一篇文章將尿素性狀、製備、產能、趨勢,一扒到底!

原標題：一篇文章將尿素性狀、製備、產能、趨勢，一扒到底！

今年7月份，鄭商所發布了徵集尿素交割倉庫的通知，尿素期貨呼之欲出。尿素期貨上市，使能源化工類期貨和農產品類期貨串聯起來，形成較為完整的產業鏈，有助於涉農企業利用期貨工具服務於生產經營，更能為眾多涉及尿素的企業提供一個交易、融資和信息交流的平臺，為市場提供一個資源配置和價格指導的平臺。

今天這篇文章，就為大家介紹一下尿素的基本知識，以及國內外尿素生產的情況。

一、 什麼是尿素？它有什麼作用？

農作物的生長離不開化肥，正是由於化肥的使用，才養活了數以億計的人口。常用的化肥分為氮肥、磷肥、鉀肥三大類，而尿素屬於氮肥的重要品種。下面，我們就來全面認識一下尿素。

1. 尿素的結構、理化性質

1773年，伊萊爾·羅埃爾（Hilaire-Marin Rouelle）從動物的尿液中發現了尿素。1828年，弗裡德裡希·維勒首次使用無機物質氰酸鉀與硫酸銨人工合成了尿素。本來他打算合成氰酸銨（Ammonium cyanate，NH4NCO），卻意外得到了尿素。

由此證明了活力論是錯誤的。活力論認為無機物與有機物有根本性差異，所以無機物無法變成有機物。而尿素的合成推翻了這一理論，也標誌著有機化學的誕生。

以下是尿素的物理和化學性質。

物理性質：

性狀：無色或白色針狀或棒狀結晶體，工業或農業品為白色略帶微紅色固體顆粒，無臭無味（是的，你沒看錯），含氮量約為46.67%（根據分子量計算，實際含氮量看純度）。

沸點：196.6°Cat760mmHg。

折射率：n20/D 1.40。

閃點：72.7°C。

密度：1.335。

熔點：132.7℃。

水溶性：1080 g/L (20℃)。

溶解性：溶於水、甲醇、甲醛、乙醇、液氨和醇，微溶於乙醚、氯仿、苯。弱鹼性。

化學性質：

可與酸作用生成鹽。有水解作用。在高溫下可進行縮合反應，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至160℃分解，產生氨氣同時變為異氰酸。

尿素在酸、鹼、酶作用下（酸、鹼需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。

對熱不穩定，加熱至150~160℃將脫氨成縮二脲。硫酸銅和縮二脲反應呈紫色，可用來鑑定尿素。若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環化合物三聚氰酸。與乙醯氯或乙酸酐作用可生成乙醯脲與二乙醯脲。

在乙醇鈉作用下與丙二酸二乙酯反應生成丙二醯脲（又稱巴比妥酸，因其有一定酸性）。

在氨水等鹼性催化劑作用下能與甲醛反應，縮聚成脲醛樹脂。

與水合肼作用生成氨基脲。

最後需要解釋的一點是，既然尿素是無色無味的，那麼尿中的刺激性氣味是從何而來呢？這裡涉及到一個望文生義的錯誤。正如魚香肉絲裡沒有魚，老婆餅裡沒有老婆一樣，尿素也並不必然是尿的氣味。實際上，尿之所以有刺激性氣味，是由於尿素溶解在水中會生成少量的銨根離子，後者分解放出氨氣（做過大學化學實驗的，對這貨的氣味想必記憶猶新）而導致的，而黑鍋卻讓尿素足足背了幾百年！

2. 尿素的製備方法——如何得到尿素？

商用尿素的原料是氨與二氧化碳。後者在以焦炭或烴（如天然氣和石油）為原料生產氨的過程中，會大量產生。尿素因此直接從這些原料中就產生了。

尿素生產是一個平衡的化學反應，其反應物不完全成為反應結果。生產過程、設定的反應條件、如何處理未轉化的反應物，皆可能不同。由於使用大量的反應物，未反應的反應物可用以生產其它產品，（如硝酸銨或硫酸銨），也可回收再投入反應。

