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破炉而出,中国碳纤维生产成本已白菜价



人民网北京7月25日电记者从中国石化获悉,经过聚合、纺丝、牵伸“热身”,再入氧化碳化“炉烤”,48K大丝束碳纤维一身黑亮,“破炉而出”――中国石化上海石化公司的此项“PAN基大丝束原丝及碳纤维技术及工艺包开发”项目,日前通过中国石化组织的国内权威专家组鉴定,大丝束整体技术达到国际先进水平。

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在碳纤维行业内,通常将每束碳纤维根数大于48000根的称为大丝束碳纤维。目前,国内每束碳纤维基本处于1000根~12000根之间,称为小丝束。48K大丝束最大的优势,就是在相同的生产条件下,可大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能,并实现生产低成本化,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。

《科技日报》15日报道,中国黑龙江省天顺化工科技开发有限公司承担的“T700级碳纤维碳化中试生产线及工艺研究”项目2月5日通过鉴定。据相关政务公开信息,该项目年产量为5吨碳纤维。这家企业生产线的特点是成本低廉,污染少,其生产的T700级碳纤维成本可控制在每公斤200元以内。这被认为解决了国内高性能碳纤维生产成本高、质量不稳定的关键瓶颈问题。目前我国已有超过10家企业在研制生产高性能碳纤维。

据上海石化腈纶部总工程师黄翔宇介绍,从12K小丝束到48K大丝束,并不是把喷丝口数量从1.2万个放大到4.8万个这么简单,中间要走过一条十分艰难的攻关之路,这需要深厚的科研理论作指导,丰富的实践经验作支撑,才能解决很多关键的技术难点,而上海石化经过10年磨一剑,创造了这一条件。可以说,从12K到48K的成功突破,标志着上海石化碳纤维技术从量变到质变的飞跃,不仅填补了国内空白,而且达到了国际先进水平,这将对“上海智造”工业产生巨大的推动作用。

国产碳纤维技术出现突破固然喜人,但也有业内论文警告,近年来国内出现“碳纤维热”,众多科研院所和企业纷纷启动了碳纤维研究或千吨级产业化项目。虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大,但几年以后,市场出现过剩将成为必然。

上海石化是国内特大型炼化一体化企业之一,也曾是国内最大的腈纶生产企业。依托腈纶产业优势,该公司早在上世纪八十年代就率先开展对碳纤维的交流调研和技术研究工作。2007年,中国石化决策部署PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作,并将建设项目落实在了上海石化。

天顺化工的发展之路

碳纤维有着森严的技术壁垒,迄今为止核心技术也只有日本、美国等少数发达国家拥有并掌握。对此,上海石化在中国石化、上海市的大力支持下,与上海石化研究院、上海工程公司、复旦大学等数十家科研院所、高校、企业等一起,走出了一条以企业为主体的“产、学、研、用”相结合的协同创新之路,并凭借高校强大的基础理论研究与企业的工程化技术开发无缝对接,不“摸黑前行”,不“无谓模仿”,不“盲目试错”,在明确目标的指引下,少走弯路,跨越鸿沟,取得了技术的积累。

《科技日报》的报道中提到,该项目经过5年艰苦卓绝的创新攻关,终于突破高性能碳纤维生产的关键技术。据该公司总经理孟凡钧介绍,该项目采用独特的纺丝工艺、DMSO溶剂回收技术、精密的碳化生产技术及先进的废水处理技术,质量稳定,生产成本低,环境污染小,生产中废水排放少,生产成本可控制在每公斤200元以内,接近国际先进企业的生产成本,而当前国内成本大多在每公斤1000元—3000元不等。解决了国产高性能碳纤维生产成本高、质量不稳定这两个关键瓶颈问题,提高了我国碳纤维的国际竞争力。

在各方团队的齐心协力下,碳纤维攻关快速推进:2008年11月,建成中试装置;2009年3月,成功研制出12K原丝。

而黑龙江省政务公开网站发布的信息则提到了关于该碳纤维生产线的技术水平。5日,省科技攻关重大项目“T700级碳纤维碳化中试生产线及工艺研究”的成果,通过了省科技厅组织的专家鉴定。由我国复合材料学会理事长杜善义院士为主任委员的鉴定委员会经实地考察、质询讨论认为,项目组自主设计和制造的年产5吨碳纤维的碳化中试生产线,其抗拉强度和线密度CV值达到国际先进水平。

2012年9月,采用自行开发的国内独有的NaSCN湿法工艺和自主知识产权的成套技术,上海石化年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程建成投产,形成了每年3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的工业化生产能力。

