第一章 中国膜产业
第一节 中国膜产值
中国的膜产业主要由膜材料、膜设备、膜系统集成、膜专用配套设备和膜系统使用企业所构成。2000年以来,中国膜产业处于高速增长时期。1999年,中国膜产业总产值约为28亿元人民币,仅占全球总产值1.7%;2014年首次突破千亿元,2022年产值超过3700亿元人民币,占全球总产值35%以上。“十四五”以来,中国膜行业产值年均增长速度保持在10%~12% (见图1-1),预计到2025年我国膜产业总产值有望达到5000亿元人民币。
膜产业总产值通常是指膜与膜材料/组件、膜装备及相关工程的总值,其中膜与膜材料/组件是整个膜产业的核心。2022年,我国膜市场超过3700亿元人民币的总产值,其中膜与膜材料/组件的产值721亿元人民币,占据行业总产值的19.5%;膜设备、膜工程与配套产品的产值分别占行业总产值的23.9%、23.6%与14.9%,见图1-2。膜系统运行维护在膜产业发展中处于特殊又重要的地位,处于膜产业链的终端,既是膜技术广泛应用于各领域的接口,也是膜产品成功走向市场的关键环节。
膜系统运维能力直接影响膜技术的应用水平,也影响膜产业的高质量发展。经过多年的培育与发展,我国膜系统运维产业取得较大的进展。据不完全统计,2022年,我国专业从事膜系统运维业务的规模以上企业 (包含从事运维业务的工程公司)近300家,膜运维工业总产值超过250亿元人民币,专用药剂生产及服务企业1000多家,工业总产值超过350亿元人民币。
一、 膜制品产值构成
目前,我国已形成了水处理膜、气体分离膜、新能源膜、医用膜、光学膜和特种功能膜等六大类膜技术和产品,生产不同技术门类、不同材料、不同结构和不同应用场景的膜系列产品达上千种。2022年中国膜制品产值约721亿元人民币,各类膜制品产值如图1-3所示。超/微滤膜、纳滤/反渗透膜和膜生物反应器共占整个膜材料市场的46.9%,占据了中国膜材料/组件市场的半壁江山。能源用膜与医用膜的市场销售额分别占整体市场的27.7%和10.1%;而无机膜、气体膜与电驱动膜的销售额均不到32亿人民币,市场份额仅为3.2%、4.3%和3.1%。
二、 膜设备产值构成
2022年中国膜设备产值约885亿元人民币,比2021年增长5%。各类膜设备产值构成如图1-4所示。与2021年相比,净水设备的市场销售额增长率下降,占据整个膜设备市场不到47%的产值。医用膜设备的市场销售额从2020年的18%上升到19.8%。三、 膜工程产值构成
2022年中国膜工程产值约872亿元人民币,比2021年增长3.9%,各类膜工程产值构成如图1-5所示。其中工业废水工程的产值达到整个膜工程市场26.9%的产值;其次为市政污水工程,占市场份额的22.4%;工业用水和市政给水工程,分别占市场的16.1%和13.4%。
据不完全统计,全国15家膜领域上市公司2022年营业总收入达到163亿多元人民币 (未计入威高集团)。见表1-1。中国膜领域上市公司大多都是与环保水务业务相结合,或是专业从事膜研究。而国外膜行业巨头多隶属于化学材料公司 (如东丽、旭化成、杜邦等)或是混业经营的大型产业集团 (如西门子、LG、日东电工等);只有法国苏伊士、美国滨特尔的业务构成与中国膜上市公司较为类似。近年来,中化国际、万华化学等传统化工企业开始进军反渗透膜等领域,希望凭借其在原料、资金和规模等方面的优势进入高端膜市场。第二节 中国膜企业
膜企业作为产业的核心,不仅推动了膜技术在中国的发展,还为整个产业链带来了丰富的商机和发展机遇。根据中国膜工业协会注册会员名单,并综合北京膜展(第1~23届中国国际膜与水处理技术及装备展览会)、上海膜展 (2008―2021年AQUATECHCHINA上海国际水展)、广东膜展 (“广东国际水处理技术与设备展览会”与 “广州国际水展”,2018合并为GDWater广东水展)的参展商名录以及相关数据库,据不完全统计,截至2022年底,国内有5035家规模以上的企业从事与膜材料/组件、膜装备与膜工程相关的业务。这些企业主要分布在中国的经济重要地区,集中在京津冀、长江三角洲和珠江三角洲地区。其中,江苏省以19%的占比占据首位,广东和山东分别以11%与11%的占比紧随其后,浙江与上海分别有9%与6%的份额,北京占5%。这六个地区的膜企业总数合计占据了整个膜行业的60%以上份额,如图1-6所示。
图1-6揭示了中国膜企业数量的空间分布情况,从中可以得知,我国膜产业以从事水处理业务的膜企业为主体。江苏省、广东省、浙江省和山东省等地区膜企业数量排名靠前,这些地区也是全国工业制造业较为发达的省份。另外,北京和上海作为中国的政治、文化和经济中心,拥有丰富的科教资源,为需要高新科技支撑的膜企业的孕育与发展提供了有利条件。
