烧碱学名氢氧化钠,化学式为NaOH,俗称火碱、苛性钠,是一种具有强腐蚀性的强碱,常温下为白色晶体,易溶于水(溶于水时放热)并形成碱性溶液,另有潮解性,易吸收空气中的水蒸气发生潮解,吸收二氧化碳发生变质,是国民经济基础性化工原材料,与纯碱同为“三酸两碱”(三酸两碱,即硝酸(HNO)、硫酸(HSO)、盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(NaCO))中的两碱之一,用途十分广泛,大多数都用在氧化铝、纸浆、染料、化纤、水处理、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、化学工业等方面。
纯的无水氢氧化钠(固碱)为白色半透明、结晶状固体。极易溶于水,溶解度随温度的升高而增大,溶解时能放出大量的热。烧碱水溶液有涩味和滑腻感,呈强碱性,能与酸性物质反应,具备碱的一切通性。烧碱有固体和液体两种形态,纯固体烧碱呈白色,有块状、片状、棒状、粒状,质脆;纯液体烧碱为无色透明液体。
烧碱易溶于乙醇、甘油,但不溶于、丙酮、液氨,对纤维、皮肤、玻璃、陶瓷等有腐蚀作用,溶解或浓溶液稀释时会放出热量;与无机酸发生中和反应也能放出大量热,生成相应的盐类;与金属铝和锌、非金属硼和硅等反应放出氢;与氯、溴、碘等卤素发生歧化反应;能从水溶液中沉淀金属离子成为氢氧化物;能使油脂发生皂化反应,生成相应的有机酸钠盐和醇,这是去除织物上油污的原理。
我国工业烧碱目前执行《中华人民共和国国家标准工业用氢氧化钠》(GB/T 209-2018)标准(以下简称国标),国标中将工业烧碱划分为液碱和固碱两大类,这也是烧碱根据物理形态所进行的分类方法。其中,国标IL为液体工业用氢氧化钠(通称液碱),国标IS为固体工业用氢氧化钠(通称固碱)。
根据氢氧化钠质量分数不同,液碱和固碱均可进行再度细分。液碱又可分为30%液碱、32%液碱、45%液碱、50%液碱,浓度在45%以上的液碱便可称为高浓度碱,其余液碱为低浓度碱。我国现货市场中,低浓度碱的主流规格为32%离子膜碱,高浓碱的主流规格为50%离子膜碱。固碱又可分为73%固碱、95%固碱、96%固碱、99%固碱、99.5%固碱等系列新产品。固碱从其形状上又可分为桶装固碱、片碱、粒碱。国内固碱市场以片碱为主,根本原因是片碱具有生产的基本工艺简单、生产所带来的成本低、使用场景多、市场需求量大等优点。固碱市场产品规格也较为统一,基本为99%浓度的片碱。
我国烧碱国标中的液碱主要型号为30%、45%、50%,与现货市场中的主流液碱型号32%、50%有一定差别。这主要由于烧碱国标发布时现货生产的基本工艺以隔膜法为主,该工艺生产的烧碱主要有30%、50%液碱。近些年随着烧碱生产的基本工艺的一直更新,隔膜法工艺和设备基本淘汰完毕。当下烧碱市场流行的新型工艺以离子膜法设备为主,该工艺直接产出32%液碱型号,后续再加以蒸发工艺便可产出45%、50%型号液碱,个别离子膜法老设备也可生产高浓度的48%液碱。
我国烧碱现货市场中,液碱市场占比相比来说较高,通常能达到70%以上,其中,32%离子膜碱和50%离子膜碱的占比分别为75%、19%左右。
烧碱是重要的基础化工原料,大范围的应用在化学工业、纸浆生产和造纸、印染和化纤、冶金、肥皂和洗涤剂、环保等国民经济各行业。
