22万t阴极生产线工程可行性研究报告.docx
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22万t阴极生产线工程可行性研究报告
2.2万t阴极生产线工程
工程编号：
CS0519SQ1
1.总论
1.1预可行性研究编制任务的依据
1.2005年7月4日中国铝业股份有限公司规划发展部给中铝国际工程有限责任公司的委托书。
（见附件1）
2.2005年7月13日中铝国际工程有限责任公司致沈阳铝镁设计研究院的通知。
（见附件2）
3.2005年6月山西碳素厂、山西华泰炭素有限责任公司《山碳脱困华泰发展整体方案》
1.2项目建设的必要性
1.2.1山西碳素厂及山西华泰炭素有限公司基本情况
1.2.1.1山西碳素厂发展史
山西碳素厂始建于1972年，到1987年全部投产后形成2.8万吨的综合产能，具有一条从原料煅烧、成型、焙烧、石墨化到机加完整的炭素生产线，总资产2.13亿元。
全厂占地面积42.7万平方米，厂区建筑面积36.29万平方米，现有职工1886人，其中各类专业技术人员270人，具有中高级以上技术职称人员180人。
主要产品有铝用电解阴极炭块、石墨电极、糊类制品和特种石墨制品，包括高功率石墨电极、普通石墨电极、普通阴极炭块、预焙阳极和半石墨质阴极炭块近30个品种，100多种规格，产品覆盖除西藏以外的各省、市、自治区。
与国内28家进出口公司有业务往来，产品出口24个国家和地区。
山西碳素厂有着二十多年的炭素生产历史，并拥有完整的技术检测系统和技术分析系统，有山西省规模最大、实力最强的炭素技术中心，为企业的生产发展提供了强劲的技术后盾。
1.2.1.2华泰公司情况
二十世纪六十年代末，我国“四五”计划中在山西省中部建设大型炭素企业—山西碳素厂，主要以生产铝电解用阴极炭块为主，是我国第一家阴极碳素企业。
八十到九十年代山西碳素厂逐步形成了阴极炭块、石墨电极和糊类生产线。
2004年山西碳素厂改制为山西华泰炭素有限责任公司，现为中国铝业股份有限公司控股的专门生产炭素制品的公司。
主要以生产、加工、销售炭素制品为主营业务。
其研制的大规格铝电解用阴极碳块1995年曾获国家发明奖，并被确认为山西省名牌产品，大规格异型优质铝电解阴极块曾获96年国家新产品。
现有员工500人，中高级以上技术职称的员工占40%。
山西华泰炭素有限责任公司地处能源及化工基地山西省介休市境内，原燃料充足，电力条件优越，南同蒲铁路、大运公路、108国道和祁临高速公路分别从公司南北两侧毗邻而过，交通运输十分便利。
公司生产的预焙阳极，经郑州轻金属研究院检测各项指标均为国内最好水平。
1.基本情况
华泰公司是由中铝股份控股的子公司，租赁山碳的有效资产进行炭素制品的生产经营（租赁资产总计为11095万元，其中土地5878万元，设备房屋等5217万元），每年支付山碳租赁费1100万元（其中土地租金522万元，生产设施租金578万元）。
现有员工465人，主要产品有预焙阳极、阴极炭块、石墨电极三大系列。
2.设备现状
华泰公司租赁山碳的生产设施，大部分是上个世纪五、六十年代购建的，设备已严重老化。
2004年虽然对一些设备进行了技术改造，但大部分关键设备仍维持原有状况，整体装备水平较低。
3.产能现状
目前，华泰公司实际具备的生产能力为：
成型4万吨/年；焙烧2.0万吨/年；石墨化0.6万吨/年；炭素加工1万吨/年。
综合生产能力为2.6万吨/年。
其中:
预焙阳极为2.0万吨/年，石墨化来料加工为0.6万吨/年。
1.2.1.3华泰发展炭素制品的优势
1.华泰公司现有600多亩的可用土地、便捷的铁路、公路运输、完整的电力供应系统和一支多年从事炭素生产的员工队伍等既有资源。
