中國HyperCoal清潔高值化應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望

王亞杰，左海濱，王京秀，白凱凱，陳建生，榮 濤

北京科技大學鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083

我國是一個煤炭大國，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的地位. 根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，2020年我國的一次能源生產(chǎn)總量為40.8億噸標準煤，其中原煤的產(chǎn)量為27.6億噸標準煤，占比為67.6%，而一次電力及其他能源的產(chǎn)量僅為8.0億噸標準煤，占比為19.6%；能源消費總量為49.8億噸，其中煤炭占能源消費總量的56.8%，石油的占比為18.9%，天然氣的占比為8.4%，一次電力及其他能源的占比為15.9%. 目前，我國煤炭的主要利用方式是直接燃燒發(fā)電和工業(yè)供熱，總體上效率很低，同時造成了嚴重的環(huán)境污染和大量的溫室氣體排放. 據(jù)統(tǒng)計，2015年中國燃燒煤炭排放的SO2、CO2、NOx、粉塵排放量分別占全國總排放比例的85%，85%，67%和70%[1]. 大量直接燃煤造成的城市大氣污染，過度消耗生物質(zhì)引起的農(nóng)村生態(tài)環(huán)境破壞，以及CO2溫室氣體排放是中國的主要問題，這已成為國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約因素. 因此，大力發(fā)展清潔煤技術(shù)，采用污染少、效率高的方式將煤炭加工、燃燒和轉(zhuǎn)化不僅有利于國民經(jīng)濟的良性發(fā)展，也符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求.

然而，煤中過高的灰分含量則限制了一些潔凈煤技術(shù)的推廣. 煤炭灰分不僅會增加運輸成本和洗選難度，也會降低使用效率，造成環(huán)境污染等問題. 因此，降低煤炭中的灰分含量已成為煤炭清潔高效利用的一個重要課題. 煤炭的脫灰技術(shù)主要分為兩種，一是傳統(tǒng)的物理脫灰，二是精制脫灰[2].傳統(tǒng)的物理脫灰主要是對灰分進行初步脫除，如跳汰法、重介法和浮選法等，此過程會產(chǎn)生大量的煤矸石、粉煤灰和爐渣等固體廢棄物. 精制脫灰一般是建立在傳統(tǒng)脫灰的基礎(chǔ)上，主要分為物理法和化學法，物理法有密度液洗選、浮選柱浮選、選擇性團聚法、摩擦靜電法等，化學方法有酸洗法和堿洗法等[3?4]. 然而，這些方式的脫灰效率普遍很低，脫灰效果并不理想，也容易造成環(huán)境污染問題[5]. 日本神戶制鋼開發(fā)的HyperCoal（HPC）技術(shù)，利用溶劑萃取技術(shù)從原煤中得到一種高性能煤衍生物，可以將煤的灰分降至0.02%以下[6]. 目前，HPC主要由低階煤萃取而來，這是因為低階煤的儲量十分豐富，且萃取率較高. 研究發(fā)現(xiàn)，HPC具有低灰、低水、高熱值、高反應(yīng)性、良好熱塑性、環(huán)境友好等特性，是一種非常有潛力的煤衍生物[7?8].

基于此，本文歸納了HPC在清潔高值利用方面的多種應(yīng)用途徑，對目前HPC在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了總結(jié)和評價，并概述了本科研團隊在擴展HPC應(yīng)用領(lǐng)域做出的努力和取得的重要研究成果，指出了目前HPC在推廣和應(yīng)用中遇到的問題，并對HPC的未來發(fā)展方向提出了獨特的見解.

