xiàng)目建設(shè)基礎(chǔ)條件及建設(shè)規(guī)模

項(xiàng)目擬選址位于遼寧省調(diào)兵山市北工業(yè)園區(qū)，調(diào)兵山市位于遼寧省北部。地理位置在東經(jīng)123°27'3至123°41'52，北緯42°20'31至42°33'19之間。東西寬20.6 km，南北長(zhǎng)23.7 km，調(diào)兵山市東距鐵嶺市35 km，西距法庫(kù)縣城15 km，西北距康平縣城44 km，南距省城沈陽(yáng)90 km，與京哈高速公路35 km，距沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)只有110 km的距離，距大連港443.4 km，營(yíng)口港300 km。交通便捷，環(huán)境質(zhì)量良好，基礎(chǔ)設(shè)施條件齊備，建設(shè)條件良好。工業(yè)園區(qū)內(nèi)已建有完善的公用工程設(shè)施，可滿足本項(xiàng)目的要求。

根據(jù)市場(chǎng)需求，可建設(shè)年產(chǎn)40 000 t新型炭材料生產(chǎn)線，總用地面積20 000 m3，建設(shè)石墨化車間、機(jī)加工車間、庫(kù)房以及研發(fā)建筑等共計(jì)12 694 m3。購(gòu)置新型炭材料生產(chǎn)所需石墨化提純爐、機(jī)加工設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)備24臺(tái)(套)，形成40 000 t新型炭材料的生產(chǎn)能力，同時(shí)建設(shè)供配電、給排水、消防等配套設(shè)施。

3 技術(shù)原理與工藝流程

石墨化是將經(jīng)過(guò)800 ℃焙燒過(guò)的電極毛坯裝入內(nèi)串石墨化爐中，周圍填充料(煅后石油焦)保溫并隔絕空氣。再通電加熱，將制品加熱到2 800 ℃～3 000 ℃，制品中在高溫隔絕氧氣狀態(tài)下，發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變，由碳轉(zhuǎn)化成石墨的過(guò)程。

石墨化即將焙燒品通電使炭完成向石墨的轉(zhuǎn)變過(guò)程。機(jī)加工是為了便于電弧爐使用操作，加工符合用戶需求的產(chǎn)品。工藝流程圖如圖1。

圖1 石墨化工藝流程

4 工藝消耗定額

4.1 新型炭材料

新型炭材料的生產(chǎn)規(guī)模為40 000 t/a，所需主要原料如表1所示。

表1 主要原料

4.2 動(dòng)力消耗定額

新型炭材料的生產(chǎn)規(guī)模為40 000 t/a，所需主要原料如表2所示。

表2 主要原料

5 項(xiàng)目能源消耗量

本項(xiàng)目擬建在調(diào)兵山市北工業(yè)園區(qū)，工業(yè)園區(qū)具有較為完善的公用工程設(shè)施，電可直接引入項(xiàng)目界區(qū)內(nèi)，廢水可以排至工業(yè)園區(qū)內(nèi)污水處理廠。

5.1 項(xiàng)目能源消耗種類

根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T2589-2008)，實(shí)際消耗的各種能源指：一次能源、二次能源和生產(chǎn)使用耗能工質(zhì)所消耗的能源。本項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際消耗的能源品種有電力、水及采暖熱力如表3所示。

表3 項(xiàng)目能源消耗種類

5.2 項(xiàng)目能源消耗量(見(jiàn)表4)

表4 項(xiàng)目能源消耗量

5.3 項(xiàng)目節(jié)能措施

1) 采用先進(jìn)加工制造工藝及合理地選用節(jié)能設(shè)備，使能源的消耗得到有效控制。石墨化工序采用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的內(nèi)串式石墨化設(shè)備。利用石墨化余熱加工半石墨化增碳劑。

2) 理順等各工序的工藝路線，合理布置車間設(shè)備、注重前后工序生產(chǎn)線路布局，減少工藝運(yùn)行中的能耗損失。

3) 合理選用各通用設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方案。各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、工序、設(shè)備之間做到生產(chǎn)能力的平衡，以減少某些設(shè)備的無(wú)負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行，合理安排生產(chǎn)各工段的作業(yè)班次。

