-
磷酸及磷酸铁 | 行业专题报告:LFP需求激增推动“湿法磷酸-磷酸铁”产业景气度
机构研报精选 / 2021-11-12 14:01 发布
1)磷酸铁锂正极安全性高,性价比突出,渗透率激增 磷酸铁锂电池由于在能量密度、耐低温等方面取得突破,在性价比、安全性方便更具优势,我们预计新能源汽车2025年全球销量超2000万辆,国内超750万辆。据我们测算,2025年全球锂电池需求将达1790GWh,磷酸铁锂需求约710GWh,乐观预期对磷酸铁需求约122万吨。2021-2022年磷酸铁锂-磷酸铁供需紧平衡,2023年以后供需紧张将逐步缓解,长期看磷酸铁锂-磷酸铁环节产能将过剩。 2)成本为王:磷酸铁路线制备磷酸铁锂将成为主流工艺 磷酸铁锂正极材料(LFP)生产工艺路线包括四种:水热法工艺路线、草酸亚铁工艺路线、氧化铁工艺路线和磷酸铁工艺路线。磷酸铁路线以相较更低的成本、更优良的性价比而成为制备磷酸铁锂的主流工艺。磷酸铁前驱体主流工艺包括两种:“铁块+磷酸”、“硫酸亚铁+磷酸一铵”路线。目前热法磷酸在国内磷酸市场占主导地位,但净化湿法磷酸生产1吨100%P2O5产品单耗较传统热法磷酸的标煤少1.21吨,约为热法磷酸能耗的1/3,湿法净化磷酸工艺可大大节约能耗且经济效益显著,未来湿法磷酸在我国磷酸行业中的产能占比有望持续攀升。此外,湿法生产工业级磷酸一铵的方式优点也十分众多。而净化湿法磷酸技术难度高,且副产物磷石膏问题难以解决,是磷酸铁企业普遍面临的问题,我们认为具备“矿电磷铁一体化”的磷酸铁生产企业将拥有核心竞争优势,我们看好具备成熟净化湿法磷酸技术的企业。 3)具备“矿电磷铁一体化”的磷酸铁生产企业将拥有核心竞争优势磷酸铁生产企业分为四类:1)磷酸铁锂正极生产企业纵向布局上游;2)磷化工企业配套磷源;3)钛白粉企业配套铁源;4)配置协同产业的锂电材料企业。从成本角度看,磷源、铁源成本占比约50%、10%,单吨磷酸铁耗电约6000KWh,具备“矿电磷铁一体化”的磷酸铁生产企业将拥有核心成本竞争优势。其中1)原材料端成本优势排序:磷源、铁源自备优于磷源自备优于铁源自备优于纯加工。2)能源动力端成本排序:自备电源(拥有水电、火电厂)优于低电价省份优于高电价省份。2021年磷酸铁锂正极需求爆发,磷酸铁前驱体供不应求。伴随各企业纷纷进入并扩产,未来磷酸铁产品格局将从“精细化”迈向“大宗化”。 投资建议:建议关注具备磷酸铁产能的相关上市公司 我们看好“双碳”背景下,新能源汽车需求在未来5-10年保持高速增长。我们看好磷酸铁锂渗透率将长期高于三元电池渗透率。我们看好具备“磷矿-磷酸-磷酸盐-磷酸铁一体化”资源与成本优势的磷化工企业,建议关注云天化、云图控股、川发龙蟒、川金诺、中毅达、兴发集团、湖北宜化等企业。 风险提示原材料价格大幅上涨;市场竞争加剧;新能源汽车政策变化不及预期。 投资摘要
关键结论与投资建议 1)我们预测到2025年,新能源汽车全球销量将超过2000万辆,国内超750万辆。对应测算,2025年全球锂电池需求1790GWh,磷酸铁锂需求约710GWh,其中动力电池对磷酸铁锂的需求有望从2020年的46GWh增至2025年的469GWh,渗透率达到37%;储能电池对磷酸铁锂的需求有望达到133GWh,渗透率为60%。按照0.25万吨/GWh磷酸铁锂单耗测算,2025年磷酸铁锂正极材料需求量有望达到180万吨。 2)按各公司公告、环评报告等数据,我们预计2021-2025年磷酸铁锂正极材料产能分别为81.1、152.6、387.2、420.0、450.5万吨,对应缺口分别为-1.3、27.6、67.1、261.9、240.2万吨。 3)按各公司公告、环评报告等数据,我们预计2021-2025年磷酸铁材料产能分别为56.0、164.0、284.0、482.0、510.5万吨,在乐观、中性、悲观三种假设下,2025年全球磷酸铁材料需求量分别达到122、99、76万吨。按照乐观的磷酸铁需求预测,对应缺口分别为-4.5、19.6、105.8、208.8、359.7万吨。 