煤炭可以做什么新材料
煤基新材料简介
煤作为一种复杂有机碳烃大分子物质,具有从石油或人工合成难以得到的特殊芳香结构。目前新的高性能聚合材料大都具有复杂芳香结构单元,这无疑为煤基聚合物材料的开发带来新的机遇。在深入了解煤结构及其性质基础上,充分认识和利用煤的特殊性必然为煤的利用开辟独具特色的新途径。80 年代以来在高分子材料科学领域一个最引人瞩目的发展方向就是煤基碳素材料(碳纤维、针状焦、炭黑) 。煤基碳素材料不仅具有单一聚合物无法比拟的优良性能,而且制备工艺简单,开发周期短,生产费用低,有极高的性能 /性价比,市场前景广阔,因此聚煤基碳素材料在国内外的发展极为广泛、迅速。
近年来随着煤焦油深加工行业的兴起, 我们以煤化学与高分子科学的交叉领域作为加工
利用的新生长点,在煤基聚合物材料方面进行了研究,在石油能源日益紧张的形势下,日本、
德国等发达国家也在积极地寻求石油替代能源,其中煤基材料是一个热门研究方向。目前主要的研究项目有:碳纤维、针状焦、炭黑。
1.碳纤维是一种含碳量高于 90%的无机高分子纤维,可通过对煤炭的深加工获得。作为一种力学性能优异的复合材料,它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料,被广泛应用于航天、航空等尖端领域,在工程等方面具有广阔的应用前景,市场需求旺盛。11月 16 日, 河南煤业化工集团永煤千吨级碳纤维项目成功产出合格 MH300 高性能碳纤维产品。
这也标志着国内最大的高性能碳纤维生产基地的建成。该项目由河南煤化集团与中科院山西煤化所合作建设,建成投产后的永煤碳纤维公司将是河南省唯一一家生产碳纤维制品的企业。该项目一期工程投资 7.4 亿元,年生产 MH300 高性能碳纤维 500 吨。与此同时,由日本华联株式会社社长久间章生、 中国华正公司董事长孙含率领的中日合资煤炭深加工碳纤维项目考察团来到山西省阳泉市,就在阳泉市投资开发这一项目的相关事宜进行考察调研。
2011 年 2 月中旬,山西宏特煤化工有限公司投资 10 亿元的 5000 吨煤系沥青基碳纤维项目在交城经济开发区开工建设。预计将于今年 7 月建成投产,该项目占地 500 亩,投产后可实现年产值 15 亿元,这将终结我国煤系沥青基碳纤维长期依靠进口的历史,打破了国外企业对该产品的垄断。科研团队在北京化工大学炭纤维开发研究所名誉所长、博士生导师沈曾民教授,国家炭纤维工程技术研究中心首席科学家叶裕章教授的带领下,倾尽全力,使得该项目仅用一年的时间就在实验室试验获得成功。
2.针状焦,是制造高功率和超高功率电极的优质材料,用针状焦制成的石墨电极具有耐热冲击性能强、机械强度高、氧化性能好、电极消耗低及允许的电流密度大等优点。目前生产的针状焦根据使用的原料可分为石油系和煤系两类。石油系以美国为代表,煤系则以日本为代表。日本的三菱化成和新日化公司的生产装置于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初投产。
美国大湖炭素公司却在 1950 年首先开发成功。1964 年美国联合碳化物公司成功地以针状焦为原料制造出超高功率电极。据最新统计,国内高功率和超高功率电极的需求量为 6~10万 t/a,相应的针状焦需要量为 6~12 万 t/a。目前,因进口的针状焦数量有限,锦州石化公司的产量也只有 3 万 t/a。因此国内超高功率电极的产量只好由针状焦的数量来决定。针状焦的生产工艺主要有:真空蒸馏法、溶剂萃取法、M-L 法、闪蒸-缩聚法。目前,宝山钢铁股份公司化工分公司正在进行中试,且针状焦质量已达到与日本新日化和三菱的相当。鞍山热能研究院也在进行中试并取得了较大进展。 山西朔州三元碳素股份有限公司的小试报告也已通过了山西省科技厅的鉴定。山西宏特煤化工有限公司已投入工业化试生产,虽然 CTE未完全达标,但已有近 3000 吨的产品供兰州炭素厂及南通炭素厂作为生产 400 的高功率电极的原料。
3. 炭黑主要用于橡胶制品,炭黑的粒径越细,其补强性能越优越;炭黑结构度越高,其定伸应力及模量越高。 细粒径的补强性品种主要用于轮胎胎面, 赋予轮胎优良的耐磨性能。
轮胎的其他部位,如胎侧、帘布层、带束缓冲层和内衬层,要求胶料耐曲挠龟裂、耐臭氧氧化、具有良好的回弹性和较低的生热性能,一般选用较粗粒径的半补强型(比表面积低于40m2/g)炉黑。
由于橡胶市场将从经济危机低谷中反弹,2010 年出现 7.3%的增长,再加上随之而来的从 2010 年到 2015 年的 3.6%的长期增长,预测 2015 年全世界炭黑消耗量将达到 1150 万吨。
