PAN基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨

AdvancedMaterialsIndustry36新材料—战略性新兴产业系列报道PAN基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨■文/朱波山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心碳纤维以其优异的性能在诸多领域得到了广泛应用，其中聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占碳纤维总用量的90%以上。当前，碳纤维的生产制备成本是限制其推广应用的瓶颈，充分分析碳纤维生产成本组成，采取有效成本控制措施，可降低碳纤维制备的综合成本。本文以年产500tPAN基碳纤维生产规模为例，通过分析碳纤维的成本组成，为相关单位的成本预算提供参考。一、年产500tPAN基碳纤维生产成本构成及规模效益成本分析PAN基碳纤维生产成本主要包括PAN原丝生产成本和碳纤维生产成本2大部分。根据一般规律，生产1kg碳纤维需要消耗2.2kgPAN原丝，即生产500t碳纤维需配备1100tPAN原丝生产能力。在碳纤维生产制备过程中，即使规模很小，其辅助工程、生产装备也必须齐全，因而规模效益在碳纤维生产制备过程中显得异常突出。下文将对PAN原丝生产成本、碳纤维生产成本和规模效益成本的构成进行细致分析。1.PAN原丝生产成本构成PAN原丝生产成本主要包括直接成本、固定资产折旧和流动成本。在直接成本中，主要包括：聚合单体原料成本和生产过程成本，而生产过程成本又包括原料输送过程成本、原料精制过程成本、聚合过程成本、脱泡脱单过程成本、原液过滤及输送成本、纺丝过程成本、溶剂回收过程成本、单体回收过程成本、高纯水制备过程成本、制冷生产过程成本、氮气制备过程成本、污水处理过程成本、车间净化过程成本、水循环系统过程成本、蒸汽制备过程成本等。综合生产过程成本可归结为蒸汽消耗成本、电力消耗成本、水量消耗成本、其他配套设施运行维护成本等。固定资产折旧主要包括：厂房建造投资折旧、生产设备投入折旧、辅助工程投资折旧等。新材料产业NO.9201037碳纤维流动成本主要包括：人员工资、管理费用、运输费用、仓储费用、包装费用等。参照山东大学开发的二步法制备碳纤维原丝生产工艺流程，核算相关投资数据，设备折旧周期按照10年计算，各部分成本统计如表1所示：2.碳纤维生产成本构成与原丝生产类似，碳纤维生产成本也包括3大部分：直接成本、固定资产折旧和流动成本。碳纤维生产直接成本主要包括：原丝成本、上浆油剂成本、碳纤维制备过程电力消耗成本、废气焚烧所用天然气或柴油成本、高纯氮气制备及消耗成本、循环水及其消耗成本、车间净化成本、配套设施运行维护等。以表1所产原丝成本为依据，考虑废气焚烧预热综合利用，结合理论推算和实际生产运营经验数据，年产500t碳纤维生产线直接成本单耗13.6688万元/t。固定资产折旧部分主要包括：钢结构生产车间投资折旧、生产线装备投资折旧、废气焚烧设备投资折旧、高纯氮气制备系统投资折旧、配套辅助系统投资折旧等。依据生产线所有设备国内设计、加工，固定资产折旧时间为10年，单线年产能500t碳纤维生产装置折旧费用约2万元/t。流动成本中按照生产定员80人、4班3运转、厂内运输、厂内仓储核算，碳纤维均摊流动成本约0.23万元/t。综合以上成本，碳纤维生产成本价为15.8988万元/t。3.规模效益成本预测及分析规模效益成本构成可以参照第一部分PAN原丝生产的工艺流程，欲增加碳纤维产量、扩大生产规模规模，以预测年产3300t原丝生产运营状况为例，原丝直接成本折合为3.207万元/t，固定资产折旧成本为0.25万元，流动费用为0.35万元，合计原丝成本3.807万元/t。以此为基础，配套2条国产单线产能750t/a碳纤维生产，参照设计数据和实际运行经验，年产1500t碳纤维生产规模，碳纤维直接成本约10.526万元/t，固定资产折旧约1万元，流动费用约0.15万元。合计碳纤维综合成本11.676万元/t。汇总年产1100t原丝和3300t原丝成本，各部分费用所占比例如表2所示，汇总年产500t碳纤维和1500t碳纤维成本，各部分费用所占比例如表3所示。由表2、表3数据分析可见，随着生产规模的增加，原丝和碳纤维的生产成本均呈下降趋势。年产1100t原丝对应年产500t碳纤维条件下，直接费用的占有比例比年产3300t原丝对应年产1500t碳纤维直接费用所占比例小4.1%～4.5%；固定资产折旧所占比例高4%左右；流动费用差别不大。