在化学工业领域,烧碱是大量化学反应中必不可少的重要物质。同时也是生产聚碳酸酯、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的重要原材料之一。
在纸浆和造纸工业领域,烧碱作为助剂,可以去除纸浆中的木质素、碳水化合物和树脂等非纤维素,并中和其中的有机酸,制出以纤维素为主要成分的纸浆,提高纸张质量。
在印染和化纤工业领域,烧碱也有广泛应用。在印染工业中,烧碱可作为软水剂,提高印染环节的上色率和均匀度,并提高着色速度。在化纤工业中,烧碱可作为退浆剂,洗除棉纤维中无机盐类杂质;也可作为煮炼剂,去除大部分的天然杂质;也可被用作丝光剂,精炼提纯纤维素,改进织物的外观,提高织物的吸湿性。
在冶金工业领域,烧碱可以把矿石中的有效成分转变成可溶性的钠盐,以便除去其中不溶性的杂质。例如,烧碱溶液加温可以溶出铝土矿中的氧化铝,得到铝酸钠溶液,溶液与残渣(赤泥)分离后,降低温度,加入氢氧化铝作晶种,经长时间搅拌,铝酸钠分解析出氢氧化铝,洗净,并在950~1200温度下煅烧,便得氧化铝成品。又如冶炼钨时,也是首先将精矿和烧碱焙烧成可溶的钨酸钠后,再经酸析、脱水、还原等过程而制得粉末状钨。
在日常洗涤工业领域,肥皂、香皂和其他种类的洗涤用品对烧碱需求占比较大。肥皂属于高级脂肪酸的钠盐,一般是用油脂在略为过量的烧碱作用下进行皂化而制得的。烧碱也被用来生产各种洗涤剂、洗衣粉等。
在环保领域,烧碱大多数都用在水处理行业,通过中和反应降低水的硬度、调节水的PH值;可以和废水中的酸性物质发生中和反应生成无害的盐和水,也可通过吸附沉淀消除水中的重金属离子。
烧碱的生产的基本工艺有两种,一种是苛化法(又称化学法),另一种是电解法。苛化法在20世纪以前是全球主流的生产烧碱的方法,但因其所生产的烧碱纯度低、经济效益差,现已被大多国家淘汰。
苛化法主要以纯碱溶液与石灰(固体或石灰乳)为原料,经过化碱、苛化、澄清、蒸发四个工序的苛化反应生成烧碱,反应式为:NaCO+Ca(OH)=2NaOH+CaCO↓
电解法以原盐为主要的组成原材料,其在供应稳定性及价格这一块都比苛化法更有优势。根据电解槽结构、电解材料和隔膜材料的区别,电解法又可大致分为隔膜法、水银法和离子交换膜法。由于水银法污染大,隔膜法能耗高、产品质量低,二者基本被淘汰,故离子交换膜法技术是当今世界的主流生产方法,其在中国烧碱总产能所占比例高达99%以上。
所谓离子交换膜法,是用有选择性的离子交换膜来分割阳极和阴极。这种离子交换膜是一种半透膜,只允许钠离子和水通过,其工艺流程大致上可以分为:整流、盐水精制、电解、氯氢处理、液碱蒸发、固碱生产六个工序。
整流是将电网输入的高压交流电转变成供给电解用的低压直流电的工序,其能耗主要是变压、整流时造成的电损,以整流效率来衡量,而整流效率主要根据采用的整流装置。盐水精制主要是将工业盐用水溶解并除去有害离子和固体杂质,制成供电解用的精制饱和盐水,盐水中钙、镁含量降到0.002%以下。该步骤的能耗大多数来源于于加热溶解固体盐的蒸汽和动力电耗,二者分别约占吨碱电耗的0.2%、12%。电解则是将二次精制盐水电解,在阳极室生成氯气,在阴极室生成的高纯烧碱浓度约为30%~32%(质量),可以直接作为液碱产品,其化学方程式为:2NaCl+2HO=2NaOH+H↑+Cl↑。氯气处理工序均包括氯气洗涤、冷却除雾、干燥、压缩;氢气处理均包括氢气洗涤、压缩、脱氧、干燥。