煤焦油沥青基碳纤维的制造与加工成本分析

碳纤维复合材料在国外应用已经有近60年的历史，其在航空航天、汽车工业、风电叶片等领域的应用极大促进了产业升级，而在应用研究中，碳纤维复合材料从设计到应用经历了漫长的过程。

本文来源于美国橡树岭国家实验室近期发布的一篇技术报告，介绍了有关煤焦油沥青基碳纤维开发的技术进展，对煤沥青基碳纤维与传统PAN基碳纤维的成本进行了对比分析。

煤炭是一种多用途的资源，它在历史上推动了工业革命、运输和能源生产，并持续满足对电力的需求。美国拥有世界上最大的煤炭储量，煤炭质量高，回收成本低（即0.03美元/千克至0.10美元/千克）。然而，随着资源逐渐转向天然气和可再生能源，发电用煤的需求有所下降，这种下滑影响了美国煤炭行业的经济活力。

美国拥有丰富煤炭资源

从历史上看，美国国内对煤炭的需求主要是由电力部门推动的，电力部门约占总需求的93%，其次是工业用途（主要用于水泥和化学品）和钢铁生产（焦炭）。煤的复杂、致密的碳化学结构，丰富的供应以及稳定、低廉的价格使其在多种增值非燃料煤产品（如纳米材料价格为20000~100000美元/千克，通用级碳纤维价格为22~33美元/千克）以及升级的煤炭燃料中具有巨大的应用潜力。
      煤炭可以通过采用炭化、气化、液化三大转化路线，使其加工成为燃料、化工、碳纤维、石墨电极、炼铝厂电极等高附加值煤炭产品。在高价值煤炭产品中，沥青碳纤维被认为是潜在的高价值煤炭产品之一，其全球需求预计将在2022年达到约12万吨（约45亿美元）。
      该技术报告侧重于从能源、排放和经济/成本方面对其可持续制造进行初步的技术经济分析。报告中通过两种不同工艺（RC工艺和传统焦炭工艺）对煤焦油沥青的具体能量估算分别为56和38兆焦耳/千克，而传统PAN前驱体的具体能量估算为94兆焦耳/千克。

传统PAN基碳纤维与煤沥青基碳纤维能耗对比

使用生命周期分析SimaPro软件，对沥青碳纤维和传统PAN碳纤维进行了从原煤开采到最终碳纤维制造的能源估算，从原始的各向同性沥青开始，然后依次转化为中间相煤沥青前驱体，最后进行多步自动最终碳转化。常规PAN碳纤维生产将产生1188兆焦耳/千克能量，而沥青碳纤维制造的总体现能量比其低2.4～2.5倍；而且煤沥青纤维的最终碳纤维转化率为74%，而聚丙烯腈纤维的最终碳纤维转化率为45%。

煤沥青基碳纤维成本组成

利用工业初步处理数据，对煤沥青基碳纤维的制造成本进行了估算，包括两个主要工艺步骤：将各向同性沥青转化为中间相沥青前体熔融纺丝，然后再利用多步间歇带式烘箱中进行碳纤维最终制造。根据分析，基于沥青原料初始成本3.30美元/千克，预计中间相沥青前驱体成本为4.52美元/千克，最终对于生产产能为750吨/年50k规格碳纤维产线，其碳纤维成本约为10.29美元/千克。
      与之相比，PAN基碳纤维价格为18~22美元/千克，纤维前体成本占纤维总成本的50%以上。因此，与传统PAN基碳纤维相比，煤沥青碳纤维的74%纤维转化率提供了明显降低碳纤维成本的方案。