4)我们预计2021-2022年磷酸铁锂-磷酸铁供需紧平衡,2023年以后供需紧张将逐步缓解,长期看磷酸铁锂-磷酸铁环节产能将过剩。 5)磷酸铁制备磷酸铁锂将成主流工艺,“矿电磷铁一体化”的企业具备成本优势:磷酸铁路线以更低的成本、更优良的性价比有望成为制备磷酸铁锂的主流工艺。磷酸铁前驱体主流工艺包括两种:“铁块+磷酸”、“硫酸亚铁+磷酸一铵”路线。相较于磷酸一铵,磷酸对磷资源有效利用率更高,成本相对更低。磷酸生产路线包括热法磷酸和净化湿法磷酸,净化湿法磷酸生产1吨100%P2O5产品的标煤单耗较热法磷酸的少1.21吨,能耗约为热法磷酸的1/3,因此湿法净化磷酸工艺可大大节约能耗且经济效益显著,在成本为王的红海中,未来湿法磷酸在我国磷酸行业中的产能占比有望持续攀升。但净化湿法磷酸技术难度高,且副产物磷石膏问题难以解决,是磷酸铁企业普遍面临的问题,我们认为具备“矿电磷铁一体化”的磷酸铁生产企业将拥有核心竞争优势,我们看好具备成熟净化湿法磷酸技术的企业。 核心假设与逻辑 第一,我们看好“双碳”背景下,新能源汽车需求在未来5-10年保持高速增长。 第二,我们认为磷酸铁锂渗透率将长期高于三元电池渗透率。 第三,我们认为具备“矿电磷铁一体化”的磷酸铁生产企业将拥有核心成本竞争优势。其中(1)原材料端成本优势排序:磷源、铁源自备优于磷源自备优于铁源自备优于纯加工。(2)能源动力端成本排序:自备电源(拥有水电、火电厂)优于低电价省份优于高电价省份。 股价变化的催化因素 新能源汽车需求与渗透率快速增长、磷酸铁锂电池需求与渗透率快速增长。 核心假设或逻辑的主要风险 原材料价格大幅上涨,使公司产品毛利率下降、盈利能力下降;市场竞争加剧导致企业盈利能力不达预期;全球、国内新能源汽车政策变化不及预期等。 新能源汽车销量预测:2025年全球超2000万辆,国内超750万辆
2020年国内外新能源汽车销量增速显著提升。2020年国内新能源汽车销量136.7万辆,同比增长10.9%,增速由负转正。全球新能源汽车销量达到324万辆,同比增长43%,其中欧洲市场新能源车登记辆近140万辆,同比增长137%。我们预计全球新能源乘用车销量有望从2020年的约300万辆增至2025年的约2050万辆,CAGR将达到46.8%,预计2025年全球新能源乘用车渗透率有望达到21%左右。国内新能源汽车有望从2020年125万辆增至2025年的757万辆,CAGR达到43.4%,国内新能源汽车渗透率有望达到25%左右。
LFP需求测算:2025年全球锂电池需求1790GWh,磷酸铁锂需求约710GWh,乐观预期磷酸铁需求约122万吨
(1)锂电池需求总量测算:2025年全球锂电池需求量预计达到1790GWh。全球动力电池需求有望从2020年的160GWh增至2025年的1269GWh,CAGR达到51%;2025年全球储能电池需求有望达到222GWh,CAGR达到57%。消费电池需求将达到152GWh,CAGR为10%。
(2)磷酸铁锂需求总量测算:2025年全球磷酸铁锂电池需求量预计达到710GWh。全球动力电池对磷酸铁锂的需求有望从2020年的46GWh增至2025年的469GWh,渗透率达到37%;2025年全球储能电池对磷酸铁锂的需求有望达到133GWh,渗透率为60%。按照0.25万吨/GWh磷酸铁锂单耗测算,2025年磷酸铁锂正极材料需求量有望达到180万吨。
(3)磷酸铁需求总量测算:由于磷酸铁工艺只是制备磷酸铁锂工艺之一,我们按照乐观(磷酸铁工艺渗透率80%)、中性(磷酸铁工艺渗透率65%)、悲观(磷酸铁工艺渗透率50%)三种情况假设分析。按照0.85吨磷酸铁/吨磷酸铁锂的单耗测算,在乐观、中性、悲观三种假设下,2025年全球磷酸铁材料需求量分别达到122、99、76万吨。
LFP供给预测:2021-2022年磷酸铁锂-磷酸铁供给紧平衡,2023年以后供需紧张将逐步缓解,长期看磷酸铁锂-磷酸铁环节产能大幅过剩
磷酸铁锂供给测算:按各公司公告、环评报告等数据,我们预计2021-2025年磷酸铁锂正极材料产能分别为81.1、152.6、387.2、420.0、450.5万吨,对应缺口分别为-1.3、27.6、67.1、261.9、240.2万吨,供需紧张缓解将逐步缓解,2023年以后磷酸铁锂产能将大幅过剩。