液碱蒸发则是将电解槽生产的液碱通过蒸发系统用蒸汽加热,将一部分水分蒸出。该工序既能够最终靠离子膜电解工序生产电解液为32%的离子膜碱,直接对外销售;也能够最终靠两个蒸发器加热蒸发水分后得到浓度为 50%的成品液碱,用于较长距离运输或生产片碱。最后,将蒸发获得的液碱生产成固碱,该步骤主要消耗燃料煤、重油、氢气等。固碱生产原料一般用 50%液碱。通常情况下,将50%液碱生产成99%片碱的成本约450-500元/吨左右。
烧碱国标GB/T209-2018规定,出厂的烧碱产品外包装上应有明显牢固的标志,内容有:企业名、地址、产品的名字、执行标准号、规格型号、生产日期和批号、净质量和生产许可证编号及《危险货物包装标志(GB190-2009)》中规定的“腐蚀性物品”标志,固碱还应有《包装储运图示标志 GBT191-2008》规定的“怕雨”标志。
包装规格方面,国标对不同形态的烧碱要求不同。对于铁桶包装的固体氢氧化钠产品按 GB/T15915-2007规定执行,铁桶厚度要求0.5毫米,每桶净质量为200kg±2kg。袋装的片状、粒状、块状等固体氢氧化钠产品,内袋宜用聚乙烯、聚丙烯薄膜袋,外袋宜用聚乙烯、聚丙烯编织袋(或复膜袋)或牛皮纸袋。每袋净质量为25kg±0.25kg。也可按相关规定采用其他包装形式,包装袋及封口应保证产品在正常贮运中不污染、不泄漏、不破损。液体氢氧化钠产品生产厂商均有专门存放液碱的液化罐,运输中用专门槽车或贮槽装运,包装容器不应污染产品。此外灌装时应操控流速,且有接地装置,防止静电。
在实际操作中,由于铁桶包装有可能会出现破桶情况,而且不便于运输和存放,除非客户特殊要求情况,片碱包装一般都会采用袋装包装。片碱包装袋一般 1.5 元/个,折算片碱袋装成本价格在60元/吨,此部分成本均由生产厂商承担。液碱第三方仓储费用约 70-80 元/吨/月,费用月结为主。
由于烧碱属于第 8.2 类碱性腐蚀品,不易燃烧但具有强腐蚀性和强刺激性,因此,无论在储存还是运输环节都需要更加注意。具体见下表:
烧碱作为基础性工业原材料,是氯碱公司制作的基本的产品之一,其主要的组成原材料为原盐和电力。而烧碱下业则覆盖氧化铝、印染纺织、冶金、造纸及精细化工等多个行业。除此之外,烧碱与纯碱、PVC等已上市期货品种也具有密切的产业链关系。
中国幅员辽阔,盐资源极为丰富,原盐生产遍布全国。原盐主要组分是氯化钠(NaCl),按工艺(开采来源)来划分,可分为海盐、池盐、矿盐、井盐、土盐等;按用途分有食盐、渔业用盐、农牧业用盐、工业用盐、出口盐等。近几年,受沿海地区各类园区和工业项目建设发展的影响,北方海盐区的盐田面积逐年萎缩。相比之下,井矿盐资源丰富且分布广泛,技术成熟,投资门槛不高,因此井矿盐产能增幅较快,在全国盐总产能的占比逐年提高。
不同盐种分布的地理位置也不一样。湖盐产能分布从山西省往西直至新疆、西藏一带;海盐则大多分布在在辽宁往南直至江苏一带的沿海地区,四大产盐基地长芦盐区、辽东湾盐区、莱州湾盐区、淮盐产区便集中于此;井矿盐则主要分布在河南、湖北、湖南、江西几个中部地区的省份以及西南地区的四川、云南等省份。其中,四川井矿盐产能最大,四川自贡地区井盐产量占全国井盐总产量的比例高达40%左右。