同时，当地具有丰富的原煤、冶金焦和电力能源供应，且价格相对便宜。
2.华泰公司是在山碳的基础上成立的，山碳又是我国最早的阴极制品专业生产厂家，在生产炭素制品方面技术成熟、经验丰富，在市场上也享有一定声誉。
3.山碳有曾经研制大规格半石墨质阴极大块的成功经验，华泰又与郑研院联合研制高石墨含量的阴极特大块，具有一定的工业性研究能力，对于延长电解槽寿命、降低电解槽维修费用的研究与开发，也有一一定的优势。
4.中铝公司优异的经营业绩、快速扩张的发展势头、广阔平台和行业优势是华泰公司的坚强依托，这是其他任何一家炭素厂所不可比拟的最大优势。
5.从地理位置上来看，长江南有贵州分公司阴极炭素基地，大西北有正在建设的青海铝炭素厂，如果把华泰公司打造成中铝公司的第三大阴极生产基地，就可以立足中部，开拓北部，辐射东部，占据地域的有利优势。
1.2.1.4存在的问题
1.企业多年亏损，债务拖欠多，人员包袱重。
2.设备及基础设施严重老化，运行过程中存在着许多安全隐患。
3.拖欠职工的各种费用与历史遗留问题没有实质性解决，各种上访事件时有发生。
特别是与职工息息相关的养老保险金问题，没有纳入社会保险体系。
4.一直没有准确的发展定位。
5.资金严重短缺，生产经营举步维艰。
6.技改未能完善，制约生产能力的发挥。
1.2.2建设2.2万t/a阴极项目的意义
1.从上面的介绍可以看出，不管山碳脱困，还是华泰的发展，都必须建立在能够上一个新的项目。
该项目的经济效益、社会效益都是很显著的，华泰才能够继续发展，使中铝出资支持的山碳脱困才有实际的意义，中铝公司通过华泰的发展成长，不仅可以保持山西碳素厂的阵地，建立一个新的铝用阴极基地，同时又使中铝在国际国内的声望更加提高。
2.中铝股份公司总体规划拟在中国建设三个铝用阴极炭块生产基地。
西北建在青海铝厂，西南建在贵州铝厂。
中部拟再建一个铝用阴极炭块厂，华泰炭素公司位于山西省中部，正是高档铝用阴极生产基地的最佳地点。
1.2.3项目建设的依据
1.2.3.1国内市场
目前国内市场上供应的阴极炭块大部分为无定型阴极炭块。
只有贵州铝厂等近几年生产的阴极炭块力求加入30%的人造石墨，才真正属于半石墨质阴极炭块。
由于“七五”、“八五”、“九五’甚至“十五”前半期间，国家在有色金属行业中实行“优先发展铝”的方针和自焙槽的全面技术改造，因此，对阴极炭块产品有强劲的需求势头，刺激了阴极炭块生产厂家的增加，产量骤增。
据有关资料的不完全统计，生产厂家有30余家，产能达40多万t/a。
（包括在建和拟建）。
然而国内的需求量只有15～18万t/a。
因此，供应量远远大于需求量，但在国内40余万t/a的阴极仍以无定形阴极炭块为主，只有贵州铝厂等少数厂家近几年生产了人造石墨含量较高的半石墨质阴极炭块。
因此，华泰公司生产人造石墨含量为30%的半石墨质阴极炭块，才可挤入众多厂家之中。
只要质量优异，价格合理就能争得一席之地。
而石墨化阴极炭块在国内仅有个别厂家在试生产，华泰利用自己的技术优势，引进世界上先进的技术及设备，就可生产质量优良的石墨化阴极炭块，占领大部国内市场。
1.2.3.2国际市场
据有关资料报导，国外市场（不包括俄罗斯）阴极炭块年需要量为12～13万t/a，但从世界现有铝产量和铝的产量增长情况估算，大约需要20多万t/a，据国外不完全统计，目前的阴极炭块供应量为16万t/a，其中石墨化阴极占40%左右。
供需之间差别不大，由于国外阴极生产厂商的资料甚少，16万t/a的供应量也可能不足。
总之，从国际市场看铝用阴极市场空间也有不很大，基本上饱和。
对华泰而言，就是要以优异的质量和合理的价格挤入国际市场，特别是在石墨化阴极炭块方面余地会更大一些。