1 HPC 的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 燃燒方面

燃煤發(fā)電是煤炭的主要利用方式之一，尤其是像中國這樣的煤炭大國，每年用于電力行業(yè)的煤炭超過20億噸. 然而，燃燒煤炭時會產(chǎn)生大量的SO2、NOx、煙塵、汞及其化合物等物質(zhì)，嚴重污染大氣環(huán)境. 直接碳燃料電池（Direct carbon fuel cell，DCFC）是一種可以將煤炭直接轉(zhuǎn)化為電能的清潔技術(shù). DCFC是一種特殊類型的高溫燃料電池，它直接使用固體碳作為陽極和燃料，通過氧氣和碳燃料之間的電化學反應(yīng)獲得能量，并產(chǎn)生電能. DCFC的實際能量轉(zhuǎn)化效率為80%，約為普通燃煤發(fā)電站的兩倍. 然而，煤中可能包含大量雜質(zhì)，例如 Al2O3、SiO2、SOx等，這會抑制陽極反應(yīng)，引起電池元件的腐蝕等問題，因此，需要對煤進行潔凈化處理. 如圖1所示，由于灰分低、雜質(zhì)少，HPC是適應(yīng)DCFC要求的一種有效且廉價的燃料來源[9?12].

圖1 HPC作為燃料用于直接碳燃料電池的工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct carbon fuel cell using HPC as fuel

煤炭在燃燒過程中會排放大量的溫室氣體CO2，這是導(dǎo)致全球氣候變暖的重要原因之一. 傳統(tǒng)的CO2減排技術(shù)，如吸收、吸附和膜分離等，通常需要消耗大量的能量，才能將CO2從混合氣體中分離. 化學循環(huán)燃燒（Chemical looping combustion，CLC）是一種低能耗的CO2零排放燃燒技術(shù)，可以通過組合式反應(yīng)器設(shè)計將燃料的直接燃燒過程分解，既可以達到相同的凈反應(yīng)熱熱值，又可以實現(xiàn)CO2的自動分離和純化，避免了高能耗的氣體分離過程，同時也沒有NOx產(chǎn)生，因而受到廣泛的關(guān)注[12]. CLC由兩個相互連接的流化床反應(yīng)器組成，分別為空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器，固體氧載體可以在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器之間循環(huán)使用. 在CLC中，金屬氧化物會提供燃料燃燒所需的化學計量的氧氣，從而產(chǎn)生CO2和H2O，其中，CO2可以通過以較少的能量參與冷凝水蒸氣而容易回收，從而以幾乎不消耗能量的方式隔離二氧化碳.目前，灰燼沉積以及灰燼對氧載體的污染是限制固體燃料CLC發(fā)展的一個主要問題. 因此，HPC成為了固體燃料CLC的理想燃料[13?14].

1.2 氣化和液化方面

由于原油價格的不斷上漲以及對煤炭清潔高效利用的迫切需求，通過氣化和液化的方式將煤炭轉(zhuǎn)化為清潔產(chǎn)品受到了廣泛的關(guān)注. 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated gasification combined cycle,IGCC）是一種將煤炭氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)，目前已有許多規(guī)模在50～600 MW的IGCC電廠成功運行[15]. 該系統(tǒng)主要由煤的氣化和凈化以及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩部分組成. 作為IGCC系統(tǒng)中的重要組成部分，煤的氣化在低于900 ℃的溫度下，除非進行催化劑輔助，否則轉(zhuǎn)化動力學通常較慢[16]. 然而，在煤炭的催化氣化過程中，煤中的灰分會與催化劑發(fā)生相互作用，導(dǎo)致催化劑失去活性. 因此，煤氣化過程中產(chǎn)生的大量粉煤灰和爐渣是導(dǎo)致IGCC電廠發(fā)生停機事故的重要原因[17]. 與之相似的是，在煤炭的液化過程中，焦炭和灰分也會沉積到催化劑表面上而導(dǎo)致其失活，反應(yīng)混合物中礦物質(zhì)的存在也會導(dǎo)致固體顆粒的積聚并最終使設(shè)備損壞，包括液化反應(yīng)器、分離器和管道等. 因此，提前將煤中的灰分去除可以提高氣化和液化效率，減少催化劑的損失和停機事故的發(fā)生. 于是，HPC成為了煤炭氣化和液化的理想原料[18?24]. 圖2為HPC在IGCC系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖.

