1000吨/年碳纤维项目建议书
1项目背景
1.1 项目名称
碳纤维项目 1.2 项目建设规模
建设规模：1000吨/年 1.3 项目建设地址
黑龙江省七台河新兴煤化工循环经济产业园区 1.4 项目提出背景
2011年七台河市焦炭产能达到1000万吨，可以产生总量为25亿立方米的剩余煤气、45万吨煤焦油、12万吨粗苯。如果从黑龙江省范围考虑，按黑龙江省焦炭产量1500万吨计算，可以产生37.5亿立方米剩余煤气、67.5万吨煤焦油、18万吨粗苯。已经具备了向产品品种结构上深度开发的条件。目前生产的多数是化工的基础原料，是化工产品产业链的基础产品，是精细化工产品的“粮食”。要改变现有“只卖原粮”的局面，只有向精细化工领域迈进。
七台河市煤化工产业下步发展要继续以建立完善循环经济体系为重点，按照“稳煤、控焦、兴化”的总体发展思路，依托煤焦油、焦炉剩余煤气、粗苯这三条线，整合资源、集中优势，继续寻求延伸产业链条，搞好资源综合利用和延伸转化，实现资源循环利用、综合开发、高效增值，不断扩大煤化工产业的整体规模，形成全市工业经济加快发展新的增长极。
新兴煤化工产业园区位于七台河市新兴区辖区内，园区现有面积约4.7平方公里，一期增加2.9平方公里，达到7.6平方公里；二期将长兴乡马鞍村整村搬迁至长兴村，增加5.5平方公里，总体达到13.1平方公里；三期增加8.7平方公里，最终园区面积将达到21.8多平方公里，新兴煤化工产业园区是一个以煤焦化及下游产品为主体的产业园区。园区功能齐备，水、电、路等基础设施建设基本到位。
基于上述政策和资源条件，提出一系列煤焦油项目，1000吨/年碳纤维项目是其中之一。2产品性质与用途概述 2.1产品的理化特性 碳纤维是先进复合材料中最重要的增强材料，具有优良的耐腐蚀性能和耐久性能，高强高模，易于加工，是一种力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维（KF-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。
碳纤维微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。它的比重不到钢的1/4，碳纤维单丝抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430GPa，亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。
沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料，通过聚合、纺丝、不熔化、碳化处理制备的一类碳纤维，按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维，前者由各向同性沥青制备，又称各向同性沥青级碳纤维，后者由中间相沥青出发制备，故又称为中间相沥青基碳纤维。沥青基碳纤维具有以下特性：
比重轻，密度小；超高强度与模量；耐磨耐疲劳减振性能等物理机械性能优异；耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性吸附性强的活性碳纤维；热膨胀系数小，导热率高，不出现蓄能和过热；高温下尺寸稳定性好，导电性、射线透过性及电磁波遮蔽性良好；具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低，生物相容性好，生理适应性强。主要产品质量及技术性能指标如下表：
项 目
丝径 µm 拉伸强度 MPa 张力模量 GPa 电阻率 Ω·cm
密度 g/ml
含碳量 wt%
指 标 10~18 400~600 30~40 5~6.5 × 10-3 1.57 95
表1 沥青基碳纤维的主要性能指标
2.2产品的用途
在当前低碳经济的大环境下，汽车、风力涡轮叶片及压力容器等产品的新兴市场逐步兴起。尽管受到全球金融危机的影响，但高性能碳纤维的需求仍在不断升温，有机构统计表明，在全球航空航天、工业、文体休闲用品等领域中碳纤维的市场份额逐年递增。 2.2.1 沥青基碳纤维在超高导热材料方面的应用 由于电子机器小型化、轻量化与高功能化，电子部件发热量增多。电子部件蓄热，使LSI（大规模集成电路）处理能力降低而导致电子部件损坏。因此，要求散热效率高的电子部件显得非常重要。
