Than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao-so với lưu huỳnh thấp-: Cách chọn cho các ứng dụng khác nhau?

Hàm lượng lưu huỳnh trong than cốc dầu mỏ là chỉ số cốt lõi để đo lường cấp chất lượng và phạm vi ứng dụng của nó. Theo tiêu chuẩn ngành hiện hành, than cốc dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh dưới 1% được gọi là than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp-(tương ứng với 1#, 2A), có hàm lượng lưu huỳnh từ 1% đến 3% được gọi là than cốc có hàm lượng lưu huỳnh-trung bình (tương ứng với 2B, 2C, 3A, 3B, 3C) và có hàm lượng lưu huỳnh lớn hơn 3% được phân loại là lưu huỳnh-cao than cốc. Sự phân loại này trực tiếp xác định điểm đến cuối nguồn và giá thị trường của than cốc.

Trong các ứng dụng thực tế, các tiêu chuẩn phân loại tinh tế hơn cũng được sử dụng rộng rãi. Theo tiêu chuẩn chất lượng than cốc dầu mỏ trì hoãn của Trung Quốc (ZBE44002-86), than cốc thô được phân loại thành Không. 1, Không. 2 và Không. 3, mỗi loại lại được chia thành than cốc A và than cốc B. Không. 1 Cốc cốc có hàm lượng lưu huỳnh không quá 0,5%, Không. 1 Cốc cốc B không quá 0,8%, Không. 2 Cốc cốc A không quá 1,0% và Không. 2 Cốc cốc B không quá 1,5%. Chữ càng sớm và số càng nhỏ thì hàm lượng lưu huỳnh càng thấp và chất lượng càng tốt.

Điều đáng chú ý là hiện nay chưa có tiêu chuẩn quốc gia nào cho than cốc dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh từ 3% trở lên. Mặc dù tiêu chuẩn doanh nghiệp do Sinopec ban hành trước đây đã bị bãi bỏ nhưng nó vẫn được sử dụng trong thị trường than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao-.

Than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp-với chất lượng vượt trội đã trở thành nguyên liệu thô ưa thích cho các sản phẩm cacbon-cao cấp, đóng vai trò không thể thay thế trong điện cực than chì, vật liệu cực dương của pin lithium{2}}ion và cực dương-cao cấp được nung sẵn.

• Điện cực than chì

Điện cực than chì là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của than cốc có-lưu huỳnh thấp. Nguyên liệu chính để sản xuất điện cực than chì là than cốc dầu mỏ. Một lượng nhỏ than cốc có thể được thêm vào các điện cực than chì điện thông thường, nhưng hàm lượng lưu huỳnh trong cả than cốc dầu mỏ và than cốc không được vượt quá 0,5%. Để sản xuất điện cực than chì công suất-cao hoặc công suất cực cao-cao{7}}, cần phải có than cốc hình kim. Hàm lượng lưu huỳnh có tác động đặc biệt nghiêm trọng đến hiệu suất của điện cực than chì-trong quá trình đồ họa hóa ở nhiệt độ cao{10}}, lưu huỳnh không thể giải phóng hoàn toàn. Khi điện cực tiếp xúc với nhiệt độ trên 1500 độ, lưu huỳnh bị phân hủy, khiến các tinh thể nở ra. Khi nguội đi, các tinh thể co lại, dẫn đến nứt điện cực. Hiện tượng này, được gọi là "sự giãn nở khí", ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng và hiệu suất của điện cực than chì.

Điện cực than chì công suất cực cao-không chỉ yêu cầu điện trở suất thấp mà còn yêu cầu hệ số giãn nở nhiệt thấp, khả năng chống oxy hóa tốt và khả năng chống sốc nhiệt tốt sau quá trình than chì hóa. Than cốc hình kim hiệu suất cao-được sử dụng để sản xuất điện cực than chì chất lượng cao-cho lò điện có công suất-cao và công suất cực-cao{7}}, trong khi than cốc dầu mỏ chứa khoảng 1% lưu huỳnh chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp luyện nhôm để sản xuất bột anode hoặc cực dương cacbon.

• Vật liệu cực dương của pin lithium{0}}ion

Trong những năm gần đây, với sự phát triển bùng nổ của các phương tiện sử dụng năng lượng mới và các ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng, việc ứng dụng than cốc-có hàm lượng lưu huỳnh thấp trong lĩnh vực vật liệu cực dương của pin lithium-ion đã nhanh chóng xuất hiện. Than cốc-lưu huỳnh thấp có hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ xốp thấp, hàm lượng tro và nguyên tố kim loại thấp, độ dẫn điện cao và dễ bị than chì hóa, khiến nó trở thành nguyên liệu thô lý tưởng để điều chế vật liệu cực dương than chì nhân tạo.

