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利用副产硫酸亚铁、氯化亚铁生产电解纯铁、净水剂、硫酸钾,利润循环经济项目

研发背景

我国是世界最大的钛白粉生产国,也是最大的钢铁生产国,这两个行业副产大量的硫酸亚铁、氯化亚铁。2019-2023年钛白粉产量为318、351、381、391.4、416万吨。每生产1吨钛白粉,将副产约3~4吨硫酸亚铁。

钢铁行业副产的硫酸亚铁、氯化亚铁估计也有1千万吨以上。由于亚铁盐工业用途不大,成为沉重的环境负担,因此国内副产亚铁盐的价格极低,只有5-200元/吨左右,甚至贴钱处理。本技术可使得亚铁盐这一工业废弃物得到合理利用,并且增值数十倍乃至上百倍。


技术简介

本人经过12年研究,阅读了2万多篇中外文献和1000多部书籍,进行了2000多次实验,发明了一种使用电解湿法同时生产电解纯铁、净水剂的技术,并可联产硫酸钾。主要技术优点有:

1.使得亚铁盐减量化。电解过程将1/3左右的亚铁转化为没有销售和环境压力的纯铁产品。

2.生产成本极低。原料价格极低、流程短且为连续化生产,成本很低。

3.环保生产。产品本身就是高纯铁、净水剂等环保材料,原料属于废物利用,整个过程资源全部利用,几乎没有三废排放,符合国家产业政策和环保政策。

4. 产品均为大宗产品,只要价格合理、质量合规就不愁销路。

在炼铁领域电解法存在震荡氧化、电流效率低、氢脆等巨大困难,一直未能大规模应用。本技术将上述困扰电化学领域近百年的难题一一破解,兼具极好的技术创新性和盈利能力,投资2000万元,销售额2亿以上,年所得税后利润可达7000万。如果有余热电厂、副产蒸汽等资源可供利用,利润更高。

技术实际包含三项子技术项目,共可以产出5种产品:(A)电解法制备纯铁和聚合硫酸铁;(B)转化法制备硫酸钾和氯化亚铁(C)电解法制备纯铁和三氯化铁。可以用下图来表示它们之间的关系:

用化学方程式可表示为:

FeSO4 + H2O 电解→ Fe↓+ Fe2 (OH)n(SO4) (6- n) /2

FeSO4 + KCl → FeCl2 + K2SO4

FeCl2 电解→ Fe↓+ FeCl3

三项子技术项目可以独立合作或者转让,也可以整体合作或者转让。目前这套技术的电解部分已经委托某企业进行了中试,效果良好,比较成熟。作为对该企业先期研发中巨大投入的回报,此企业获得了氯化亚铁电解技术的非独占性授权,并已经征地50亩准备工业化生产。


纯铁产品行业分析及市场分析

纯铁一般指铁元素含量很高的铁材料,由于纯度高,纯铁在机械性能、防腐蚀性能、电磁性能等方面表现出很多突出的特性。

纯铁按照还原工艺可划分为高炉纯铁、还原纯铁、羰基纯铁、电解纯铁四类。这四种类型在不同的成型工艺下又可分为一些细分类型,可概括如下表:

成型工艺

还原工艺

液态加工

固态毛料

轧制

固态磨粉

国内厂

家数量

高炉纯铁

雾化铁粉

原料纯铁

电磁纯铁

3

还原纯铁

海绵铁

还原铁粉

>30

羰基纯铁

羰基铁

羰基铁粉

1

电解纯铁

电解纯铁

电解纯铁板

电解纯铁粉

3

需要注意的是传统钢铁销售商习惯上把普通的电镀锌钢板也称之为电解铁、电解板,但是它实际上只是普通的钢材,与本文的电解纯铁有本质不同。

高炉纯铁纯度可达99%-99.9%,但是锰元素含量很难低于0.02%,连铸坯售价4000元/吨左右,冷轧薄板5000-6000元/吨。国内主要厂商为太原钢铁、上海宝钢、武汉钢铁,龙头企业太原钢铁目前年产量4万吨左右。高炉纯铁由于质地很软,不能冷态粉碎成为铁粉,只能在液态雾化成铁粉,山东莱钢是生产雾化铁粉的主要企业。

