國(guó)內(nèi)石墨產(chǎn)業(yè)的延展與思考

劉謙

（商洛市工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心，陜西 商洛726000）

1 國(guó)內(nèi)外資源現(xiàn)狀

1.1 石墨的性能及成因

天然石墨是碳元素的同素異形體，屬于六方晶系過渡型混合晶體，密度為2.25 g/cm3，熔點(diǎn)為3652 ℃，具有層狀解理。作為一種耐高溫碳材料，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的電學(xué)性能和機(jī)械性能。石墨是由煤系沉積層中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)巖漿熱液和復(fù)雜地質(zhì)作用變質(zhì)而產(chǎn)生，自然界主要有晶質(zhì)石墨和隱晶質(zhì)石墨兩大類，根據(jù)形貌又可以分為土狀石墨、片狀石墨以及塊狀石墨。其中，晶質(zhì)石墨成礦時(shí)代主要為新元古代到早寒武紀(jì)，隱晶質(zhì)石墨成礦時(shí)代主要為石炭紀(jì)到二疊紀(jì)。按照礦床類型來分，主要有區(qū)域變質(zhì)型、混合巖化型、混染同化型、接觸變質(zhì)型四類，多為層狀、脈狀或不規(guī)則成礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1.2 石墨的分布及儲(chǔ)量

全球已探明石墨儲(chǔ)量分布如圖1 所示。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）統(tǒng)計(jì)，截至2018年，全球天然石墨累計(jì)探明可采儲(chǔ)量達(dá)到3 億噸。其中土狀石墨主要分布在歐洲、中國(guó)、墨西哥和美國(guó)，片狀石墨主要分布在澳大利亞、巴西、加拿大、中國(guó)、馬達(dá)加斯加等國(guó)。中國(guó)石墨資源種類齊全，包含晶質(zhì)石墨（約占世界2/3）和隱晶質(zhì)石墨，主要集中分布于內(nèi)蒙古、黑龍江、湖南等地區(qū)，呈現(xiàn)“東多西少、集中分布”的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)石墨的儲(chǔ)量豐富，成礦地質(zhì)條件優(yōu)越，主要類型為區(qū)域變質(zhì)型和接觸變質(zhì)型，涵蓋了91個(gè)主要礦區(qū)和159個(gè)重點(diǎn)礦區(qū)帶。從礦藏品位來看，國(guó)內(nèi)晶質(zhì)石墨固定碳含量平均小于等于10%，隱晶質(zhì)石墨固定含碳量在12%～85%，自然稟賦較優(yōu)，利于規(guī)模化穩(wěn)定開采。最新勘查表明，中國(guó)石墨潛在資源量為21 億噸，晶質(zhì)石墨儲(chǔ)量為4.37 億噸，近10年的開采量穩(wěn)定在每年60～80 萬噸[2，4，5，6]，長(zhǎng)期位居世界前列，具體如圖2 所示。隨著地質(zhì)勘探的深入，在內(nèi)蒙、新疆、河南等中西部地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了新的優(yōu)質(zhì)礦床，豐富了國(guó)內(nèi)的石墨資源儲(chǔ)量。

圖1 全球已探明石墨儲(chǔ)量分布圖

圖2 全球主要石墨國(guó)家年產(chǎn)量圖

2 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展概要

2.1 石墨材料工業(yè)應(yīng)用

世界上的50 多個(gè)國(guó)家地區(qū)進(jìn)口石墨，主要集中在日本、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，這些國(guó)家基本壟斷了尖端技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有完整的下游產(chǎn)業(yè)鏈，中國(guó)、墨西哥、加拿大、巴西等為石墨出口國(guó)。當(dāng)前到今后一段時(shí)期，天然石墨將繼續(xù)集中應(yīng)用在機(jī)械鑄造、輕化工、冶金工業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)，隨著材料技術(shù)的發(fā)展和新興領(lǐng)域的拓展，以石墨為基礎(chǔ)的新型碳材料在電子電力、國(guó)防航天、生物醫(yī)藥、儲(chǔ)能環(huán)保等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。石墨材料的工業(yè)應(yīng)用如表1 所示。

表1 石墨材料的工業(yè)應(yīng)用

2.2 部分國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策

石墨是新一輪工業(yè)革命的戰(zhàn)略資源，引起了各國(guó)的高度關(guān)注。日、德、韓等國(guó)在加快石墨進(jìn)口儲(chǔ)備的同時(shí)，加快了精細(xì)原料和能源材料的研發(fā)過程；美國(guó)天然石墨全部依賴進(jìn)口，并實(shí)現(xiàn)了人造石墨的量產(chǎn)；歐盟委員將石墨作為緊缺資源列入《對(duì)歐盟生死攸關(guān)的原料》并推動(dòng)石墨新能源汽車。中國(guó)石墨加工業(yè)起步較早，目前已形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)集群和工業(yè)園區(qū)，近年來出臺(tái)的《中國(guó)制造2025》《石墨行業(yè)準(zhǔn)入條件》《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展若干意見》等政策，逐步確定了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)制造的頂層設(shè)計(jì)，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2018年中國(guó)將石墨列入礦產(chǎn)資源開發(fā)利用評(píng)估試點(diǎn)礦種，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)石墨加工行業(yè)開始向集約化、高端化發(fā)展。