1.2.3.3关于石墨化阴极的开发
1.2.3.3.1铝用阴极的分类
按所用材料和加工方法不同,大致分以下几类。
●无定形炭块—采用煤气煅烧无烟煤作为骨料，焙烧温度在1200℃左右。
●半石墨质炭块—采用电煅烧无烟煤作骨料，煅烧温度为1800-2000℃，填加人造石墨量在30%以上。
●半石墨化炭块—有两种含义，一种是指采用石墨作为骨料，在1200℃左右焙烧而制成的产品；另一种是指采用可石墨化材料,整个制品在2000-2300℃下进行热处理.但一般情况下,半石墨化炭块均指第一种情况。
●石墨化炭块—采用可石墨化材料石油焦作原料，整个制品均在2500-3000℃下进行热理。
具体分类及性质见表
阴极炭块的分类及性质
性质
单位
碳块形式
传统的（无定形）
半石墨质
半石墨化
石墨化
真密度
g/cm3
1.85～1.95
2.05～2.15
2.05～2.18
2.2
视在密度
g/cm3
1.50～1.55
1.60～1.70
1.55～1.65
1.6～1.8
总孔度
%
18～25
20～25
15～30
25
开口孔度
%
15～18
15～20
—
—
电阻率
Ω·μm
30～50
15～30
12～18
8～14
热导率
Wm-1·K-1
8～15
30～45
30
80～120
冲击强度
MPa
25～30
25～30
—
15
抗折强度
MPa
6～10
10～15
6～10
10～15
拉波波尔
特钠膨胀率
%（m·m-1）
0.6～1.5
0.3～0.5
0.3～0.5
0.05～0.15
灰份含量
%
3～10
0.5～1.0
<1.5
<0.5
由于半石墨化阴极炭块很少采用，因而就按无定形，半石墨质，石墨化，分成三大族，兹将三大族群炭块的性质定性地作一比较，列于表。
三大族阴极炭块的性质定性比较表
可比性质
无定形基碳块
半石墨质碳块
石墨化碳块
价格
1
1.5～1.8
2～3
抗热震系数
可接受
良
优
热导率
适中
高
很高
电阻率
室温
高
低
很低
槽温
中等
很低
很低
钠膨胀系数
适中
小
很小
抗压强度
室温
高
适中
低
槽温
高
适中
提高
抗摩损系数
室温
优
良
差
槽温
优
良
可
铝用阴极炭块破损的主要原因是钠浸蚀，石墨化炭块最大的优点是抗钠浸蚀能力强，因此提高了电解槽寿命。
石墨化阴极电阻率低，降低了炉底电压损失，节省了电能。
1.2.3.3.2石墨化阴极的采用
中国的铝电解槽目前均采用无定形炭块或半石墨质炭块，而所谓半石墨炭块中人造石墨的含量仅为10%左右，严格讲仍属无定形炭块。
仅有少数的试验槽采用石墨化阴极炭块，个别的厂家正在试生产石墨化阴极炭块。
大型预焙电解槽推广石墨化阴极炭块，在国内铝界存在两种意见。
1.认为目前使用的炭块，电解槽也很稳定，没有出现国外资料中报导的，在大型电解槽上使用普通的阴炭块而造成的早期大量破损，因此，目前应稳定大型预焙槽的结构及操作参数，没有必要采用价格较为昂贵的石墨化阴极炭块。
2.另一种意见是，既然大型电解槽是一个先进的设备，那么阴极炭块理所当然地采用先进的石墨化阴极炭块，它的理由是
（1）国外预焙电解槽已有40%左右采用石墨化阴极炭块，特别是大型预焙槽几乎全部采用了石墨化阴极炭块。
中铝国际为印度设计的铝厂，印度方面仅在中国市场上采购了极少量的阴极炭块，其余大部分均从欧洲市场上采购。
（2）采用石墨化阴极炭块的优点
A.抗钠浸蚀能力强
电解槽的后期破损的主要原因是钠浸入炭块内部，引起炭块膨胀而破裂。
半石墨质阴极炭块的钠膨胀率比石墨化阴极炭块高3-6倍，因此石墨化阴极炭块抗钠浸蚀能力比半石墨质阴极炭块强很多。