實際的合成反應普遍認為應是在液相中分如下兩大步完成的。

第一步是過量的液氨與乾冰反應為氨基甲酸銨。由於是可逆的放熱反應，反應需要帶走熱能的設備。

2NH3 + CO2 ↔ H2N-COONH4 + 28千卡

第二步是加熱氨基甲酸銨為尿素；這步是一個可逆的吸熱反應。反應需要帶走水分的設備。

H2N-COONH4 ↔ (NH2)2CO + H2O - 3.6千卡

尿素的反應總式為：

2NH3+CO2 → CO（NH2）2+H2O

為可逆的放熱反應。

而生產尿素所需要的原料氨氣，則可通過哈珀合成法，由氫氣和氮氣在高溫、高壓下合成。有關哈珀合成法的更多內容，可參考此前撲克投資家的文章《化肥那點事：從進口大國到世界第一大生產國，一文縱覽中國尿素產業史》。

3. 尿素的用途——上天入地，無所不能！

只要是學過初中化學的，都知道尿素是一種優質氮肥（理論含氮量高達46.67%），但事實上，尿素的應用遠遠不止化肥，而是廣闊得多。據統計，尿素的應用主要有近20種，涵蓋農業、工業、醫學、食品等多個領域，真可謂是上得廳堂，下得廚房。

農業方面，在化肥的使用中，氮肥的運用最為廣泛也最為重要。目前全球的氮肥使用量佔化肥總使用量的60%，磷肥為23%，鉀肥則為17%。國際上的氮肥基本上以尿素為主，尿素是目前全球使用量最大的化肥。我國的氮肥使用佔化肥總使用量的比重達到73%，磷肥則為22%，鉀肥則只有5%。目前國內的氮肥主要以尿素為主，佔氮肥消費比重的60%（即尿素佔國內化肥消費的比重達到43.8%左右）。

除此之外，國內還使用碳酸氫銨(NH4HCO3)、硫酸銨{(NH4)2SO4}、氯化銨(NH4Cl)、氨水（NH3.H2O）、液氨(NH3)、硝酸銨(NH4NO3)等氮肥，但尿素的含氮量是其中最高的，也便於運輸儲存，因而佔據了使用量的頭把交椅。

尿素不但可以作為化肥供植物生長，也可以作為動物的食物。1897年，Waesk 等人提出反芻動物能轉化非蛋白質氮為菌體蛋白質的想法。1949年，C. J. Watson 等人餵食綿羊含有N15標記的尿素膠囊，4天後在綿羊血液、肝臟、腎臟中檢驗出含有N15的蛋白質。這證實了反芻動物可以利用非蛋白質氮，進一步研究表明，其胃裡的微生物能利用尿素合成其生長所需的10種必需胺基酸。自此，尿素及尿素化合物成為牛、羊等反芻動物的飼料添加劑了。我們在吃牛肉的時候可能想不到，這貨可能是「喝尿」長大的！

工業方面，尿素主要用於生產脲醛樹脂、三聚氰胺和三聚氰酸。

其中，尿素和甲醛生成脲醛樹脂，主要用於生產木材的粘合劑，同時也用於生產部分的塑料製品，如插線板、電源開關、馬桶蓋等日常用品。你可能怎麼也想不到，天天使用的插線板，竟然會和尿素有關係。

這貨竟然是用尿做成的？

三聚氰胺則是用於生產塗料和部分塑料，前些年曝光的毒牛奶中的有害物質就是三聚氰胺，它是一種對人體有害的物質；三聚氰酸則主要用於漂白劑、殺菌劑或是除草劑。此外，尿素是紡織工業在染色和印刷時的重要輔助劑，能提高顏料可溶性，並使紡織品染色後保持一定的溼度。