磷酸铁供给预测:按各公司公告、环评报告等数据,我们预计2021-2025年磷酸铁材料产能分别为56.0、164.0、284.0、482.0、510.5万吨,按照乐观的磷酸铁需求预测,对应缺口分别为-4.5、19.6、105.8、208.8、359.7万吨,2021-2022年磷酸铁供需紧平衡,2023年以后供需紧张缓解将逐步缓解,磷酸铁产能将大幅过剩。
3
磷酸铁:磷酸铁工艺是未来LFP主流生产路线
磷酸铁锂(LFP)是一种锂离子电池电极材料,化学式为LiFePO4,主要用于各种锂离子电池。橄榄石磷酸盐和类似Nasicon结构的磷酸盐是目前研究最多的热点,其中磷酸铁锂正极材料在一定的电流密度下,比容量可以达到170mAh/g,从而受到更高的关注,目前其也已经成为锂离子电池市场的重要组成部分。磷酸铁锂材料作为正极材料的新一代锂二次电池可以为混合电动汽车和纯电动汽车提供动力,并且还能储存来自风和光电的能量,以解决智能电网的间歇问题。一般来讲,磷酸铁锂的制备方法和结构对其电化学性能有很大影响。
磷酸铁路线制备磷酸铁锂将成为主流工艺。目前市场上主流的磷酸铁锂正极材料(LFP)生产工艺路线包括四种:水热法工艺路线、草酸亚铁工艺路线、氧化铁工艺路线和磷酸铁工艺路线。其中,磷酸铁路线以相较更低的成本、更优良的性价比而有望成为制备磷酸铁锂的主流工艺。磷酸铁(FePO4,铁为三价状态),又名磷酸高铁、正磷酸铁,是一种白色或浅黄色粉末。磷酸铁中的铁为三价铁,以二水合物(FePO4.2H2O)居多。磷酸铁是制备磷酸铁锂(LiFePO4,铁为二价状态)的一种重要前驱体,“磷酸铁路线制备磷酸铁锂”由于工艺简单、原材料利用率高、重复性好、正极材料活性高,生产技术日臻成熟,已逐渐发展成为主流工艺。该路线采用无水磷酸铁及碳酸锂作为主要原材料(生产1吨磷酸铁锂一般需要0.96吨磷酸铁及0.24吨碳酸锂),将磷酸铁前驱体与锂源碳源等进行充分研磨混合,利用碳热还原法制成磷酸铁锂正极材料。磷酸铁前驱体(包括二水磷酸铁和无水磷酸铁)的化学成份、结构、物理化学性质、反应活性很大程度上决定了制得的LFP的综合性能。其中,磷铁比是衡量磷酸铁品质最关键的指标,也是决定磷酸铁锂品质最关键的因素,磷酸铁在磷酸铁锂中的用料占比接近1:1。磷酸铁锂是一种橄榄石结构的聚阴离子磷酸盐,其充放电反应是在磷酸铁锂和磷酸铁两相间进行的。磷酸铁锂电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。充电时,Li+从LiFePO4中脱离出来,Fe2+失去一个电子变成Fe3+;放电时,Li+嵌入磷酸铁中变成LiFePO4。
两种磷酸铁前驱体主流工艺:“铁块+磷酸”、“硫酸亚铁+磷酸一铵”
工业化生产磷酸铁的方式主要有两种:(1)通过使用净化磷酸(可热法或湿法)使之与硫酸亚铁反应制备磷酸铁;(2)或通过使用磷酸盐与硫酸亚铁反应制备磷酸铁,常用磷酸盐主要为磷酸一铵(磷酸二氢铵)和磷酸二铵(磷酸氢二铵),主流磷酸盐为磷酸一铵。分别归类为“铁块+磷酸”、“硫酸亚铁+磷酸一铵”工艺。
目前工业上制备电池级磷酸铁的主要方法为沉淀法。磷酸铁的合成方式分类主要有:沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、空气氧化法、控制结晶法等。其中,水热法因为投料过程不连续、制备受反应釜容器大小限制等缺点而难以工业生产。溶胶凝胶法的缺点是反应时间较长、在干燥时产物易收缩,也难以工业化生产。其他方法也因各种缺点而难以实现工业化。沉淀法制备磷酸铁具有设备要求低、成本较低等优点,通过控制反应条件可以制得较理想的电池用磷酸铁,易实现大规模工业化生产,所以目前工业上制备电池级磷酸铁的主要方法为沉淀法。
此外,亚铁路线的磷酸铁制备过程中需要氨水或氢氧化钠调节pH值,按照使用pH值调节剂的不同,也可分为钠法和铵法,前者使用氢氧化钠,后者使用氨水:(1)铵法是指硫酸亚铁溶液与磷酸反应,经沉淀过滤后再用氨水中和过量的酸得到磷酸铁。(2)钠法是指硫酸亚铁用磷酸酸化后与过氧化氢反应,生成磷酸二氢铁,再用氢氧化钠溶液调节pH值为2左右,生成磷酸铁。其中铵法通过提取滤液和废水中的硫酸铵外售还可以补贴部分后处理成本。
