PAN基碳纖維生產(chǎn)成本分析及控制措施

馬祥林+任婷+黃遼東+張黎明+王俊峰

摘要：本文以年產(chǎn)百噸級聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)為例，剖析了碳纖維生產(chǎn)成本的構成，分析了碳纖維生產(chǎn)成本現(xiàn)狀，并從規(guī)?；a(chǎn)、工藝改進和資源的綜合利用等方面提供碳纖維生產(chǎn)成本的控制措施。

關鍵詞：PAN基碳纖維；生產(chǎn)成本；控制

中圖分類號：TQ342+.74

文獻標志碼：A

The Production of PAN Carbon Fiber： Cost Analysis and Control

Abstract： Based on PAN carbon fiber production line with annual output of hundred tons， the paper analyzed the composition of the carbon fiber production cost and the main cost factors of carbon fiber production. It suggested that the production cost should be controlled from large-scale production， process improvement and comprehensive utilization of resources.

Key words： PAN based carbon fiber； production cost； control

碳纖維作為一種高性能纖維材料，在許多領域應用廣泛。目前，隨著碳纖維行業(yè)新增長點的出現(xiàn)和市場的變化，為降低二氧化碳排放，風能、汽車等行業(yè)對新型高性能材料的需求，低成本碳纖維增強復合材料需從高端領域向新一代工業(yè)用途提供支持。但碳纖維的高生產(chǎn)成本限制了其推廣應用，發(fā)展低成本生產(chǎn)技術成為碳纖維領域亟待解決的課題。本文以百噸級聚丙烯腈（以下簡稱“PAN”）基碳纖維生產(chǎn)線為例剖析碳纖維的成本構成，以有效控制生產(chǎn)成本，為碳纖維生產(chǎn)的低成本化提供依據(jù)。

1碳纖維生產(chǎn)成本分析

年產(chǎn)百噸PAN基碳纖維生產(chǎn)成本主要包括聚合、PAN紡絲和氧化炭化三大部分（圖1）。按照《加快推進碳纖維行業(yè)發(fā)展行動計劃》PAN碳纖維原絲消耗不高于2.1t計算，生產(chǎn)100t碳纖維需配備250tPAN原絲生產(chǎn)能力。除了主要的生產(chǎn)流程和設備，公用資源不足的工業(yè)區(qū)，水電汽等輔助工程必須配套，因而在碳纖維生產(chǎn)過程中規(guī)模效益異常突出。以下將對聚合、PAN紡絲、氧化炭化成本的構成進行分析。

1.1聚合

聚合直接生產(chǎn)成本包括聚合原料和生產(chǎn)物資消耗成本。生產(chǎn)過程成本包括原料純化、原料輸送、聚合、脫泡脫單、原液過濾及輸送、溶劑回收、單體回收等成本。綜合生產(chǎn)成本為蒸汽、電力、水及相關配套設施運行維護等成本。

1.2PAN紡絲

PAN紡絲直接生產(chǎn)成本主要包括聚合液的過濾及輸送、紡絲、車間潔凈化等成本。

1.3氧化炭化

碳纖維生產(chǎn)直接成本主要包括原絲、上漿劑、電、炭化廢氣處理、氮氣、循環(huán)水、車間潔凈化、配套設施運行維護等成本。

1.4輔助工程

輔助工程直接成本主要包括高純水制備過程、冷凍水、氮氣制備、污水處理、水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽生產(chǎn)等成本。綜合生產(chǎn)過程成本可歸結為原煤、電力、水及相關配套設施運行維護等成本。

1.5固定資產(chǎn)折舊和流動成本

固定資產(chǎn)折舊主要包括廠房建造、設備投入及相關配套輔助系統(tǒng)投資等。按照國產(chǎn)化設備生產(chǎn)線設計、加工，固定資產(chǎn)折舊期限為10年，年產(chǎn)百噸碳纖維生產(chǎn)線折舊費約5.02萬元/t。

流動成本主要包括人員工資、管理、運輸、倉儲、包裝等費用。按照生產(chǎn)定員300人、4班3運轉、廠內運輸、廠內倉儲核算，碳纖維均攤流動成本約3.75萬元/t。

