发布机构: 发布日期: 2022-08-15 09:01:20

赵宇飞、李永红、吕春祥:双碳背景下碳纤维行业减排路径思考

碳纤维行业作为高耗能产业之一,应该以我国碳达峰、碳中和目标为导向,以国家能源转型与结构转型为指引,以节能降耗和提质增效为主要抓手,降低全行业的碳排放,提升国产碳纤维在国际高端材料领域的竞争力。基于此,本文就双碳背景下碳纤维行业碳减排路径提出一些观点和看法。

一、改进生产工艺降低单位产品碳排放

1、改进碳纤维生产工艺是节能降耗的首要抓手

1)通过对共聚单体组分进行调整,实现快速可控的氧化工艺,也可利用共聚单体的结构特点在预氧化碳纤维原丝过程中提高氧气透过率从而加快氧化反应速率,实现对放热反应范围的宽化处理,促进氧化和环化反应。

2)提升改进湿法纺丝技术,将纺丝速度由100/分提高到150-200/分;采用干喷湿纺工艺,实现纺丝速度300-400/分,降低原丝的成本,显著提高产量。

2、应用创新技术降低能耗

1)采用等离子氧化技术有望制备高质量低成本的碳纤维产品。与传统氧化技术相比,等离子技术氧化速度提升3倍,而能量消耗却不到传统技术的三分之一。

2)红外辐射、射频加热等新技术的组合使用。在氧化炉、干燥炉等设备中通过新技术(包括红外辐射、射频加热)的组合应用,有望使氧化炉温度分布更加均匀,有效降低大丝束纤维的氧化炭化处理难度,该加热技术可显著缩短原丝氧化炭化时间,约为传统加热方式的1/3

3)采用微波氧化工艺将原丝加热至1000℃以上进行碳化,并辅以等离子体技术实施表面处理。此种新方法制造的碳纤维可达到T300水平而且不需要高温加热用的炭化炉设备,不仅缩短了碳化时间,同时也降低了能量消耗,减少了CO2的排放。

4)余热利用。对于高低温炭化炉的废气可通过余热多级利用技术及换热器的使用将未处理废气加热至最终反应温度(700-800℃),而已处理废气经过一级换热器的冷空气达到约200℃后向混合过滤器传送,以降低氧化设备能耗及碳纤维成本。

5)木质素前驱体碳纤维。为缓解石油资源的消耗及降低成本,木质素为原料制造低成本碳纤维是今后碳纤维的发展方向之一。用木质素制备的网状碳纤维成本有望控制在每公斤45美元,低于T300碳纤维。

二、新能源电力替代火电消耗

在碳纤维生产成本中,电力消耗成本约占总成本的25-30%,占直接成本的近40%,因此为了响应“双碳”目标的号召,碳纤维生产企业有必要通过新能源电力替代降低企业间接排放或自备电厂火电排放量,主要措施包括:

1、大力开发厂区周边风电与集中式光伏电力资源,提高新能源的利用率。通过综合利用厂房建筑屋顶资源,安装光伏组件,结合储能设备对总用电负荷进行削峰填谷,实现用电效率最大化,能耗最低化。

2、通过改造利用直流的用电负荷,将直流电源与直流负荷直接对接,减少直流-交流-直流的变换环节,提高电能利用的效率。

3、使用能源微网管理软件对用户侧的负荷精准管理、对各种生产用电设备进行精确控制,从而降低用户侧的用电量,从用户侧实现减碳目标。

4、对于建有自备电厂的碳纤维企业,现阶段有效减少碳排放的手段是考虑燃料替代,其次应提升整个热电系统的效率。

三、中间产物与废品的回收利用

近几年,国产聚丙烯腈基碳纤维技术和产业取得了较大进展,但不可否认,与日本东丽公司和美国赫氏公司等先进碳纤维企业相比,国产碳纤维在技术、装备、性能、配套材料和产业链等方面还有一定差距,无论产量、质量均有待进一步提高。尤其是在中间废品聚丙烯腈废丝和碳纤维废丝上,国内碳纤维生产过程中往往未经回收利用即废弃,造成了大量的资源浪费和环境污染。在国家“双碳”战略部署下,聚丙烯腈废丝和碳纤维废丝的综合利用也将成为碳纤维企业不得不面对的重要任务,因此本文对两种废弃物的利用进行如下介绍:

1、废聚丙烯腈原丝的循环再利用。可通过化学改性,制备絮凝剂、粘合剂、堵水剂、高吸水性树脂及相变材料等物质,以此减少环境污染,提高纤维废物的附加值。此外对废弃丝还可进行溶解回用来制备纺丝液,保证碳纤维原丝生产线的废物得到绿色、高端化再利用。

2、碳纤维废丝的回收利用。相关数据显示,碳纤维增强复合材料,将会在2020年达到357.5亿美元的市场规模,因此碳纤维复合材料的回收势在必行。热解法是目前唯一实现工业化生产碳纤维复合材料的回收技术。经此法得到的循环碳纤维相对于初生碳纤维,拉伸强度可保持50-70%,使其更适用于高刚度、轻量化的非结构性应用场景,例如汽车,建筑,风能和体育行业。

在碳达峰、碳中和目标牵引下,相信未来国际碳纤维市场需求将迎来井喷式爆发,这对我国众多碳纤维企业来说机遇与挑战并存,碳纤维的性价比及规模保障能力将是每个碳纤维企业必备的核心竞争力,国产碳纤维产业需要提质提量,降低成本,同时实现碳减排的目标,为我国双碳目标做出行业表率!

  

供稿人:赵宇飞  助理研究员李永红  研究员级高工,吕春祥  研究员;任职单位均为炭材料山西省重点实验室中国科学院山西煤炭化学研究所


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