受益于新能源汽车的快速发展及磷酸铁锂动力电池占比的提升,传统磷酸铁锂生产企业纷纷扩产,磷化工、钛白粉等生产企业则凭借各自原料资源优势,竞相布局磷酸铁及磷酸铁锂产业链。铵法路线的典型企业有天赐材料、湖南雅城,钠法路线代表企业有安达科技、湖南裕能等。
按照产业属性可将磷酸铁生产企业类型分为四类:
一是磷酸铁锂正极生产企业,纵向布局上游,如德方纳米、湖南裕能、安达科技、湖北万润、江西升华等;
二是磷化工和钛白粉企业,如新洋丰、川发龙蟒、川金诺、川恒股份、云天化、云图控股、司尔特、龙佰集团、中核钛白、安纳达等;
三是自购原材料生产销售磷酸铁公司,如合纵科技(湖南雅城)等;
四是为配置协同产业的锂电材料企业,如天赐材料、贝特瑞、当升科技、厦钨新能等三元正极及电解液企业等。
磷酸铁加工中包括反应釜运转等一系列制备环节都属于耗电环节。从过程控制和工艺优化角度讲,优秀公司可以比同行业使用相同工艺的公司单吨成本便宜300-1000元左右。其中,从成本结构来看,磷源成本占到磷酸铁生产成本的53%。磷化工企业拥有磷资源的配套,具有生产磷酸铁的成本优势。
磷酸铁产品格局将从“精细”迈向“大宗化”,看好具备“矿电磷铁一体化”的磷酸铁生产企业将拥有核心竞争优势
磷酸铁锂电池的产业链为“磷矿—工业级磷酸/磷酸一铵—磷酸铁—磷酸铁锂正极—磷酸铁锂铁锂电池”。现阶段国内主要的磷酸铁生产企业通过外购七水硫酸亚铁、高等级的净化磷酸等原材料生产磷酸铁并销售给磷酸铁锂生产企业。2021年磷酸铁锂正极需求爆发,磷酸铁前驱体供不应求,化工龙头、锂电厂家纷纷进行扩产。未来,不同企业制备磷酸铁路线将选择不同的原料,主要的原料及两种工艺分为“硫酸亚铁+磷酸一铵”与“高纯度铁块+磷酸”。随着磷化工企业磷酸铁产线、磷酸铁锂正极厂商等配套项目逐步投产,磷酸铁产品格局将从“精细”迈向“大宗化”,未来各厂商之间将比拼成本优势:(1)原材料端成本优势排序:磷源、铁源自备优于磷源自备优于铁源自备优于纯加工。(2)能源动力端成本排序:自备电源(拥有水电、火电厂)优于低电价省份优于高电价省份。
4
湿法净化磷酸:经济效益显著,有望成为未来磷酸主流工艺
我国湿法磷酸的产能占比有望持续攀升
磷酸是磷化工最主要的基础产品,是磷化工产业链最重要的中间体。磷酸(主要指正磷酸H3PO4)主要用于生产各种有机或无机磷酸盐(酯):如化学肥料重钙、磷铵、磷钾等;饲料添加剂磷酸氢钙;食品、医药级磷酸钙盐,品质改良剂亚磷酸钠、次磷酸钠,洗涤助剂三聚磷酸钠;无机阻燃剂磷酸铵、聚磷酸铵、氨基磷酸铵、磷酸硼、赤磷、有机阻燃剂卤-磷,水质稳定剂、阻垢剂、分散剂、缓冲剂三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、次磷酸钠;半导体工业中的 InP、GaP 及磷化物、InAs或GaAs的固溶体、压电晶体用 KH2PO4和 AlPO4 以及高纯磷化氢掺杂剂;化学镀软焊剂次磷酸铵、还原剂次磷酸钠;涂料中作为阻燃、防锈、防腐、耐辐射、抗菌、发光等添加剂;绿色环保外墙涂料、白玉内墙涂料高光冷瓷涂料等六偏磷酸钠、磷酸三钠、磷酸三丁酯;还原性颜料如包括磷化物、亚磷酸、次磷酸盐等等。根据纯度及含杂质量不同,磷酸主要分为电子级、工业级、食品级等。
磷化工供给侧改革取得明显成效,“三磷”整治助力磷酸产能结构持续优化。近年来,在供给侧结构性改革的持续推动以及降能耗、促环保的政策导向下,我国磷化工产业链结构逐步调整。保护磷矿资源、减少磷矿开采、减少磷肥出口、控制黄磷产能等,可以有效减少磷污染,是解决“三磷”问题的根本途径。2019年年初,生态环境部将长江磷矿、磷肥和含磷农药制造等磷化工企业、磷石膏库(简称“三磷”)的排查整治作为长江减“磷”的攻坚内容。回顾来看,整治行动开展以来,我国减“磷”效果明显,2016年长江经济带以总磷作为定类指标的九条重污染河流,2019年总磷浓度均下降至V类标准限制以下,原来总磷劣V类的全部到了五类。整体来看,磷化工供给侧改革取得明显成效,在环保政策的持续下,据百川盈孚统计,近年来我国磷酸产能总体呈现下降趋势。
