沈萬(wàn)慈,康飛宇,,黃正宏,杜鴻達(dá)
(1.清華大學(xué)材料學(xué)院先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;2.清華大學(xué)深圳研究生院,廣東 深圳 518055)
天然石墨作為重要的戰(zhàn)略資源,我國(guó)具有很大的資源優(yōu)勢(shì)。晶質(zhì)石墨,我國(guó)占有世界資源的70%以上,我國(guó)的晶質(zhì)石墨多為鱗片石墨,易采、易選,產(chǎn)量占世界的2/3以上,是國(guó)際石墨市場(chǎng)的最大供應(yīng)國(guó),年出口20萬(wàn)t左右;微晶石墨,我國(guó)儲(chǔ)量只占世界的1/10,但品質(zhì)好、礦產(chǎn)集中,前些年郴州魯塘石墨礦盲目開采,年產(chǎn)量超過150萬(wàn)t,占世界產(chǎn)量的90%,低價(jià)銷售,導(dǎo)致資源嚴(yán)重浪費(fèi)。近幾年,天然石墨作為重要戰(zhàn)略資源的價(jià)值,越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界及國(guó)家相關(guān)部門的重視,在資源保護(hù)、產(chǎn)業(yè)整合及規(guī)劃等方面,已經(jīng)取得明顯成效。
炭材料被稱為21世紀(jì)最有希望的材料,天然石墨是炭材料的重要組成部分。本世紀(jì)電子信息、新能源、環(huán)保、航天航空等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,給新型炭石墨材料提供了廣闊的市場(chǎng)空間。石墨烯等的新發(fā)現(xiàn)為新型炭石墨材料的研發(fā)提供了新的技術(shù)路線,預(yù)計(jì)未來(lái)十年整個(gè)炭材料領(lǐng)域和(天然)石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì)有一個(gè)新飛躍。
近年來(lái),隨著對(duì)天然石墨作為戰(zhàn)略資源重要性的認(rèn)識(shí)深化,一些有實(shí)力的大型企業(yè)開始重視對(duì)石墨產(chǎn)業(yè)的投入;國(guó)家相關(guān)部門對(duì)天然石墨的資源保護(hù)、科學(xué)利用十分重視,并采取了重大措施支持對(duì)石墨產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整合。石墨產(chǎn)業(yè)原來(lái)的亂象得以改觀,產(chǎn)業(yè)的整合及發(fā)展規(guī)劃落實(shí)成果顯著。
在產(chǎn)業(yè)整合方面,進(jìn)展可喜:2010年,湖南及郴州等政府部門下決心將礦區(qū)停產(chǎn)整頓,中國(guó)建材集團(tuán)戰(zhàn)略投資集中了礦權(quán),建立了南方石墨公司,終止了原來(lái)亂采亂挖的混亂局面,目前已經(jīng)有計(jì)劃地恢復(fù)生產(chǎn);國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨的主要產(chǎn)區(qū)內(nèi)蒙古興和,日新集團(tuán)進(jìn)行了戰(zhàn)略投資,集中了礦權(quán),組建了內(nèi)蒙古瑞盛新能源有限公司,建設(shè)石墨深加工園區(qū);我國(guó)最大的石墨礦區(qū)黑龍江蘿北,中鐵集團(tuán)等已進(jìn)入投資。其他石墨礦產(chǎn)區(qū)也有大企業(yè)進(jìn)行戰(zhàn)略投資,整合資源。
在深加工方面,各個(gè)產(chǎn)區(qū)都進(jìn)行了規(guī)劃:興和深加工工業(yè)園區(qū)已經(jīng)基本建成,部分產(chǎn)品已經(jīng)投產(chǎn);2010年前只有采選初級(jí)產(chǎn)品的黑龍江,不少深加工項(xiàng)目在上馬。國(guó)家也加大了對(duì)石墨產(chǎn)業(yè)的關(guān)注和投入,去年,科技部十二五科技支撐項(xiàng)目“高純石墨材料技術(shù)開發(fā)及其典型應(yīng)用”以黑龍江的企業(yè)、科研院校為主,已經(jīng)開始實(shí)施;工信部發(fā)布了產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入條件,其他部委的項(xiàng)目和措施也在進(jìn)展中。
目前石墨產(chǎn)業(yè)的總體形勢(shì)很好,但是從產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展及技術(shù)的更新、持續(xù)發(fā)展看,整合還需要深入,還有大量的工作要做,重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面。
(1)加強(qiáng)勘探,摸清家底。