Hiện nay, than cốc dầu mỏ có bán trên thị trường được sử dụng với số lượng lớn đều là than cốc-có hàm lượng lưu huỳnh thấp và nguồn cung cấp than cốc có-lưu huỳnh thấp dẫn đến chi phí cao. Trong cơ cấu nhu cầu về than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp-, cực dương của pin lithium{4}}ion chiếm 29% và hiệu ứng lấn chiếm-của nó đối với nhu cầu từ các lĩnh vực truyền thống ngày càng trở nên nổi bật. Các công ty vật liệu làm cực dương duy trì tốc độ mở rộng và nhu cầu về than cốc-có hàm lượng lưu huỳnh thấp tiếp tục tăng trưởng tốt.

• Cực dương-cao cấp được nướng sẵn

Cực dương nung sẵn là thành phần chính trong pin điện phân nhôm, dẫn dòng điện và tham gia các phản ứng điện hóa, đồng thời rất quan trọng trong sản xuất điện phân nhôm. Cực dương-phát thải thấp sử dụng than cốc dầu mỏ với khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn đối với hàm lượng lưu huỳnh và các chỉ số nguyên tố vi lượng, có thể giảm lượng khí thải carbon dioxide một cách hiệu quả trong hoạt động điện phân nhôm, góp phần bảo tồn năng lượng và giảm phát thải theo mục tiêu "cacbon kép" của ngành điện phân nhôm. Than cốc dầu mỏ được sử dụng làm cực dương nung sẵn thường yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh dưới 1,5%.

• Các ứng dụng cao cấp-cao cấp khác

Trong lĩnh vực nâng cao carbon, ngành công nghiệp đúc thường yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh cực thấp, thường sử dụng than cốc dầu mỏ "bán{0}}graphit hóa" hoặc "graphit hóa hoàn toàn" với hàm lượng carbon cố định trên 98% và hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,05%. Hơn nữa, việc sản xuất các sản phẩm than chì có độ tinh khiết cao-yêu cầu hàm lượng tro nguyên liệu thô phải càng thấp càng tốt (ví dụ: dưới 0,15%).

Mặc dù than cốc-có hàm lượng lưu huỳnh cao có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn nhưng nó có khả năng cạnh tranh đáng kể về mặt chi phí và quy mô sản xuất, đồng thời vẫn đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực ứng dụng cụ thể.

• Cực dương nướng sẵn

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp nhôm điện phân, việc sử dụng than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao-trong sản xuất cực dương nung sẵn cho nhôm đang có xu hướng ngày càng tăng. Do nguồn cung cấp than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp-thấp, nhiều nhà máy carbon đã phải sử dụng than cốc dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh cao-, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng lưu huỳnh trong các khối carbon anode được nung sẵn, từ đó khiến quá trình điện phân nhôm có nguy cơ vượt quá tiêu chuẩn phát thải sulfur dioxide.

Ở cấp độ kỹ thuật, việc sử dụng than cốc dầu mỏ pha trộn với hàm lượng lưu huỳnh khác nhau đã trở thành một phương tiện quan trọng để các nhà sản xuất cực dương nhôm cân bằng chất lượng cực dương, mức tiêu thụ cực dương và hiệu suất môi trường. Thông qua quy trình pha trộn hợp lý, có thể đáp ứng các yêu cầu về môi trường đồng thời kiểm soát chi phí.

• Trong lĩnh vực nhiên liệu,

than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao-theo truyền thống được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu trong các nhà máy xi măng và nhà máy điện. Tuy nhiên, với các chính sách môi trường ngày càng nghiêm ngặt, việc sử dụng than cốc-có hàm lượng lưu huỳnh cao làm nhiên liệu đang phải đối mặt với những hạn chế đáng kể. "Kế hoạch hành động tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải carbon" quy định rõ ràng rằng than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao-không được phép sử dụng làm nhiên liệu. Được thúc đẩy bởi các chính sách giảm lượng khí thải carbon, than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao-phải đối mặt với áp lực thay thế trong các ứng dụng như sản xuất nhiên liệu và thủy tinh.

