尿素专题：尿素基本情况及生产工艺解析

期货研究报告|商品研究 专题报告 尿素基本情况及生产工艺解析 2024年09月23日 尿素专题 尿素的发展历程从1773年的发现至1828年的人工合成，为中国尿素工业的发 展打下基础。中国尿素工业自20世纪50年代起步，现已成为全球最大的生产和消费国。尿素产业链上游依赖天然气、无烟煤和烟煤，主要生产工艺包括煤头尿素和气头尿素，其中固定床工艺在中国占主导地位。随着技术进步，尿素生产趋向更环保和高效的气制尿素工艺，全球市场规模持续增长。 李国洲 liguozhou@cmschina.com.cn F3021097 Z0020532 尿素背景： 尿素的发现始于1773年，1828年实现人工合成，为中国尿素工业的发展奠定了基础。20世纪50年代起步的中国尿素工业，经过技术革新和产能扩张，成为全球最大的生产和消费国，同时在产品形态上发展了大颗粒尿素和中小颗粒尿素以适应不同农业需求。 尿素产业链上游主要涉及天然气、无烟煤和烟煤的开采与生产，这些资源是尿素生产的关键原料。在尿素生产过程中，煤炭和天然气主要用于合成氨的制造，合成氨是尿素生产的重要中间体。尿素生产依赖于这些原料的稳定供应，同时受能源价格、开采成本和环境政策等因素影响，这些因素共同决定了尿素的生产成本和市场竞争力。 尿素生产工艺：尿素生产主要分为煤头尿素和气头尿素，其中煤头尿素采用固定床、气流床和流化床工艺，而气头尿素则以天然气为原料。在中国，煤制尿素生产工艺是主流，尤其是固定床工艺约占70%。本文介绍了尿素的几 种主要生产工艺，包括煤制尿工艺、天然气制尿工艺、氨与CO2直接合成尿素工艺及水溶液全循环制尿素工艺。 尿素的发展：尿素是现代农业中不可或缺的氮肥，其产业链上游主要依赖天然气、无烟煤和烟煤。这些原料通过一系列化学反应生成合成氨，进而合成尿素。随着技术进步，尿素生产正向更环保和高效的气制尿素工艺转变，全球市场规模也在持续增长，未来发展也将有更广阔的空间。 风险提示：产能增量大，出口管控 敬请阅读末页的重要声明 正文目录 一、尿素背景4 （一）尿素的基础知识4 （二）尿素产业链6 二、尿素生产工艺7 （一）煤制尿素生产工艺8 （二）天然气制尿素生产工艺9 （三）氨与CO2直接合成尿素工艺10 （四）水溶液全循环制尿素的生产工艺11 三、尿素的发展12 图表目录 图1：尿素常规形态4 图2：尿素球棍模型4 图3：尿素上下游产业链7 图4：尿素主要生产方式8 图5：煤制尿素工艺流程9 图6：天然气制尿素工艺流程10 图7：氨与CO2直接合成尿素工艺工艺流程11 图8：水溶液全循环制尿素的工艺流程图12 图9：车用尿素市场规模（单位：亿元，%）13 表1：尿素发展历程5 表2：尿素的质量指标5 表3：尿素大颗粒与中小颗粒对比6 一、尿素背景 （一）尿素的基础知识 尿素（CO(NH2)2），是一种白色结晶固体，通过合成氨与二氧化碳在特定条件下反应制得。它在农业生产中扮演着至关重要的角色，作为氮肥的主要来源，对提高作物产量和质量具有显著影响。此外，尿素在工业领域也展现出其多面性，被广泛应用于多种化工产品的生产过程中。 在化工领域，尿素是制造脲醛树脂、三聚氰胺、泡沫塑料等产品的关键原料。这些产品广泛应用于家具制造、塑料工业、建筑行业等多个领域。尿素的衍生物也用于医药和化妆品行业，因其独特的化学性质，它在这些领域中发挥着重要作用。 尿素的应用不仅限于化工和农业，它在其他领域也显示出其价值。例如，在军事和民用爆炸物的生产中，尿素是制造硝化纤维炸药的主要成分。在合成树脂、塑料、胶类等材料的生产过程中，尿素同样不可或缺。此外，尿素还被用作防冻剂、香烟添加剂、洗发剂、清洁剂、制冷剂、催雨剂、耐火材料、环保引擎燃料以及美白牙齿产品的原料。 在环境保护方面，尿素在柴油车辆排放控制技术中发挥着关键作用。通过选择性催化还原（SCR）技术，尿素与排气中的氮氧化物发生化学反应，转化为氮气和水蒸气，有效减少了有害气体的排放，对降低空气污染和改善环境质量具有积极意义。