天然石墨作為戰(zhàn)略資源不可再生,在許多應(yīng)用領(lǐng)域目前也不可替代。我國(guó)在資源總量,特別是鱗片石墨儲(chǔ)量上具有國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)勢(shì)。但由于礦藏勘探工作滯后,關(guān)于石墨儲(chǔ)量的信息不明確,許多開采多年的礦區(qū)都沒有詳勘數(shù)據(jù)。因此,摸清石墨戰(zhàn)略資源的家底應(yīng)該是當(dāng)務(wù)之急,必須對(duì)現(xiàn)有礦區(qū)進(jìn)行詳勘,對(duì)可能的石墨礦藏進(jìn)行普查。
(2)石墨資源的保護(hù)刻不容緩。
按現(xiàn)在的年產(chǎn)量和儲(chǔ)量數(shù)據(jù),我國(guó)鱗片石墨還有一百年以上的開采期,而微晶石墨按前些年盲目開采的情況,只能維持10~20年。建議首先限制全國(guó)總產(chǎn)量:鱗片石墨(中高碳選礦產(chǎn)品)目前年產(chǎn)80萬(wàn)t左右,應(yīng)該維持這個(gè)水平并且逐步下降;微晶石墨目前郴州停產(chǎn)整合,整合完成后全國(guó)產(chǎn)量應(yīng)控制在50萬(wàn)t左右,逐步調(diào)整到年產(chǎn)30萬(wàn)t左右。
限制總產(chǎn)量首先從限制低端礦產(chǎn)品出口著手,建議禁止微晶石墨原礦出口,限制中高碳鱗片石墨的選礦產(chǎn)品出口。我們不能再犧牲我國(guó)的環(huán)境和資源,讓發(fā)達(dá)國(guó)家廉價(jià)使用我國(guó)資源,深加工后賺取超額利潤(rùn),而它們封存保護(hù)自己的資源。
(3)加強(qiáng)對(duì)石墨產(chǎn)業(yè)的整合,培養(yǎng)龍頭企業(yè)。
目前石墨產(chǎn)業(yè)小、散、亂的局面正在改變,多家有實(shí)力、有戰(zhàn)略眼光的大企業(yè)作為戰(zhàn)略投資者進(jìn)入石墨產(chǎn)業(yè),為石墨產(chǎn)業(yè)的整合提供了條件。整合的目的是要打造石墨產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè),它們以深加工產(chǎn)品為主,建設(shè)成為完整石墨產(chǎn)業(yè)鏈的綜合性現(xiàn)代化企業(yè)。
對(duì)于整合過程,建議:①戰(zhàn)略投資者必須以建設(shè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)(建設(shè)龍頭企業(yè))為主要目的,要限制以拿到資源、包裝上市圈錢為目的的投資;②國(guó)家層面限制新上采選礦項(xiàng)目,規(guī)定企業(yè)新增產(chǎn)值必須以深加工產(chǎn)品為主,鼓勵(lì)在現(xiàn)有資源容量上深加工產(chǎn)品項(xiàng)目;③在整合中必須集中采礦權(quán),采礦權(quán)的分散必然形成惡性競(jìng)爭(zhēng),也無(wú)法形成龍頭企業(yè)。同時(shí),作為戰(zhàn)略資源,礦權(quán)不能由外資控制。
(4)加強(qiáng)行業(yè)組織,發(fā)揮內(nèi)部和上下的溝通作用。
產(chǎn)業(yè)近期的發(fā)展,就是通過戰(zhàn)略投資整合產(chǎn)業(yè),建成幾個(gè)龍頭企業(yè)。它們產(chǎn)業(yè)鏈完整,根據(jù)各自資源的特點(diǎn),以各有側(cè)重的深加工產(chǎn)品為主,并且具有較強(qiáng)的技術(shù)開發(fā)能力,掌握本企業(yè)主要產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過龍頭企業(yè)的帶頭示范作用,完成產(chǎn)品和技術(shù)的更新?lián)Q代。同時(shí)在新形勢(shì)下,協(xié)調(diào)協(xié)會(huì)和新出現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟等組織的關(guān)系,加強(qiáng)行業(yè)組織的作用,協(xié)調(diào)行業(yè)內(nèi)部關(guān)系,促進(jìn)行業(yè)自律。同時(shí)發(fā)揮溝通行業(yè)和政府部門的作用,幫助政府部門進(jìn)行政策引導(dǎo),保證行業(yè)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。
由于我國(guó)冶金鋼鐵業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng),世界鋰離子電池的迅猛發(fā)展,拉動(dòng)對(duì)石墨原料的需求;同時(shí)產(chǎn)業(yè)界、政府對(duì)石墨戰(zhàn)略資源作用的日益重視,使石墨礦產(chǎn)品的價(jià)格迅速攀升,扭轉(zhuǎn)了20多年來(lái)其他礦產(chǎn)品都在漲價(jià)、石墨卻不斷降價(jià)的不正常局面,不僅使石墨行業(yè)效益不斷提高、同時(shí)也使得一些社會(huì)資金不斷涌入石墨行業(yè)。這種大好形勢(shì)對(duì)于石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展當(dāng)然是大好時(shí)機(jī),但是如果不科學(xué)規(guī)劃、合理引導(dǎo),而一味的擴(kuò)大采選量,就可能再次發(fā)生20世紀(jì)80年代末亂采亂挖的“黑色風(fēng)暴”,給石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成重大損失。