圖2 HPC在IGCC系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.2 Application of HPC in IGCC system

1.3 煉焦配煤方面

焦炭是高爐冶煉過程的關(guān)鍵原料，主要起到還原劑、發(fā)熱劑、滲碳劑和料柱骨架的作用. 焦炭一般由煉焦煤（氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤等）通過焦化工藝制成. 2019年我國的煉焦煤需求量為5.21億噸，而產(chǎn)量僅為4.59億噸，遠不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，而且這一差距正在逐年加大. 按目前煉焦原煤消耗計算，我國的煉焦煤儲量僅能滿足幾十年的煉焦需求. 特別是自2010以來，國家加大了對土焦窯的清理力度，關(guān)停了大量不符合生產(chǎn)標準的煉焦企業(yè). 焦炭的生產(chǎn)成本大幅增加，給鋼鐵企業(yè)帶來了巨大的壓力. 隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保要求的日益嚴格，對低灰分、高強度焦炭的需求不斷增加，優(yōu)質(zhì)焦煤資源短缺和焦炭生產(chǎn)過程造成的污染已成為制約我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要因素. 因此，提高低階煤的性能以部分替代黏結(jié)煤成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的一個重要課題. 我國低階煤儲量大，超過456億噸，占全國煤炭資源總儲量的56%. 然而，這種煤由于其高水分、高灰分和不結(jié)塊性，在焦化工業(yè)中難以利用. HPC主要由儲量豐富、價格低廉的低階煤萃取而來，而且具有極佳的熱塑性和黏結(jié)性，這為其替代肥煤、焦煤等稀缺煉焦煤資源提供了很大的可能性[25?31]. 目前，HPC在配煤煉焦中的應(yīng)用主要分為兩個技術(shù)路線，如圖3所示. 一是傳統(tǒng)的焦化工藝，在配煤時配加一定量的HPC，可在保證焦炭質(zhì)量不變的情況下多使用弱黏煤，或在相同配煤結(jié)構(gòu)下提高焦炭反應(yīng)后強度；另一個是熱壓成型工藝，將HPC用作熱態(tài)的黏結(jié)劑，利用其熱塑性在一定溫度下和弱黏煤一起成型，這樣可以在不使用煉焦煤的情況下獲得高強度的熱壓型煤.

圖3 HPC用于配煤煉焦的主要技術(shù)路線Fig.3 Main technical routes of HPC utilization for coal blending and coking

1.4 制備高級炭材方面

基于HPC的一些獨特性能，HPC可以用于高級炭材的制備，如碳纖維、活性炭和石墨電極等.

（1）碳纖維. 碳纖維是一種碳質(zhì)量分數(shù)在90%以上的高強度高模量纖維，具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，可作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制造先進的復(fù)合材料，已在航空航天、體育用品、高端汽車和特殊工業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用. 目前，碳纖維主要是由聚丙烯腈前體制造的，而少量的碳纖維是由瀝青，尤其是中間相衍生而來的[32]. 但是，由于前體材料的高昂成本及其相關(guān)的加工成本，碳纖維仍然是一種特殊產(chǎn)品，僅在有限的領(lǐng)域得到應(yīng)用. 盡管可通過改性這些前體來降低成本，但仍面臨瀝青產(chǎn)量低、碳化率低和可紡性差等問題. 與煤焦油和FCC-DO等前體材料相比，HPC非常便宜，因為它是煤的直接提取物，同時HPC也具有較高的芳烴含量和較低的灰分含量，以及比原煤較高的熱值和出色的熱塑性，因此可以用作黏合劑，是制備瀝青基碳纖維的有效且廉價的原材料[33?36].