在现有的碳纤维中，沥青基碳纤维的导热系数超过900W/m·K，已被列入市场出售放热材料的最高类别。将该纤维加入树脂中加工成片材即可实现商业化，这种片材不仅具有高导热效率，同时实现优异的耐热性、柔软性和对凸凹状的适应性。这种导热材料在IC（集成电路）和CPU（电子计算机主机）等的发热体放出热量的散热部件中有广泛的应用。 2.2.2 沥青基碳纤维在航空航天中的应用
碳纤维在航空航天装备的轻量化、小型化和高性能化上起着无可替代的作用。飞机通过使用碳纤维复合材料达到轻量化、节能化，使乘客数与飞行距离增加。据报道，波音777客机全机碳纤维耗用量达 7吨左右；A350超宽客机，其高性能轻质结构所占比例将达62%，成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾，还能大幅降低飞机能耗。A350的百千米油耗只有2.5L/人，几乎可以与现在的小汽车媲美。
在航天领域，高强碳纤维复合材料也是导弹、运载火箭、人造卫星、宇宙飞船等不可或缺的战略材料。采用碳纤维与高分子制成的复合材料制造的卫星火箭等宇宙飞行器，不仅推力大，噪音小，而且由于其质量较轻，所以动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1kg，就可使运载火箭减轻500kg。 2.2.3 沥青基碳纤维在体育用品方面的应用
碳纤维复合材料可应用在高档文体休闲用品中，如高尔夫球杆网球拍和钓鱼杆等（碳纤维复合材料的高尔夫球杆要比金属杆轻近50%）；还可用于自行车、赛艇、赛车、弓箭、滑雪板、撑杆和乐器外壳等。
2009年7月，浙江一家企业开发生产的一体式碳纤维竞赛型自行车，在欧洲市场卖出了1万欧元一辆的天价，成为国内率先生产碳纤维自行车的企业。这种自行车复合材料的密度通常为1.6g/cm3，是钢的1/5，较铝材则减重40%左右，在自行车业界有这样的说法：自行车重量降低1克，卖价可提高1美元。 2.2.4 沥青基碳纤维在汽车构件的应用
碳纤维材料是汽车制造的优质材料，在高级汽车关键部件中开始大量采用抗拉强度在3500MPa以上的碳纤维，使用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的效益。据悉，福特和保时捷生产的GT型赛车发动机机罩已全部采用碳纤维材料；奔驰轿车内装饰通用轿车底盘和内装饰材料全部采用碳纤维；宝马车的顶篷也采用碳纤维并进行技术处理，使其轻量化的同时保持金属材料的光泽。 2.2.5 沥青基碳纤维在风力发电叶片中的应用
2010年碳纤维在风机叶片中的应用已成为继航空航天后的第二大应用。风电应用将推动大丝束（23K）碳纤维产量的增长。全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资，欧洲和亚洲在这一领域远远领先于美国，全球风机装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。 2.2.6 沥青基碳纤维其他方面的应用
目前，缠绕成型的高强轻质耐腐蚀碳纤维油套管已应用于海洋和深井钻采，国外已经形成成熟的系列配套技术。
碳纤维在抗震修补和增强措施中主要应用于工业与民用建筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、烟囱塔结构等结构体的加固补强，以及结构中梁、板柱墙等构件的加固补强。碳纤维自重轻，强度高，耐久性好，抗腐蚀能力强，可耐酸、碱等化学品腐蚀，柔韧性佳，应变能力强，是桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。
3国内外碳纤维的生产状况、市场简要分析
3.1碳纤维的国内外生产状况
世界工业化生产沥青基炭纤维共三家。日本吴羽900t/年、日本大阪瓦斯500t/年和美国阿什兰德200t/年，总产能不足2000t/年。据国外预测，每年需要3000～5000吨沥青基炭纤维，像美国福特公司决定刹车片全部使用炭纤维复合材料，以求改善其卡车刹车性能，一年就需要300吨。美国阿什兰德200吨/年生产石油系炭纤维装置转让给鞍山东亚炭纤维有限公司，产品全部售往国外。从原来的20～30t/年到目前每年300多吨销往国外，可见市场需求量在不断扩大。