我國(guó)是石墨資源大國(guó),但是長(zhǎng)期以來(lái)石墨產(chǎn)業(yè)內(nèi)部低技術(shù)層次的產(chǎn)量、價(jià)格的惡性競(jìng)爭(zhēng),資金和技術(shù)投入嚴(yán)重不足,以生產(chǎn)原礦和選礦的低端產(chǎn)品為主,使得產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期低迷。這種狀況導(dǎo)致我國(guó)石墨深加工技術(shù)和產(chǎn)品落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,資源大國(guó)卻是深加工弱國(guó)。這與我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展很不適應(yīng)。當(dāng)前和今后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期,保護(hù)和科學(xué)利用石墨這種寶貴的戰(zhàn)略資源,發(fā)展石墨深加工技術(shù)和產(chǎn)品是大有可為的一項(xiàng)事業(yè)。
我國(guó)鱗片石墨的深加工技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有一定基礎(chǔ),科技部“八五”至“十一五”國(guó)家科技攻關(guān)、支撐計(jì)劃在非金屬礦、西部開發(fā)項(xiàng)目中分別列入課題,在深加工技術(shù)進(jìn)步上取得明顯成果?,F(xiàn)在,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一批效益良好的(鱗片)石墨深加工企業(yè),規(guī)模最大的柔性石墨企業(yè)主要分布在江浙地區(qū),負(fù)極材料等電池材料企業(yè)主要分布在深圳等珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)。這些企業(yè)原來(lái)與礦產(chǎn)資源企業(yè)只是原料的供需關(guān)系,現(xiàn)在也與資源企業(yè)開展了合作,如寧波的柔性石墨專業(yè)廠商信遠(yuǎn)公司、深圳的負(fù)極材料專業(yè)廠商貝特瑞公司都與黑龍江企業(yè)合作參加了“十二五”科技支撐項(xiàng)目。鱗片石墨的深加工企業(yè)在山東有很多家,在內(nèi)蒙古、湖北、河南、福建等也有一些企業(yè)。
我國(guó)原來(lái)微晶石墨的深加工技術(shù)基本空白。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn),由于微晶石墨的晶體微小(≤1μm),每個(gè)石墨顆粒中有很多微晶無(wú)序堆積,使得顆粒表現(xiàn)出各向同性。這使得它成為鋰離子電池(特別是動(dòng)力電池)負(fù)極材料和各向同性石墨的極好原料,在新能源、核能、軍工等高新技術(shù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。清華大學(xué)在這方面進(jìn)行了原創(chuàng)性的科技研究與開發(fā),正在與相關(guān)企業(yè)合作建設(shè)微晶石墨提純、深加工產(chǎn)品的生產(chǎn)線。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展對(duì)石墨新材料的需求及中央、地方及企業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,近期內(nèi)建議產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,以深加工為主,實(shí)現(xiàn)一些重要工程項(xiàng)目,建設(shè)完整產(chǎn)業(yè)鏈,引導(dǎo)石墨產(chǎn)業(yè)健康科學(xué)地發(fā)展。
工程項(xiàng)目的目標(biāo),一是陳舊技術(shù)設(shè)備的改造;二是目前炭石墨材料發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)產(chǎn)品,如鋰離子電池負(fù)極材料、各向同性石墨、高導(dǎo)熱石墨等的產(chǎn)業(yè)化、集約化。
項(xiàng)目的投入應(yīng)該以政府投入為引導(dǎo)、企業(yè)投入為主體、全社會(huì)共同投入為補(bǔ)充的多元化科技投融資體系。一些工程項(xiàng)目,作為政府的引導(dǎo)已納入科技支撐項(xiàng)目,這并不妨礙其他企業(yè)根據(jù)自己的資源條件和資金、技術(shù)、市場(chǎng)能力選擇項(xiàng)目,發(fā)展自己的產(chǎn)業(yè)鏈。