（2）活性炭. 由于具有比容量大、功率密度高、循環(huán)壽命長、可快速充放電、對環(huán)境無污染以及低溫性能好等優(yōu)點，雙電層電容器（Electric double layer capacitor，EDLC）已廣泛應(yīng)用于存儲器的后備電源、電動工具、太陽能發(fā)電和國防等領(lǐng)域. EDLC是一種蓄電裝置，可通過在電極和電解質(zhì)之間的界面處吸附電解質(zhì)離子以形成雙電層來存儲電荷. 雙電層的產(chǎn)生依賴于電解質(zhì)離子的物理吸附和解吸，并且不涉及化學反應(yīng)，因此可實現(xiàn)快速充放電，并且少量多次的充放電并不會使電容顯著減小. 因此，EDLC電容的大小主要取決于電極表面上形成的雙電層. 其中，具有高比表面積的活性炭是EDLC電極材料的理想選擇. HPC的灰分很低，而且來源廣泛、價格低廉，非常適合制備高比表面積的活性炭[37?41].

（3）石墨電極. 由于具有高容量、高電壓、高循環(huán)穩(wěn)定性、高能量密度、無環(huán)境污染等優(yōu)點，鋰離子電池（LIB）已廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品，并且已經(jīng)開始向動力電池方向發(fā)展[42]. LIB主要由正極、負極、電解液和隔膜等部分組成. LIB的能量密度在很大程度上取決于負極材料，目前商用LIB的典型負極材料是石墨，這是因為它具有出色的電化學穩(wěn)定性、理想的充電和放電平臺、高庫侖效率和低廉的價格等優(yōu)點. 由于天然的優(yōu)質(zhì)石墨儲量十分有限，因此人造石墨是LIB的負極材料的重要來源，主要生產(chǎn)方式包括高溫轉(zhuǎn)化、低溫催化和熔鹽電解等. 其中，高溫轉(zhuǎn)化需要消耗大量的能量，低溫催化會帶入大量的金屬雜質(zhì)，而熔鹽電化學轉(zhuǎn)化可以克服上述缺點. HPC由于雜質(zhì)元素少，因此是熔鹽電解的理想原料.圖4為通過高溫電化學手段將HPC轉(zhuǎn)化為石墨的示意圖[43].

圖4 HPC在高溫電化學中轉(zhuǎn)化為石墨的示意圖[43]Fig.4 Schematic diagram of HPC utilization in high-temperature electrochemical conversion to graphite[43]

2 國內(nèi) HPC 的應(yīng)用研究進展

目前，國內(nèi)對HPC的萃取過程研究相對較多，但關(guān)于應(yīng)用的研究相對較少，在一些領(lǐng)域仍處于空白階段. 華北理工大學樊麗華教授研究團隊長期從事煤的高溫萃取研究，將萃取得到的無灰煤用于制備雙電層電容器的活性炭材料和配煤煉焦. 郭秉霖等[44]以內(nèi)蒙古褐煤為原料，N-甲基吡咯烷酮為萃取劑，在不同溫度下萃取制備無灰煤，利用KOH活化法制備活性炭，以330 ℃下萃取出的無灰煤為原料，在堿煤質(zhì)量比3∶1，活化溫度650 ℃，活化時間2 h的條件下，對應(yīng)的活性炭比表面積高達 1252 m2·g?1，在 3 mol·L?1KOH 電解液中50 mA·g?1電流密度下比電容高達 322 F·g?1，2 A·g?1的電流密度下比電容保持率仍可接近90%. 樊麗華等[45]將萃取的無灰煤用于配煤煉焦，將通過鄂爾多斯褐煤萃取得到的無灰煤與唐山1/3焦煤按質(zhì)量比1∶9制備混煤，并煉制坩堝焦. 結(jié)果表明：添加無灰煤后，混煤具有理想的塑性區(qū)間，坩堝焦熱性質(zhì)得到改善，特別是380 ℃下洗油萃取所得無灰煤，其塑性區(qū)間與唐山1/3焦煤可良好的重合，混合后混煤熱塑性顯著提高，所得焦炭形貌平滑致密，大孔減少，反應(yīng)后強度可達84%以上.