磷酸的主流生产工艺包括热法和湿法。磷酸的工业生产有热法、湿法、窑法等,目前主要有热法和湿法两大类:
(1)热法磷酸是利用硅石和焦炭的混合物在高温下将磷矿还原并产生黄磷,再经氧化、水合制得高浓度磷酸。热法磷酸下游主要应用于电子级、食品级磷酸和磷酸盐。热法磷酸因杂质含量低,浓度高,但生产成本也较高,主要用于生产磷酸盐,作工业原料或添加剂。目前热法磷酸产能占我国的70%以上。
(2)湿法磷酸是用硫酸溶解磷矿粉,经过过滤、脱氧、除杂、萃取、精华制得磷酸,期间会产生副产品磷石膏和氟化氢,湿法磷酸下游主要应用于磷肥、工业级磷酸和磷酸盐。湿法磷酸为酸矿反应产物,生产成本低,但杂质含量高,浓度低,通常用于生产肥料。湿法磷酸因含铁、镁、铝等多种杂质,在物理性质上与纯磷酸有所差异,如密度增加、黏度增大、沸点升高等。湿法磷酸经过净化后,也可以用来生产工业级磷酸盐、饲料级磷酸盐等。湿法磷酸下游主要应用于磷肥、工业级磷酸和磷酸盐,我国湿法磷酸产能占比不足30%。现阶段,中国湿法磷酸行业的发展正处于技术革新的关键阶段,在现有市场基础上,净化技术的提升将会快速推动我国湿法磷酸产品在更多的领域应用,未来市场发展前景广阔。
湿法净化磷酸工艺可大大节约能耗且经济效益显著
热法磷酸工艺的优势在于,相较于湿法磷酸,其过程中磷的转化率和回收率较高,各种有害物质也会在高温加热的过程中转变或减少,且热法磷酸产品纯度高,能够满足电子级、食品级磷酸的生产质量要求,无需多余净化环节。然而缺点是原材料黄磷能耗较高,通常热法磷酸的生产成本高于湿法磷酸,用热法磷酸来生产普通工业级磷酸盐的经济效益相对不高。据钟本和、方为茂等《中国湿法磷酸净化技术(工程)进展情况》中数据,每生产1吨磷酸(湿法),净化湿法磷酸生产1吨100%P2O5产品单耗较传统热法磷酸的标煤少1.2141吨,约为热法磷酸能耗的1/3。热法磷酸价格常受黄磷价格波动影响,黄磷价格过高时还会影响热法磷酸企业的开工积极性。湿法磷酸来源广泛,生产成本较低,但产品酸浓度较低,杂质含量较高,因而目前主要用于磷肥生产。相比于高污染、高能耗的热法磷酸,湿法净化磷酸在能耗、生产成本、资源利用及能耗效率、环境友好、工艺适应性、产品品质稳定等方面都较热法磷酸具有明显的优势,其可大大节约能耗且经济效益显著,符合国家节能减排的新要求。
目前热法磷酸在国内磷酸市场占主导地位,但随着湿法磷酸技术的进步与普及,未来湿法磷酸在我国磷酸行业中的产能占比有望持续攀升。采用精制湿法磷酸代替部分热法磷酸生产各种磷制品,已经成为世界磷化工高新技术发展的一个方向,而我国湿法净化磷酸的生产还刚刚起步。20世纪80年代,国外磷酸工业主要以热法磷酸为主,随后逐步被湿法磷酸所取代,目前发达国家工业磷酸湿法制备占比已经达到80%,美国甚至达到了90%以上。净化湿法磷酸方面,据川金诺公司统计,目前全世界净化湿法磷酸年产量已经超过210万吨,约占工业磷酸生产能力的30%。其中美国净化湿法磷酸占其工业磷酸生产能力的46%,欧洲净化湿法磷酸占其工业磷酸生产能力的84%,日本净化湿法磷酸占其工业磷酸生产能力的40%。我国于20世纪60年代引进湿法磷酸工艺,国内工业磷酸主要通过热工艺生产,近年随着湿法磷酸净化技术的突破,精制湿法磷酸替代了部分热法磷酸。整体来看,目前我国湿法磷酸大部分仍然被用来生产高浓度磷复肥,仅有10%-20%用来净化加工生产工业级磷酸盐。近年来,我国磷酸结构正在逐步调整,未来湿法磷酸在我国磷酸行业中的产能占比有望持续攀升,将间接影响对黄磷的需求,我们看好我国湿法磷酸的市场增长空间仍然广阔。据百川盈孚统计,目前我国湿法磷酸和热法磷酸产能分别为100万吨和261万吨,热法磷酸产能逐渐萎缩,湿法磷酸产能稳定。近年来,我国湿法磷酸产能市占率逐步提高:2015年至2020年,热法磷酸产量由197万吨降至124万吨,而湿法磷酸产量由47万吨升至88万吨。此外,据中国无机盐工业协会数据,2021年,工业消费量约占磷酸总消费量的8.9%,目前磷酸的工业消费量占比仍然较小。