(1)石墨采選礦技術(shù)設(shè)備的更新?lián)Q代。
我國(guó)的石墨采選礦技術(shù)設(shè)備從20世紀(jì)60年代以來(lái)基本沒有進(jìn)步,在能耗和礦物回收率方面大大落后于其他礦種。石墨采選礦技術(shù)設(shè)備相對(duì)其他礦種要簡(jiǎn)單,但由于產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期效益低,資金缺乏,沒有更新?lián)Q代。建議有實(shí)力的礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院與采選企業(yè)結(jié)合,引進(jìn)其他礦種的先進(jìn)采選礦技術(shù)設(shè)備,設(shè)計(jì)建設(shè)先進(jìn)的石墨采選礦生產(chǎn)線,在能耗、回收率、大鱗片保護(hù)、水資源節(jié)約利用、尾礦處理等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上有顯著改善。運(yùn)行成功后在產(chǎn)業(yè)內(nèi)推廣,并將先進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為行業(yè)準(zhǔn)入和淘汰落后技術(shù)裝備的指標(biāo)。
(2)建設(shè)先進(jìn)的規(guī)?;峒兩a(chǎn)線。
國(guó)內(nèi)已經(jīng)具有環(huán)保節(jié)能的先進(jìn)酸堿法提純和節(jié)能型高溫提純技術(shù),建議政府引導(dǎo),產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,針對(duì)資源特點(diǎn),建設(shè)不同類型的規(guī)?;峒兩a(chǎn)線。嚴(yán)格限制化學(xué)提純中嚴(yán)重污染環(huán)境的氫氟酸的使用。
(3)鋰電天然石墨負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模化及動(dòng)力、儲(chǔ)能型電池負(fù)極材料的研發(fā)。
國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了鱗片石墨球形化后制備負(fù)極材料的企業(yè),如貝特瑞等;清華大學(xué)等院校具有了以微晶石墨制備負(fù)極材料的技術(shù),但產(chǎn)業(yè)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量還不能滿足鋰離子電池迅速發(fā)展的需求。國(guó)內(nèi)大批生產(chǎn)的球形石墨主要出口日本及韓國(guó),供國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量負(fù)極材料。建議依托資源,把天然石墨鋰離子電池負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)?;⑨槍?duì)不同檔次電池需求,研發(fā)不同品質(zhì)負(fù)極材料,使產(chǎn)品系列化;研發(fā)安全、長(zhǎng)壽命的天然石墨動(dòng)力型、儲(chǔ)能型電池負(fù)極材料。隨著鋰離子電池需求的迅猛增長(zhǎng),負(fù)極材料的市場(chǎng)前景十分廣闊。
(4)天然石墨基各向同性石墨的產(chǎn)業(yè)化。
各向同性石墨廣泛應(yīng)用于核能、硅晶制備、電火花加工、連續(xù)鑄鋼、航空航天等領(lǐng)域,是炭材料的高端產(chǎn)品、戰(zhàn)略物資。我國(guó)目前所需的各向同性石墨2/3依靠進(jìn)口。傳統(tǒng)技術(shù)制備各向同性石墨技術(shù)復(fù)雜、成本高。微晶石墨礦物顆粒本身具有各向同性性,是制備各向同性石墨的很好原料,而且能簡(jiǎn)化工藝、降低成本,已經(jīng)制備出工業(yè)尺寸的樣品,各向同性參數(shù)達(dá)到1.04(要求最高的核石墨1.05);鱗片石墨球形化后,也具有制備各向同性石墨的潛在可能。清華大學(xué)等已經(jīng)具有自己原創(chuàng)的專利技術(shù),正與企業(yè)合作實(shí)施產(chǎn)業(yè)化。
(5)天然石墨基高導(dǎo)熱材料。
電子設(shè)備的小型化,要求電子器件的集成度越來(lái)越高,使得散熱成為IT產(chǎn)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)輕質(zhì)高導(dǎo)熱材料需求越來(lái)越大。柔性石墨作為均熱導(dǎo)熱材料已廣泛用于LED顯示器及許多電子產(chǎn)品;利用天然石墨的優(yōu)良導(dǎo)熱性,制備導(dǎo)熱性與銅相當(dāng)或更高,而密度只有銅1/4的高端導(dǎo)熱材料,武漢科技大學(xué)、山西煤化所、清華大學(xué)等已有相關(guān)技術(shù),建議產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
(6)柔性石墨產(chǎn)品的系列化研究。