国外用石墨化炭块作阴极的电解槽寿命为3000d；
国内用半石墨质炭块作阴极的电解槽寿命1500d；
半石墨质阴极炭块的价格为8400元/吨；
石墨化阴极炭块的价格为18000元/吨
建设铝厂的阴极炭块消耗量为：
35kg/a.t-Al
兹将两种炭块的一次投资，经营费列于下表
半石墨质阴极炭块与石墨化阴极炭块的比较
指标
类别
投资元/吨铝.年
运营费元/吨铝
单耗kg/t-Al
半石墨质块
294
71.4
8.5
石墨化块
700
85.0
4.72
大型预焙槽阴极炭块规格:
半石墨质阴极炭块3390×660×450（h）mm
石墨化阴极炭块3390×660×500（h）mm
石墨化阴极炭块因为省电减少了发热量，因而增厚50mm，是为了减少热损失。
建设一个29万t/a的电解铝厂，采用350kA电解槽，需要配置的电解槽数为：
（1）半石墨质阴极电解槽
运行槽数：
300台，大修周期30d，运行槽寿命1500d，则需要备用槽6台，共计要配置306台。
（2）石墨化阴极电解槽
运行槽数：
300台，大修周期35d，运行槽寿命3000d，则需要备用槽4台，共计要配置304台。
石墨化阴极槽比半石墨质阴极槽筑炉费高5%。
则采用半石墨质阴极炭块为底块的筑炉直接费为:
290000×0.035×8400=8526万元
采用石墨化阴极炭块为底块的筑炉直接费为
290000×（500/450）×0.035×1.05×（304/306）×18000=21176万元
则建设一个29万t/a的电解铝厂，采用石墨化阴极炭块作底块的电解槽比采用半石墨质阴极炭块作底块的电解槽多投资:
21176-8526=12650万元
B.降低电耗
采用行业标准YS/T287-1999中规定的铝电解用半石墨质阴极炭块
ρ=40μΩm（行标中规定40-45μΩm）
石墨化阴极炭块电阻率ρ=11μΩm（普通功率厂墨电极ρ=10.5μΩm，高功率石墨电极ρ=7.5μΩm）
目前350kA预焙电解槽采用半石墨质阴极炭块时主要参数如下：
电流强度：
350kA
槽电压：
4.2V
直流电耗：
13600kwh/t-Al
整流效率：
98%
电解槽膛长：
L=17360mm，小面槽帮宽420mm
电解槽膛宽：
W=3900mm，大面槽帮宽300mm
阴极炭块高：
H=450mm
阴极钢棒高：
H=200mm
根据这些数据计算阴极炭块到钢棒间的电压降：
U=IR=350000×40×
×103
U=350000×45×0.35÷（16520×3300）×103
=89.9mV
半石墨质阴极炭块与钢棒间接触的压降理论上很难计算，根据经验也取89.9mV。
如果采用石墨化阴极炭块作底块，为了减少电解槽散热，炭块高度为500mm。
则石墨化阴极炭块到阴极钢棒的电压降为：
U=（89.9×11/40）×400/350=28.25mV
石墨化炭块与钢棒的接触电压降也按28.25mV计。
以上计算均忽略了电阻率温度系数，两者的差别趋势不会有很大的改变。
则采用石墨化阴极比半石墨质阴极降低电压降为：
89.9×2-28.25×2=123.3mV
此时总的槽电压为：
4.2-0.123=4.077V
如果电流强度和电流效率都保持不变，则直流电耗为：
13600×4.077/4.2=13202kWh/t-Al
采用石墨化阴极比半石墨质阴极节省直流电：
13600-13202=398kWh/t-Al
整流效率为98%。
则交流电为398÷0.98=406.1kWh/t-Al
电费为0.455元/度，故290000t/a铝厂，采用石墨化阴极比半石墨质阴极节省电费为：
290000×406.1×0.455=53584895元/年≈5358.5万元/年