2000年以来,我国原盐产量急速增长,2008年上涨的速度达到历史最高,而到了2013年我国规模以上工业公司的原盐产量达到历史峰值7368万吨,此后稳步下降。2016年供给侧改革之后原盐产量呈现先降后升趋势,经历2018的低点之后,2019年我国原盐产量(规模以上工业公司)再度提升至五年高点6700万吨。随后几年在全球公共卫生事件、环保政策对原盐开采工程的限制、公司制作节奏下降等因素影响下,原盐产量明显回落。2022年我国规模以上工业原盐产量5360万吨,同比下降6%。
我国原盐用于化工领域的比例近90%,其余消费领域则主要有食用盐、轻工业等。在化工领域,原盐是盐化工的源头,也是生产烧碱和纯碱(两碱)的重要原料。两碱同样也是我国重要的基础,二者不仅在上游高度重合,下游与氧化铝、印染、化纤、洗涤等行业也可以相互替代。通常来说,我国氨碱法生产纯碱工艺中,原盐单耗约1.6吨,成本占比 30%-40%;联碱法生产纯碱原盐单耗1.15吨,原盐成本占比15%-20%;而在烧碱生产的全部过程中,每生产一吨烧碱原盐需要消耗原盐1.51吨,原盐成本占比通常在12%-18%。
氯碱生产属于高耗能行业,每生产一吨烧碱耗电量约2300-2400 千瓦时,占烧碱生产总成本的60%左右,是烧碱生产所带来的成本的最重要组成部分。因此,电价也是影响烧碱企业经营利润最关键的因素。
氯碱企业一般都会采用大工业用电,大工业用电将电价分成基本电价与电度电价两部分,基本电价是按照工业公司的变压器容量或最大需用量(即一月中每15分钟或30分钟平均负荷的最大值)作为计算电价的依据,由供电部门与用电部门签订合同,确定限额后每月固定收取,不以实际耗电数量为转移;电度电价是按用电部门实际耗电度数计算的电价。
在烧碱的下业里,氧化铝消费占比最大,达到32%。其次是化工、造纸(纸浆)、印染化纤、水处理、轻工业(除造纸)、医药、石油、军工等行业,这一些行业在烧碱下游分布相对分散、占比偏小,但却覆盖多个行业和领域。
氧化铝是铝的稳定氧化物,外观为白色晶状粉末或固体,在矿业、制陶业和材料科学上又被称为矾土,是生产电解铝的核心原材料,涉及应用范畴十分普遍。氧化铝有三种生产的基本工艺:拜耳法、烧结法、联合法。其中拜耳法使用烧碱,适于处理高品位的铝土矿,约占全国氧化铝产能的90%以上;烧结法使用的是纯碱,大多数都用在处理低品位矿石,全国产能占比不足10%;联合法则是指将拜耳法和烧结法联合使用生产氧化铝的方法,但在中国很少采用。
在氧化铝的生产中,两碱的最大的作用是处理铝矿石,使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液,纯净的铝酸钠溶液即可分解析出氢氧化铝,经分离、洗涤后煅烧,便获得氧化铝产品。在拜尔工艺中,理论上每生产1吨氧化铝消耗烧碱0.1吨。近几年受铝土矿品位越来越差等影响,生产氧化铝所消耗的烧碱量也慢慢变得大,实际生产中部分氧化铝对烧碱单耗能达到0.13-0.17 吨之间,而烧碱在氧化铝的成本占比约为16%-18%左右。
氧化铝行业对烧碱的需求影响与其行业的产能、产量变化密不可分。过去十年,我国氧化铝建成产能以年均复合增长率超5%的速度扩张,2023年行业产能已突破1亿吨,氧化铝年产量也以近6%的年复合增长率提升,截至2022年,我国氧化铝产量将近8000万吨,折合年度烧碱消耗量超过1100万吨(以吨耗碱量0.14测算)。