安徽工業(yè)大學水恒福教授團隊長期從事煤的液化和熱溶研究，并將熱溶物—HPC用于液化和煉焦配煤. Zou等[24]以Ni-Mo-S/Al2O3為催化劑對中國神府次煙煤和木質(zhì)素的共同熱溶物進行加氫液化，結(jié)果表明，幾乎所有的熱溶物都轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)油率，在4次循環(huán)使用的催化劑中幾乎沒有觀察到碳沉積. Shui等[46]研究了在煉焦配煤中添加中國神府次煙煤的熱溶物對焦炭性能的影響，結(jié)果表明，在煉焦混煤中加入質(zhì)量分數(shù)為5%的熱溶物，可以降低混煤的軟化溫度，從而提高焦炭質(zhì)量.

北京科技大學鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室左海濱教授團隊也長期致力于HPC的清潔高值化利用研究，對HPC在配煤煉焦和制備石墨電極領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了探究，取得了一些顯著性的研究成果.

3 實驗室基礎(chǔ)研究進展

3.1 作為黏結(jié)劑配煤煉焦研究進展

Zhao等[47]首先以N-甲基吡咯烷酮為萃取劑，在不同的配比下從生物質(zhì)（杉木渣，簡稱為B）和低階煤（KL煤）中共同萃取得到Bio-HPC. 然后以得到的Bio-HPC為添加劑，與煉焦煤和配合煤一起在高溫管式爐中制備坩堝焦，從而探究生物質(zhì)配比對生成等量Bio-HPC制備焦炭時Bio-HPC黏結(jié)性能變化的作用機理. 如圖5所示，HPC制備的焦炭的轉(zhuǎn)鼓強度遠遠大于原煤，表明Bio-HPC的添加有助于提高焦炭的轉(zhuǎn)鼓強度. 其中，C1～C8為不同配比下得到的坩堝焦樣品，C1：5%配合煤+85% 煉焦煤+10%KL-Raw；C2～C7：5% 配合煤+85%煉焦煤+10%Bio-HPC，對應(yīng)的Bio-HPC分別為0%B-100%KL、10%B-90%KL、20%B-80%KL、30%B-70%KL、40%B-60%KL、50%B-50%KL等配比下共萃取得到的；C8：5%配合煤+95%煉焦煤，所用配比均為質(zhì)量分數(shù). Bio-HPC對焦炭的抗壓強度有著極大的提高，在生物質(zhì)添加質(zhì)量分數(shù)為10%～20%時制備的焦炭抗壓強度基本與煉焦煤相當.

圖5 不同生物質(zhì)添加量對焦炭冷強度的影響[47].（a）轉(zhuǎn)鼓強度；（b）抗壓強度Fig.5 Effect of biomass addition on the cold strength of coke[47]: (a) drum strength; (b) compressive strength

原煤和Bio-HPC的表征結(jié)果如圖6所示.X射線衍射譜圖表明，與原煤相比，Bio-HPC的灰分峰消失，脂肪烴含量增高. 圖6（b）顯示生物質(zhì)添加量可直接影響石墨化程度，并進一步影響焦炭的冷強度. 添加過多生物質(zhì)，在碳化過程中大量小分子會氣化，產(chǎn)生的大量氣體會從煤粒間逸出抑制煤粉的黏結(jié)，形成較多的孔隙，會降低焦炭的強度. 原煤及Bio-HPC的熱失重速率曲線圖表明，Bio-HPC的熱解經(jīng)歷揮發(fā)分的析出，液相生成和固化結(jié)焦兩個階段.

圖6 Bio-HPC的表征結(jié)果[47]. （a～f）X射線衍射圖譜及分峰擬合圖；（g～h）微晶堆疊高度Lc與坩堝焦冷強度的關(guān)系圖；（i）KL-Raw和Bio-HPC的熱失重速率曲線圖Fig.6 Characterization results of Bio-HPC[47]: (a?f) XRD patterns and peak-fitting curves; (g?h) relationship between structural parameters and the cold strength of crucible coke; (i) DTG curves of KL-Raw and Bio-HPC