因此，尿素不仅是一种重要的工业原料，也是推动可持续发展和环境保护的重要工具。 图1：尿素常规形态图2：尿素球棍模型 资料来源：郑商所，招商期货资料来源：郑商所，招商期货 尿素的发现可以追溯到1773年，化学家伊莱尔·罗埃尔首次从尿液中分离出尿素。1828年，德国化学家弗里德里希·维勒通过无机物质氰酸铵与硫酸铵人工合成了尿素，这一发现打破了活力论，即认为有机物只能由生物体产生的观点，为有机化学的发展奠定了基础。 20世纪50年代，中国尿素工业起步较晚，初期几乎完全依赖进口。1958年，中国第 一套国产化尿素生产装置在南京建成投产，这标志着中国尿素工业的诞生。随后，中国尿素行业经历了多次技术革新和产能扩张，特别是在20世纪80年代，中国尿素产能已 经跃居世界前列。进入21世纪，中国尿素行业迎来了更广阔的发展空间，国内农业的持续增长推动了尿素需求的稳步攀升，同时，科技的进步也促进了尿素生产技术的不断升级换代。 中国尿素技术的发展经历了从无到有、由弱到强的过程。1958年，中国�环工程有限公司成立，致力于氮肥设计，为中国尿素技术的发展做出了开创性贡献。60多年来，�环公司实现了从技术引进、消化吸收到自主创新的飞跃，引领了中国尿素行业的发展。如今，中国不仅是全球最大的尿素生产国和消费国，还是重要的出口国。 表1：尿素发展历程 国内 国外 时间发展进程 1773年化学家伊莱尔·罗埃尔首次从尿液中分离出尿素 1828年德国化学家弗里德里希·维勒通过无机物质氰酸铵 与硫酸铵人工合成了尿素 1958年中国第一套国产化尿素生产装置在南京建成投产 20世纪80年代持续扩张，中国尿素产能已经跃居世界前列 21世纪生产技术不断进步，发展空间更为广阔 资料来源：公开资料整理，招商期货 在技术方面，尿素的生产方法经历了从最初的氨和二氧化碳在高温高压下直接合成尿素，到后来的多种改进型技术，如CO2气提法尿素生产技术等。这些技术的发展大幅提高了尿素的生产效率和质量，同时也降低了生产成本和环境影响。 在国际市场上，中国尿素行业也取得了显著成就。凭借着规模优势、成本优势和品质优势，中国尿素在国际市场上占据了重要地位。然而，未来的发展仍面临诸多挑战，如资源短缺、环境压力、国际贸易环境的变化等，这些因素都对中国尿素产业的可持续发展提出了更高的要求。尿素的发展历程是一个不断创新、不断进步的过程，它不仅见证了化学工业的发展，也为中国乃至全球的农业生产做出了重要贡献。 表2：尿素的质量指标 项目 优等品 一级品 合格品 含氮量(干基)/% ≥46.3 ≥46.3 ≥46.3 缩二脲/% ≤0.5 ≤0.9 ≤1.0 水分/% ≤0.3 ≤0.5 ≤0.7 铁(Fe)/% ≤0.0005 ≤0.0005 ≤0.001 硫酸盐(SO42-)/% ≤0.005 ≤0.01 ≤0.02 碱度(以NH3计)/% ≤0.01 ≤0.02 ≤0.03 水不溶物/% ≤0.005 ≤0.01 ≤0.404 资料来源：公开资料整理，招商期货 尿素根据其物理形态，主要分为大颗粒尿素和中小颗粒尿素。这两种尿素虽然在化学成分上相似，但在物理特性和应用上存在一些差异。大颗粒尿素通常指的是颗粒直径在2 毫米以上的尿素，而小颗粒尿素的颗粒直径则小于2毫米。大颗粒尿素的颗粒更加均匀，抗压强度高，流动性好，适合机械化施肥。在选择尿素时，农户应根据作物的需求、土壤条件以及施肥方式来决定使用大颗粒尿素还是小颗粒尿素。例如，对于需要快速补充氮素的作物，小颗粒尿素可能是更好的选择；而对于作为基肥施用，希望肥效更持久的情况，则大颗粒尿素更为适宜。 