摘要：本文以年产百吨级聚丙烯腈基碳纤维生产为例，剖析了碳纤维生产成本的构成，分析了碳纤维生产成本现状，并从规模化生产、工艺改进和资源的综合利用等方面提供碳纤维生产成本的控制措施。
关键词：PAN基碳纤维；生产成本；控制
中图分类号：TQ342+.74
文献标志码：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
碳纤维作为一种高性能纤维材料，在许多领域应用广泛。目前，随着碳纤维行业新增长点的出现和市场的变化，为降低二氧化碳排放，风能、汽车等行业对新型高性能材料的需求，低成本碳纤维增强复合材料需从高端领域向新一代工业用途提供支持。但碳纤维的高生产成本限制了其推广应用，发展低成本生产技术成为碳纤维领域亟待解决的课题。本文以百吨级聚丙烯腈（以下简称“PAN”）基碳纤维生产线为例剖析碳纤维的成本构成，以有效控制生产成本，为碳纤维生产的低成本化提供依据。
1碳纤维生产成本分析
年产百吨PAN基碳纤维生产成本主要包括聚合、PAN纺丝和氧化炭化三大部分（图1）。按照《加快推进碳纤维行业发展行动计划》PAN碳纤维原丝消耗不高于2.1t计算，生产100t碳纤维需配备250tPAN原丝生产能力。除了主要的生产流程和设备，公用资源不足的工业区，水电汽等辅助工程必须配套，因而在碳纤维生产过程中规模效益异常突出。以下将对聚合、PAN纺丝、氧化炭化成本的构成进行分析。
1.1聚合
聚合直接生产成本包括聚合原料和生产物资消耗成本。生产过程成本包括原料纯化、原料输送、聚合、脱泡脱单、原液过滤及输送、溶剂回收、单体回收等成本。综合生产成本为蒸汽、电力、水及相关配套设施运行维护等成本。
1.2PAN纺丝
PAN纺丝直接生产成本主要包括聚合液的过滤及输送、纺丝、车间洁净化等成本。
1.3氧化炭化
碳纤维生产直接成本主要包括原丝、上浆剂、电、炭化废气处理、氮气、循环水、车间洁净化、配套设施运行维护等成本。
1.4辅助工程
辅助工程直接成本主要包括高纯水制备过程、冷冻水、氮气制备、污水处理、水循环系统、蒸汽生产等成本。综合生产过程成本可归结为原煤、电力、水及相关配套设施运行维护等成本。
1.5固定资产折旧和流动成本
固定资产折旧主要包括厂房建造、设备投入及相关配套辅助系统投资等。按照国产化设备生产线设计、加工，固定资产折旧期限为10年，年产百吨碳纤维生产线折旧费约5.02万元/t。
流动成本主要包括人员工资、管理、运输、仓储、包装等费用。按照生产定员300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3.75万元/t。
以DMSO为溶剂聚合制备碳纤维生产工艺核算，设备折旧周期按10年计，各部分组成如表1所示。结合理论和实际生产数据，年产百吨碳纤维生产线直接成本单耗约为29.58万元/t，碳纤维生产成本价为38.35万元/t。
2规模效益预测及分析
参照PAN原丝生产的工艺流程，以碳纤维产量增加、生产规模扩大来实现规模效益的提高。以预测年产3000t原丝生产运营状况为例，原丝直接成本为4.10万元/t，固定资产折旧成本为0.71万元，流动费用为0.99万元，合计原丝成本5.81万元/t。
同时，配套两条国产化500t/a碳纤维生产线，年产1000t碳纤维生产规模，碳纤维直接成本约18.14万元/t，固定资产折旧约2.21万元，流动费用约0.33万元。合计碳纤维综合成本20.68万元/t。年产250t原丝、年产3000t原丝、年产100t碳纤维和年产1000t碳纤维成本，各部分成本所占比例如表2所示。
由表2数据分析，随着生产规模的增大，原丝和碳纤维的生产成本均呈下降趋势。年产250t原丝对应年产100t碳纤维条件下，直接成本的比例比年产3000t原丝对应年产1000t碳纤维直接费用所占比例小7.78%；固定资产折旧所占比例高5%左右；流动费用差别不大。
比较结果表明，随着生产规模、产量的增加，非直接生产因素占总成本的比例逐渐减小。对比年产100t碳纤维与年产1000t碳纤维直接费用，大规模原丝和碳纤维直接生产费用分别是小规模直接生产费用的60.94%和48.34%。因此，碳纤维生产规模化可以有效地降低生产成本。
3控制措施
在碳纤维生产过程中，对厂房建造、电路、管网、设备投入/保养、运输成本等固定费用的控制相对较弱；而产品试车、原材料、能源消耗、工艺管理、技术引进等是可控可调的，因而减少这部分费用是提高生产效率、降低生产成本的有效途径之一。结合国内外碳纤维生产现状及生产数据等，建议从以下几个方面降低碳纤维生产成本。
3.1生产工艺的改进
通过对不同规模碳纤维生产线的经济效益进行分析及有关资料研究，发现千吨级以上的生产规模才能够产生经济效益，因此规模化发展是碳纤维低成本化的途径之一。
3.1.1聚合工序
在原材料纯化处理时，使用离子交换树脂方式替代传统的精馏纯化方式处理溶剂和聚合单体，既可提高纯化产品的纯度，还可实现大幅节能减排。聚合工序通过调整共聚单体的组分，提高PAN基碳纤维原丝在预氧化过程中氧气的透过率，宽化放热反应范围，降低预氧化纤维的皮芯结构和爆燃事故的发生，加快氧化反应速率，促进氧化和环化反应，为快速、可控的氧化工艺提供保证。