除了農業和工業以外，尿素在醫學上也有一定的運用。由於尿素具有提高皮膚溼度的作用，因此在部分手術之後的外塗物中含有大量的尿素。除此之外，告訴女性朋友和部分花樣美男們一個不幸的消息，化妝品中也是含有少量的尿素的，所以你敷在臉上的，也許和你早上排洩出來的是一樣的東西！

據統計，尿素的用途主要包括：

特殊塑料的原料，尤其是尿素甲醛樹脂；

某些膠類的原料；

肥料和飼料的成分；

取代防凍的鹽撒在街道，優點是不使金屬腐蝕；

加強香菸的氣味；

賦予工業生產的椒鹽卷餅棕色；

某些洗髮劑、清潔劑的成分；

急救用製冷包的成分，因為尿素與水的反應會吸熱；

處理柴油機、發動機、熱力發電廠的廢氣，尤其可降低其中氮氧化物的含量；

催雨劑的成分；

過去用來分離石蠟，因為尿素能形成包合物；

耐火材料；

環保引擎燃料的成分；

美白牙齒產品的成分；

作為化學肥料。

二、尿素工業流程——化腐朽為神奇

由於尿素生產工藝簡單、生產設備容易製造、投資較省；施肥後見效快，增產顯著等特點，銷量在化肥行業暗淡的情況下仍持高不下。但是產能已嚴重過剩，優勝劣汰的步伐已經加快，只有那些擁有先進工藝、創新技術的尿素企業才能衝破重圍。下面為大家盤點各種尿素生產工藝並分析他們的優劣：

1. 尿素的三種提取方法

按未反應物的循環利用程度，尿素生產方法可分為不循環法、半循環法和全循環法三種。

不循環法是指從合成塔出來的物料，經減壓至常壓並用蒸汽加熱，將氨和二氧化碳分離出來,尿液送去後加工系統，氨用於生產其他的銨鹽；半循環法是把從甲銨分解器內分解出來的部分氨和二氧化碳，以甲銨水溶液的形式循環回合成塔；全循環法是把未轉化成尿素的氨和二氧化碳，經分離後全部循環返回尿素合成系統。不循環法和半循環法雖然投資較省、操作費用也較低，但是要附設龐大的銨鹽加工系統，經濟上不合理，新的尿素廠大多採用全循環法，下面小七就重點介紹一下全循環法。

根據分離回收方法的不同全循環法可分為水溶液全循環法和氣提法，目前使用的主流氣提法為義大利斯娜姆公司的Snamprogetti氨氣提法、荷蘭斯塔米卡邦公司的Stamicarbon二氧化碳氣提法、日本東洋工程公司的ACES二氧化碳氣提法。

水溶液全循環法

工藝原理：水溶液全循環法是將未反應的氨和二氧化碳經減壓加熱分解分離後，用水吸收生成甲銨或碳酸水溶液再循環返回合成系統。

優缺點：水溶液全循環法是20世紀60年代以來的經典生產工藝，主要應用在中、小氮肥企業。水溶液全循環尿素工藝生產裝置的靜止高壓設備較少，工藝可靠、設備材料要求不高、投資較低。但是水溶液全循環法能耗、物耗高，放空損失大，規模小問題十分突出，改造增產潛力較大。

氣提法

工藝原理：氣提法是利用某一氣體在與合成等壓的條件下分解甲銨並將分解物返回合成系統的一種方法。氣提法是全循環法的發展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優點。

下面一張表格，比較了三種氣提法的優缺點：

2. 尿素的原料——氫氣的來源，是煤，還是天然氣？

尿素的生產過程需要用到二氧化碳和氨氣，二氧化碳是常見的氣體，而另外一種原料——氨氣的合成，則首先需要氫氣和氮氣製造合成氣。目前流行的合成氣方法一般有兩種，一種是利用天然氣做原料，一種是利用煤炭做原料，就是常說的氣頭和煤頭法。