進一步探討B(tài)io-HPC的黏結(jié)機理，發(fā)現(xiàn)整個Bio-HPC 的萃取分為 4個過程（圖 7）：（1）生物質(zhì)通過熱萃取產(chǎn)生還原性氫及各種小分子化合物；（2）上述小分子化合物（二苯醚）和還原性氫用于煤粉碳骨架結(jié)構(gòu)之間的斷裂交聯(lián)鍵，降低其交聯(lián)度，有助于萃取劑NMP在其結(jié)構(gòu)中的滲透，溶解大量中小分子化合物，提高萃取率. 而中型分子主要作為黏結(jié)組分，對焦炭的冷強度起到關(guān)鍵作用；（3）被萃取的中型分子與還原性的氫發(fā)生還原反應(yīng)，進一步斷裂為小分子；（4）中小分子之間發(fā)生熱縮合反應(yīng)，形成難溶于NMP的大分子結(jié)構(gòu). 該研究成果通過向HPC中添加生物質(zhì)制備Bio-HPC，研究其對焦炭冷態(tài)轉(zhuǎn)鼓強度和抗壓強度劣化的影響機理，實現(xiàn)了HPC和生物質(zhì)的綠色環(huán)保高值化應(yīng)用，為節(jié)約煉焦煤資源和降低煉焦成本提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，突破了傳統(tǒng)煤成焦機理，為未來生產(chǎn)實踐提供了參考依據(jù).

圖7 Bio-HPC黏結(jié)機理圖Fig.7 Caking mechanism of Bio-HPC

3.2 高溫熔鹽電解制備高純石墨研究進展

Zhu等[43]采用HPC為原料，無水CaCl2為電解質(zhì)，通過熔鹽化學石墨化方法成功制備了高純石墨.

圖8為X-射線衍射（XRD）分析、拉曼光譜分析等一系列表征結(jié)果，其中，EG1-EG7為不同的條件下制備的合成石墨樣品；HPC是由KL-Raw經(jīng)過溶劑熱萃取得到的；ID/IG為拉曼光譜中D-band與G-band中的峰強度之比，表征炭質(zhì)材料的石墨化程度. 該比值越小，材料的石墨化度越高.結(jié)果表明，通過電解溫度、時間和壓力的優(yōu)化過程，促使無定形碳轉(zhuǎn)化為石墨化度的炭材，得到EG7在950 ℃，2.6 V下處理6 h后具有最佳的結(jié)晶度和石墨化性能，石墨化程度接近49%.

圖8 KL-Raw、HPC 和合成石墨樣品的表征結(jié)果[43]. （a）X 射線衍射圖譜；（b）石墨化度；（c）拉曼光譜圖；（d）ID/IG 值Fig.8 Characterization results of KL-Raw, HPC, and synthetic graphite[43]: (a) XRD patterns; (b) graphitization degree; (c) Raman spectra; (d) ID/IG value

如圖9所示，采用EG7作為負極材料構(gòu)建了鋰離子半電池，通過循環(huán)伏安測試、恒流充放電測試和電化學阻抗測試等一系列電化學測試方法研究了其電化學性能. 圖9（e）所示為EG7電極的電化學阻抗譜的測試結(jié)果，橫坐標為實部阻抗，用Z’表示，縱坐標為虛部阻抗，用Z”表示. 在100 kHz～1 Hz頻率范圍內(nèi)，對未循環(huán)和循環(huán)150圈后的電池進行了交流阻抗測試. 在等效電路中，Rs是電解質(zhì)阻抗，Zw是Warburg阻抗，Rct是電荷轉(zhuǎn)移電阻，Cdl是電極和電解質(zhì)之間的恒定相電容，Re和Ce是由SEI薄膜分別在電極上形成產(chǎn)生的電阻和電容引起的[48]. 圖9（f）所示為本研究所得的EG7與文獻中的堆疊的還原氧化石墨烯（S-RGO）、N摻雜碳納米纖維薄膜（NCNTF）、普通的石墨以及重構(gòu)的類石墨碳（RGC）的電化學性能的比較情況.研究發(fā)現(xiàn)，EG7具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能、快速的動力學，相對于其他炭質(zhì)材料表現(xiàn)出更高的放電容量，充分證明了HPC作為鋰離子電池負極材料的巨大應(yīng)用前景. 該研究成果通過高溫電化學熔鹽轉(zhuǎn)化方法將HPC一步轉(zhuǎn)化為石墨化度較高的石墨炭質(zhì)材料，比之前石墨化方式具有顯著的優(yōu)越性，實現(xiàn)了HPC的清潔高附加值利用，為劣質(zhì)碳資源的有效利用提供廣闊前景，突破了傳統(tǒng)石墨因其有限的比容量無法滿足高性能鋰離子電池需要的技術(shù)瓶頸.