3.1.2纺丝工序
目前，国内采用湿法纺丝生产工艺，纺丝原液中的PAN浓度（即聚合液固含量）一般不超过20%，纺丝速度小于100m/min。若改进纺丝工艺为干喷湿纺，在相同条件下，固含量可提高到22%以上，纺丝速度提高到300m/min。采用新纺丝工艺，同样的纺丝装备及能源消耗条件下，产量提高2～8倍，PAN基碳纤维原丝的生产成本可降低75%。3.1.3氧化炭化工序
目前，国内碳纤维生产过程中，主要采用外热式氧化炉，预氧化时间约为120min，国外已将预氧化时间缩短至90min以下。流态化加热技术的预氧化炉提高了传热、传质的效率，缩短了预氧化的反应时间，碳纤维生产效率提高50%以上。碳纤维表面处理过程中，由传统的热风非接触式干燥方式改为蒸汽、热油等热辊接触式干燥方式，干燥时间和能耗均降低约2/3。3.2资源的综合利用
碳纤维生产能耗高，氧化工序能耗约占生产成本的16%，炭化工序能耗约占生产成本的23%。在碳纤维生产过程中，通过优化生产工艺和设备，提高资源的综合利用率，进而降低生产成本。如美国Litzler（利兹勒公司）将红外辐射、射频加热及其组合技术应用于氧化炉、干燥炉等设备（图2），这些新技术的应用使温度分布更加均匀，尤其是应用不易氧化炭化处理的大丝束，更显示其优越性。其中射频能量加热技术属于低温干燥方式，对周围环境热辐射少，且无空气流动，丝束运行更加稳定，加热是即时开关方式，比传统加热方式的升降程序效率更高。该加热技术的应用，可以将PAN原丝氧化炭化停留时间缩短到传统加热方式生产线的1/3。
由预氧化纤维转化成含碳量94%以上的碳纤维，必须经历炭化过程。碳纤维的炭化是通过一个低温炭化炉（700～900℃）和高温炭化炉（1450～1800℃），而炭化工序能耗最大，约占生产成本的23%。美国哈泊公司生产的炭化炉使用绝缘或耐火材料替代传统的水冷却操作（图3），持续降低设备的热量损失。同时调整电气接口、电力供应的设计，减少谐波损失和提高功率因数，建立了高效高容量的生产方法。
采取余热多级利用技术，即将处理高温炭化炉和低温炭化炉废气的焚烧炉，已处理的废气经换热器将未经处理的废气加热至最终反应温度，约为800℃；然后利用一级换热器后的已处理废气预热氧化新鲜冷空气，使其加热到200℃左右后送入氧化炉的混合过滤器，氧化设备能耗降低50%以上，碳纤维每吨成本降低约0.95万元；利用氧化废气和二级换热器后的焚烧炉废气加热锅炉补充水。当炭化废气浓度约为2g/Nm3，焚烧炉处于自动热的模式运行时，焚烧炉运行既不需要补充燃料，也不需加热源。
3.3新纤维材料的开发
目前，PAN基纤维原料约占其生产成本的50%，为降低生产成本，开发出新型高分子材料以代替PAN基碳纤维正成为发展方向之一。
原料多元化也是碳纤维的重要发展方向。如德国化纤研究所开发了新聚合物原丝，其经炭化后可制得高性能碳纤维，可用于飞机结构材料；美国ORNL实验室以α-纤维素熔纺、炭化制成了低成本碳纤维；日本森林研究所与北海道大学提取了α-纤维素，α-纤维素经熔纺和炭化制成了强度与通用级石油基碳纤维相当的纤维，成本得到大幅降低。
综上所述，改进生产工艺，提高单线生产能力；在规模化生产过程中，提高资源的综合利用率，降低能源消耗，是降低碳纤维生产成本的有效途径。
参考文献
[1]贺福.碳纤维及石墨纤维[M].北京：化学工业出版社，20l0.
[2]芦长椿.碳纤维供求状况与生产成本[J].合成纤维，2013，42（2）：1-5.
[2]赵稼祥.碳纤维低成本制备技术[J].高科技纤维与应用，2003，28（6）：12-14.
[3]韩克清，严斌，田银彩，等.碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展[J].中国材料进展，2012，31（10）：30-35.
[4]梁燕，金亮，潘鼎.低成本碳纤维制备技术[J].高科技纤维与应用，2011，36（3）：39-44.
[5]贺福.高性能碳纤维原丝与干喷湿纺[J].高科技纤维与应用，2004，29（4）：6-12.
[6]高学平，朱波，王强.流态化技术在聚丙烯腈基原丝预氧化中的应用探讨[J].合成纤维，2006，35（4）：10-12，16.
[7]卢明，席玉松，连峰，等.一种碳纤维表面处理方法及处理装置：中国专利，CN104178790A[P].2014-12-03.
[8]汪家铭.聚丙烯腈基碳纤维发展与应用[J].化学工业，2009，27（7）：45-50.
[9]马祥林，任婷，段晓松，等.全球PAN基碳纤维产业的现状及发展趋势[J].纺织导报，2014（12）：44-46.
[10]罗益锋.新形势下的全球PAN基碳纤维产业动向[J].高科技纤维与应用，2010（3）：14-19.
作者简介：马祥林，男，1979年生，工程师，研究方向为PAN基碳纤维及复合材料的产业化研究与应用。
作者单位：河南永煤碳纤维有限公司。
基金项目：国家财政部资助项目（千吨级GQ4522级聚丙烯腈基碳纤维产业化及复合材料应用示范项目）。