2.3 國(guó)內(nèi)石墨行業(yè)概況

目前國(guó)內(nèi)石墨行業(yè)多集中在原料采選的產(chǎn)業(yè)鏈上游，礦產(chǎn)基地主要分布于黑龍江雞西、蘿北，內(nèi)蒙古興和，山東平度，湖南郴州和吉林磐石。此外，國(guó)內(nèi)石墨深加工行業(yè)主要集中在長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海灣經(jīng)濟(jì)帶，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和國(guó)外基本趨同，包含了耐火模具、冶金鑄造、密封墊片、鉛筆等傳統(tǒng)領(lǐng)域，但在石墨深加工方面與世界先進(jìn)國(guó)家有一定的差距。2020年國(guó)內(nèi)石墨預(yù)計(jì)需求分布如圖3 所示。

圖3 2020年國(guó)內(nèi)石墨預(yù)計(jì)需求分布圖

受全球消費(fèi)市場(chǎng)和去產(chǎn)能政策的影響，近年國(guó)內(nèi)石墨傳統(tǒng)行業(yè)消費(fèi)量呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，但石墨電池、特種石墨、新型碳素材料等得到了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)部分重要石墨加工企業(yè)如表2 所示。

表2 國(guó)內(nèi)部分重要石墨加工企業(yè)

3 存在問題及建議

3.1 主要問題

中國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，在國(guó)際石墨市場(chǎng)占有重要的地位。但資源浪費(fèi)、產(chǎn)品單一、工業(yè)附加值偏低等問題依然存在：①資源利用低效。部分地區(qū)采礦權(quán)分散，采選技術(shù)和礦山管理落后，尚未有效落實(shí)保護(hù)性開發(fā)政策和行業(yè)規(guī)范，存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象。②產(chǎn)業(yè)布局不佳。國(guó)內(nèi)石墨行業(yè)多集中在產(chǎn)業(yè)鏈上游，初級(jí)原料產(chǎn)品低端低值，工業(yè)附加值低、產(chǎn)能相對(duì)過剩。③行業(yè)運(yùn)行乏力。石墨加工多在中小企業(yè)，企業(yè)融資、技術(shù)研發(fā)、項(xiàng)目建設(shè)存在巨大壓力，難以形成規(guī)模化業(yè)態(tài)。④市場(chǎng)需求飽和。傳統(tǒng)石墨制品的供求相對(duì)穩(wěn)定，在經(jīng)濟(jì)下行的影響下，高新產(chǎn)品的消費(fèi)市場(chǎng)尚未形成，短期內(nèi)石墨產(chǎn)銷不會(huì)明顯增長(zhǎng)。⑤技術(shù)研發(fā)滯后。石墨烯的成功制備催生了石墨和碳素材料的研究熱潮，但適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的研究成果未能有效轉(zhuǎn)化，精細(xì)加工、循環(huán)利用、技術(shù)改造等方面與國(guó)外差距較大。

3.2 相關(guān)建議

當(dāng)前全球石墨業(yè)態(tài)面臨重大變革，中國(guó)應(yīng)充分利用資源優(yōu)勢(shì)，多措并舉促進(jìn)石墨加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)：①強(qiáng)化政策引導(dǎo)。建立保護(hù)性開發(fā)機(jī)制，確保石墨資源儲(chǔ)備安全。同時(shí)合理規(guī)劃產(chǎn)能和產(chǎn)業(yè)布局，引導(dǎo)加工企業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈上游發(fā)展。②促進(jìn)循環(huán)發(fā)展。依托園區(qū)和龍頭企業(yè)的輻射帶動(dòng)效應(yīng)，鼓勵(lì)石墨制造業(yè)集群發(fā)展，提高資源的利用效率和和經(jīng)濟(jì)效益。③注重科技創(chuàng)新。設(shè)立專項(xiàng)資金，支持企業(yè)技術(shù)改造和轉(zhuǎn)型升級(jí)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用的有效結(jié)合，加快高端產(chǎn)品研發(fā)和市場(chǎng)需求的培育。④加快污染治理。集中出清一批無序開采、違規(guī)作業(yè)的散亂污企業(yè)。同時(shí)，統(tǒng)籌做好礦區(qū)污染的綜合整治和尾礦綜合利用，全面落實(shí)生態(tài)修復(fù)工程。

4 石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 傳統(tǒng)行業(yè)的迭代升級(jí)

據(jù)推測(cè)全球可回收石墨超過了8 億噸，可滿足傳統(tǒng)耐火內(nèi)襯、鑄造模具、復(fù)合材料等行業(yè)的生產(chǎn)需求，隨著技術(shù)的發(fā)展，有望形成一定規(guī)模的石墨回收利用產(chǎn)業(yè)；同時(shí)新型熱酸浸蝕技術(shù)和提煉工藝已能夠生產(chǎn)高純石墨粉體、球型石墨、石墨箔片等精細(xì)化工原料，拓展了石墨在碳基復(fù)合材料、摩擦材料、特種潤(rùn)滑劑等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；此外人造石墨可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和摻雜改性，滿足多樣性的加工需求，未來可以作為天然石墨的替代物，這些重大突破將促進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)提質(zhì)增效。

4.2 前沿領(lǐng)域的推廣應(yīng)用

隨著研究的深入，天然石墨的優(yōu)良性能得到充分發(fā)掘應(yīng)用。其原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)特殊，可作為核材料和中子減速劑的原料。優(yōu)異的熱電性能使其作為碳素電極和自熱元器件。石墨具有良好的生物相容性，是用作藥物載體和生物監(jiān)測(cè)的備選對(duì)象。與此同時(shí)，利用石墨制備石墨烯的技術(shù)取得了重大進(jìn)步，未來有望在環(huán)保儲(chǔ)能、柔性顯示、電力電子、精細(xì)化工四大集群產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，這將引發(fā)碳素材料的重大變革。