还原纯铁是用较高纯度的铁矿石粉不经过熔炼直接以固态还原为海绵状纯铁,破碎后磁选除杂成为还原铁粉。还原铁粉纯度在90-98%左右,突出特点是价格低,目前价格在3000-4500元/吨左右。

羰基纯铁是以一氧化碳和铁粉反应生成液态的羰基铁,分馏提纯再分解可得到纯度较高的铁粉产品。但是中间物质羰基铁反应条件苛刻,而且剧毒,成本很高,除非必须一般较少使用。

电解纯铁是以电解液电解还原的方法生产,通常以低碳钢作为原料,由于低碳钢本身价格已经不低,加之耗费电力,因而电解铁成本较高。电解铁纯度很高,可以达到99-99.99%,由于可以达到很高的脆性,因而较容易破碎成粉末。目前99%电解铁粉价格在6000-12000元/吨,99.9%产品价格在2-5万元/吨左右,99.99%产品则高达数十万元/吨。国内某企业生产的99% 400目电解铁粉售价为14000元/吨。电解铁之所以价格很高仍有需求是由于其具有特殊的性质:电解铁结晶形式为树枝状结晶,具有特殊的压制性能和反应活性,因而在粉末冶金、催化剂等领域有无法替代的用途;电解铁的锰含量很低,由于铁锰性质很相似,普通方法很难去除锰杂质,因而电解铁在很多领域有不可替代的应用。

具体而言,电解纯铁主要有三个比较大的用途:稀土永磁材料、金刚石锯片、软磁材料。中国稀土永磁材料年产量已经达到10万吨左右,需要消耗纯铁6万吨以上,块状电解纯铁由于锰含量低,在高端磁体方面很有应用优势。金刚石锯片行业是一个消耗品行业,目前我国年产锯片30-40亿片左右,即使每片锯片使用10克铁粉,总用量也将超过3万吨,准确数字尚难统计。

本技术生产的电解铁纯度在99.5%以上,产品可不经任何加工直接以板状或者块状纯铁销售,也可以粉碎后作为电解铁粉出售。


净水剂产品行业分析及市场分析

净水剂产品主要有铝系净水剂、铁系净水剂以及有机净水剂3大系列。铝系产品pH适用范围窄且铝离子有一定的生物毒性,有被淘汰趋势。有机净水剂主要是以聚丙烯酰胺为主体的各种衍生高分子化合物,由于价格太高,每吨在几万元以上,只能用于特殊用途。铁系产品有硫酸亚铁、氯化亚铁、硫酸铁、氯化铁、聚合氯化铁、聚合硫酸铁等产品。

氯化铁是一种传统净水剂,在净水领域有广泛的应用,尤其在城市污泥处理方面有不可替代的优势。此外氯化铁还在不锈钢刻蚀、染料、冶金等方面有较大的用量。氯化铁目前主要的生产方法是氯气氧化法,氯气氧化法又分为火法、湿法两种。氯气氧化法由于使用剧毒的氯气作为原料,其发展受到很多限制;氯气的引入不但没有使得铁盐减量,还使其增量了,而电解法则使得铁盐总量减少了很大一部分;氯气价格波动剧烈,生产成本不稳定。

氯化铁全国产能以广东较大。产品形态分为固态和液态两种:

液体价格

固体价格

液体月产量

固体月产量

辽宁某公司

900

300

广东某公司

700

1800

5000

5000


聚合硫酸铁 (polymeric ferric sulfate ,PFS)是一种无机高分子净水剂,是近年来形成规模生产的高品质水处理产品。聚合硫酸铁以其无毒、高效、适用范围广、价格低成为近年来发展最为迅速的净水剂产品。聚合硫酸铁产品形态分为固态和液态两种。

聚合硫酸铁目前主要的生产方法为催化氧化法,所用的催化剂亚硝酸钠是一种剧毒致癌物质,产品有大量残留,排放剧毒的难于处理的氮氧化物气体,而且生产周期长。

聚合硫酸铁净水剂目前全国很多地方均有生产,以原料丰富的河南厂家数量最多,固体含税价在800-1800元/吨,液体200-700元/吨。东北由于原料有限生产厂家较少,固体价格高达1600-2000元左右。山东、江苏、广东三个经济发达地区产能很大,但是由于需求旺盛,含税价格较高:

液体价格

固体价格

液体月产量

固体月产量

山东淄博某公司

400

1500

15000

1000

广东深圳某公司

500

1700

30000

3000


硫酸钾产品行业分析及市场分析

钾肥有氯化钾和硫酸钾两种,由于根块茎植物、烟草、水果、甘蔗等农作物忌氯,因此硫酸钾化肥的需求量很大。

硫酸钾市场将在相当长时间内保持需求旺盛的态势,这主要是由于两方面原因:

1.忌氯的高附加值经济作物种植面积不断扩大。除了烟草外,一般凡是有甜味品质的农作物都适宜使用硫酸钾,这类经济作物的种植面积一直在增长。

2.我国原本的钾肥施用比例严重偏低。我国农业长期以来的一个问题就是氮肥使用量过大,磷钾肥使用量严重偏低,这与我国长期缺少大的磷钾矿有密切关系。

全世界范围内的天然硫酸钾矿不多,因此有大约一半的硫酸钾是用曼海姆法工艺生产,即用氯化钾和浓硫酸在700度高温下反应生成硫酸钾并副产盐酸。曼海姆法过程简单,产品质量好,但是能耗高,副产盐酸销路很成问题。

每吨氯化钾大约可制备1.15吨硫酸钾,近年硫酸钾与氯化钾价差一直在高位运行:

2015年

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

1)硫酸钾

3420

3390

3366

3366

3300

3220

3093

3093

3130

3138

3120

3060

2)氯化钾

2082

2082

2110

2120

2110

2070

2070

2040

2170

2200

2220

2200

1)×1.15-2)

1851

1817

1761

1751

1685

1633

1487

1517

1430

1409

1368

1319

2016年

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

1)硫酸钾

3056

3020

2970

2700

2750

2750

2730

2680

2630

2620

2650

2650

2)氯化钾

2200

2200

2100

2000

1980

1980

1980

1900

1900

1900

1910

1930

1)×1.15-2)

1314

1273

1316

1105

1183

1183

1160

1182

1125

1113

1138

1118

国内硫酸钾主要生产企业有40多家,总产能约为400万吨,产能较大的有:

公司名称

产能

工艺

上海青上农业科技有限公司

8

曼海姆法

广东米高化工有限公司

16

曼海姆法

青上化工佛山有限公司

8

曼海姆法

莒南华利化肥有限公司

10

曼海姆法

石家庄和合化工

7

四川米高化肥有限公司

10

复分解法

米高化工(长春)有限公司

8

曼海姆法

国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司

130

卤水制取

新疆新雅泰化工有限公司

8

卤水制取

甘肃新川肥料有限公司

10

曼海姆法

这些产能中有200多万吨为曼海姆法工艺,属于加工型企业;只有以国投罗钾为代表的个别企业属于资源型企业,国投罗钾每吨净利润超过1千元,全世界没有第二家钾肥企业能与之相比。

本技术生产硫酸钾在成本方面虽然不能与国投罗钾这种资源型企业相比,但和200多万吨产能的曼海姆法工艺竞争还是绰绰有余。保守估计即使替代掉20%的曼海姆法产能达到50万吨生产能力,在销售方面不会有任何问题。


风险分析

1.行业风险。本技术属于电化学领域,就其技术实质而言并无太大风险,但是在我国的行业分类目录上隶属于化工行业,需要按照化工行业的相关规定执行审批、监管流程。

2.成本风险。本技术的主要成本集中于原料硫酸亚铁价格和电力价格。电力价格属于关系国计民生受管制价格,会在较长时间内维持缓慢上涨的趋势,但不会短期内大幅上涨。硫酸亚铁在环保要求日趋严格的情况下,作为废物其价格有下降趋势。

3.财务风险。本技术属于投资中等,利润大,投资回收期短的技术项目,而且规模容易控制,销售看好可以采用大电流、高成本生产方式;市场疲软可以采用低电流、低成本方式。产品均为大宗商品,滞销可能性较小,在不使用高利率借款投资的情况下,财务风险较小。


财务分析

按照现有设计,单系列电解设备每年可处理净含量80%的七水硫酸亚铁2.5万吨,净含量90%四水氯化亚铁1.4万吨。单系列的设备投资约500万左右,但是4个系列的设备投资倍数要远小于4本技术项目投资规模可大可小,500万-1亿均可,但是投资规模小时不易于立项审批。