进展将来自于亚洲,特别是中国、印度、印度尼西亚和泰国的拉动。Notch 咨询集团目前预测,中国的炭黑需求总量在 2015 年将达到 370 万吨。随着轿车子午线轮胎产量增大正在成为主要拖动力,中国市场的各个领域正在扩张。由于全球对添加炭黑填料的主要产品的需求不旺,特种炭黑产品市场已经有所滞后。
由此可见,煤基新材料在今后的煤化工行业具有明显的发展优势,也是煤焦油深加工科技升级的一个重要方向。煤基新材料在能源替代、环境保护及新材料优异性能方面成为了众多煤化工专家关注、研究的热点。
可替代煤炭的燃料种类多,但适用于锅炉燃料的目前有是压块或颗粒生物质、天然气、燃油(柴油重油),另外还有一些醇基燃料,每种燃料特点如下:
1、颗粒生物质,生物质燃料来源广泛,如稻壳、果壳、木屑等都能经过简单加工成型作为锅炉燃料,且在污染物含量上相比燃煤要少很多。
2、天然气,除了天然气能用于锅炉外还有液化石油气、人工煤气、煤层气等,燃气属清洁能源,热值高,在使用上相比固体燃料都要便捷,成本也相对较少。
3、燃油类,烧油锅炉也很常见,柴油和重油热值高,但要选择性能优良的燃烧器。
煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。
煤炭被人们誉为黑色的金子,工业的食粮,它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一,进入二十一世纪以来,虽然煤炭的价值大不如从前,但毕竟很长的一段时间之内煤炭还是我们人类的生产生活必不可缺的能量来源之一,煤炭的供应也关系到我国的工业乃至整个社会方方面面的发展的稳定,煤炭的供应安全问题也是我国能源安全中最重要的一环。
代替煤炭的新型燃料是:秸秆压块燃料。
秸秆压块燃料属于环保可再生能源,和煤相比无污染,零排放,环保是其突出的特点。众所周知煤炭虽然热值高,单污染大,产生的煤渣多,剩余热量损失多,得不到有效的利用。
我国已进入禁煤时代,逐步转向清洁能源领域,环保是这个时代的主题,煤是不可再生资源,用完就没有,另外污染大,所以环保,可再生能源燃料才是未来的方向!
在有燃煤锅炉上的应用
秸秆压块燃料燃烧排放物完全符合环保标准,是国家部门认可的现代化清洁燃料,通过不同形式的锅炉使用试验表明,现有的燃煤锅炉完全适应秸秆压块,无需更换锅炉。
秸秆压块燃料燃烧后的灰分处理
秸秆压块燃尽率可达96%,剩余4%的灰分可以回收做钾肥,实现了“秸秆→燃料→肥料”的有效循环。
发展前景
在能源需求持续增长、能源价格显著上涨的背景下,我国积极发展生物制能源和再生能源以确保国家能源安全。2007年9月,国家发布了《可再生能源中长期发展规划》,明确提出了中国可再生能源发展的战略重点和总体目标。可见,秸秆压块燃料前景光明。
清洁煤作为替代普通煤的新型燃烧材料,具有使用效率高,较为安全,且对环境更加环保等多种好处。由于我国对于环境保护的相关需求和改变,才促使了清洁煤的研发和诞生。
在实际应用中,清洁煤又叫洁净型燃烧煤,是用低灰、低硫、高热度值的优质无烟煤为主要材料,加入了固硫、黏合、助燃等有机添加剂加工成为的煤制品,具有燃烧环保、热能高效、使用简单等优点。 已经在许多地区都得到了推广和应用。
清洁型煤的诞生是为了顺应国家的环保需求和发展趋势。
这样就是现有的实际情况而言,许多地区在冬季的时候都会采用电力供暖或者天然气供暖的方式,现在一些经济欠发达以及交通不便的地区,仍然需要通过烧煤供暖的方式来度过冬天。为了减少煤炭对于环境的影响以及人民群众的身体损害,就诞生出了现在所存在的清洁煤。这种新型煤又称为洁净煤,原始材料用的是低硫、低灰、高热值的优质无烟煤,通过加入固硫、黏合、有助燃发等多种有机添加剂加工而成的环保煤制品。
清洁煤具有燃烧环保热能,高效实用简单的优点。
跟原有的燃烧煤相比,容易燃烧,发热量高,可以减少原有的煤炭用量,提高发热效率。而且无黑烟、无异味,对人体危害小,使用圆形和椭圆形洁净型煤比传统散装煤更方便和便于携带。降低燃烧后的硫含量,不会造成二次空气污染。为了进行清洁酶的推广和使用,政府部门还会给予一定的政策补贴和支持,因此在很多地区都得到了很好的推广和利用。
普通人在使用清洁煤时,也要做好防护措施。
虽然清洁煤在燃烧过程中没有明显烟气,但有不充分燃烧时也会一氧化碳的出现和产生,预防不当很容易造成个人中毒,一氧化碳是无色、无臭无味的可燃气体,人体一旦吸入过量会损伤中枢神经系统,产生头痛、头晕、呕吐、全身乏力、短暂昏厥等症状,严重的话会导致个体昏迷和死亡。个人建议清洁煤取暖时,必须安装循环排烟管道,并保证排烟管道通畅。房间要有良好的通风,防止空气不流通造成一氧化碳集聚。使用前要对相关的炉具和打火工具进行检查,防止出现无法引燃和不充分燃烧的问题。
