王亚杰等：中国yperCoal清洁高值化应用研究现状与展望 ·1753· 成为制约我国钢铁工业发展的重要因素.因此，提 了很大的可能性Ps-3别目前，HPC在配煤炼焦中的 高低阶煤的性能以部分替代黏结煤成为现代钢铁 应用主要分为两个技术路线，如图3所示.一是传 工业的一个重要课题.我国低阶煤储量大，超过 统的焦化工艺，在配煤时配加一定量的HPC,可在 456亿吨，占全国煤炭资源总储量的56%.然而，这 保证焦炭质量不变的情况下多使用弱黏煤，或在相 种煤由于其高水分、高灰分和不结块性，在焦化工 同配煤结构下提高焦炭反应后强度；另一个是热压 业中难以利用.HPC主要由储量丰富、价格低廉的 成型工艺，将HPC用作热态的黏结剂，利用其热塑 低阶煤萃取而来，而且具有极佳的热塑性和黏结 性在一定温度下和弱黏煤一起成型，这样可以在不 性，这为其替代肥煤、焦煤等稀缺炼焦煤资源提供 使用炼焦煤的情况下获得高强度的热压型煤 HPC Mixture Carbonization Coking Route 1: coal Iron rod (900-1100℃) Weakly ●。caking coal Sample Crucible coke High-temperature tube furnace Universal →testing machine 。 HPC →Indenter Mixture Hot-pressing →Heating furnace Route 2: →Mould Weakly ●。caking coal →Sample(650-450℃) Hot-pressed coal briquette Hot-pressing device 图3HPC用于配煤炼焦的主要技术路线 Fig.3 Main technical routes of HPC utilization for coal blending and coking 1.4制备高级炭材方面 (2)活性炭.由于具有比容量大、功率密度 基于HPC的一些独特性能，HPC可以用于高 高、循环寿命长、可快速充放电、对环境无污染以 级炭材的制备，如碳纤维、活性炭和石墨电极等 及低温性能好等优点，双电层电容器(Electric (1)碳纤维.碳纤维是一种碳质量分数在90% double layer capacitor,.EDLC)已广泛应用于存储器 以上的高强度高模量纤维，具有耐高温、抗摩擦、 的后备电源、电动工具、太阳能发电和国防等领 导电、导热及耐腐蚀等特性，可作为增强材料与树 域.EDLC是一种蓄电装置，可通过在电极和电解 脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进的复合材 质之间的界面处吸附电解质离子以形成双电层来 料，已在航空航天、体育用品、高端汽车和特殊工 存储电荷.双电层的产生依赖于电解质离子的物 业等领域得到应用.目前，碳纤维主要是由聚丙烯 理吸附和解吸，并且不涉及化学反应，因此可实现 腈前体制造的，而少量的碳纤维是由沥青，尤其是 快速充放电，并且少量多次的充放电并不会使电 中间相衍生而来的但是，由于前体材料的高昂 容显著减小.因此，EDLC电容的大小主要取决于 成本及其相关的加工成本，碳纤维仍然是一种特 电极表面上形成的双电层.其中，具有高比表面积 殊产品，仅在有限的领域得到应用.尽管可通过改 的活性炭是EDLC电极材料的理想选择.HPC的 性这些前体来降低成本，但仍面临沥青产量低、碳 灰分很低，而且来源广泛、价格低廉，非常适合制 化率低和可纺性差等问题.与煤焦油和FCC-DO 备高比表面积的活性炭7-川 等前体材料相比，HPC非常便宜，因为它是煤的直 (3)石墨电极.由于具有高容量、高电压、高 接提取物，同时HPC也具有较高的芳烃含量和较 循环稳定性、高能量密度、无环境污染等优点，锂 低的灰分含量，以及比原煤较高的热值和出色的 离子电池(LB)已广泛应用于各种便携式电子产 热塑性，因此可以用作黏合剂，是制备沥青基碳纤 品，并且已经开始向动力电池方向发展四.LB主 维的有效且廉价的原材料33- 要由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成.LIB成为制约我国钢铁工业发展的重要因素. 因此，提 高低阶煤的性能以部分替代黏结煤成为现代钢铁 工业的一个重要课题. 