我国氧化铝主产地分布在华东、华北、华中等地区,具体集中在山东、山西、广西、河南、贵州等几个省份,这一些地方同时也是烧碱比较集中的消费地区。氧化铝生产企业根据采购的便捷性、烧碱的类型、规格、价格等多方因素,来决定使用液碱或片碱。通常情况下,山东地区氧化铝企业周边液碱供应充足,以采购液碱为主,片碱为辅;广西、贵州等地氧化铝厂周边液碱供应较少,氧化铝企业多采购便于运输和储存的片碱。
氧化铝对烧碱的需求量还呈现一定季节性变化,这主要受到铝土矿供应及环保政策等因素影响。通常,供暖季氧化铝的生产企业开工率将出现季节性下降趋势,因此对烧碱需求量也会减少。当供暖季结束后,环保限产压力也随之降低,山西、河南等氧化铝生产集中地区的开工率将有所回升,对烧碱的需求量就会有明显增加。
烧碱在化工行业中的主要下游是有机盐行业、有机产品、氯化聚合物产品及农药。其中有机盐行业及有机产品对烧碱需求量在化工行业中占比最大,其产品类型也较广泛。其次是农药行业和氯化聚合物产品。
化工行业对烧碱需求用量仅次于氧化铝,是烧碱第二大下游。我国化工产能大多分布在在山东、江苏、河北、浙江、河南五省,这些也是烧碱需求相对集中的地区。2016年之后的供给侧改革、近几年愈加严厉的环保政策都使化工行业低端产能逐渐出清,高端产能得以释放。据测算,在化工行业中烧碱原料成本占比约为2%~6%。
纸浆和造纸通称为纸业,它是烧碱在轻工业的主要应用领域。在生产的全部过程中,烧碱通常作为助剂,用来去除纸浆中的木质素、碳水化合物和树脂等非纤维素,同时还可以中和有机酸,制出以纤维素为主要成分的纸浆,进一步提升纸张质量。纸浆生产的全部过程中对烧碱的使用比例较为固定,1吨纸浆常常要消耗0.08吨烧碱,但所生产的不同成品纸类型对烧碱消耗量存在比较大差异。纸浆成本中,烧碱所占比例约为5%。
烧碱是印染、的一种重要原料,二者的产量及其对烧碱的需求主要受纺织行业市场情况的影响。
在印染过程中,烧碱可拿来去除黏胶剂、油脂和小纤维,软化布料,让染料进入纤维、色彩均匀。据测算,印染1亿米布需要消耗烧碱约0.37万吨。我国印染生产企业主要分布在浙江、江苏、广东等地区,其中浙江印染产能在全国印染产能中占比约60%左右,其次是江苏省和广东省。这三个省份的印染行业对烧碱需求量较大,约占印染行业总需求量的85%以上。
在化纤生产中烧碱可拿来制造人造丝(一种化纤类产品),每生产1吨人造丝常常要消耗1吨烧碱。主要消费烧碱的是粘胶纤维,而粘胶纤维中主要是粘胶短纤,占比90%以上。中国作为纺织生产大国,其高白纤维(属于粘胶短纤)等差异化纤维需求乐观。粘胶短纤2016-2017年盈利飙升,高收益引领粘胶短纤行业步入新的扩能周期,新增产能集中在2019年释放。粘胶短纤产能的增加及不断释放,对烧碱需求量也持续不断的增加。而粘胶短纤产能持续增长是烧碱需求量稳定增长的重要的因素之一,其对烧碱需求量开始上涨的贡献率高达90%
中国粘胶短纤产能大多分布在在华东地区,其中江浙两省为主要生产地区;西北地区产能仅次于华东地区,排名第二,具体集中在新疆地区;华北地区粘胶短纤产能排名第三,大多分布在在河北地区。因此,以上地区的化纤行业对烧碱需求量也相对集中。
从产业链关系图显而易见,烧碱除了原料及工艺方面与氯气、原盐、合成氨、电等产品有上下游关系,同时与纯碱、PVC等已上市期货品种也具有密切的产业链关系。
液氯与烧碱的关系密不可分,二者互为联产产品,每生产1吨烧碱的同时会产出0.886吨氯气。