圖9 EG7的電化學性能[43].（a）循環(huán)伏安曲線；（b）不同倍率下的恒電流充放電曲線圖；（c）倍率為2C時的循環(huán)性能；（d）倍率性能；（e）電化學阻抗譜；（f）性能對比Fig.9 Electrochemical performances of EG7[43]: (a) cyclic voltammetry curves; (b) galvanostatic charge-discharge curves of EG7 at different rates; (c)cycling performance and coulombic efficiency at a current rate of 2C; (d) rate capability; (e) electrochemical impedance spectroscopy; (f) comparison of specific capacities reported in the literature and this work

4 結(jié)論

本文通過歸納總結(jié)HPC在4個方面的清潔高值化應(yīng)用，對目前HPC在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了詳細闡述和評價，并重點概括了本實驗室的研究結(jié)果及意義：

（1）HPC因其極低灰分性質(zhì)在燃燒方面是CLC工藝的理想固體燃料；在氣化和液化方面是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)中氣化環(huán)節(jié)的理想原料，可以解決液化過程中的灰分沉積問題；在煉焦配煤方面因其出色的熱塑性和黏結(jié)性可用作煉焦過程的添加劑和熱壓型煤的黏結(jié)劑，有助于提高焦炭的強度和節(jié)約煉焦煤資源；在制備高級炭材方面可生產(chǎn)瀝青基碳纖維、雙電層電容器的活性炭和鋰離子電池的石墨電極等具有很高附加值的碳材料.

（2）我國關(guān)于HPC萃取過程研究相對較多，但在實際應(yīng)用方面的研究并未得到重視與推廣，僅相對集中于制備活性炭材料和配煤煉焦. 需要豐富該應(yīng)用方面的研究理論和技術(shù)經(jīng)驗，擴展HPC在其他相關(guān)領(lǐng)域的高值化應(yīng)用，改進實際工業(yè)應(yīng)用中裝置設(shè)備擴大化方面需要進一步完善來滿足大型產(chǎn)業(yè)化的要求.

（3）本實驗室在HPC應(yīng)用于煉焦配煤和制備石墨電極領(lǐng)域取得了顯著性研究成果. 在煉焦配煤方面實現(xiàn)了生物質(zhì)-煤粉混合型超精煤煉焦，為制備高質(zhì)量焦炭提供了理論指導(dǎo)，對后續(xù)實現(xiàn)低階煤煉焦的工業(yè)放大具有重大意義. 在制備石墨電極方面實現(xiàn)了高溫電化學方式轉(zhuǎn)變無定形碳為高結(jié)晶度石墨，為劣質(zhì)煤高效利用提供了新思路.

總之，HPC是一種具有極大發(fā)展?jié)摿Φ拿貉苌?，在煤炭的清潔高值利用領(lǐng)域具有重要的開發(fā)價值. 盡管HPC在制備具有高附加值的高級炭材方面更具吸引力，但它們的需求量相對有限，而燃燒、氣化、液化和煉焦配煤等方面對HPC的需求量很大，這值得我們投入大量的精力. 然而，目前對HPC的研究基本停留在實驗室階段，并未進行大規(guī)模的工業(yè)化試驗. 因此，未來需要著重解決HPC 的規(guī)?；a(chǎn)問題，設(shè)計和制造經(jīng)濟性高、運行可靠、清潔高效的HPC工業(yè)化生產(chǎn)裝置是關(guān)鍵. 此外，還需要對HPC的萃取機理和作用機制進行更加深入研究，這有助于提高我們對HPC的認知水平，進一步拓展和豐富HPC的應(yīng)用價值.