项目 大颗粒 中、小颗粒 设备 Hydro流化床 塔式喷淋 形状 类球状 球状 缩二脲含量% 0.8-1.0 0.8-1.0 平均粒径mm 2.5 1.7 含水量% 0.2 0.3 静态强度N/粒 30-35 10-13 大块 产生 不产生 筛分、破碎 需要 不需要 表3：尿素大颗粒与中小颗粒对比 资料来源：郑商所，招商期货 （二）尿素产业链 尿素产业链的上游环节主要涉及天然气、无烟煤和烟煤的开采与生产，这些资源是尿素生产不可或缺的原料，为尿素合成提供基础化学组分。煤炭和天然气在尿素的生产过程中，主要用于合成氨的制造，合成氨是尿素生产的关键中间体。尿素的生产不仅依赖于这些原料的充足供应，还与能源价格、开采成本和环境政策等因素紧密相关。这些因素共同影响着尿素的生产成本和市场竞争力。 尿素的生产过程包括多个环节，如二氧化碳的压缩和脱氢、液氨的升压、合成和气提、循环、蒸发、解吸和水解，以及最终的大颗粒尿素的造粒。这一过程涉及复杂的化学反应和精细的工艺控制，以确保尿素的质量和产量。尿素作为一种高氮含量的肥料，广泛应用于农业生产，同时也是化工原料，用于生产如脲醛树脂、三聚氰胺等产品，其产业链的下游环节因此涵盖了农业、化工、环保等多个领域。 随着技术的进步和市场的发展，尿素产业链也在不断地优化和扩展。例如，随着环保政策的加强，尿素在烟气脱硝等环保领域的应用逐渐增加。另一方面，尿素的生产工艺也在不断创新，以提高能效和降低成本。这些变化不仅影响了尿素产业的内部结构，也对相关行业产生了深远的影响。尿素产业链的发展是多方面因素共同作用的结果，它不仅关系到农业生产的稳定和化工行业的发展，也与国家的能源战略和环境保护政策紧密相连。 图3：尿素上下游产业链 资料来源：公开资料整理，招商期货 原尿素产业链具有几个显著特点： 1）原材料价格波动的敏感。尿素生产的关键原料——煤炭和天然气的价格波动对尿素的成本结构产生重大影响。由于这些能源商品的市场价格受多种因素影响，包括供需关 系、政策调整、国际市场价格变动等，因此尿素生产企业必须具备灵活的成本管理策略和风险控制机制，以应对原材料成本的波动。 2）高技术门槛。尿素的生产过程涉及复杂的化学合成和精密的工艺控制，要求企业拥有先进的生产技术和设备。这不仅包括高效的合成氨工艺，还涉及到尿素合成、提纯、造粒等环节的技术创新。此外，为了提高生产效率、降低能耗和减少环境污染，尿素生产企业还需要不断进行技术升级和工艺优化。 3）市场需求的稳定。中国作为一个农业大国，对尿素等化肥的需求长期保持稳定。尿素作为氮肥的主要形式之一，对于保障粮食生产和农业可持续发展具有重要作用。随着农业现代化的推进和种植业结构的调整，尿素的市场需求有望保持稳定增长。此外，尿素在工业领域的应用，如在生产三聚氰胺、脲醛树脂等化工产品中的应用，也为尿素市场提供了额外的需求支撑。 尿素产业链的发展受到原材料价格、技术进步和市场需求等多重因素的影响。尿素生产企业需要密切关注这些因素的变化，采取相应的策略以保持竞争优势和市场地位。同时，政府的政策支持和行业规范也对尿素产业链的健康发展起到关键作用。 二、尿素生产工艺 尿素作为一种广泛使用的氮肥，其生产过程依据原料的不同可以区分为两大类：煤头尿素和气头尿素。在煤头尿素的生产中，主要采用三种不同的工艺技术，即固定床工艺、气流床工艺和流化床工艺。尽管流化床工艺在技术上具有一定的优势，但由于其技术复杂性和工业化应用的挑战，目前在全球范围内成功实施的案例相对较少。因此，在中国， 煤制尿素的生产主要依赖于固定床和气流床两种工艺。根据最新的市场和工业统计数据，固定床工艺在国内煤制尿素生产中占据了主导地位，约占总生产能力的70%。在剩余的气流床工艺中，水煤浆技术因其高效和环境友好的特点而成为了主流选择，被广泛应用于现代化尿素生产设施中。这些工艺的选择和应用，不仅反映了国内尿素生产的技术进步，也体现了对成本效益和环境保护的综合考量。随着技术的不断进步和市场需求的变化，尿素生产工艺将继续朝着更加高效、环保的方向发展。 图4：尿素主要生产方式 资料来源：公开资料整理，招商期货 （一）煤制尿素生产工艺 在尿素生产领域，煤炭是其主要的原料，其成本通常占据了尿素总成本