新能源材料主要有:超导材料、太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料智能材料、磁性材料、纳米材料。
新能源新材料新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料。
波能:
即海洋波浪能。这是一种取之不尽,用之不竭的无污染可再生能源。
煤层气:煤在形成过程中由于温度及压力增加,在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。
可燃冰:这是一种甲烷与水结合在一起的固体化合物,它的外型与冰相似,故称“可燃冰”。
新能源定义
1980年联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为:以新技术和新材料为基础,使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用,用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源,重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能。
新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源,包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能,以及海洋表面与深层之间的热循环等;此外,还有氢能、沼气、酒精、甲醇等,而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能 等能源,称为常规能源。
新能源新材料特点:性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。
一般有:
超导材料、太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料智能材料、磁性材料、纳米材料。
未来的几种新能源新材料
波能:即海洋波浪能。这是一种取之不尽,用之不竭的无污染可再生能源。据推测,地球上海洋波浪蕴藏的电能高达9×104TW。近年来,在各国的新能源开发计划中,波能的利用已占有一席之地。尽管波能发电成本较高,需要进一步完善,但目前的进展已表明了这种新能源潜在的商业价值。日本的一座海洋波能发电厂已运行8年,电厂的发电成本虽高于其它发电方式,但对于边远岛屿来说,可节省电力传输等投资费用。目前,美、英、印度等国家已建成几十座波能发电站,且均运行良好。
可燃冰:这是一种甲烷与水结合在一起的固体化合物,它的外型与冰相似,故称“可燃冰”。可燃冰在低温高压下呈稳定状态,冰融化所释放的可燃气体相当于原来固体化合物体积的100倍。据测算,可燃冰的蕴藏量比地球上的煤、石油和天然气的总和还多。
煤层气:煤在形成过程中由于温度及压力增加,在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。从泥炭到褐煤,每吨煤产生68m3气;从泥炭到肥煤,每吨煤产生130m3气;从泥炭到无烟煤每吨煤产生400m3气。科学家估计,地球上煤层气可达2000Tm3。
微生物发酵:世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等,利用微生物发酵,可制成酒精,酒精具有燃烧完全、效率高、无污染等特点,用其稀释汽油可得到“乙醇汽油”,而且制作酒精的原料丰富,成本低廉。据报道,巴西已改装“乙醇汽油”或酒精为燃料的汽车达几十万辆,减轻了大气污染。此外,利用微生物可制取氢气,以开辟能源的新途径。
第四代核能源:当今,世界科学家已研制出利用正反物质的核聚变,来制造出无任何污染的新型核能源。正反物质的原子在相遇的瞬间,灰飞烟灭,此时,会产生高当量的冲击波以及光辐射能。这种强大的光辐射能可转化为热能,如果能够控制正反物质的核反应强度,来作为人类的新型能源,那将是人类能源史上的一场伟大的能源革命。
二、煤炭一能源化工一体化。新型煤化工是未来中国能源技术发展的战略方向,紧密依托于煤炭资源的开发,并与其它能源、化工技术结合,形成煤炭一能源化工一体化的新兴产业。