从前边的计算可知，29万t/a采用350kA电解槽的电解铝厂,采用石墨化阴极炭块作阴极的电解槽比采用半石墨质阴极炭块的电解槽多投资12650万元，银行贷款年利率按6%计，则可计算出回收期。
设回收期为t年则有：
12650×（1.06）t=5358.5t
解此指数方程t=2.775年
即在二年九个月的时间，用节省的电费就可以偿还采用石墨化阴极炭块作阴极的电解槽多投入的资金。
以上的计算，是为了方便和直观，假定了产能和槽型。
实际上，从计算过程中可知，对于任何相同产能，相同槽型的铝厂，采用石墨化阴极炭块作阴极比半石墨质阴极炭块作阴极的电解槽，用不到3年的时间所节省的电费就可以偿还多投入的资金。
老厂改造,也可逐台地把半石墨质阴极更换为石墨化阴极,不会影响整个电解系列的正常运行。
中铝公司内部的电解铝要发展到400万t/a，中国电解铝的产能已达800万t/a，2004年世界铝产量有2985万t/a。
2010年中国铝产量将达到1100万t。
近期投产的都是大型预焙槽，中国电解铝和世界电解铝的技术发展也迫切需要大量的高档铝用阴极炭块与此配套。
因此，石墨化阴极炭块的市场空间很大。
从前边的计算中可以看出，采用石墨化阴极炭块不仅在技术上是合理的，在经济上也是可行的。
本工程的石墨化阴极采用了高压浸渍，二次焙烧等新工艺新技术，引进国外先进的串接石墨化技术，远比国内正在试生产的石墨化阴极质量高。
半石墨质阴极配入30%以上的人造石墨，是本工程石墨化阴极的副产品，用量和质量均有可靠的保证，比采用外购石墨生产半石墨质阴极炭块的质量优良稳定，更要比一般的无定形阴极炭块质量优秀了。
而且40万t/a的阴极炭块绝大多数属于无变形产品。
因此，本工程的产品不论在国际和国内市场上，都具有相当大的竞争能力。
1.2.3.4设计的指导思想
按照2005年4月中旬中铝股份公司领导的指示“项目起点要高，技术及装备水平要世界一流，产品质量达到国际先进水平”的精神，作为本项目设计遵循的原则。
1.2.3.5生产规格及产品方案
1.半石墨质阴极炭块11000t/a，3390×660×450mm
2.石墨化阴极炭块11000t/a，3390×660×500mm
3.阴极糊类（周围捣固糊、炭块间捣固糊、炭棒捣固糊、炭胶等）3000t/a。
1.2.3.6建设条件
1.厂址:
利用现有山西碳素厂的生产厂地，布置阴极生产线。
2.电源
介休市有3个变电所
（1）介休变电所
距厂区7～8km
A.110kV
有4条进出线，总容量：
40000kVA×3=120000kVA均已占满，到山碳的110kV进线为150mm2，目前只送30000kVA。
B.35kV
主变为31500kVA，110/35kVA，85年投入运行。
C.10kV
主变为31500kVA，110/35kV，共有10个间隔，其中1个为山碳的826备用电源。
（2）绵山变电所
距山炭约3km
A.110kV
容量为40000kVA，已无空余容量。
B.220kV
容量200000kVA。
（3）北辛武变电所
在介休北距厂十余公里。
容量为110kV，40000kVA×2=80000kVA。
（4）晋中电力分公司
电力分公司认为，北辛武及绵山变电所都有一定的局限性，建议在介休变电所扩容，改造到山碳的110kV线路。
因此本工程的电源拟采用介休变电所的110kVA电源。
3.水源
拟采用厂内打深井供水
4.燃料
（1）天然气
介休境内没有天然气管路通过，根据华泰天然气的用量，省天然气公司晋南分公司认为用量太小，难于接受供气任务。
（2）周围工厂的煤气
金昌公司距厂区1km，年产焦炭60万t，生产焦炉煤气30000Nm3/h,煤气成分为：
