如果说高分子材料是工业领域的一个皇冠的话,那么碳纤维就是皇冠上的明珠。
碳纤维(Carbon Fiber,简称CF)是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
目前,工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维,其生产工艺较其他方法简单,而且产品的力学性能优良,用途广泛,因而自20世纪60年代问世以来,取得了长足的发展,其产量约占全球碳纤维总量的90%以上,成为当今碳纤维工业生产的主流。而应用最少的是粘胶基碳纤维,产量不足1%。
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1k g碳纤维需要消耗2.2k g PAN原丝,即生产500t碳纤维需配备1100t PAN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。(以下测算以1100吨原丝、500吨碳丝产能进行估算)
1. 原丝成本构成
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。(折旧期限按照10年估算)
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。
表:年产1100t原丝产能单耗成本
内容 | 单位吨耗 | 现金折算/万元 | 备注 | |
直接成本 | 单体原料消耗/t | 1.02 | 2.04 | 成品率:98% 原料综合成本:2万元/t |
蒸汽消耗/t | 55 | 0.88 | 蒸汽按照160元/t计算 | |
电力消耗/kWh | 6800 | 0.408 | 消耗电力按照0.6元/kWh核算 | |
自来水消耗/m3 | 180 | 0.027 | 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 |
2. 碳纤维成本构成
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。以所列示的原丝成本为依据,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. 规模效应成本预测
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。
汇总年产1100t原丝和3300t原丝成本,各部分费用所占比例如下表所示。
表:不同生产规模原丝成本构成
内容 | 1100t/a | 3300t/a |
直接成本占生产总成本的比例/% | 79.7 | 84.2 |
固定资产折旧占生产总成本的比例/% | 10.5 | 6.6 |
流动费用占生产总成本的比例/% | 9.8 | 9.2 |
单耗成本*/万元 | 4.784 | 3.807 |
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。
表:不同生产规模碳纤维成本构成
内容 | 500t/a | 1500t/a |
直接成本占生产总成本的比例/% | 86 | 90.1 |
固定资产折旧占生产总成本的比例/% | 12.6 | 8.6 |
流动费用占生产总成本的比例/% | 1.4 | 1.3 |
单耗成本*/万元 | 15.8988 | 11.676 |
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。
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