國際上生產尿素的工藝主要以氣頭為主。造成這種現象的原因主要有以下幾個方面：

首先，國外的天然氣供應充足。國際上不論西亞還是北美，天然氣的儲量都非常的豐富，原材料更易獲得，不會出現原材料供應不足的問題；反觀國內，由於天然氣儲量有限，供應長期存在缺口，因此國內天然氣制尿素的原材料供應得不到保證。（去年煤改氣引起國內的氣荒，氣頭尿素的價格大幅上漲）。

其次，天然氣工藝更具優勢。通常情況下，天然氣的裝置在生產規模和產品質量上更具優勢，因此天然氣制的尿素裝置比煤制尿素更具優勢。

最後，在國外天然氣制尿素的成本偏低，低於國內的煤制尿素，因此國際上天然氣制尿素更具成本優勢（當天然氣的價格在10美元/百萬英熱的時候，美國、俄羅斯和伊朗等國的天然氣生產尿素的成本在1000元/噸上下，在國內用煤炭生產尿素的成本在1500元/噸上下）。

國內方面，由於「富煤貧油少氣」這一資源稟賦的特點，導致近些年政府大力發展煤化工產業，但凡能用煤制的產品基本上都以煤制的為主。不僅如此，由於國內的天然氣供應偏緊，價格較高，因此國內的天然氣制尿素不僅和國外的天然氣裝置相比毫無優勢，即使和國內的煤制尿素相比成本也更高。正因如此，國際上約71%的尿素由天然氣製得。目前全球約2億噸/年尿素產能，主要系氣頭生產。

而中國，由於天然氣成本相對較高，尿素的生產則以煤頭為主，產能約8000萬噸/年（工業品）。

中國尿素歷年產能（工業品）

中國尿素歷年產能（折N）

我國煤制尿素（「煤頭尿素」）佔國內總產能的近八成，天然氣制尿素（「氣頭尿素」）佔比近兩成。氣頭尿素企業主要分布在四川和雲貴一帶，基本圍繞天然氣資源建造；而煤頭尿素企業受政策驅動更多以無煙煤為原料，分布在山西、河南等地。二者之間存在一定的相互替代，但近年來由於生產成本的變化，優惠天然氣價格的取消使得煤頭尿素生產成本較優，無煙煤的普及也減輕了環保壓力，因此煤頭尿素逐步佔據主導地位。2016年，我國煤頭尿素佔比高達70％，氣頭尿素佔比僅為30％。預計未來在成本和政策驅動下煤頭尿素佔比將繼續擴大。

煤頭尿素根據煤氣技術大致可分為固定床、流化床和氣化床。煤氣化制氣化劑在高溫狀態下經過氧化還原反應，產生煤氣（一氧化碳和氫氣）的過程。氣化床在經濟性、環保效益、能量利用、原材料範圍等方面佔有優勢。諸多氣化床中，又以水煤漿氣化和航天爐表現最為突出，是國內煤頭尿素產業升級的發展的方向。

煤頭尿素三種生產工藝比較

隨著供應由緊偏松，尿素行業面臨產能淘汰的狀態。未來尿素行業的趨勢是，國內的經濟效應較差的中小型企業及汙染較為嚴重的尿素裝置將會被逐漸淘汰，而大的具有規模效應的企業將會逐漸兼併中小型企業，未來尿素的產能集中度將會逐漸上升。