以DMSO為溶劑聚合制備碳纖維生產(chǎn)工藝核算，設備折舊周期按10年計，各部分組成如表1所示。結合理論和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，年產(chǎn)百噸碳纖維生產(chǎn)線直接成本單耗約為29.58萬元/t，碳纖維生產(chǎn)成本價為38.35萬元/t。

2規(guī)模效益預測及分析

參照PAN原絲生產(chǎn)的工藝流程，以碳纖維產(chǎn)量增加、生產(chǎn)規(guī)模擴大來實現(xiàn)規(guī)模效益的提高。以預測年產(chǎn)3000t原絲生產(chǎn)運營狀況為例，原絲直接成本為4.10萬元/t，固定資產(chǎn)折舊成本為0.71萬元，流動費用為0.99萬元，合計原絲成本5.81萬元/t。

同時，配套兩條國產(chǎn)化500t/a碳纖維生產(chǎn)線，年產(chǎn)1000t碳纖維生產(chǎn)規(guī)模，碳纖維直接成本約18.14萬元/t，固定資產(chǎn)折舊約2.21萬元，流動費用約0.33萬元。合計碳纖維綜合成本20.68萬元/t。年產(chǎn)250t原絲、年產(chǎn)3000t原絲、年產(chǎn)100t碳纖維和年產(chǎn)1000t碳纖維成本，各部分成本所占比例如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)分析，隨著生產(chǎn)規(guī)模的增大，原絲和碳纖維的生產(chǎn)成本均呈下降趨勢。年產(chǎn)250t原絲對應年產(chǎn)100t碳纖維條件下，直接成本的比例比年產(chǎn)3000t原絲對應年產(chǎn)1000t碳纖維直接費用所占比例小7.78%；固定資產(chǎn)折舊所占比例高5%左右；流動費用差別不大。

比較結果表明，隨著生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)量的增加，非直接生產(chǎn)因素占總成本的比例逐漸減小。對比年產(chǎn)100t碳纖維與年產(chǎn)1000t碳纖維直接費用，大規(guī)模原絲和碳纖維直接生產(chǎn)費用分別是小規(guī)模直接生產(chǎn)費用的60.94%和48.34%。因此，碳纖維生產(chǎn)規(guī)?；梢杂行У亟档蜕a(chǎn)成本。

3控制措施

在碳纖維生產(chǎn)過程中，對廠房建造、電路、管網(wǎng)、設備投入/保養(yǎng)、運輸成本等固定費用的控制相對較弱；而產(chǎn)品試車、原材料、能源消耗、工藝管理、技術引進等是可控可調的，因而減少這部分費用是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的有效途徑之一。結合國內外碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，建議從以下幾個方面降低碳纖維生產(chǎn)成本。

3.1生產(chǎn)工藝的改進

通過對不同規(guī)模碳纖維生產(chǎn)線的經(jīng)濟效益進行分析及有關資料研究，發(fā)現(xiàn)千噸級以上的生產(chǎn)規(guī)模才能夠產(chǎn)生經(jīng)濟效益，因此規(guī)模化發(fā)展是碳纖維低成本化的途徑之一。

3.1.1聚合工序

在原材料純化處理時，使用離子交換樹脂方式替代傳統(tǒng)的精餾純化方式處理溶劑和聚合單體，既可提高純化產(chǎn)品的純度，還可實現(xiàn)大幅節(jié)能減排。聚合工序通過調整共聚單體的組分，提高PAN基碳纖維原絲在預氧化過程中氧氣的透過率，寬化放熱反應范圍，降低預氧化纖維的皮芯結構和爆燃事故的發(fā)生，加快氧化反應速率，促進氧化和環(huán)化反應，為快速、可控的氧化工藝提供保證。

3.1.2紡絲工序

目前，國內采用濕法紡絲生產(chǎn)工藝，紡絲原液中的PAN濃度（即聚合液固含量）一般不超過20%，紡絲速度小于100m/min。若改進紡絲工藝為干噴濕紡，在相同條件下，固含量可提高到22%以上，紡絲速度提高到300m/min。采用新紡絲工藝，同樣的紡絲裝備及能源消耗條件下，產(chǎn)量提高2～8倍，PAN基碳纖維原絲的生產(chǎn)成本可降低75%。3.1.3氧化炭化工序