4) 工藝路線盡量縮短，無(wú)交叉無(wú)逆流，生產(chǎn)裝置按照工藝流程布置。

5) 生產(chǎn)線配備有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程科學(xué)管理及優(yōu)化，以節(jié)省能耗。

6) 合理控制各臺(tái)大型非連續(xù)性生產(chǎn)設(shè)備的開(kāi)停時(shí)間，以均衡各個(gè)時(shí)間段變壓器的負(fù)載，杜絕多臺(tái)同時(shí)開(kāi)啟造成變壓器的過(guò)載。

6 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析

1) 本項(xiàng)目處于調(diào)兵山市北工業(yè)園區(qū)，所以本項(xiàng)目可以依托工業(yè)園區(qū)的發(fā)展和上游原材料生產(chǎn)企業(yè)建立緊密的供求關(guān)系，另外，本項(xiàng)目的主要原材料焙燒品由省內(nèi)供應(yīng)商生產(chǎn)，確保原材料可以持續(xù)供應(yīng)。所以即使出現(xiàn)原材料市場(chǎng)價(jià)格上升的情況，也能有效控制對(duì)項(xiàng)目單位的影響，資源風(fēng)險(xiǎn)較小。

2) 本項(xiàng)目產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)、國(guó)外都是緊俏產(chǎn)品，但受經(jīng)濟(jì)型式的影響，產(chǎn)品價(jià)格也會(huì)隨之波動(dòng)，這對(duì)該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)產(chǎn)生一定影響。

3) 近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外新建的裝置較多，且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，而且同行廠家生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)品性能也不斷提高，雖然本項(xiàng)目所產(chǎn)產(chǎn)品處于供不應(yīng)求的階段和時(shí)期，但市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行機(jī)制將使產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)無(wú)界限，因此存在市場(chǎng)飽和等方面的競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)對(duì)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展造成一定的影響。本工程要充分發(fā)揮其生產(chǎn)工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。以盡量化解潛在的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

7 結(jié)論

1) 項(xiàng)目建設(shè)符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策及行業(yè)規(guī)劃要求，有利于推動(dòng)區(qū)域戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為工業(yè)制造創(chuàng)新提供新動(dòng)力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和提升企業(yè)、地區(qū)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于東北老工業(yè)基地全面振興。

2) 項(xiàng)目總投資為5 131萬(wàn)元，其中建設(shè)投資4 483.87萬(wàn)元，流動(dòng)資金647.1萬(wàn)元。

3) 本項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)期平均年利潤(rùn)總額為1 588.35萬(wàn)元，稅后利潤(rùn)為1 191.26萬(wàn)元，所得稅397.09萬(wàn)元。

4) 本項(xiàng)目建設(shè)起點(diǎn)高，生產(chǎn)工藝先進(jìn)、可靠，為生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品提供了堅(jiān)實(shí)保證。

5) 項(xiàng)目注重環(huán)保、安全設(shè)計(jì)，項(xiàng)目建成后對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境無(wú)重大影響。

6) 本項(xiàng)目的建成能夠促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不會(huì)對(duì)行業(yè)產(chǎn)生壟斷，有利于推進(jìn)當(dāng)?shù)氐母叨酥圃鞓I(yè)發(fā)展。并能為當(dāng)?shù)靥峁┚蜆I(yè)機(jī)會(huì)，具有一定的社會(huì)效益，有利于社會(huì)的和諧發(fā)展。

本項(xiàng)目符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，符合國(guó)家、遼寧省及行業(yè)的規(guī)劃要求。本項(xiàng)目的實(shí)施市場(chǎng)發(fā)展前景良好，產(chǎn)品技術(shù)含量高，符合國(guó)家、遼寧省及行業(yè)相關(guān)政策、規(guī)劃要求，項(xiàng)目建設(shè)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。原料、燃料、能源供應(yīng)有保障，能充分滿足生產(chǎn)需求，實(shí)施本項(xiàng)目對(duì)企業(yè)和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義，十分必要。