威尼斯平台官网,为打破国外垄断,哈尔滨天顺化工科技开发有限公司经过5年艰苦卓绝的努力,实现了以自主生产的碳纤维原丝为原料,在自行设计制造的碳化中试生产线上进行T700级碳纤维碳化工艺研究。通过对预氧化、低温碳化、高温碳化等过程的工艺优化,产品的性能指标完全达到T700级碳纤维水平,成品率在80%以上。经液压强度试验和爆破试验,其研制的TS700碳纤维制备的20升高压气瓶的性能指标达到日本T700碳纤维制备的高压气瓶的水平。在全面考核的基础上,可替代日本T700碳纤维生产该类型气瓶。并且在生产中无废水排放,生产成本可控制在每公斤200元以内。

上海石化碳纤维项目得到了国家、中国石化和上海市政府的高度重视和大力支持,“年产3000吨PAN原丝产业化示范工程”被列为国家高技术项目,“PAN基碳纤维成套技术攻关”被列为中国石化2010-2017年十条龙项目,“年产1500吨PAN基碳纤维项目”被列为上海市创新和高新技术产业发展重大项目。在此期间,该项目共承担国家863项目1项,973项目1项,国家发改委项目2项,上海市政府项目5项,获政府攻关资助2638万元。期间,中国石化共累计申请碳纤维相关专利179项、授权62项。据2016年统计,中国石化碳纤维相关专利申请数排名全国第一、全球第四。

2013年5月,黑龙江省科技厅官方网站上发布的公开信息提到了该企业的规模和当时的建设进展情况。报道中说,预计项目达产后,可年出产T300标准的高级碳纤维600吨,且产品性能稳定,年销售收入可达10亿元,带动下游产业产值达40亿元。

黄翔宇说,特别是在参与承担国家863项目、973项目中,与科研院所的深度融合,使基础研究理论成果更好地应用于技术研发上,为推进大丝束整体技术研发起到了积极作用。

  

2016年5月,上海石化开展碳纤维48K大丝束原丝工业化研究试验。2018年1月,成功开发了大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化炭化工艺技术,形成了千吨级PAN基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包的技术基础。3月份,成功试制出了国内真正意义上的48K大丝束碳纤维,并贯通工艺全流程。据测试,48K大丝束原丝经过氧化炭化成48K碳纤维大丝束后,单丝强度达到高性能。这为上阶段通用级碳纤维的技术升级,以及高性能碳纤维的生产,打下了坚实的基础。

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据了解,一阶段千吨级碳纤维装置开车以来,截至2018年5月,装置已累计生产原丝4286吨,生产碳纤维709吨。独特的NaSCN湿法原丝工艺,使生产的碳纤维具有优异的表面结构和界面性能,可要极大增强碳纤维复合材料性能。

  2010年10月,中国化学纤维工业协会网站上的一则消息报道了当时该企业刚刚实现碳纤维生产技术突破的情况,该项目在多个方面取得了创新突破,他们采用自主研发的三元低温共聚技术,得到的聚合物具有良好可纺性能和满足高性能碳纤维碳化的工艺要求。其中具有自主知识产权的三元凝固成型技术,对原丝实施改性,改性后的原丝具有预氧化温度低,碳化过程缓慢稳定,可大大减少碳化过程中纤维缺陷问题的产生。尤其该技术中实现了较低聚合温度,为目前国内该行业的最低温度,创新的同时达到了节能减排和环保的要求;该项目还独立开发了原丝油剂,经北京化工大学碳纤维及复合材料研究所试验证明该油剂基本满足预氧化要求,在实验选定的工艺范围内,无粘黏、结焦现象,原丝灰分小于0.45%;同时该项目所开发的立式梯度逆流洗涤设备也是国内独家,具有节能环保的优点。

凭借上海石化这一国家首批命名的“合成纤维国家工程研究中心”、上海石化与上海石化院共建的“中国石化碳纤维及其复合材料重点实验室”、上海石化院与七家企业研究院建成投用的“合成纤维加工应用中心”三大体系所构成的中国石化高性能纤维及其复合材料的创新平台,上海石化碳纤维已经在传统能源领域显现身手。在莫桑比克N6公路、天津津滨高速立交桥、沈阳至丹东铁路线、辽宁蓡窝水库等9个病险基础设施维修工程中,采用碳纤维拉挤板材加固,不仅施工高效便捷,而且结构承载力明显提高;在碳纤维齿轮替代进口塑料齿轮,以及加固修补液相丙烯、抽余碳四、火炬气、甲烷氢、氮气、污水等石化管道、高腐蚀设备、化工车间受腐蚀建筑等方面得到示范应用,效果良好。