目前，國內碳纖維生產(chǎn)過程中，主要采用外熱式氧化爐，預氧化時間約為120min，國外已將預氧化時間縮短至90min以下。流態(tài)化加熱技術的預氧化爐提高了傳熱、傳質的效率，縮短了預氧化的反應時間，碳纖維生產(chǎn)效率提高50%以上。碳纖維表面處理過程中，由傳統(tǒng)的熱風非接觸式干燥方式改為蒸汽、熱油等熱輥接觸式干燥方式，干燥時間和能耗均降低約2/3。3.2資源的綜合利用

碳纖維生產(chǎn)能耗高，氧化工序能耗約占生產(chǎn)成本的16%，炭化工序能耗約占生產(chǎn)成本的23%。在碳纖維生產(chǎn)過程中，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝和設備，提高資源的綜合利用率，進而降低生產(chǎn)成本。如美國Litzler（利茲勒公司）將紅外輻射、射頻加熱及其組合技術應用于氧化爐、干燥爐等設備（圖2），這些新技術的應用使溫度分布更加均勻，尤其是應用不易氧化炭化處理的大絲束，更顯示其優(yōu)越性。其中射頻能量加熱技術屬于低溫干燥方式，對周圍環(huán)境熱輻射少，且無空氣流動，絲束運行更加穩(wěn)定，加熱是即時開關方式，比傳統(tǒng)加熱方式的升降程序效率更高。該加熱技術的應用，可以將PAN原絲氧化炭化停留時間縮短到傳統(tǒng)加熱方式生產(chǎn)線的1/3。

由預氧化纖維轉化成含碳量94%以上的碳纖維，必須經(jīng)歷炭化過程。碳纖維的炭化是通過一個低溫炭化爐（700～900℃）和高溫炭化爐（1450～1800℃），而炭化工序能耗最大，約占生產(chǎn)成本的23%。美國哈泊公司生產(chǎn)的炭化爐使用絕緣或耐火材料替代傳統(tǒng)的水冷卻操作（圖3），持續(xù)降低設備的熱量損失。同時調整電氣接口、電力供應的設計，減少諧波損失和提高功率因數(shù)，建立了高效高容量的生產(chǎn)方法。

采取余熱多級利用技術，即將處理高溫炭化爐和低溫炭化爐廢氣的焚燒爐，已處理的廢氣經(jīng)換熱器將未經(jīng)處理的廢氣加熱至最終反應溫度，約為800℃；然后利用一級換熱器后的已處理廢氣預熱氧化新鮮冷空氣，使其加熱到200℃左右后送入氧化爐的混合過濾器，氧化設備能耗降低50%以上，碳纖維每噸成本降低約0.95萬元；利用氧化廢氣和二級換熱器后的焚燒爐廢氣加熱鍋爐補充水。當炭化廢氣濃度約為2g/Nm3，焚燒爐處于自動熱的模式運行時，焚燒爐運行既不需要補充燃料，也不需加熱源。

3.3新纖維材料的開發(fā)

目前，PAN基纖維原料約占其生產(chǎn)成本的50%，為降低生產(chǎn)成本，開發(fā)出新型高分子材料以代替PAN基碳纖維正成為發(fā)展方向之一。

原料多元化也是碳纖維的重要發(fā)展方向。如德國化纖研究所開發(fā)了新聚合物原絲，其經(jīng)炭化后可制得高性能碳纖維，可用于飛機結構材料；美國ORNL實驗室以α-纖維素熔紡、炭化制成了低成本碳纖維；日本森林研究所與北海道大學提取了α-纖維素，α-纖維素經(jīng)熔紡和炭化制成了強度與通用級石油基碳纖維相當?shù)睦w維，成本得到大幅降低。

綜上所述，改進生產(chǎn)工藝，提高單線生產(chǎn)能力；在規(guī)?；a(chǎn)過程中，提高資源的綜合利用率，降低能源消耗，是降低碳纖維生產(chǎn)成本的有效途徑。

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作者簡介：馬祥林，男，1979年生，工程師，研究方向為PAN基碳纖維及復合材料的產(chǎn)業(yè)化研究與應用。

作者單位：河南永煤碳纖維有限公司。

基金項目：國家財政部資助項目（千噸級GQ4522級聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)業(yè)化及復合材料應用示范項目）。