化“碱”为蝶——你关心的纯碱期货知识系列（二）

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一、中国纯碱行业发展历程
1949年新中国成立时，我国仅有2家纯碱企业，平均年产量只有6万吨。而到了2019年上半年，国内纯碱企业数量已达到41家，总产能约3200万吨。纯碱工业作为我国传统工业的一份子，其发展史也非常具有传统工业特色：从新中国成立之初的极度匮乏，随后经历重重突破、迅速扩张，再接着经历产能过程、行业洗牌等历程，70年后的今天我国已然成为名副其实的纯碱生产大国和净出口国，生产技术居世界领先地位。
1949年新中国成立后，国内仅有的两家碱厂生产迅速恢复，纯碱年产量从1949年的6万吨快速增加到1957年的50万吨。1966年，随着大型联合制碱装置的运营以及其他各地碱厂的投产，我国纯碱年产量突破100万吨大关。此后11年间，我国独创变换气制碱技术，新兴的小联碱、天然碱都取得良好发展，但当时中国仍是纯碱净进口国。
改革开放之后我国又陆续建立大量小型氨碱厂和联碱厂，年产量多在5万吨以下，供应虽有增加但依然未改变我国纯碱长期供不应求的状态，直到1986年三大氨碱厂投建才有所好转。1989年三大氨碱厂投产，才逐渐将我国从纯碱净进口国转变为纯碱净出口国。此后，我国纯碱行业快速发展期，到2003年我国纯碱产量突破千万大关，达到1105万吨，一举超越美国成为全球第一。
千禧年之后，国内纯碱企业规模也不断扩大，纯碱生产技术也在多年发展中达到了世界领先水平。经过多年的供给侧改革，行业集中度显著提高，生产能力也更进一步。2018年，国内纯碱产能已突破3000万吨，产量突破2600万吨。
经过70年的优胜劣汰，我国纯碱行业生产技术也取得多项全球第一：新型变换气制碱技术、带滤机过滤重碱、盐碱钙联合循环生产工艺、新型外冷碳化塔制碱技术等都给纯碱行业发展产生深远影响。目前，我国已成为世界上唯一拥有三种纯碱生产方法的国家，且超越美国成为全球最大的纯碱生产国。

二、纯碱生产工艺有几种？
在没有工业生产方法之前，人们从天然碱湖中采得或从含碱植物灰中制造出纯碱，但随着工业发展，原始的纯碱提取方式已经不能满足用碱需求，大规模工业制碱生产工艺应运而生。目前，制碱工艺主要分为合成碱法和天然碱法，世界纯碱产能中合成碱法约占三分之二，天然碱法约占三分之一。
我国纯碱生产技术有两种：合成碱法与天然碱法，其中，合成碱法又分为联碱法和氨碱法。我国是全球唯一同时拥有联碱法、氨碱法和天然碱法三种生产技术的国家。
1、联碱法
联碱法，即侯氏制碱法，由我国著名化学家侯德榜发明于1943年。当年侯德榜海外留学归来，结合中国内地缺盐的国情，进一步改进索尔维法，并将纯碱和合成氨两大工业联合，同时生产碳酸钠和化肥氯化铵，大大地提高了食盐利用率，被称为侯氏制碱法。

侯氏制碱法分为以下几个步骤：
第一步，氨气、水、二氧化碳反应生成碳酸氢铵（NH4HCO3）,混合液还含有氯化钠(NaCl)、氯化铵(NH4Cl)、碳酸氢钠（NaHCO3）等物质；
第二步，碳酸氢铵与氯化钠反应生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵，过滤后得到碳酸氢钠固体；
第三步，部分碳酸氢钠可直接销售，剩余的碳酸氢钠将被加热煅烧生成碳酸钠（即纯碱），二氧化碳回到第一步循环利用。
侯氏制碱法整个过程中二氧化碳是被循环利用的，而氯化铵（NH4Cl）则是生产碳酸钠（纯碱）的副产品，用做氮肥，与尿素互为替代品。氨气则由合成氨厂联合生产。
此种方法的优点，既使食盐的利用率提高到96%以上，又可产出NH4Cl做氮肥，工业价值较高；另外还可与合成氨厂联合，将合成氨的原料气CO 直接转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序，同时省去了焦炭和石灰石等资源型原料的投入和采矿、运矿和石灰窑等一系列辅助设备的投入，也避免了氨碱法中大量废渣和废液的排放。
但该方法工艺流程相对复杂，且生产装置投入成本较高，装置检修复杂，产出纯碱品质控制难度较大，同时也受到上游合成氨和副产氯化铵价格的影响。
2、氨碱法
氨碱法，又称索尔维制碱法，或索氏制碱法。该方法是由比利时人索尔维在1859年发明，以食盐、氨水、二氧化碳为原料，在室温下从溶液中分离出碳酸氢钠的制碱法。索氏制碱法共分以下几步：
第一步，氨气、水、二氧化碳反应生成碳酸氢铵（NH4HCO3）；
第二步，碳酸氢铵（NH4HCO3）与氯化钠（NaCl）反应生成碳酸氢钠沉淀（NaHCO3↓）和氯化铵（NH4Cl），过滤后得到碳酸氢钠固体；
需要注意的是，氨碱法前两步骤与联碱法前两步骤相同。
第三步，加热分解碳酸氢钠（NaHCO3），生成水、二氧化碳和碳酸钠（纯碱Na2CO3）；
第四步，将步骤二中的氯化铵（NH4Cl）和熟石灰(Ca(OH)2)混合加热，得到氨气并循环使用。