我國(guó)柔性石墨的生產(chǎn)已經(jīng)具有一定規(guī)模,并且與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)有多項(xiàng)合作。但我國(guó)的產(chǎn)品多為中低端產(chǎn)品,品種規(guī)格不到國(guó)外的1/5。建議產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合,針對(duì)使用要求研發(fā)高端產(chǎn)品,完善品種規(guī)格,使之系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。
(7)膨脹石墨環(huán)保材料的產(chǎn)業(yè)化。
膨脹石墨對(duì)水體污染的吸附治理作用,已有大量的研究成果,在治理水體的油品、有機(jī)物污染上,膨脹石墨遠(yuǎn)比現(xiàn)在使用的普通活性炭有效、經(jīng)濟(jì)。但膨脹石墨不便運(yùn)輸,需要在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)制備。膨脹石墨環(huán)保材料的制備、使用、回收、再生有一定的技術(shù)難度,加之過去對(duì)環(huán)保不夠重視,膨脹石墨環(huán)保材料一直沒能產(chǎn)業(yè)化。黨的十八大提出了建設(shè)美麗中國(guó),加大了環(huán)保力度,使得膨脹石墨環(huán)保材料的產(chǎn)業(yè)化成為可能?,F(xiàn)在膨脹石墨環(huán)保材料的產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備,可以從兩個(gè)技術(shù)層面進(jìn)行這項(xiàng)工程。
在水污染企業(yè),如鋼鐵、化工、印染、食品等企業(yè)集中的地區(qū),建設(shè)膨脹石墨環(huán)保材料制備、使用、回收、再生的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。膨脹石墨環(huán)保材料與其他治理方法的配合使用,將使水污染的治理程度和效益大大提升。
對(duì)日益頻發(fā)的油品和有機(jī)物水體污染突發(fā)事件,建造綜合性水域環(huán)保專用船舶,把傳統(tǒng)的圍欄、抽吸等治理手段與膨脹石墨高效吸油性能結(jié)合起來(lái),提高治污能力。這是涉及跨部門、跨學(xué)科的系統(tǒng)性工程,涉及的管理部門有船舶、海洋(海事)、環(huán)保等,涉及到學(xué)科技術(shù)有機(jī)械、材料、化工、熱工、環(huán)保等。這是一項(xiàng)難度很大的工程,但是建成以后在環(huán)保效益、技術(shù)水平上將是世界領(lǐng)先的。
從長(zhǎng)期發(fā)展看,我國(guó)炭材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)目前狀況很不合理。過去計(jì)劃經(jīng)濟(jì)條塊分割,把炭材料割裂成炭素、電炭、石墨、炭黑、活性炭、碳纖維等分屬不同部門的小行業(yè),使得資源、技術(shù)力量、資金不能合理利用。而在先進(jìn)國(guó)家,如德國(guó)西格里、日本東洋炭素、美國(guó)UCAR、法國(guó)羅蘭等大型炭材料企業(yè),都是跨越好幾種炭材料,既有人工炭石墨材料,也有天然石墨材料,具有強(qiáng)大的資金、技術(shù)、市場(chǎng)能力,有的成為跨國(guó)的巨型企業(yè)。
隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的完善,資金、資源的引導(dǎo)將會(huì)使我國(guó)相關(guān)炭石墨材料的不同產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步整合,發(fā)展成為綜合性的炭材料大產(chǎn)業(yè)。將出現(xiàn)一批涵蓋炭材料科技多個(gè)領(lǐng)域,有強(qiáng)大產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新能力的綜合性大型企業(yè),這種大型企業(yè)很可能是技術(shù)領(lǐng)先的人工炭石墨材料企業(yè)與技術(shù)領(lǐng)先的天然石墨材料企業(yè)相融合的結(jié)果。
從技術(shù)角度看,近期的(天然石墨基)各向同性石墨、高導(dǎo)熱材料是天然石墨產(chǎn)業(yè)與人工炭材料產(chǎn)業(yè)的融合;未來(lái)5~10年或再長(zhǎng)一些時(shí)間,隨著石墨烯應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和成熟,石墨烯的制備和應(yīng)用將可能成為一個(gè)快速成長(zhǎng)的大市場(chǎng),前景廣闊。
從目前的研發(fā)成果看,天然石墨是很好的制備石墨烯的原料。石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化,將會(huì)是新型炭材料的又一個(gè)大進(jìn)展。