氯气被吸入人体后会造成身体严重中毒,有剧烈刺激作用和腐蚀性,在日光下与其它易燃气体混合时会发生燃烧和爆炸。工业中一般把氯气液化生成液氯,以便于运输和使用。液氯为基本,可用于冶金、纺织、造纸等工业,并且是合成盐酸、聚氯乙烯、塑料、农药的原料。
虽然烧碱和液氯联产,但二者下游消费领域不相同、需求周期和用量也不一样,这便决定了两者生产节奏并不能完全协调一致。另外,液氯在存储和运输方面有不便之处,必须在生产出之后短时间之内消耗掉,而烧碱相对更易储存和长距离运输。在需求方面,液氯主要受配套下游消耗装置的制约,而烧碱产品多以外售为主。因此,氯碱行业的开工率主要受液氯需求的推动,而液氯的需求会影响液氯的供给,进而影响烧碱的供给,这也是烧碱和液氯市场行情报价的周期性背离波动的重要的因素。而烧碱和液氯这种负相关的价格关系,则是市场通过调整氯碱价格以期达到氯碱平衡状态的表现。
如前文所述,烧碱和纯碱同为“三酸两碱”中的“两碱”,二者密不可分。一方面,纯碱和烧碱均属于盐化工下游延伸产品,共享原料原盐。同时,苛化法生产烧碱过程中,主要的组成原材料之一便是纯碱,在该工艺中纯碱是烧碱的上业。另一方面,烧碱和纯碱在部分下业中可以相互替代使用。例如氧化铝烧结法原料是纯碱(轻质纯碱,以下简称轻碱),而拜耳法原料是烧碱,当二者价差过大时,替代作用常常会出现。
从价格关系上来看,烧碱和纯碱的现货价格关联性超过0.75,个别时期关联性甚至超过0.8。但在实际生产的全部过程中,下业通常基于工艺复杂程度、流程简繁程度、产品质量、成本因素等多方面考虑,在两碱价差波动不大时不会轻易更换原料,只有当烧碱和纯碱价差出现严重偏离时,下游生产才会考虑选择两碱的原料替代。通常来说,当烧碱折百价超过轻碱价格的1.325倍时,下游可能更倾向于选择轻碱作为生产原料,反之,当轻碱价格的1.325倍远超烧碱折百价,则下游更倾向于使用烧碱。
期货市场上,纯碱期货于2019年12月6日上市,若烧碱期货上市后,二者有几率存在价差套利机会。另外,届时两碱期货都属于郑州商品交易所的期货品种,不排除交易所推出两碱套利指令的可能性。
如前文所述,氧化铝是烧碱最大的下业,在下游消费占比超过30%。通常来说,每生产1吨氧化铝需要消耗烧碱0.13-0.17 吨,而烧碱在氧化铝的成本占比约为16%-18%。从现货市场角度来看,氧化铝作为下业,生产厂商规模通常较大,尤其是有突出贡献的公司比较集中的地区,在采购原料烧碱时通常占据定价的主导权。而这些氧化铝厂的利润、开工、经营以及采购策略也都会对烧碱价格产生影响。
从现货价格趋势来看,烧碱和氧化铝相关系数也高达0.78。氧化铝期货已于2023年6月19日在上海期货交易所上市。烧碱期货上市之后,二者期货价格有几率存在一定的价差套利机会。
烧碱与PVC其实并无直接联系,但是在生产的全部过程中,PVC的原料之一液氯属于烧碱的联产产品,通常每生产1吨烧碱的同时会产出0.886吨氯气,因此液氯的供应及价格会直接影响到PVC的成本及生产情况,故PVC与烧碱的现货价格是间接负相关的关系。当PVC现货价格持续上涨推动液氯需求增加时,厂家生产液氯的积极性便会提升。而由于氯碱联产,烧碱的供应量也会随之增加,此时若烧碱需求相对来说比较稳定,则烧碱价格将会因PVC价格持续上涨为初始缘由而承压,反之亦然。
PVC期货在大连商品交易所上市,烧碱期货上市后也可关注二者价差套利机会。