该项目独特自主设计并建成了年产20吨高性能聚丙烯腈碳纤维原丝的中试生产线并完成了中试生产调试工作,可稳定生产合格的高性能碳纤维原丝。该生产线具有完全独立的自主知识产权。

上海石化还与胜利油田分公司及其改制企业新大管业科技有限公司合作,开发碳纤维抽油杆,经过5个批次的试验后,抽油杆性能优良,同国外碳纤维水平相当,完全可以取代进口。截至2017年底,胜利油田已使用上海石化碳纤维连续抽油杆试验应用共93口井,累计用杆20.9万米,目前正在进一步推广应用,特别是西北高腐蚀深井。

从2010年取得技术突破,到2013年实现T300级碳纤维量产,到今年实现T700碳纤维量产,可以看出黑龙江这家企业发展的艰苦历程,中国碳纤维产业发展也正是在国内众多这样的企业推进下逐渐发展成熟。而更难得的是,这家企业的发展始终比较低调,2012年《中华工商时报》报道天顺化工的文章中提到,这家企业的碳纤维项目已被列入“十二五”规划,因此风投、创投纷纷上门,但该公司总经理孟凡钧对此,一如以往,坚持低调——甚至互联网上都很难见到他的碳纤维项目详情。

随着48K大丝束碳纤维的面世,上海石化碳纤维技术有了支撑产业发展的强大动力,迎来更加广阔的应用前景。在传统能源和和新能源领域,该公司将开发生产通用级、低成本大丝束、高强高模量级碳纤维原料,重点应用到油田(抽油杆、抽油套管、部件等),常压及高压容器(高压CNG瓶、车载CNG罐,储氢气瓶,压缩空气瓶等),加油站双层罐、车载罐,石化管道修复加固(各种材质、工况的厂区管道,长输原油管线等),大容量风电叶片等;在轨道交通、新能源汽车、民用航空、风电等高端领域,实现商业应用或产业化示范应用。目前,该公司已与海上风电、大型风电、汽车行业等相关项目展开合作意向。

报道中还提到,天顺化工的设备具备生产T800标准碳纤维的能力,对此孟凡钧的态度是:“天顺碳纤维项目达产后,生产什么,生产多少,并不仅仅由市场决定,我当初就是为国防、航天领域的发展,才选择这个项目的,所以,天顺将来要听国家的。”

我国高性能碳纤维爆发式发展

观察者网此前也曾报道江苏中复神鹰等公司碳纤维生产线经过省级鉴定的新闻。

此外,新华社报道,去年3月7日,国务院总理李克强参加河北代表团审议时,河北硅谷化工有限公司董事长宋福如向总理汇报道:“我们已经成功攻克适合大规模、低成本的干喷湿纺T800碳纤维,并具备了产业化的条件,实现干喷湿纺T800碳纤维国产化应用。现在又开始参与T1000碳纤维的国家973攻关计划和MJ系列的研发。我们要继续为国争光,中国创造、民族复兴是我们的追求。”

可见近年来我国T800、T700级的碳纤维产品出现了爆发式的发展。

2011年,在《化学工业》杂志发表的《碳纤维产业发展与趋势》论文中提到,2009年我国碳纤维产能仅为2000吨左右,且主要是低性能产品,没有形成规模化产业,绝大部分依赖进口,价格昂贵,比如标准型T300市场价格曾高达4000-5000元/千克。

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当时国家有关部委已将碳纤维产业化进程作为我国一项战略任务。一些企业相继加入碳纤维生产行列。当时拟建和在建的碳纤维生产企业有11家,合计生产能力为原丝7100吨每年,碳纤维1560吨每年。其中,在建企业为4家,合计生产能力为原丝1100吨每年,碳纤维470吨每年。

当时国内已经出现的较大的碳纤维企业包括:上海石化公司腈纶事业部、中复神鹰碳纤维有限公司、浙江巨鑫碳纤维有限公司、西安康本材料有限公司、沈阳中恒新材料有限公司、吉林市碳纤维高新技术产业化基地、哈尔滨天顺化工科技开发有限公司、金发科技碳纤维、中国石油天然气集团公司等。

该论文的摘要部分则提到:虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大,但几年以后,市场出现过剩将成为必然。尤其是低性能碳纤维领域可能首先出现过剩,这也是国内主要碳纤维企业集中精力突破高性能碳纤维产业化瓶颈的重要动力。

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