尿素，不止是用作化肥：一篇文章將它的方方面面一扒到底！

      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(nèi)外尿素生產(chǎn)的情況。

   一、 什么是尿素？它有什么作用？

      農(nóng)作物的生長離不開化肥，正是由于化肥的使用，才養(yǎng)活了數(shù)以億計的人口。常用的化肥分為氮肥、磷肥、鉀肥三大類，而尿素屬于氮肥的重要品種。下面，我們就來全面認(rèn)識一下尿素。

1. 尿素的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)

      1773年，伊萊爾·羅埃爾（Hilaire-Marin Rouelle）從動物的尿液中發(fā)現(xiàn)了尿素。1828年，弗里德里?！ぞS勒首次使用無機物質(zhì)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?；盍φ撜J(rèn)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(biāo)志著有機化學(xué)的誕生。

      以下是尿素的物理和化學(xué)性質(zhì)。

物理性質(zhì)：

      性狀：無色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，工業(yè)或農(nóng)業(yè)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(jù)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：溶于水、甲醇、甲醛、乙醇、液氨和醇，微溶于乙醚、氯仿、苯。弱堿性。

化學(xué)性質(zhì)：

      可與酸作用生成鹽。有水解作用。在高溫下可進行縮合反應(yīng)，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至160℃分解，產(chǎn)生氨氣同時變?yōu)楫惽杷帷?/span>

      尿素在酸、堿、酶作用下（酸、堿需加熱）能水解生成氨和二氧化碳。

      對熱不穩(wěn)定，加熱至150~160℃將脫氨成縮二脲。硫酸銅和縮二脲反應(yīng)呈紫色，可用來鑒定尿素。若迅速加熱將脫氨而三聚成六元環(huán)化合物三聚氰酸。與乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲與二乙酰脲。

      在乙醇鈉作用下與丙二酸二乙酯反應(yīng)生成丙二酰脲（又稱巴比妥酸，因其有一定酸性）。

      在氨水等堿性催化劑作用下能與甲醛反應(yīng)，縮聚成脲醛樹脂。

      與水合肼作用生成氨基脲。

      最后需要解釋的一點是，既然尿素是無色無味的，那么尿中的刺激性氣味是從何而來呢？這里涉及到一個望文生義的錯誤。正如魚香肉絲里沒有魚，老婆餅里沒有老婆一樣，尿素也并不必然是尿的氣味。實際上，尿之所以有刺激性氣味，是由于尿素溶解在水中會生成少量的銨根離子，后者分解放出氨氣（做過大學(xué)化學(xué)實驗的，對這貨的氣味想必記憶猶新）而導(dǎo)致的，而黑鍋卻讓尿素足足背了幾百年！

2. 尿素的制備方法——如何得到尿素？

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

尿素生產(chǎn)是一個平衡的化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)物不完全成為反應(yīng)結(jié)果。生產(chǎn)過程、設(shè)定的反應(yīng)條件、如何處理未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物，皆可能不同。由于使用大量的反應(yīng)物，未反應(yīng)的反應(yīng)物可用以生產(chǎn)其它產(chǎn)品，（如硝酸銨或硫酸銨），也可回收再投入反應(yīng)。

      實際的合成反應(yīng)普遍認(rèn)為應(yīng)是在液相中分如下兩大步完成的。

      第一步是過量的液氨與干冰反應(yīng)為氨基甲酸銨。由于是可逆的放熱反應(yīng)，反應(yīng)需要帶走熱能的設(shè)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(yīng)。反應(yīng)需要帶走水分的設(shè)備。

H2N-COONH4 ? (NH2)2CO + H2O - 3.6千卡

尿素的反應(yīng)總式為：

2NH₃+CO₂ → CO（NH2）2+H₂O

      為可逆的放熱反應(yīng)。

      而生產(chǎn)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(guān)哈珀合成法的更多內(nèi)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(chǎn)國，一文縱覽中國尿素產(chǎn)業(yè)史》。

3. 尿素的用途——上天入地，無所不能！

      只要是學(xué)過初中化學(xué)的，都知道尿素是一種優(yōu)質(zhì)氮肥（理論含氮量高達46.67%），但事實上，尿素的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止化肥，而是廣闊得多。據(jù)統(tǒng)計，尿素的應(yīng)用主要有近20種，涵蓋農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品等多個領(lǐng)域，真可謂是上得廳堂，下得廚房。

      農(nóng)業(yè)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占化肥總使用量的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。我國的氮肥使用占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(nèi)的氮肥主要以尿素為主，占氮肥消費比重的60%（即尿素占國內(nèi)化肥消費的比重達到43.8%左右）。

      除此之外，國內(nèi)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，也便于運輸儲存，因而占據(jù)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(zhuǎn)化非蛋白質(zhì)氮為菌體蛋白質(zhì)的想法。1949年，C. J. Watson 等人喂食綿羊含有N15標(biāo)記的尿素膠囊，4天后在綿羊血液、肝臟、腎臟中檢驗出含有N15的蛋白質(zhì)。這證實了反芻動物可以利用非蛋白質(zhì)氮，進一步研究表明，其胃里的微生物能利用尿素合成其生長所需的10種必需氨基酸。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(yè)方面，尿素主要用于生產(chǎn)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，主要用于生產(chǎn)木材的粘合劑，同時也用于生產(chǎn)部分的塑料制品，如插線板、電源開關(guān)、馬桶蓋等日常用品。你可能怎么也想不到，天天使用的插線板，竟然會和尿素有關(guān)系。

這貨竟然是用尿做成的？

      三聚氰胺則是用于生產(chǎn)涂料和部分塑料，前些年曝光的毒牛奶中的有害物質(zhì)就是三聚氰胺，它是一種對人體有害的物質(zhì)；三聚氰酸則主要用于漂白劑、殺菌劑或是除草劑。此外，尿素是紡織工業(yè)在染色和印刷時的重要輔助劑，能提高顏料可溶性，并使紡織品染色后保持一定的濕度。

除了農(nóng)業(yè)和工業(yè)以外，尿素在醫(yī)學(xué)上也有一定的運用。由于尿素具有提高皮膚濕度的作用，因此在部分手術(shù)之后的外涂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，也許和你早上排泄出來的是一樣的東西！

據(jù)統(tǒng)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(yōu)點是不使金屬腐蝕；

加強香煙的氣味；

賦予工業(yè)生產(chǎn)的椒鹽卷餅棕色；

某些洗發(fā)劑、清潔劑的成分；

急救用制冷包的成分，因為尿素與水的反應(yīng)會吸熱；

處理柴油機、發(fā)動機、熱力發(fā)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(huán)保引擎燃料的成分；

美白牙齒產(chǎn)品的成分；

作為化學(xué)肥料。

   二、尿素工業(yè)流程——化腐朽為神奇

      由于尿素生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)設(shè)備容易制造、投資較??；施肥后見效快，增產(chǎn)顯著等特點，銷量在化肥行業(yè)暗淡的情況下仍持高不下。但是產(chǎn)能已嚴(yán)重過剩，優(yōu)勝劣汰的步伐已經(jīng)加快，只有那些擁有先進工藝、創(chuàng)新技術(shù)的尿素企業(yè)才能沖破重圍。下面為大家盤點各種尿素生產(chǎn)工藝并分析他們的優(yōu)劣：

1. 尿素的三種提取方法

      按未反應(yīng)物的循環(huán)利用程度，尿素生產(chǎn)方法可分為不循環(huán)法、半循環(huán)法和全循環(huán)法三種。

      不循環(huán)法是指從合成塔出來的物料，經(jīng)減壓至常壓并用蒸汽加熱，將氨和二氧化碳分離出來,尿液送去后加工系統(tǒng)，氨用于生產(chǎn)其他的銨鹽；半循環(huán)法是把從甲銨分解器內(nèi)分解出來的部分氨和二氧化碳，以甲銨水溶液的形式循環(huán)回合成塔；全循環(huán)法是把未轉(zhuǎn)化成尿素的氨和二氧化碳，經(jīng)分離后全部循環(huán)返回尿素合成系統(tǒng)。不循環(huán)法和半循環(huán)法雖然投資較省、操作費用也較低，但是要附設(shè)龐大的銨鹽加工系統(tǒng)，經(jīng)濟上不合理，新的尿素廠大多采用全循環(huán)法，下面小七就重點介紹一下全循環(huán)法。

      根據(jù)分離回收方法的不同全循環(huán)法可分為水溶液全循環(huán)法和氣提法，目前使用的主流氣提法為意大利斯娜姆公司的Snamprogetti氨氣提法、荷蘭斯塔米卡邦公司的Stamicarbon二氧化碳?xì)馓岱?、日本東洋工程公司的ACES二氧化碳?xì)馓岱ā?/span>

水溶液全循環(huán)法

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

      優(yōu)缺點：水溶液全循環(huán)法是20世紀(jì)60年代以來的經(jīng)典生產(chǎn)工藝，主要應(yīng)用在中、小氮肥企業(yè)。水溶液全循環(huán)尿素工藝生產(chǎn)裝置的靜止高壓設(shè)備較少，工藝可靠、設(shè)備材料要求不高、投資較低。但是水溶液全循環(huán)法能耗、物耗高，放空損失大，規(guī)模小問題十分突出，改造增產(chǎn)潛力較大。

氣提法

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      根據(jù)分離回收方法的不同全循環(huán)法可分為水溶液全循環(huán)法和氣提法，目前使用的主流氣提法為意大利斯娜姆公司的Snamprogetti氨氣提法、荷蘭斯塔米卡邦公司的Stamicarbon二氧化碳?xì)馓岱?、日本東洋工程公司的ACES二氧化碳?xì)馓岱ā?/span>

水溶液全循環(huán)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并將分解物返回合成系統(tǒng)的一種方法。氣提法是全循環(huán)法的發(fā)展，具有熱量回收完全，氨和二氧化碳處理量較少的優(yōu)點。

下面一張表格，比較了三種氣提法的優(yōu)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(chǎn)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制造合成氣。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(chǎn)尿素的工藝主要以氣頭為主。造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾個方面：

      首先，國外的天然氣供應(yīng)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(xiàn)原材料供應(yīng)不足的問題；反觀國內(nèi)，由于天然氣儲量有限，供應(yīng)長期存在缺口，因此國內(nèi)天然氣制尿素的原材料供應(yīng)得不到保證。（去年煤改氣引起國內(nèi)的氣荒，氣頭尿素的價格大幅上漲）。

      其次，天然氣工藝更具優(yōu)勢。通常情況下，天然氣的裝置在生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量上更具優(yōu)勢，因此天然氣制的尿素裝置比煤制尿素更具優(yōu)勢。

      最后，在國外天然氣制尿素的成本偏低，低于國內(nèi)的煤制尿素，因此國際上天然氣制尿素更具成本優(yōu)勢（當(dāng)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(chǎn)尿素的成本在1000元/噸上下，在國內(nèi)用煤炭生產(chǎn)尿素的成本在1500元/噸上下）。

      國內(nèi)方面，由于“富煤貧油少氣”這一資源稟賦的特點，導(dǎo)致近些年政府大力發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)，但凡能用煤制的產(chǎn)品基本上都以煤制的為主。不僅如此，由于國內(nèi)的天然氣供應(yīng)偏緊，價格較高，因此國內(nèi)的天然氣制尿素不僅和國外的天然氣裝置相比毫無優(yōu)勢，即使和國內(nèi)的煤制尿素相比成本也更高。正因如此，國際上約71%的尿素由天然氣制得。目前全球約2億噸/年尿素產(chǎn)能，主要系氣頭生產(chǎn)。

      而中國，由于天然氣成本相對較高，尿素的生產(chǎn)則以煤頭為主，產(chǎn)能約8000萬噸/年（工業(yè)品）。

中國尿素歷年產(chǎn)能（工業(yè)品）

      我國煤制尿素（“煤頭尿素”）占國內(nèi)總產(chǎn)能的近八成，天然氣制尿素（“氣頭尿素”）占比近兩成。氣頭尿素企業(yè)主要分布在四川和云貴一帶，基本圍繞天然氣資源建造；而煤頭尿素企業(yè)受政策驅(qū)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，但近年來由于生產(chǎn)成本的變化，優(yōu)惠天然氣價格的取消使得煤頭尿素生產(chǎn)成本較優(yōu)，無煙煤的普及也減輕了環(huán)保壓力，因此煤頭尿素逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。2016年，我國煤頭尿素占比高達70％，氣頭尿素占比僅為30％。預(yù)計未來在成本和政策驅(qū)動下煤頭尿素占比將繼續(xù)擴大。

      煤頭尿素根據(jù)煤氣技術(shù)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(tài)下經(jīng)過氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣（一氧化碳和氫氣）的過程。氣化床在經(jīng)濟性、環(huán)保效益、能量利用、原材料范圍等方面占有優(yōu)勢。諸多氣化床中，又以水煤漿氣化和航天爐表現(xiàn)最為突出，是國內(nèi)煤頭尿素產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)展的方向。

      比僅為30％。預(yù)計未來在成本和政策驅(qū)動下煤頭尿素占比將繼續(xù)擴大。

      隨著供應(yīng)由緊偏松，尿素行業(yè)面臨產(chǎn)能淘汰的狀態(tài)。未來尿素行業(yè)的趨勢是，國內(nèi)的經(jīng)濟效應(yīng)較差的中小型企業(yè)及污染較為嚴(yán)重的尿素裝置將會被逐漸淘汰，而大的具有規(guī)模效應(yīng)的企業(yè)將會逐漸兼并中小型企業(yè)，未來尿素的產(chǎn)能集中度將會逐漸上升。

   三、全球尿素產(chǎn)能——每年生產(chǎn)了多少尿素？

      全球尿素產(chǎn)能近年來迅速增長。2008年后全球尿素產(chǎn)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(dǎo)向為主的國家和地區(qū)，以及美國、印度（南亞）和南美等尿素主要進口國家和地區(qū)。在中國隨粉煤加壓氣化、水煤漿氣化等新型氣化技術(shù)的推廣，尿素原料結(jié)構(gòu)持續(xù)改善，尿素產(chǎn)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年后規(guī)劃的數(shù)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(chǎn)。全球產(chǎn)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(chǎn)能復(fù)合增長率5.19%明顯大于消費復(fù)合增長率2.60%，供給明顯過剩，導(dǎo)致產(chǎn)能利用率下滑至76.8%的歷史低點。

      從全球尿素產(chǎn)量分布來看，基本上和尿素的產(chǎn)能分布吻合。截止2016年，全球尿素產(chǎn)量為17429.08萬噸。其中，東亞的產(chǎn)量達到7224.61萬噸，占全球總產(chǎn)量的41%；南亞緊隨其后產(chǎn)量達到3179.66萬噸，占全球總產(chǎn)量的18%；西亞地區(qū)的尿素產(chǎn)量為2259.77萬噸，占全球總產(chǎn)量的13%；東歐與中亞（主要為俄羅斯）的產(chǎn)量為1346.4萬噸，占全球總產(chǎn)量的8%；北美地區(qū)的產(chǎn)量為1158.9萬噸，占全球總產(chǎn)量的7%。剩下非洲、西歐、拉丁美洲、中歐及大洋洲并不是尿素的主產(chǎn)地，其產(chǎn)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，占全球尿素產(chǎn)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么走？

      對于尿素行業(yè)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(chǎn)能以外，基本都是氣頭產(chǎn)能，因此我國基本喪失了出口的成本優(yōu)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(chǎn)能相比我國煤頭尿素將喪失成本優(yōu)勢，相應(yīng)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(chǎn)能絕大多數(shù)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(xù)下跌至2016 年下半年。此階段也是海外氣頭尿素新產(chǎn)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(yōu)勢。由于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(xiàn)比較穩(wěn)定。過去兩年無論是油價還是煤價都已翻倍，相應(yīng)10 美元/Mbtu（2.3 元/方）可以認(rèn)為是中長期全球非資源地氣價中樞，這也意味著其氣頭產(chǎn)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(chǎn)能也將喪失成本優(yōu)勢，我國將重奪出口成本優(yōu)勢。

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      對于尿素行業(yè)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(chǎn)能以外，基本都是氣頭產(chǎn)能，因此我國基本喪失了出口的成本優(yōu)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(chǎn)能相比我國煤頭尿素將喪失成本優(yōu)勢，相應(yīng)出口需求也將顯著改善。

2. 海外新增氣頭難如期釋放

      據(jù)YARA 統(tǒng)計，海外尿素擴張以2017 年為拐點，擴產(chǎn)高峰已過。未來全球尿素總產(chǎn)能增長將保持穩(wěn)定，預(yù)計將低于消費量年增長水平。未來新增全球產(chǎn)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(qū)2017-2018 兩年間累計新增的400 多萬噸氣頭尿素產(chǎn)能恐將面臨氣價上漲的不利局面。其中印度作為僅次于中國的全球第二大尿素消費國，其進口量占其總消費量的25%以上，主要來自于阿曼、中國和伊朗。為此，印度曾計劃2022 年實現(xiàn)尿素自給，并成為尿素凈出口國。印度為此制定了2022 年前新增1108 萬噸產(chǎn)能的規(guī)劃，其中絕大部分以天然氣為原料，目前僅Matix 于去年10 月份開車。我們認(rèn)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(shè)進度將使得其新產(chǎn)能難以如期釋放。

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