三、全球尿素產能——每年生產了多少尿素？

全球尿素產能近年來迅速增長。2008年後全球尿素產能隨著氮肥需求的擴大而迅速增長，其中除中國之外，主要來自中東、東歐和東南亞以出口導向為主的國家和地區，以及美國、印度（南亞）和南美等尿素主要進口國家和地區。在中國隨粉煤加壓氣化、水煤漿氣化等新型氣化技術的推廣，尿素原料結構持續改善，尿素產能至2015年迅速增長至8455萬噸；在中東隨著伊朗制裁的解除，其在2008年後規劃的數套107萬噸的尿素裝置逐漸落地；而在美國，隨著頁巖油氣革命帶來的低成本合成氣資源，大批改造項目和新建氣頭裝置相繼投產。全球產能從2008年的1.56億噸迅速增長至2016年的2.27億噸，但是同期全球產能複合增長率5.19%明顯大於消費複合增長率2.60%，供給明顯過剩，導致產能利用率下滑至76.8%的歷史低點。

從全球尿素產量分布來看，基本上和尿素的產能分布吻合。截止2016年，全球尿素產量為17429.08萬噸。其中，東亞的產量達到7224.61萬噸，佔全球總產量的41%；南亞緊隨其後產量達到3179.66萬噸，佔全球總產量的18%；西亞地區的尿素產量為2259.77萬噸，佔全球總產量的13%；東歐與中亞（主要為俄羅斯）的產量為1346.4萬噸，佔全球總產量的8%；北美地區的產量為1158.9萬噸，佔全球總產量的7%。剩下非洲、西歐、拉丁美洲、中歐及大洋洲並不是尿素的主產地，其產量分別為813.27萬噸、650.61萬噸、483.47萬噸、270.55萬噸和41.84萬噸，佔全球尿素產量的比重分別為5%、4%、3%、1%及0.24%。

四、未來全球尿素價格會怎麼走？

對於尿素行業而言，過去兩年最大的外部變化無疑是煤價大幅上漲，氣價仍然維持底部，而全球除了我國是煤頭產能以外，基本都是氣頭產能，因此我國基本喪失了出口的成本優勢，17 年出口量僅為450 萬噸，同比下降了49%。但我們判斷未來天然氣中樞價格將會大幅上漲，國外中東和北美以外的氣頭產能相比我國煤頭尿素將喪失成本優勢，相應出口需求也將顯著改善。

1. 氣價上漲推升全球尿素成本

海外尿素產能絕大多數以天然氣為原料，2014 年受原油價格暴跌拖累，國際天然氣價格持續下跌至2016 年下半年。此階段也是海外氣頭尿素新產能集中投放的高峰期，低廉的原料價格使得海外尿素成本具有明顯的成本優勢。由於17 年我國煤改氣拉高了全球氣價，北海天然氣價格已從前三季度的5.5 美元漲至7.40 美元/Mbtu，亞洲更是達到了8.03 美元/Mbtu。從長周期看，等熱值油煤氣價格比一直呈現比較穩定。過去兩年無論是油價還是煤價都已翻倍，相應10 美元/Mbtu（2.3 元/方）可以認為是中長期全球非資源地氣價中樞，這也意味著其氣頭產能含稅價將提高至2335 元/噸以上，即使相比我國高成本的固定床產能也將喪失成本優勢，我國將重奪出口成本優勢。

2. 海外新增氣頭難如期釋放

據YARA 統計，海外尿素擴張以2017 年為拐點，擴產高峰已過。未來全球尿素總產能增長將保持穩定，預計將低於消費量年增長水平。未來新增全球產能中，除伊朗、俄羅斯和美國這些天然氣成本相對低廉的國家之外，亞洲地區2017-2018 兩年間累計新增的400 多萬噸氣頭尿素產能恐將面臨氣價上漲的不利局面。其中印度作為僅次於中國的全球第二大尿素消費國，其進口量佔其總消費量的25%以上，主要來自於阿曼、中國和伊朗。為此，印度曾計劃2022 年實現尿素自給，並成為尿素淨出口國。印度為此制定了2022 年前新增1108 萬噸產能的規劃，其中絕大部分以天然氣為原料，目前僅Matix 於去年10 月份開車。我們認為印度尿素成本對天然氣價格的高度敏感性及工程緩慢的建設進度將使得其新產能難以如期釋放。

研究員：劉文強