H2CH4COCnHmCO2N2O2
54-5923-285.5-72-31.5-2.53-50.3-0.7%
热值为：
3600—4000kcal/Nm3
但焦化厂生产不稳定，受市场影响很大，因此把燃料建立在周边的焦炉煤气上，具有很大的不确定性。
在初步设计阶段再作过细工作。
（3）重油
根据上述情况，暂拟采用重油。
但介休地区没有重油的经营部门，需要外购。
1.2.4设计结果
1．本工程的主导方案为：
11000t/a石墨化阴极炭块
11000t/a半石墨质阴极炭块（含人造石墨30%以上）
3000t/a阴极糊。
生产半石墨阴极炭块和阴极糊的人造石墨，全部由生产石墨化阴极炭块的副产品供给，不需外购，降低了生产成本。
主要技术经济指标见下表。
序号
指标名称
单位
数量
备注
1
建设规模
t/a
22000
另有3000t阴极糊
2
产品产量
半石墨质阴极
t/a
11000
石墨化阴极
t/a
11000
阴极糊
t/a
3000
3
主要原材料、燃料年用量
石油焦
t/a
16698
固体沥青
t/a
7367
煤焦油
t/a
3779
无烟煤
t/a
8337
冶金焦
t/a
1100
重油
t/a
9378
水
t/a
508300
交流电
kW·h/a
0.651×108
4
劳动定员
全厂定员
人
450
全员实物劳动生产率
t/a人
55.6
按四种产品估算
全员产值生产率
万元/a人
57.3
5
总资金
建设投资
万元
67282.1
建设期利息
万元
3947.8
流动资金
万元
3416.5
建设总投资
万元
72254.8
含铺底流动资金
建设总资金
万元
74646.4
含全部流动资金
6
盈利能力指标
全部投资财务内部收益率
%
11.0
全部投资财务净现值
万元
13684.3
ic=8%
全部投资回收期
a
9.1
含2.5年建设期
自有资金内部收益率
%
13.7
自有资金财务净现值
万元
15609.6
ic=8%
投资利润率
%
11.6
达产年平均
投资利税率
%
16.3
达产年平均
7
负债能力
第9年
资产负债率
%
10.1
流动比率
%
416.4
速动比率
%
338.7
借款偿还期
a
8.8
含2.5年建设期
2.本工程可供选择的过度方案:
22000t/a半石墨质阴极炭块（含人造石墨30%）
3000t/a阴极糊
如果已经建成了原料仓库、沥青熔化、煅烧、生阴极制造、焙烧、机械加工等主要生产工序，高压浸渍、二次焙烧、石墨化工序等尚未完全建成，先可按该过度方案安排生产。
但此时需要外购电煅无烟煤及人造石墨碎等，经济效益要差一些。
其主要技术经济指标见下表。
序号
指标名称
单位
数量
备注
1
建设规模
t/a
22000
2
产品产量
半石墨质阴极
t/a
22000
半石墨质阴极糊
t/a
3000
3
劳动定员
全厂定员
人
300
4
总资金
建设投资
万元
41337.7
建设期利息
万元
1358.9
流动资金
万元
2719.4
建设总投资
万元
43512.4
含铺底流动资金
建设总资金
万元
45416.0
含全部流动资金
5
成本与费用
第9年
制造成本
万元/a
10655.4
管理费用
万元/a
405.7
财务费用
万元/a
421.3
销售费用
万元/a
375.0
总成本费用
万元/a
11857.4
其中：
固定成本
万元/a
5396.4
可变成本
万元/a
6461.0
经营成本
万元/a
9357.2
6
利润估算
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