与联碱法（侯氏制碱法）不同的是，氨碱法整个流程中氨气（NH3）是循环使用的，而副产品是氯化钙（CaCl2）。
另外，氨碱法的生产步骤简单，原料经济实惠且碳酸钠产品纯度高，适合大规模生产。但同时也有一些缺点。氨碱法氯化钠（食盐）利用率最高只能达到75%，且排出大量废渣废液（据统计，每生产1吨纯碱需排放10吨废液），废渣中含有大量氯化钙，很难加以利用且污染性较强。。因此，采用氨碱法生产的纯碱企业一般都沿海或沿河布局，工厂选址受限。
3、天然碱法
该方法是通过对天然碱矿物进行一系列过滤、除杂等工序来制取纯碱，其主要生产原料是来自于碱湖和固体碱矿中含有碳酸钠、碳酸氢钠的可溶性盐类矿物，常见的天然碱矿物为倍半碳酸钠，又叫晶碱石（化学式为Na2CO3NaHCO32H2O）。天然碱法生产工艺根据碱矿成分的不同可分为蒸发法和碳化法。对于以晶碱石（Na2CO3NaHCO32H2O）为主要成分的天然碱矿，一般采用蒸发法生产工艺，通过分解或中和的方式使晶碱石中的碳酸氢钠分解，再蒸发提纯制得纯碱。对于碱、硝、盐共生的泡碱型天然碱湖水或者主要成分为泡碱（Na2CO310H2O）的固体矿，一般采用卤水碳化法生产工艺，提取天然卤水进行碳化、干燥和煅烧，产出纯碱。
我国已发现天然碱矿产地152处，储量近4亿吨，主要分布在河南和内蒙古两地。而国际上，已探明的天然碱矿多存在于美国、土耳其、墨西哥、肯尼亚以及中国等少数国家和地区，其中，美国、土耳其和中国是最主要的天然碱法生产国。
天然碱法依靠其自然资源地理位置的优势，胜在天然原料成本低下（比氨碱法和联碱法低约30~40%）、环保压力较小等；但也同样受制于有限的自然资源储备，难以满足我国国内大量需求。
4、三种工艺占比
在我国，联碱法和氨碱法产能占比相当，而天然碱法产能则因自然碱矿数量有限，占比相对较小。数据表明，截至2019上半年，联碱法产能约1665万吨，占国内纯碱总产能的50.24%，氨碱法产能1479万吨，占总产能的44.63%，而天然碱法产能占比只有5.13%，产能仅有170万吨。

5、轻碱制重碱生产工艺
联碱法、氨碱法以及天然碱法生产的纯碱均为轻碱，厂家通常通过轻碱再加工生产重碱，成为下游玻璃行业重要需求原料。
目前，轻碱到重碱的生产方法主要有三种：固相水合法、液相水合法、挤压法。
固相水合法，就是将轻碱再溶解再结晶，去除杂质，得到的重碱的生产方法；
液相水合法，是将轻碱喷雾造粒，属于物理过程，其中碱液的成分没有变化；
挤压法，是在两辊之间通过高压将轻碱挤压成薄而硬的碱饼，然后粉碎过筛制得重碱。
目前我国已逐步淘汰挤压法。液相水合法生产出的重碱质量最好，但成本高于固相水合法。因此我国轻碱制重碱工艺以固相水合法为主。
通常来说，我国纯碱企业重质化率在40%~60%左右，也就是将轻碱产能的40%~60%转化为重碱生产。另外，轻碱重碱价差通常在50~100元之间波动，极端时最高超过250元/吨，最低时接近-100元/吨。国内的纯碱生产企业，可根据上述产能比例、下游需求、轻碱重碱价差等因素来调节生产轻碱和重碱的比例。由于重碱下游需求量大、稳定、且简单，而轻碱下游需求较冗杂且量小，我国重碱产量增长速度远远高于轻碱。期货市场中交易、交割的标的物，即为重碱。

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来源：光大期货研究所
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