石墨深加工与石墨烯生产制造项目可行性研究报告

北京智博睿信息咨询有限公司石墨行业发展现状石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿床，系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成；石墨在工业上用途很广，用于制作冶炼上的高温坩埚、机械工业的润滑剂、制作电极和铅笔芯；广泛用于冶金工业的高级耐火材料与涂料、军事工业火工材料安定剂、轻工业的铅笔芯、电气工业的碳刷、电池工业的电极、化肥工业催化剂等。鳞片石墨经过深加工，又可生产出石墨乳、石墨密封材料与复合材料、石墨制品、石墨减磨添加剂等高新技术产品，成为各个工业部门的重要非金属矿物原料。具体来说，石墨一般应用于以下领域：1、作耐火材料石墨的一个主要用途是生产耐火材料，包括耐火砖、坩锅、连续铸造粉、铸模芯、铸模洗涤剂等。近20年来，耐火材料工业中两个重要的变化是镁碳砖在炼钢炉内衬中被广泛应用，以及铝碳砖在连续铸造中的应用。使石墨耐火材料与炼钢业紧密相连，全世界炼钢业约消耗70％的耐火材料。（l）镁碳砖北京智博睿信息咨询有限公司年代中期，由美国研制成功，70年代，日本炼钢业开始把镁碳砖用于水冷却电弧炉炼钢中。目前在世界范围内镁碳砖已大量用于炼钢，并已成为石墨的一种传统用途。80年代初，镁碳砖开始用于氧气顶吹转炉的炉衬。目前英国用作氧气顶吹炼钢炉衬的材料大部分是镁碳砖，炉衬寿命为1000次一1500次，而日本，炉衬的寿命为2000次一2500次。（2）铝碳砖铝碳耐火材料主要用于连续铸造、扁钢坯自位输管道的保护罩，水下喷管以及油井爆破筒等。在日本用连续铸造生产的钢占总生产量的90％以上，英国为60％。（3）坩锅及有关制品用石墨制造的成型和耐火的坩锅及其有关制品，例如坩锅、曲颈瓶、塞头和喷嘴等，具有高耐火性，低的热膨胀性，熔炼金属过程中，受到金属浸润和冲刷时亦稳定，高下良好的热震稳定性和优良的热传导性，所以石墨增锅及其有关制品被广泛用于直接熔融金属的工艺中。传统的石墨粘土坩锅用含碳量大于85％的鳞片石墨制造，通常石墨鳞片应大于100目（BSS筛），而目前国外在柑祸生产技术中的重要改进是，所用石墨的类型、鳞片大小和质量有了更大的灵活性；其次是用碳化硅石墨柑祸替代了传统的粘土石墨坩锅，这是随着炼钢工业中恒压技术的引进而产生的。采用恒压技术还可以使小鳞片石墨北京智博睿信息咨询有限公司得到应用，在粘土石墨增锅中，含碳量达90％的大鳞片石墨约占45％，而在碳化硅石墨坩锅中，大鳞片成分的含量仅占30％，石墨的含碳量降为80％。2、炼钢石墨和其他杂质材料用于炼钢工业时可作为增碳剂。渗碳使用的碳质材料的范围很广，包括人造石墨、石油焦、冶金焦炭和天然石墨。在世界范围内炼钢增碳剂用石墨仍是土状石墨的主要用途之一。3、作导电材料石墨在电气工业中广泛用来作电极、电刷、碳棒、碳管、水银整流器的正极、石墨垫圈、电话零件、电视机显像管的涂层等等。其中以石墨电极应用最广，在冶炼各种合金钢、铁合金时，使用石墨电极，这时强大的电流通过电极导入电炉的熔炼区，产生电弧，使电能转化为热能，度升高到2000℃左右，从而达到熔炼或反应的目的。此外，在电解金属镁、铝、钠时，电解槽的阳极也用石墨电极。生产金刚砂的电阻炉也用石墨电极作炉头导电材料。电气工业中所使用的石墨，对粒度和品位要求很高。如碱性蓄电池和一些特殊的电碳制品，要求石墨粒度控制在150目～325目（0.1mm一0.042mm）范围内，品位90％-99％以上，有害杂质（主要是金属铁）要求在10％以下。4、作耐磨和润滑材料石墨在机械工业中常作润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、北京智博睿信息咨询有限公司高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在一200℃一2000℃度并在很高的滑动速度下（100m/S）不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞环、密封圈和轴承，它们运转时，勿需加入润滑油，石墨乳也是许多金属加工（拔丝、拉管）时的良好的润滑剂。5、作耐腐蚀材料石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点，而广泛用于制作热交换器、反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵等设备。这些设备用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。6、作铸造、翻砂、压模及高冶金材料由于石墨的膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器皿的铸模，使用石墨后，黑色金属得到的铸件尺寸精确，表面光洁，成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的舟皿。单晶硅的晶体生长柑祸、区域精炼容器、支架、夹具、感应加热器等，都是用高纯石墨加工而成的。此外，石墨还可以作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高电阻炉炉管、棒、板、格棚等元件。7、用于原子能工业和国防工业石墨具有良好的中子减速性能，最早作为减速剂用于原子反应堆北京智博睿信息咨询有限公司中，铀一石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点、稳定、耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPm（PPm为百万分之一），特别是其中硼的含量应小于O.3PPm。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。8、作防垢防锈材料石墨能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉（每吨水大约用49－59），能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐和防锈。