此数据表明，随着生产规模增加、产量加大，非直接生产控制因素对生产总成本的影响逐渐减弱。对比年产500t碳纤维与年产1500t碳纤维直接费用，大规模原丝生产和碳纤维生产直接费用分别是小规模生产直接费用的84%和77%（3300t原丝产能每吨直接成本/1100t原丝原丝产能每吨直接成本=0.86；年产1500t碳纤维每吨直接成本/年产500t碳纤维每吨直接成本=0.77），可见碳纤维生产规模化对于降低生产成本是非常有效的。二、降低碳纤维生产成本控制措施的探讨在碳纤维及其原丝生产过程中，表1年产1100t原丝产能单耗成本一览表内容单位吨耗现金折算/万元备注直接成本单体原料消耗/t1.022.04成品率：98%原料综合成本：2万元/t蒸汽消耗/t550.88蒸汽按照160元/t计算电力消耗/kWh68000.408消耗电力按照0.6元/kWh核算自来水消耗/m31800.027自来水按照1.5元/m3核算配套设施运行维护—0.46设备保养、污水处理、高纯水药剂消耗、车间净化等固定资产折旧—0.5钢筋混凝土厂房、国产设备、配套辅助系统投入流动费用—0.469生产定员160人，4班3运转，远程运输，本地仓储合计折算费用4.784万元AdvancedMaterialsIndustry38新材料—战略性新兴产业系列报道厂房建造、电力配套、管网配套、设备投资、设备保养、直接电力损耗、原料成本、原料运输成本等为固定费用，工厂对此部分成本的可控性相对较弱；而产品试车成本、人工成本、能源成本、工艺成本、外部技术引进成本等是可控可调的，因而减少这部分费用才是提高生产效率、降低生产成本的有效途径。结合目前国内碳纤维及其原丝生产现状，考察国外规模化生产厂家的数据，参照大腈纶生产运行经验，可从以下几个方面采取措施降低碳纤维生产成本。1.工艺改进，提高产品产量与品质目前，国内常规碳纤维原丝生产工艺为湿法纺丝，纺丝原液固含量（指的是纺丝原液中的PAN浓度）一般不超过20%，纺丝速度一般不超过100m/min，如果改进纺丝工艺为干喷湿纺，在同样条件下，固含量至少可提高到22%以上，纺丝速度可提高到300m/min。采用新的纺丝工艺，几乎同样的纺丝装备及能源消耗条件下，产品产量可提高3倍以上，并且可大幅度提高产品质量。对比1100t原丝与3300t原丝产量，原丝成本降低超过10000元/t。2.能源综合利用，降低生产成本碳纤维生产是高能耗过程，通过合理设计，在原丝及碳纤维生产过程中提高能源综合利用率，可有效降低直接成本消耗。例如在碳纤维生产过程中，利用废气焚烧炉余热先预热高温炭化炉和低温炭化炉的废气，使其温度提高到750℃以后再进入焚烧炉，用一级预热完后的废气再预热来自预氧化炉的废气，使其加热到550℃以上后送入焚烧炉，用二级预热完后的废气再预热新鲜冷空气，使其加热到200℃以上后送入预氧化炉，再将三级预热后的废气加热锅炉补充水回用。采取此种模式，余热多级利用，预氧化设备将降低能耗50%以上，废气焚烧降低能耗75%。在此条件下，碳纤维综合成本降低约8500元/t。3.生产设备国产化，降低一次性设备（固定资产）投入根据目前数据显示，碳纤维及其原丝生产装备中，进口设备造价一般为国产设备造价的3～5倍。采用国产设备，降低综合设备、厂房投资，可以大大降低固定资产折旧成本，将使原丝成本降低3000～5000元/t，碳纤维成本将降低5000～20000元/t。除此之外，提高设备自动化水平，降低人员投入；提高生产废品再利用率，开发下游制品；提高单线生产规模（提高固含量、提高纺丝速度、提高单束k数）等也可有效降低生产成本，增加企业竞争力。通过改进措施，年产5000t碳纤维规模化生产，成本可有望控制到10万元以内。综上，在提高单线生产能力的条件下，增加产能；降低同等规模下设备一次性投资；在规模化生产条件下提高能源综合利用率，有效降低能源消耗，是降低碳纤维生产成本的有效途径。10.3969/j.issn.1008-892X.2010.09.008表2不同生产规模原丝成本构成内容1100t/a3300t/a备注直接成本占生产总成本的比例/%79.784.2—固定资产折旧占生产总成本的比例/%10.56.6—流动费用占生产总成本的比例/%9.89.2—单耗成本*/万元4.7843.807参照表3不同生产规模碳纤维成本构成内容500t/a1500t/a备注直接成本占生产总成本的比例/%86.090.1—固定资产折旧占生产总成本的比例/%12.68.6—流动费用占生产总成本的比例/%1.41.3—单耗成本*/万元15.898811.676参照*指每吨原丝或碳纤维的生产消耗费用合计。