我国从上世纪70年代中期开始研发高性能碳纤维，经过近40年的发展，已取得了长足的进展，并在航天主导产品上得到了广泛应用。20世纪60年代，由中科院长春应用化学研究所率先开始PAN基碳纤维的研究，70年代初完成了连续化中试装置。其后上海合成纤维研究所、中科院山西煤化所、北京化工大学、山东工业大学等也开始研究工作，并于80年代中期通过了中试，进入产业化试生产阶段，先后建成了从年产几百千克到几吨的小试装置和年产几十吨的中试装置。进入21世纪以来，国内碳纤维产业发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了年产500t原丝、200t PAN-CF生产装置，成功地填补我国碳纤维及原丝工业产业化生产空白。该公司还计划5年内在自主研发的前提下，将碳纤维的年生产规模发展到1000t，同时配套年产2500t原丝，其中一部分碳纤维用于军工领域，一部分通过制成下游产品预浸布后投放市场。从2000年开始，我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。
近年来，国家有关部委已将碳纤维技术的产业化进程作为我国的一项战略任务。随后，一些企业相继加入碳纤维生产行列。目前，我国已有吉林神舟碳纤维公司、山东天泰新材料股份有限公司、浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司、保定天鹅化纤集团、大连兴科碳纤维有限公司、山西恒天纺织新纤维科技有限公司等生产规模大小不一的碳纤维生产厂家，合计年生产能力为2310t。据不完全统计，目前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年产量7100t、碳纤维1560t，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝年产量1100 t、碳纤维470t。
我国属于碳纤维消费大国，但我国2008年碳纤维产能仅2000t左右，而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，由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。我国碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距很大，其中高性能碳纤维技术更是被西方国家垄断和封锁。
据杭城摩擦材料有限公司介绍，每年需要200吨沥青基炭纤维用于摩擦材料，该厂刹车片产量占全国20～25%，预测全国刹车片年用沥青基炭纤维800～1000吨。从冶金系统来看，仅闸瓦和轴瓦两种产品就需求炭纤维300～500吨。预测2012年以后炭纤维用量将达1000～1500吨。因此开发通用级沥青炭纤维及复合材料就国内市场而言，前景广阔，对炭素行业的技术进步和促进发展有着深远的意义。 3.2碳纤维市场简要分析
尽管我国碳纤维生产发展较为缓慢，而消费量却一直呈逐年增加的趋势，市场需求旺盛。据有关部门统计，2008年我国碳纤维的年需求量已超过7000t，2010年超过8500t。主要应用领域为：成熟市场有航空航天及国防领域（飞机、火箭、导弹、卫星、雷达等）和体育休闲用品（高尔夫球杆、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等），新兴市场有增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等，待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。近年来，中国航空航天技术的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料，我国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求也迅速增长，体育休闲用品的使用量最大，占消费量的约80%～90%。我国正处于经济快速增长时期，随着西部大开发、中部崛起、东北振兴等战略的不断深入，碳纤维将会越来越多地被用于建筑工程和结构制品中。同时，随着我国汽车业的不断发展，碳纤维有可能在我国被大范围的应用到工业领域中。另一方面人们物质文化生活水平的不断提高，会有越来越多的人参与各种运动休闲活动。考虑到我国对碳纤维的应用还在不断发展，许多用途还有待开发，碳纤维在我国将会有极为广阔的市场前景。此外，全球碳纤维市场发展迅速，需求量的不断增长对我国碳纤维行业的发展提供了难得的机遇。
现在，我国碳纤维复合材料已经具有一定的研究和应用水平，并形成了一支从设计、材料到制造配套的研发队伍。各大主机厂均已建立了较完善的复合材料生产手段和车间，完成了相应的技术改造，碳纤维复合材料在各种军、民机型号上已获得应用。不过，我们在应用规模与水平、设计的理念方法和手段、材料的基础和配套制造的工艺、设备等方面均与国外先进水平有一定差距，尤其是实际应用方面。如我国军用战斗机上碳纤维复合材料最大用量尚不足10%，世界军机的机翼自上世纪80年代后就早已复合材料化了，我国至今尚无批生产的复合材料机翼问世；最新研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%。
碳纤维复合材料作为世界先进复合材料的代表，应用领域正不断拓宽，尤其是近年来其应用发展的多元化，使碳纤维年需求增长率达20%，2009年已达19.2亿美元，2013年将达23亿美元，未来5年其年均复合增长率将达5.02%，由此可见，全球碳纤维的市场需求将出现新的跃升趋向。沥青基碳纤维因生产成本低，市场价格低廉，再加上新用途的不断开发和扩大，需求量将会进一步增加，市场将进一步扩大，发展前景十分乐观。
4工艺技术方案简介
4.1碳纤维制备工艺简介
沥青基碳纤维原料主要是石油沥青和煤沥青，而煤沥青又有两种：一种是从煤焦油中提取的煤沥青；另一种是从煤中直接提取的煤沥青。沥青基碳纤维生产程序包括：原料预处理、调质改性（得到各向同性沥青或各向异性沥青）熔融纺丝、不熔化预氧化处理、惰性气氛下高温炭化或石墨化处理。
由各向同性沥青制得的碳纤维是低能级碳纤维即通用级（GPCF），而由各向异性沥青（中间相沥青）制得的是高能级碳纤维（HPCF）。如何把各向同性的普通沥青转变成各向异性的中间相沥青，这是生产高性能级沥青碳纤维的关键。同时，由于纺出的沥青碳纤维不熔化处理是通过化学反应来实现的，因此还要求原料具有一定的化学反应性。且炭化和石墨化时，要考虑碳的收率和石墨化性能，故沥青原料在纺成纤维之前要进行适当的调质改性处理，以调整其化学组成和结构。 4.1.1 沥青原料的前处理
无论是通用级沥青基碳纤维还是中间相沥青基碳纤维，原料沥青都必须精制以脱除其中的一次QI，方法主要采用物理手段，如热溶过滤，离心分离，静置沉降分离，减压蒸馏，溶剂抽提等。用苯或甲苯等溶剂抽提除去轻组分，改变原料的相对分子质量分布，密集生成中间相的组份，利于中间相的转化；超临界抽提和旋转刮膜蒸发法是最近发展起来的两种新的沥青处理方法，具有高效、快速、使馏分分子量分布狭窄等特点。也有采用高温热处理使沥青中劣质活性组份优先形成中间相小球，并吸附沥青熔融相中的游离炭等固体杂质，然后采用热过滤或沉降等方法将其剔除，得到相对分子量分布较为均匀的原料沥青的化学处理方法。 4.1.2 通用级沥青碳纤维的调制
为提高沥青的软化点及可纺性，须对原料沥青进行热处理，常用的方法包括：直接热缩聚法、氧化热缩聚法、与高聚物共聚合方法等。原料沥青经芳烃溶剂分离除去溶剂不溶物及其中的热反应组分后，再在减压条件下，通入氮气进行热处理，便可得到适合纺丝的原料；大阪煤气公司开发了空气吹扫氧化热缩聚法，即用空气或含低浓度氧的气体在100～400℃进行热处理，由于氧分子的交联，沥青缩聚成三维结构的高分子，它们为各向同性的QI，具良好可纺性。煤焦油沥青中添加质量分数0.2～2%的PVC树脂，氧气搅拌加热处理，可在沥青中引入烷基，从而使之具有更高的氧化反应性，促进不熔化处理，同时相对分子质量更大，软化点相应提高，由此制备的碳纤维与未加PVC的原料沥青相比，强度有相当幅度的提高。
4.1.3 高性能沥青碳纤维的调制
对于一般沥青而言，需要进行进一步的调制。针对不同原料的分子组成和结构，合理地进行碳化反应分子设计，有目的地对某些分子群加以修饰和改性，控制原料芳香分子以一个较为缓慢的中等速度缩聚成大尺寸的平面芳香分子，然后在碳化体系的较低粘度下逐渐达到平行堆积形成大尺寸的中间相球体，最后形成大域融并体。其主要方法包括直接热缩聚法、加氢还原法、共碳化法和催化改质法。 4.1.4 沥青的纺丝
制备沥青基碳纤维时，首先要将沥青进行熔融纺丝。熔融纺丝可用喷吹、离心或挤压等方法。喷吹法在熔体流入喷丝头出口处时，喷吹热空气使之与纤维成一定的角度进行牵伸，可制得短沥青纤维。离心法是将熔体落在高速旋转的离心机内，利用离心力的作用使熔体分散牵伸成沥青短纤维。挤压法是将沥青熔体用泵或氮气压力送入纺丝主体，通过剪切力和牵伸力的作用使沥青的稠环芳烃片层大分子沿纤维轴向取向排列。纺丝工艺参数根据沥青的流变性能及要求而定，通常纺丝温度高于软化点30～100℃，纺丝压力最高达几个兆帕，卷绕速度为几十到1000m/min。
4.1.5 沥青基纤维的不熔化、碳化和石墨化处理
由于纺丝沥青是热塑性体，为了在碳化过程中保持其形态和择优取向。必须采用合适的氧化处理方法使之不熔化。不熔化方法主要有气相氧化法（空气、盐酸气、臭氧、NO
2、SO2等）和液相氧化法（硝酸、硫酸、高锰酸钾、过氧化氢等）。通常，不熔化沥青纤维是在空气之类的氧化性气氛中于高温下完成，其起始温度在软化点以下，随热氧化反应的进行，组成沥青纤维的复杂有机分子相互交联，生成不熔不溶体。 为提高纤维的力学性能，不熔化沥青纤维应在惰性气氛中进行碳化或石墨化。通常碳化是指1700℃以下进行热处理，而石墨化则是指在接近3000℃进行热处理。不熔化纤维在低碳化温度时，其含氧官能团以CO2和CO脱离，分子间产生进一步缩聚。在600℃以上伴随脱甲烷脱氢生成焦油状物质的热分解反应进行缩合反应，此时碳平面增长，碳的固有特性得到发展。随碳化温度的升高，单丝的拉伸强度从500℃开始很快增加，而模量直至600℃几乎不变，600℃以上才快速反应。随温度的升，中间相沥青纤维的抗拉强度和模量迅速提高。
4.2建议工艺流程
主要工艺过程
图1煤系沥青基碳纤维工艺流程示意图
煤沥青经溶剂沉降得到精制软沥青，精制软沥青计量进入薄膜蒸发器，载热剂夹套加热，轻沸点产品经过蛇管冷却后回收外销，高软化点沥青即为纺丝沥青，经静态混合器，齿轮泵，过滤器进入喷丝头，同时于喷丝头周边喷入定量定温的热空气，夹带沥青丝进入斜料斗，落入稳定化（即预氧化）金属输送网带上，送入氧化炉，进行预氧化处理。预氧化了的沥青丝，经传送带进入碳化炉，对流通入氮气，进行碳化，生产出合格的煤系沥青基碳纤维。
5项目实施的经济效益和社会效益简要分析
5.1项目实施的经济效益
本项目建成后，年生产沥青基碳纤维1000吨，目前市场沥青基碳纤维售价156元/kg，合15.6万元/吨左右，预计年销售收入15.6亿元，生产成本约7.6亿（详见表2），年销售收入税金及附加2.4亿元，预计可实现利润5.6亿元。
经估算，本项目总投资12亿元，投资回收期2.1年（不含建设期）。 1000吨/年沥青碳纤维项目主要生产成本估算如下： 序号 1 1.1 1.2 2 3 4 5 6 项目名称 原材料 煤沥青 溶剂 燃料及动力 人员工资 管理费 设备折旧 年总成本
单位
吨 吨
人
年耗
10000 4000
150
单价（元）
2500 30000
30000
成本（万元）
14500 2500 12000 50000 450 1000 10000 75950
表2 生产成本估算表
5.2项目实施的社会效益
从目前情况看，该项目的社会效益，主要体现在如下方面：
1、本项目符合国家产业政策，有利于优化地区产业结构，带动周边地区经济发展，增加人民收入。
2、带动相关产业发展。该项目所需建材、原料、包装及服务均可在当地解决，有利于促进建材、机械、建筑、包装、运输、服务等多种产业的发展，激活相关产品生产和服务企业，加快当地经济发展和社会进步。
3、增加就业机会。在项目的建设过程中，可直接为建筑、安装部门提供就业机会，并间接为相关产业提供就业机会；项目建成后，所需工人从当地招聘，分流了当地农村剩余劳动力，缓解社会就业压力，一定程度上维护了社会和谐稳定。
4、促进当地经济发展。项目正常生产后，预计年上缴税金2.4亿元，对当地经济发展将发挥重要作用。
5、该项目的建设，可为建设单位带来可观的经济效益。能够提高煤焦油的利用价值，大大减少环境污染，是典型的煤焦油综合利用工程、节能工程，同时也是可降低区域环境污染的环保工程。是符合当前全球大力提倡的绿色环保能源要求的项目。推动我国精细化工产业的更新换代，为振兴东北老工业基地做出贡献。