本计划书工人数量按照四班三运转设置,每年工作日按照350天估计。

(一) 技术项目A:以硫酸亚铁制备纯铁、聚合硫酸铁

规模为单系列年消耗硫酸亚铁2.5万吨。聚合硫酸铁含税价按300/吨计算。

单位

数量

单价

总价/元

折旧期

年折旧

设备等固定投入

5128042

3343498

材料动力投入

8681219

人员投入:

48

5032000

纯铁

1151.1

8547.0

9838283

液体聚合硫酸铁

25899.3

256.4

6640841

营业收入

16479124

税后净利润

3016888

销售利润率

26%

成本费用利润率

25%

固定投资年回报率

59%

(二) 技术项目C:以氯化亚铁制备纯铁、三氯化铁

规模为单系列年消耗氯化亚铁1.4万吨。液体三氯化铁售价按照价格600/吨估计。

单位

数量

单价

总价/元

折旧期

年折旧

设备等固定投入

5448230

3343498

材料动力投入

9632768

人员投入:

48

5032000

纯铁

1176.0

8547.0

10051282

液体三氯化铁

15680.0

512.8

8041026

营业收入

18092308

税后净利润

3450157

销售利润率

27%

成本费用利润率

26%

固定投资年回报率

63%

有些地区由于钢铁酸洗产能大,政府以贴钱补助的形式处理氯化亚铁,每吨的补助数额高达100-500元,如果按此计算利润更为可观。

(三) 联合流程:以硫酸亚铁制备纯铁、硫酸钾、三氯化铁

联合流程是将转化法生产硫酸钾与电解过程结合起来,两个子技术发挥协同优势,利润更高。

表中数据按照4个系列计算,年消耗10万吨含量为80%硫酸亚铁。三氯化铁以固体形式销售,含税价格按1500元估计。

单位

数量

单价

总价/元

折旧期

年折旧

固定投入:

阳极

1408.0

2765

3893092

2

1946546

阴极

1843.2

1000

1843200

15

122880

电解槽

128.0

20000

2560000

10

256000

槽间铜排

公斤

2691.4

45

121111

5

24222

汇流铜排

公斤

854.4

45

38448

5

7690

耐酸泵

10.0

10000

100000

3

33333

压滤机

2.0

50000

100000

5

20000

过滤器

2.0

5000

10000

3

3333

阴极池

1.0

150642

150642

10

15064

阳极池

1.0

140642

140642

10

14064

暂存池

1.0

50000

50000

10

5000

阳极循环池

1.0

155642

155642

10

15564

阳极沉降池

1.0

155642

155642

10

15564

蓄水池

1.0

100000

100000

5

20000

蒸发器

1.0

1000000

1000000

10

100000

结晶器

1.0

500000

500000

10

50000

换热器

2.0

200000

400000

10

40000

转换器

4.0

200000

800000

10

80000

变压器

千瓦

6336.0

1000000

1000000

10

100000

包装机

1.0

500000

500000

10

50000

换热器

2.0

200000

400000

15

26667

离心机

1.0

300000

300000

5

60000

干燥机

1.0

0

400000

5

80000

直流电源

千瓦

4224.0

500000

500000

10

50000

叉车

5.0

50000

250000

10

25000

设计咨询

1000000

30

33333

其他

2000000

1

2000000

固定投入合计

18468417

5194261

材料动力投入:

硫酸亚铁

100000.0

20

2000000

变压器容量费

千瓦年

60825.6

20

1216512

电解耗电

千度

35481.6

600

21288960

输送动力耗电

千度

7096.3

600

4257792

厂房租金

平米

14000.0

100

1400000

氯化钾

42796.5

1708

73094962

蒸汽

58532.4

180

10535827

包装材料费

56978.4

40

2279137

设备维护

500000

其他

5000000

材料动力投入合计:

121573190

人员投入:

原料净化

8

40000

320000

电解值守

16

40000

640000

剥离

20

40000

800000

叉车司机

2

50000

100000

设备保全

5

50000

250000

质量检验

2

40000

80000

化验

4

40000

160000

包装

12

40000

480000

仓库保管

2

40000

80000

生产管理

4

50000

200000

销售

10

100000

1000000

财务

4

50000

200000

技术

5

50000

250000

人力资源管理

1

50000

50000

行政助理

1

50000

50000

采购

2

50000

100000

保安

6

40000

240000

分离

20

50000

1000000

人员投入合计:

124

6000000

变动投入合计:

127573190

营业收入:

纯铁

4604.3

8547

39353133

固态三氯化铁

56978.4

1282

73049253

硫酸钾

50071.9

2345

117425352

营业收入合计:

229827738

折旧

5194261

营业利润

97060287

利润总额

97060287

城乡建设费(7%)

2734950

教育附加费(3%)

1172121

所得税(25%)

23288304

税后净利润

69864911

销售利润率

42.2%

成本费用利润率

52.6%

固定投资年回报率

378.3%


技术路线图

本说明书所展现的技术是一整套庞大的技术家族,其实施顺序以先实施较为成熟的电解过程为佳,有了利润保障之后再实施钾肥生产技术。当然,在资金充裕时也可全部一次性实施。本技术家族除了具有较好的现实价值,其远期前景也非常可观。在可以预见的未来,在前面讨论的基础上,本技术还可以进一步发展:

1. 结合利用其他项目的余热电力、余热蒸汽。

本技术项目硫酸亚铁原料成本占比很低,氯化钾成本占比虽然很高,但是氯化钾的价格与产品硫酸钾的价格是连动的,可以抵消,这样一来刚性成本绝大部分消耗在在电力热力上。

硫酸、水泥、氮肥、甲醇、煤化工等化工项目往往已建设或有潜力建设余热电厂,将余热电厂的电用于本技术项目要比直接将电卖给电网的利润高得多,而且电厂副产的废蒸汽可用于净水剂和钾肥的蒸发浓缩干燥,实现热电联产联用,能极大地提高效益。因此本技术特别适合于具有余热利用潜力的企业。

例如对于硫酸工业,制酸余热发电,发电废蒸汽用于净水剂和钾肥产品的蒸发浓缩干燥,实现铁-酸-钾肥-电-热的大回路联产联用。硫酸余热发电已是成熟技术,钛白粉厂附近必有大的硫酸企业,非常容易实现区域性的良性产业生态。

2.产品多元化阶段。

本技术阳极产品选择范围是非常广的,目前可以看到的较为成熟的产品有电池用二氧化锰、聚氯乙烯(PVC)、液氯、磁性材料等,其中以联产PVC最具远景意义。PVC是第一大有机材料,联产PVC将第一大无机材料和第一大有机材料紧密联系起来:

而目前PVC的工艺有乙烯法和电石法两种:

食盐的价格高于氯化亚铁,烧碱的价格远低于纯铁,因此利润优势非常明显。乙炔法还存在严重的电石渣污染问题,很多地方已经禁止建设电石项目。

3. 原料来源多元化阶段。

使用本湿法技术代替火法处理铁矿石将是人类使用钢铁材料几千年以来一项划时代的技术革命。欧盟委员会(European Commission)已经投入巨资对这一领域进行研究,成立了专门的研究机构ULCOS(超低碳排放炼钢组织),已经有多篇论文发表,但是从这些论文来看距离技术突破尚属遥远,实用性远比不上本技术。

对于本技术而言,在众多类型铁矿石中,一种非常有现实价值的铁矿石类型是硫铁矿。硫铁矿储量较大,但由于含硫高,一般只能用来制造硫酸而不能用来炼铁,硫铁矿中的铁资源反而成为极为难于处理的废弃物硫酸渣。聚合硫酸铁可以浸取硫铁矿,再用电解技术处理,最终产品为硫磺和纯铁,硫磺可以外售或制取硫酸:

总反应:

这样本技术就可以和硫铁矿、硫磺制酸工业完美结合起来,可以附带回收铅、铜、金、银等金属,解决了硫铁矿制酸工业中困扰已久的含重金属原料利用问题。而且使用硫铁矿后不再产出净水剂产品,极大降低了销售压力。

菱铁矿是另外一种有研究价值的储量较大的铁矿石。因为其品位低、无磁性、比重小、可浮性差,因而磁选、重选、浮选三种选矿工艺都无法处理,菱铁矿价格很低。目前唯一的有效选矿方法是高温焙烧然后磁选,能耗很高。而对于湿法炼铁而言,无需选矿,直接就可以处理低品位矿石。这将使得数以亿吨计的低品位无法利用的菱铁矿资源得到利用。

技术升级过程可概括为如下图所示: