烧碱期货系列专题一之：烧碱生产工艺与产业链及定价

烧碱期货系列专题一之烧碱生产工艺与产业链及定价 烧碱期货与期权系列专题2023年8月 期货（期权）研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款部分 报告摘要： 中国主要采用离子交换膜电解法生产烧碱，生产1吨烧碱需要2300-2400度电，需要1.4-1.6吨原盐，其分别占到烧碱生产成本的60%和20%，多数氯碱企业都自建电厂以降低成本。 烧碱主要应用于氧化铝、印染、化纤、化工等领域。其中氧化铝是烧碱的第一大消费行业，占烧碱消费市场30%以上；印染、化纤行业消费占比为12.6%；化工行业消费占比12%左右；其余各行业较为分散，占比均不足10%。 32%液碱是烧碱市场的主流型号，也是郑州商品期货交易所烧碱期货合约的基准交割品。后续烧碱期货推出后，山东地区将成为基准交割区域，山东地区32%液碱的现货价格将成为交割基准价格。 分析师：王文虎（F03087656，Z0019472）研究所 金属研究室 Tel：010-82293558 Email：wangwenhu@swhysc.com 相关研究 《美联储货币政策存变数贵金属市场等待新驱动》，期货日报 《沪镍重心将震荡下移》，期货日报 《铜价重心下移但难回2020年以前水平》，期货日报 《低库存使铜价下跌具有抵抗性》，期货日报 《冲突螺旋式升级间接支撑有色金属》，期货日报 《青山做空伦镍险遭百亿美元浮亏？但镍价终将回归产业运行逻辑》，腾讯财经 《全球镍仍在持续去库短期供需仍然偏紧》，金融界 《央行降准后结构性宽松仍可期》，金融界 《避险需求支撑趋弱，黄金中期中心将下移》，期货日报 《两大因素主导金价走势》，期货日报 《有色重心逐步下移》，期货日报 《沪铜：谨慎追涨》，期货日报 《黄金中长线配置时点仍需等待》，期货日报 目录 一、烧碱简介3 二、烧碱生产工艺4 （1）苛化法生产烧碱工艺4 （2）离子交换膜电解法5 三、烧碱的仓储物流7 四、烧碱产业链简介7 （1）常见的下游产品8 （2）应用领域及其原理9 五、国内烧碱定价体系9 六、烧碱期货和期权合约11 郑州商品交易所正在稳步推进烧碱期货和期权上市，目前已经完成现货市场研究、仓储存放测试、合约设计及规则优化等准备工作，而且已于2023年8月4日发布《郑州商品交易所关于烧碱期货、期权合约及业务细则征求意见的公告》，这意味着烧碱期货和期权将在不久的未来与我们见面，烧碱行业将面临新的发展机遇。因此，我们将通过撰写烧碱期货与期权系列专题来梳理烧碱的上下游发展现状，帮助投资者了解烧碱产业链及潜在交易策略。 一、烧碱简介 烧碱（Sodiumhydroxide），即氢氧化钠，无机化合物，危险化学品，化学式为NaOH，又称火碱、苛性碱，具有强碱性、强腐蚀性和强吸湿性，可作酸中和剂、配合掩蔽剂、沉淀剂、沉淀掩蔽剂、显色剂、皂化剂、去皮剂、洗涤剂等，用途非常广泛。 根据物理形态不同，烧碱可划分为液体工业用氢氧化钠（IL）和固体工业用氢氧化钠（IS）。固体烧碱（包括片状、粒状、块状等）为白色，有光泽，允许微带颜色。液体烧碱为无色透明、稠状液体。根据《中华人民共和国国家标准工业用氢氧化钠》（GB/T209-2018）规定，工业用氢氧化钠主要指标如下所示： 图1：工业用氢氧化钠主要指标 项目 型号规格 IS IL I II I II III 氢氧化钠≥ 98.0 70.0 50.0 45.0 30.0 碳酸钠≤ 0.8 0.5 0.5 0.4 0.2 氯化钠≤ 0.05 0.05 0.05 0.03 0.008 三氧化二铁≤ 0.008 0.008 0.005 0.003 0.001 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 郑州商品交易所烧碱期货与期权合约的基准交割品，符合《中华人民共和国国家标准工业用氢氧化钠》（GB/T209-2018）规定的IL-III型液碱，且氢氧化钠含量≥32%。基准交割品的干吨重量 =湿吨重量×0.32。 替代交割品及升贴水：符合《中华人民共和国国家标准工业用氢氧化钠》（GB/T209-2018）规定的IL-I型液碱，升贴水以交易所公告为准。替代交割品的干吨重量=湿吨重量×0.5。 液体烧碱简称液碱，通常为无色透明液体，根据氢氧化钠质量分数，液碱可以细分为30%液碱、32%液碱、42%液碱、45%液碱、48%液碱、49%液碱、50%液碱等，其中32%液碱和50%液碱是主流型号。 固体烧碱简称固碱，包括片碱和粒碱两种形态，国内主要以片碱为主，根据氢氧化钠质量分数，固碱可以细分为73%固碱、95%固碱、96%固碱、99%固碱、99.5%固碱等，其中99%片碱是主流型号。 作为“三酸两碱”中的一员，烧碱与纯碱都是重要的基础化工原料。烧碱上游主要是原盐和电力行业，下游包括氧化铝、造纸、纺织印染、洗涤剂、医药、水处理、石油、食品加工等行业。具体来看，烧碱主要用于生产纸浆、氧化铝、肥皂、染料、水处理、人造丝，冶炼金属、石油精制、 棉织品整理、煤焦油产物的提纯，以及食品加工、木材加工及机械工业、化学工业（制取硼砂、铬盐、锰酸盐、磷酸盐、生产聚碳酸酯、超级吸收质聚合物、沸石、环氧树脂、磷酸钠、亚硫酸钠和大量钠盐、药剂及有机中间体，旧橡胶的再生）等方面。烧碱上游较为简单，消费端较为复杂，其下游与国民生活密切相关，涵盖“衣食住行”等各个领域，近十年其需求呈现稳定增长的态势。 食品加工 氧化铝 造纸 石油 烧碱 纺织印染 水处理 洗涤剂 医药 图2：片状烧碱实物图3：烧碱主要应用领域 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 二、烧碱生产工艺 烧碱生产工艺包括苛化法和电解法两种，其中苛化法即纯碱苛化法，电解法又可分为水银法、隔膜法、离子交换膜法。目前离子交换膜电解法是烧碱行业主流的生产工艺。 我国烧碱行业起源于1929年上海天元电化厂的成立，起初苛化法在国内的应用较为广泛，但 2000年以后，电解法逐步取代苛化法成为主要的生产方法，目前国内在产的烧碱企业都使用离子交换膜电解法。 （1）苛化法生产烧碱工艺 苛化法制烧碱以纯碱为原料，主要依靠天然碱矿资源，生产成本较低，经济效益高。但因我国碱矿资源有限、苛化法产量较小，国家政策予以限制，2000年前后，我国企业全面淘汰该生产工艺。苛化法生产工艺并不复杂，其反应式为： CaO+H2O=Ca(OH)2、Na2CO3+Ca(OH)2=2NaOH+CaCO3↓ 苛化法主要包括三个生产步骤：苛化、蒸发、盐析。在苛化阶段，苛化槽中需配置纯碱溶液，加入生石灰（生石灰与水比例为1:3），不断搅拌发生苛化反应，而后过滤得到清卤液。在蒸发阶段，制作合格的清卤液依次进行中浓蒸发和高浓蒸发，去除硫酸钠、碳酸钠和氯化钠杂质，获得高浓度氢氧化钠。在盐析阶段，高浓液进一步析出晶体、过滤，送入冷析桶，达标后的产品用间歇沉淀槽进行沉淀，即可得到片碱。 图4：苛化法生产烧碱技术 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 轻质碳酸钙可作橡胶、塑料、造纸、涂料、油墨等行业的充填剂，也可用于冶金、玻璃、石棉等生产中，此外还可作工业废水之中和剂、油毛毡、防粘剂、牙粉、牙膏、食品及化妆品的原料。利用苛化废泥制碳酸钙是一种变废为宝的有效途径。苛化法每生产一吨烧碱，在理论上可生产1．25吨碳酸钙。 图5：苛化法生产烧碱技术中废泥处理工艺 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 （2）离子交换膜电解法 根据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同，电解法可以划分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。目前离子交换膜电解法是我国烧碱生产的主流工艺。其化学反应式是：2NaCl+2H₂O=2NaOH+Cl₂↑+H₂↑。 水银电解法是通过生产钠汞齐来使氯气分开，得到烧碱的方法。其电解槽由电解室和解汞室 组成，该工艺的优点是电解槽流出溶液产物中氢氧化钠浓度较高，其质量分数可高达50%，无需蒸发增浓；产品质量高，含盐低。但由于该工艺能耗高，且水银是有害物质，目前该工艺已基本被淘汰。 隔膜电解法是利用多孔渗透性的石棉隔膜作为隔层，以石墨为阳极，铁为阴极，把阳极产生的氯气与阴极产生的氢氧化钠和氢气分开，获得烧碱的一种方法。其主要工序包括盐水精制、盐水电解、电解液蒸发、氯气处理、氢气处理和废气吸收。隔膜电解法对精盐水质量要求较低，仅需进行一次精制。在电解槽中加入精盐水，从阳极室流入阴极室，在阳极室得到氯气、阴极室得到电解液和氢气。隔膜电解液中，氢氧化钠含量仅为10.8%，氯化钠含量高达16.4%，因此隔膜法蒸发电解液时采用流程复杂的四效逆流蒸发技术,能耗高,操作难度大。由于蒸发过程中将产生约10%的固体结晶盐,对加热室磨损、腐蚀较严重,加热室平均寿命仅为3年左右,大大增加了隔膜烧碱成本。在处理氯气时，需经过氯气洗涤、冷却除雾、干燥、压缩4道工序，在处理氢气时，需经过氢气洗 涤、压缩、脱氧、干燥4道工序。隔膜电解法具有生产强度小、产品纯度低、环境污染大等缺点，目前已被取代。 离子交换膜电解法是应用化学性能稳定的全氟磺酸阳离子交换膜，将电解槽的阳极室和阴极室分开，从而获得烧碱、氯气的一种方式。离子交换膜具有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，所以在电解之后只有阳极电解物Na+与H+离子通过，而阴极电解物CL-、OH-以及电解产生的气体-氢气与氯气均无法通过，从而避免两种气体混合发生爆炸的危险，还可以避免产生杂质从而影响烧碱纯度。 在盐水电解时，电解槽阳极加入精制盐水,阴极加入高纯水,经电解后在阳极室得到淡盐水和氯气,在阴极室得到电解液和氢气。离子膜电解法具有总投资少、对环境污染较小、能耗与生产成本低等显著优势，但是该法对于盐水的要求更高，需要进行二次精制，且离子膜价格较为昂贵，易于损坏。通过离子膜电解法得到的液碱的浓度较高，一般可以达到32%，而杂质氯化钠的含量仅为0.004%，离子膜电解法是烧碱制作的未来发展方向。 图6：不同电解法生产烧碱工艺比较图7：不同电解法生产烧碱工艺比较 水银法 隔膜法 离子交换膜法 优点 产成品纯度高 对盐水要求低，仅需一次精制 总投资少，环境污染肖，能耗相对低，生产成本更低 缺点 能耗高，环境污染严重 生产强度小、产品纯度低、环境污染大 对盐水质量要求高，离子膜造价贵且易损坏 资料来源：美国地质调查局，宏源期货研究所资料来源：美国地质调查局，宏源期货研究所 离子膜电解法的生产工艺分为六道工序：整流、盐水精制、电解、氯氢处理、液碱蒸发、固碱生产。该法盐水电解后得到的电解液氢氧化钠浓度高，可直接作为液碱进行出售。离子膜法工艺流程与隔膜法类似。其流程同样包括盐水精制、盐水电解、电解液蒸发、氯气处理、氢气处理和废气吸收工序。与隔膜法不同，离子膜电解法对盐水要求更高，需进行二次精制。在盐水电解时，电解槽阳极加入精制盐水,阴极加入高纯水,经电解后在阳极室得到淡盐水和氯气,在阴极室得到电解液和氢气。该步骤得到的氢氧化钠浓度高，一般可达32%，而氯化钠含量仅为0.004%。在电解液 蒸发工序中，离子膜法流程更简，只需三效或二效蒸发即可。与隔膜法制烧碱相比,离子膜法制烧碱总投资少、对环境污染小，能耗和生产成本更低。 图8：离子交换膜电解法生产烧碱工艺 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 三、烧碱的仓储物流 液体烧碱具有较强的腐蚀性，不能用锌罐或者铝罐包装，一般使用普通碳素钢或镍不锈钢制作的储罐贮存，50%液碱在12℃开始凝固，故存储温度不宜过低，应储存于干燥、通风良好的库房，一般仓储费每天为1-1.4元/吨。固体烧碱通常使用三层塑编袋包装，贮存在通风、干燥的库房或者货棚。由于烧碱与空气接触容易产生化学反应生成碳酸钠，故烧碱的储存容器应该完整、密封，同时也要注意防水、防潮，避免潮解，一般仓储费每天为1.2-1.7元/吨。 烧碱运输有铁运、汽运、水运和管道运输等多种运输方式。在液碱贸易中，汽运多用于省内和周边省份销售，半径一般在300公里以内，超过300公里半径会以水运代替。国内水运分为内河运