我国低阶煤储量大，超过 456 亿吨，占全国煤炭资源总储量的 56%. 然而，这 种煤由于其高水分、高灰分和不结块性，在焦化工 业中难以利用. HPC 主要由储量丰富、价格低廉的 低阶煤萃取而来，而且具有极佳的热塑性和黏结 性，这为其替代肥煤、焦煤等稀缺炼焦煤资源提供 了很大的可能性[25−31] . 目前，HPC 在配煤炼焦中的 应用主要分为两个技术路线，如图 3 所示. 一是传 统的焦化工艺，在配煤时配加一定量的 HPC，可在 保证焦炭质量不变的情况下多使用弱黏煤，或在相 同配煤结构下提高焦炭反应后强度；另一个是热压 成型工艺，将 HPC 用作热态的黏结剂，利用其热塑 性在一定温度下和弱黏煤一起成型，这样可以在不 使用炼焦煤的情况下获得高强度的热压型煤. HPC Mixture Mixture Iron rod Sample Coking Route 1: coal Route 2: Weakly caking coal HPC Weakly caking coal High-temperature tube furnace Universal testing machine Indenter Heating furnace Mould Sample Hot-pressing device Hot-pressing Hot-pressed coal briquette (350−450 ℃) (900−1100 ℃) Carbonization Crucible coke 图 3    HPC 用于配煤炼焦的主要技术路线 Fig.3    Main technical routes of HPC utilization for coal blending and coking 1.4    制备高级炭材方面 基于 HPC 的一些独特性能，HPC 可以用于高 级炭材的制备，如碳纤维、活性炭和石墨电极等. （1）碳纤维. 碳纤维是一种碳质量分数在 90% 以上的高强度高模量纤维，具有耐高温、抗摩擦、 导电、导热及耐腐蚀等特性，可作为增强材料与树 脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进的复合材 料，已在航空航天、体育用品、高端汽车和特殊工 业等领域得到应用. 目前，碳纤维主要是由聚丙烯 腈前体制造的，而少量的碳纤维是由沥青，尤其是 中间相衍生而来的[32] . 但是，由于前体材料的高昂 成本及其相关的加工成本，碳纤维仍然是一种特 殊产品，仅在有限的领域得到应用. 尽管可通过改 性这些前体来降低成本，但仍面临沥青产量低、碳 化率低和可纺性差等问题. 与煤焦油和 FCC-DO 等前体材料相比，HPC 非常便宜，因为它是煤的直 接提取物，同时 HPC 也具有较高的芳烃含量和较 低的灰分含量，以及比原煤较高的热值和出色的 热塑性，因此可以用作黏合剂，是制备沥青基碳纤 维的有效且廉价的原材料[33−36] . （ 2）活性炭. 由于具有比容量大、功率密度 高、循环寿命长、可快速充放电、对环境无污染以 及低温性能好等优点 ，双电层电容器 （ Electric double layer capacitor，EDLC）已广泛应用于存储器 的后备电源、电动工具、太阳能发电和国防等领 域. EDLC 是一种蓄电装置，可通过在电极和电解 质之间的界面处吸附电解质离子以形成双电层来 存储电荷. 双电层的产生依赖于电解质离子的物 理吸附和解吸，并且不涉及化学反应，因此可实现 快速充放电，并且少量多次的充放电并不会使电 容显著减小. 因此，EDLC 电容的大小主要取决于 电极表面上形成的双电层. 其中，具有高比表面积 的活性炭是 EDLC 电极材料的理想选择. HPC 的 灰分很低，而且来源广泛、价格低廉，非常适合制 备高比表面积的活性炭[37−41] . （3）石墨电极. 由于具有高容量、高电压、高 循环稳定性、高能量密度、无环境污染等优点，锂 离子电池（LIB）已广泛应用于各种便携式电子产 品，并且已经开始向动力电池方向发展[42] . LIB 主 要由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成. LIB 王亚杰等： 中国 HyperCoal 清洁高值化应用研究现状与展望 · 1753 ·