中国具有丰富的天然石墨资源，特别是晶质的鳞片石墨，储量、产量以及国际贸易量均居世界首位，堪称石墨大国。世界已探明的晶质石墨储量2.3亿吨，中国占有1.7亿吨，世界远景储量7亿吨，中国为4亿吨。晶质石墨资源在中国分布广泛，几乎各个省区均有，主要产地在黑龙江、山东、内蒙、湖北等。微晶石墨，中国主要产地是湖南、吉林、内蒙等地。中国虽然具有丰富的石墨资源，但从产业发展上并不是石墨强国。一些高技术含量的天然石墨产品,中国还需从缺乏石墨资源的发达国家进口。在市场上经过初步加工的天然鳞片石墨价格约在300美元/t左右，微粉石墨根据粒度不同价格在500～2000美元/t左右，球形石墨的价格约为20～30美元/公斤，氟化石墨的价格约在300～北京智博睿信息咨询有限公司美元/公斤。因此通过深加工可以很好地提升石墨的价值。鉴于上述背景，石墨的深加工项目很有潜力，一方面石墨的应用前景将越来越广泛，另一方面深加工领域在国内比较少，具有较高的利润空间。项目方应当迅速利用自己在石墨领域的优势开展石墨深加工项目，在取得自身发展的同时推动我国石墨行业的健康发展。1.1.2石墨烯发展现状2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆教授和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯纳米薄片是一种只有一层或几层原子厚度的纯碳原子结构，其C-C键以sp2结合，形成一个密集的蜂窝状晶格结构。由于它具有独特的二维碳纳米结构以及优异的物理属性，使得其在物理学、材料科学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。同时由于它们具有无毒、化学和热学性能优异、导电率大、机械强度大的特性，使得以石墨烯为基础的材料有着广泛的工业应用范围，如可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池／电容器，即使在生物技术方面也可得到应用。特别地，随着碳材料性能的不断改进，使得其逐渐成为能源领域的主导，如在对存储设备要求高的氢储存、燃料电池、太阳能电池以及锂离子电池、电容器等方面应用广泛。石墨烯的分子结构北京智博睿信息咨询有限公司石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。目前研究表明，石墨烯可能广泛应用于如下领域：北京智博睿信息咨询有限公司１、透明电极工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化铟锡(ITO)，由于铟元素在地球上的含量有限，价格昂贵，尤其是毒性很大，使它的应用受到限制。作为炭质材料的新星，石锡的替代材料，石墨烯以制备工艺简单、成本低的优点为其商业化铺平了道路。Mullen研究组通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯，薄膜电阻为900Ω，透光率为70％，薄膜被做成了染料太阳能电池的正极，太阳能电池的能量转化效率为0.26％。2009年，该研究组采用乙炔做还原气和碳源，采用高温还原方法制备了高电导率(1425S／cm)的石墨烯，为石墨烯作为导电玻璃的替代材料提供了可能。２、传感器电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术，涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。石墨烯出现以后，研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移，这使它成为电化学生物传感器的理想材料。Chen等采用低温热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料，在室温下可以检测到低浓度NO2，作者认为如果进一步提高石墨烯的质量，则会提高传感器对气体检测的灵敏度。石墨烯在传感器方面表现出不同于其它材料的潜能，使越来越多的医学家关注它，目前石墨烯还被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。３、超级电容器北京智博睿信息咨询有限公司超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大，容量大，使用寿命长，经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。Chen等以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率密度为10kW／kg，能量密度为28．5Wh／kg，最大比电容为205F／g，而且经过1200次循环充放电测试后还保留90％的比电容，拥有较长的循环寿命。石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。４、能源存储众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。希腊大学Froudakis等设计了新型3D碳材料，孔径尺寸可调，他们将其称为石墨烯柱。当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到6．1％(wt)。Ataca等用钙原子(Ca)掺杂石墨烯，利用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca原子掺杂后储氢量约为8．4％(wt)；他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸／放氢，Ca会留在石墨烯表面，有利于循环使用。Ataca的研究结果又一次推动石墨烯储氢向前迈进一步。５、复合材料石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域，诸如新型