国内磷酸生产多采用湿法磷酸技术,湿法磷酸生产工艺是以反应料浆中硫酸钙含结晶水的不同来区分的。湿法磷酸的生产方法以硫酸钙出现的型态命名,工业上包括几种方法:二水法、半水-二水法、二水-半水法、半水法等。其中二水法是目前世界上应用最广的方法。目前世界上湿法磷酸生产装置中,有80%以上用二水法生产,二水法生产的磷酸大约占世界湿法磷酸生产总量的85%。其中,半水-二水法、二水-半水法主要考虑了为减少除洗涤不完全和机械损失意外的其他导致磷损失的因素。中国五环工程有限公司(前身为中国化学工业部第四设计院)自主开发的半水-二水法的技术优势主要体现在四个方面:总能耗低、高回收率、磷石膏品质好、成品酸质量好等方面,目前已被大型化装置应用。值得一提的是,据川恒股份公司公告,其自主开发的半水湿法磷酸生产工艺技术,具有工艺流程短、技术水平先进可靠、产品质量好、总能耗低、生产成本低、生产运行平稳等优点。目前,川恒股份公司的半水湿法磷酸工艺装置是自主研发设计的国内首套单系列产能最大的半水湿法磷酸工艺装置,其半水湿法磷酸成套技术相比二水磷酸技术具有明显的成本优势,主要表现为:硫酸消耗比二水法低2%左右;比二水法节约了磷酸贮槽和浓缩工程设备投入;磷石膏结晶水含量较低,仅5%-6%,通过与川恒股份公司矿井填充技术结合可实现一定程度的有效利用;磷酸杂质含量比二水法低,易于提纯和净化。
推广湿法磷酸工艺经济效益更佳,副产物磷石膏问题仍待解决
湿法净化磷酸是湿法磷酸的净化产品,湿法净化磷酸技术相比于热法磷酸将大量节约能耗且经济效益显著。湿法磷酸通过深度净化和精细加工后,可替代热法磷酸,用于生产工业磷酸盐和各种精细磷酸盐,包括磷酸铁。湿法磷酸净化技术针对不同杂质采用了化学沉淀、溶剂萃取、吸附、精馏等多种方法组合,工艺严谨、流程控制严格,对于中国中品位磷矿的特点有很大的适应性。从我国可持续发展的战略需要以及节能降耗和淘汰高耗能产品的国策出发,借鉴国外磷化工发展的经验,我国磷化工发展应大力开发湿法磷酸净化新技术,用具有能耗和成本优势的湿法磷酸替代高能耗的热法磷酸。然而开发湿法磷酸净化技术迄今仍是磷酸工业界的一大难题,我国仅有为数不多的工业化装置在运行:为了将湿法粗磷酸进一步进行提纯,通常需要将湿法粗磷酸依次通过预处理工序、萃取工序、后处理工序进行三级纯化处理。
主流的工业化湿法磷酸的净化工艺主要为有机溶剂萃取法。湿法磷酸的净化工艺主要有化学沉淀法、结晶法、离子交换法、溶剂沉淀法、有机溶剂萃取法、浓缩净化法、电渗析法,目前工业上一般采用有机溶剂萃取法,其优点为:过程中没有温度变化、能耗较大,萃取剂可循环使用,并且能够避免二次污染。有机溶剂萃取法主要包括法国罗纳-普朗克公司采用有机溶剂萃取法净化湿法磷酸的Central-Liqueur流程、法国APC公司的Phorex法、英国AlbrightWilson法、以色列IMI Cleaning法、东洋曹达工艺等。值得一提的是,溶剂萃取法净化湿法磷酸过程中会产生大量含磷淤渣,如果将含磷淤渣用来制肥,走肥盐结合的道路,还可有效提高磷酸利用率。目前国内产业化程度较高的湿法磷酸净化技术有贵州瓮福集团开发的湿法磷酸净化技术、四川大学与中化涪陵共同开发的湿法净化技术、清华大学微结构萃取技术、华中师范大学开发的湿法净化技术,均为溶剂萃取法,且均实现了产业化生产。我国目前应用范围较广、技术较成熟的湿法磷酸净化技术是四川大学溶剂萃取技术,该工艺流程中,大部分的磷进入净化酸成品中,少部分磷以萃余酸的形式排放,原湿法磷酸大部分杂质在萃余酸中,可进入肥料生产循环中。在此方面,郑州大学开发利用萃余酸生产包裹性缓释肥料的技术,使磷矿中的钙、镁、铁、锰、稀土等杂质得到高效利用。