• Những nỗ lực mới về vật liệu cực dương của pin lithium{0}}ion

Mặc dù than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp- vẫn là lựa chọn chủ đạo cho cực dương của pin lithium{1}}, than cốc có hàm lượng lưu huỳnh-cao, với lợi thế về chi phí do nguyên liệu thô rẻ hơn và khối lượng sản xuất cao hơn, đang thu hút nhiều nhà sản xuất than chì khám phá ứng dụng của nó trong lĩnh vực vật liệu làm cực dương. Tuy nhiên, hàm lượng lưu huỳnh quá cao trong than cốc có-lưu huỳnh cao dẫn đến một loạt vấn đề: trong quá trình than chì hóa, lưu huỳnh thoát ra ở dạng khí, làm tăng độ xốp của than chì và diện tích bề mặt riêng; đồng thời, lưu huỳnh cản trở sự phát triển liên tục của than chì, khiến các tinh thể co lại, làm giảm tính dị hướng của than chì và dẫn đến giảm đáng kể mật độ nén, công suất và hiệu suất coulombic ban đầu. Hiện tại, ngành này đang phát triển các công nghệ như vật liệu cực dương than chì tổng hợp, cố gắng khắc phục những hạn chế vốn có của than cốc có-lưu huỳnh cao thông qua công thức nguyên liệu thô và tối ưu hóa quy trình.

• Sản xuất hóa chất

Than cốc thô thông thường có hàm lượng lưu huỳnh cao-có thể được sử dụng trong sản xuất hóa chất, chẳng hạn như sản xuất cacbua canxi và cacbua silic hoặc làm nhiên liệu trong đúc kim loại và sản xuất thủy tinh.

Dựa trên phân tích trên, việc lựa chọn than cốc dầu mỏ cho các kịch bản ứng dụng khác nhau có thể được tóm tắt như sau:

Điện cực than chì: Điện cực than chì công suất thông thường yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh trong than cốc dầu mỏ không quá 0,5%; Điện cực than chì có công suất-cao và công suất cực cao-cao{3}} yêu cầu than cốc hình kim, với các yêu cầu về hàm lượng lưu huỳnh thậm chí còn nghiêm ngặt hơn.

Vật liệu cực dương của pin lithium{0}}ion: Hiện tại, vật liệu thương mại chủ đạo là than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp-(hàm lượng lưu huỳnh dưới 1%) và vật liệu làm cực dương chất lượng cao-có sự kiểm soát hàm lượng lưu huỳnh cực kỳ nghiêm ngặt.

Cực dương nung sẵn: Hàm lượng lưu huỳnh thường được yêu cầu dưới 1,5%; cực dương phát thải thấp-thậm chí còn có những yêu cầu khắt khe hơn, cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường theo mục tiêu "cacbon kép".

Chất cacbon hóa: Máy tạo cacbon-cấp đúc yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh cực thấp ( Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05%), bắt buộc phải sử dụng than cốc dầu mỏ "bán{2}}graphit hóa" hoặc "graphit hóa hoàn toàn".

Sản xuất hóa chất và nhiên liệu: Than cốc thô thông thường có hàm lượng lưu huỳnh cao-có thể được sử dụng trong sản xuất hóa chất nhưng việc sử dụng nó làm nhiên liệu bị hạn chế nghiêm ngặt.

Khi lựa chọn than cốc dầu mỏ, ngoài hàm lượng lưu huỳnh làm chỉ số cốt lõi, các yếu tố như hàm lượng tro, mật độ thực, khả năng chống sốc nhiệt và hình thái phải được xem xét toàn diện. Hàm lượng tro cản trở quá trình kết tinh và ảnh hưởng đến hiệu suất sản phẩm; mật độ thực phản ánh mức độ kết tinh; và hình thái xác định khả năng ứng dụng của than cốc dầu mỏ trong các ứng dụng cụ thể. Sự đồng thuận trong ngành là: mục đích sử dụng xác định việc lựa chọn cấp độ-cho cực dương nhôm điện phân hoặc các sản phẩm than chì-cao cấp, than cốc loại A được ưu tiên; đối với các sản phẩm hoặc nhiên liệu có hàm lượng carbon thấp, có thể chọn loại B trở xuống.

Trong bối cảnh các mục tiêu "cacbon kép" không ngừng được thúc đẩy và sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng mới, vị thế thị trường của than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp và than cốc có hàm lượng lưu huỳnh cao đang có những thay đổi sâu sắc. Than cốc có hàm lượng lưu huỳnh thấp-với vai trò không thể thay thế trong các ứng dụng-cao cấp, đang có nhu cầu liên tục tăng; trong khi than cốc-có hàm lượng lưu huỳnh cao phải đối mặt với những hạn chế ngày càng nghiêm ngặt về môi trường và rất cần những đột phá trong việc nâng cấp công nghệ và mở rộng ứng dụng. Đối với những người trong ngành, việc nắm bắt chính xác các yêu cầu về chất lượng của than cốc dầu mỏ cho các tình huống ứng dụng khác nhau và đưa ra quyết định khoa học dựa trên mô hình cung cầu thị trường cũng như xu hướng giá cả sẽ là chìa khóa để đạt được lợi thế trong thị trường than cốc dầu mỏ ngày càng khác biệt.