磷石膏是湿法磷酸生产的主要副产物,湿法磷酸副产物磷石膏问题仍待解决。每生产1吨湿法磷酸产生4.5吨的磷石膏渣,对环境污染极大。副产磷石膏一部分在水泥缓凝剂、石膏板、建筑石膏、筑路方面得到应用,但大多仍然通过堆放的形式处理。磷石膏库不仅占用土地,还会造成水体富营养化。目前我国磷石膏堆存量已超过7亿吨,每年新增约8000万吨,产量主要集中在长江经济带。在“三磷”整治调查中发现长江沿线97个磷石膏库中有53.61%存在生态环境问题,问题最为突出,磷石膏库问题已成为湿法磷酸生产的一大痛点。2019年,我国磷石膏产量7500万吨,利用量为3000万吨,综合利用率约40%,由于磷石膏产品质量存在问题,在技术突破前难以大规模推广。随着面向2035年的美丽中国建设目标的展开,以及对长江流域、黄河流域等流域水质持续改善的要求,开展磷石膏减量化和综合利用问题变得尤其必要,磷石膏问题仍然是湿法磷酸推广过程中一大阻碍。
我们按当前的产品均价进行假设,根据热法工业磷酸分别对磷矿石/焦炭/烧碱/苛性碱/其他原料单耗3.857/0.665/0.559/0.486/0.891吨/吨,湿法工业磷酸分别对磷矿石/硫磺/磷酸三丁酯/磷矿粉/其他原料单耗5.354/1.292/0.006/0.168/0.414吨/吨,得出在当前状态下,湿法净化磷酸、热法工业磷酸的原料和辅料费用分别为3798元/吨、3028元/吨,湿法磷酸在原料成本上比热法磷酸约低770元/吨。根据梅毅等的《热法磷酸与湿法工业磷酸的技术经济分析》文献中测算方法,我们测算出热法磷酸单吨的能耗、人工、三费、折旧等费用合计约为8871元/吨,而湿法磷酸约5221元/吨。考虑反应过程中的伴生产物、副产物等回收并销售而创造的经济效益,湿法净化磷酸方法在综合经济效益上比热法磷酸具备约1400元/吨的经济优势。目前热法磷酸产品品质更优、售价更高(比湿法磷酸售价高400-600元/吨左右),湿法净化磷酸在销售市场上的盈利优势将比热法磷酸高800-1000元/吨左右。
我国磷酸产能主要分布在云南、贵州、湖北、四川、湖南等地。磷酸主要需求市场为磷酸盐、食品添加剂、电镀酸洗、金属表面处理剂等。我国磷矿资源主要分布在8个区域:云南滇池,贵州开阳、瓮福,四川金河、清平、马边,湖北宜昌、胡集、保康。云南、贵州、湖北、四川、湖南5省保有储量占到全国总保有储量的80%以上,我国磷酸产能也主要分布在上述几个省份。整体来看,我国磷酸生产工艺仍主要以热法为主,磷酸市场内热法磷酸和湿法磷酸并存,并就市场份额有竞争关系。此外,我国磷酸出口率通常保持在20%左右,主要向周边地区出口,2020年和2021年受疫情影响,我国磷酸出口率有小幅下降。2021年三季度,受环保督察及能耗双控的影响,我国磷酸开工率出现小幅下降。回顾来看,2021年磷酸市场受原料黄磷影响明显,价格波动较为频繁,不断刷新历史价格。尤其是2021年9-10月份,磷酸市场价格大幅动荡。
5
工业级磷酸一铵:湿法生产工业级磷酸一铵的方式优点众多
工业级磷酸一铵(工业级磷酸二氢铵,分子式是NH4H2PO4)是一种白色粉状或颗粒状物,易溶于水,微溶于醇,不溶于丙酮,具有良好的热稳定性,在高温下会脱水成黏稠的焦磷酸铵、聚磷酸铵、偏磷酸铵等链状化合物。按国家标准,磷酸一铵可以分为肥料级磷酸一铵(执行《磷酸一铵、磷酸二铵》标准 GB 10205-2009)、工业级磷酸一铵(执行《工业磷酸二氢铵》标准 HG/T 4133-2010)和食品级磷酸一铵(执行《食品安全国家标准食品添加剂磷酸二氢铵》标准 GB 25569-2010)。目前国内生产的工业级磷酸一铵是纯度 96%、98%、98.5%三种规格的产品。工业级磷酸一铵与农业磷酸一铵相比,其养分含量更高、用途更广。通常肥料级磷酸一铵每吨的生产大约需要1.5-2吨磷矿石,而一吨工业级磷酸需要磷资源(折纯为P2O5)就需要约3.7吨。如果净化至电池用工业级磷酸一铵,对磷矿资源消耗量更大。工业级磷酸一铵是一种良好的灭火剂、阻燃剂,广发用于木材、纸张、织物的阻燃,现为加工和燃料工业的分散剂、搪瓷用釉剂、防火涂料的配合剂、干粉灭火剂;还可以用饲料添加剂,医药和印刷工业等;此外,还可用作高品级肥料,用于水溶肥料的生产。随着近年来新能源电池材料技术进步,工业级磷酸一铵已成为新能源电池(磷酸铁锂电池)正极材料磷酸铁锂的前驱体磷酸铁的重要原料之一。
常见的工业级磷酸一铵的制备方法主要分为热法磷酸氨化法和湿法磷酸法。21世纪以前,我国工业级磷酸一铵一般以热法磷酸为原料制备;进入21世纪,随着国外技术引进及我国科研院所的自主开发,目前国内以湿法磷酸、湿法磷酸净化技术制备的工业级磷酸一铵逐渐增多。对湿法磷酸净化后制取工业级磷酸一铵不仅可以降低生产成本,而且可以实现资源的梯级利用:湿法磷酸采用脱氟及分段氨中和工艺ꎬ可分别获得氟硅酸钠、磷酸一铵溶液、磷酸一铵滤饼及磷酸铵镁ꎬ磷酸一铵溶液经浓缩结晶后得到高品质全水溶性工业级磷酸一铵。磷酸一铵滤饼与重复结晶后的磷酸一铵母液调浆干燥后得到合格的农用级磷酸一铵。
湿法生产工业级磷酸一铵的方式优点众多,未来体量占比将进一步增加。我国工业级磷酸一铵生产主要都采用热法磷酸氨化法,基本都是以热法磷酸为原料,存在能耗大、生产成本高、缺乏综合利用配套系统,生产水平相对较低等问题。随着能源日益紧张,低能耗的湿法磷酸净化技术又重新发展起来。今后用湿法磷酸制取工业级磷酸一铵的量将会大大增加,这对提升传统磷酸铵生产装置的技术含量及产品附加值等有着重要意义。
湿法工业级磷酸一铵生产方法主要包括:湿法磷酸两步法、湿法磷酸净化处理、湿法磷酸为原料生产工业级磷酸一铵、湿法磷酸氨中和直接净化法生产工业级磷酸一铵等。其中,贵阳中化开磷化肥有限公司自主研发的“两步法生产工业级磷酸一铵”工艺是根据湿法磷酸质量不稳定、杂质多的生产现状,采用两步中和的方法定向除去影响产品质量的各种杂质;湖北六国化工股份有限公司工业级磷酸一铵生产装置具有工艺流程简单、投资少的特点。该生产工艺通过氨化和澄清、分离、浓缩、结晶、干燥等工序制得工业级磷酸一铵。生产过程中分离的杂质进入料浆工序,最终送往肥料磷酸一铵生产装置,实现了工业级磷酸一铵和肥料级磷酸一铵的一体化生产。
全球产销量最大同时国内出口量最大的工业级磷酸一铵生产企业为川发龙蟒公司,通常农用级和工业级磷酸一铵产品价格存在价差。根据中国化肥信息中心数据,中国是世界上工业级磷酸一铵第一生产国,我国工业级磷酸一铵消费结构为:水溶性肥料占62%,消防药剂占32%,其他占6%。截止2019年底,中国工业级磷酸一铵产能为195万吨,占世界总产能的39%,为世界第一大生产国。2015-2019年年均复合增长率为8.6%。预计2025年将达到245万吨,年均复合增长率3.9%。产量方面,2019年为103万吨,占世界总产量的30%。2015-2019年年均复合增长率为7.2%。预计2025年将达到145万吨,年均复合增长率5.9%。由于原料单耗、产品品种不同,一般工业级磷酸一铵的造价及售价要高于农业级磷酸一铵1500-2500元/吨。理论上来讲,农业级磷酸一铵(农铵)转产工业级磷酸一铵(工铵)的技术路线是可行的,但仍需要通过产能置换完成,此外,农用级磷酸一铵、磷酸二铵与工业级磷酸一铵项目也可相互置换。但是工铵和工业级磷酸新增产能还需1-1.5年的产能建设期,转产工铵或新建工铵及工业级磷酸需要新建装置。目前我国工业磷酸一铵产能排名:川发龙蟒(40万吨)、*st金正(20万吨)、新洋丰(15万吨)、川恒股份(14万吨)、云图控股(10万吨)、六国化工(8万吨)。值得一提的是,川发龙蟒公司为是全球产销量最大同时也是国内出口量最大的工业级磷酸一铵生产企业,公司工业级磷酸一铵出口量占全国出口总量的48.1%左右。据川发龙蟒公司公告,目前公司的工业级磷酸一铵已面向多家磷酸铁行业企业销售。
从价格角度来看,在原材料价格上涨、全球粮食价格高企、农资备货补库行为、磷酸铁锂行业景气提升对上游需求增长等的叠加影响,自2021年3月起,农业级磷酸一铵及工业级磷酸一铵景气度持续上行。据中国好农资数据,进入2021年11月,磷酸一铵方面市场无明显变动,秋销市场已经结束,冬储进展缓慢,而工业级磷酸一铵市场高位暂稳,新疆市场需求向好,供需偏紧。
6
投资建议 我们看好“双碳”背景下,新能源汽车需求在未来5-10年保持高速增长。我们看好磷酸铁锂渗透率将长期高于三元电池渗透率。我们看好具备“磷矿-磷酸-磷酸盐-磷酸铁一体化”资源与成本优势的磷化工企业,建议关注云天化、云图控股、川发龙蟒、中毅达、兴发集团、湖北宜化等企业。
7
风险提示 原材料价格大幅上涨;市场竞争加剧;新能源汽车政策变化不及预期
】-国信证券