值得注意的是,膜产业在中国的发展与工业的发展密切相关。通常,工业发达地区对膜法水处理的需求量较大,因为工业生产和城市人口的增加导致水资源的日益紧缺。膜技术作为一种高效、节能的水处理方法,受到了广泛关注和应用。因此,工业经济发达的地区往往也是膜产业较为发达的地区。
膜企业的空间分布不仅与地区经济状况相关,还与当地的科研力量、创新环境以及产业政策等因素密切相关。例如,拥有丰富科研资源和创新环境的北京和上海,为膜企业的成长提供了优越的条件,这也促进了膜产业在这两个地区的发展。
根据产业链的分类,我国膜企业主营业务可分为三大类:(1)膜生产环节的膜与膜组件、膜设备;(2)膜应用环节的膜工程与应用;(3)膜运营维护环节与配套服务等。根据不完全统计数据,从事膜与膜组件生产、销售业务的膜企业占比高达37%。这说明我国的膜产业已经建立了膜材料的开发与供应链,以及膜组件生产加工和销售链,为膜技术的应用提供了重要保障。其次,从事膜设备 (27%)、膜工
程与应用 (13%)相关业务的企业数量紧随其后,说明我国膜产业的应用领域也在不断扩大。从事膜运营维护与膜配套设备业务的企业占比也达到12%和11% (见图1-7)。这些数据反映我国膜产业的发展已经形成了完整的产业链,形成了水处理用膜、特种分离膜、气体分离膜、能源用膜、医用膜和特种功能膜等多种膜产品并重的发展趋势。涵盖了膜材料的研发与生产、膜组件的加工与销售、膜设备的制造与应用,以及膜工程与工程的设计与施工。同时,配套的运营维护服务也日益受到重视,这为膜技术的长期稳定运行提供了保障。图1 7揭示了中国膜企业数量的主营业务分布情况。膜材料与膜组件生产、销售业务占据了主要比例,说明我国的膜产业重视膜材料和组件的研发与应用。膜设备、膜工程与工程相关业务紧随其后,这反映我国膜技术在工业和市政领域的广泛应用。同时,膜配套与运营维护业务也占有一定比重,说明我国膜产业已经逐渐从产品供应向全生命周期服务转变,为用户提供了更加全面和优质的解决方案。
综上所述,中国膜产业的发展正呈现出蓬勃的态势。经过多年的发展,我国膜企业数量逐渐增加,规模不断壮大,分布在经济重要地区,主要集中在京津冀、长江三角洲和珠江三角洲地区。膜产业在我国水处理、特种分离、能源利用、医疗健康等领域的应用持续扩大,为推动我国高质量发展、实现绿色可持续发展作出了积极贡献。未来,随着膜技术的不断创新和应用领域的不断拓展,我国膜产业有望迎来更加广阔的发展前景。政府部门和企业应当进一步加强合作,加大科研投入,优化创新环境,推动膜技术的突破与创新,为我国经济转型升级和绿色发展提供更多支持和动力。同时,还需要加强对膜产业的监管和规范,保障产业健康有序发展,促进膜技术的健康、稳定、可持续发展。通过共同的努力,中国膜产业必将为我国的科技进步和经济发展注入新的活力,成为引领全球膜技术发展的重要力量。
一、 膜法水处理应用现状
(一)工业污水再生利用
21世纪以来的前二十年,中国工业生产总值增长近8倍,但工业耗水量只增加不到10%。如图1-8所示,工业生产总值相比耗水量并未同等比例快速增长的原因中,以反渗透膜技术为核心的膜技术大规模应用为重要原因之一。
(二)市政污水再生回用
近年来,膜法污水再生技术在市政领域得到越来越多应用,膜生物反应器(MBR)逐渐成为市政污水处理具有竞争力的选择。2003年以来,中国 MBR膜的耐污染性、膜使用寿命、膜通量等指标都有大幅度提高。随着城市化发展的不断推进,市区用地趋于紧张、空间利用率要求也不断提高,同时,人们对城市生活环境水平要求也不断提升。MBR工艺由于其出水水质优异,污泥浓度高,占地面积小,单体构筑物少于传统工艺,使其在一些地区得到青睐。如图1-9所示,截至2021年底,我国万吨以上 MBR工程 (含在建)累计设计处理规模超过2100万m3/d,目前投入运行的 MBR 系统累计处理能力超过1900万m3/d。
(三)市政自来水升级改造
在饮用水安全保障领域,超滤膜应用技术日趋成熟,重力驱动浸没式超滤技术具有运行能耗低、投资运行成本低、占地面积小等优点,适用于新建水厂及自来水厂提标改造。
近年来,纳滤膜在市政水处理中应用快速增长。2018年,张家港第四水厂扩建工程采用超滤 纳滤工艺处理微污染水源,为市民供应优质饮用水。该扩建工程的超滤膜系统处理能力20万 m3/d,纳滤系统净产水量为10万m3/d,是当时国内最大的纳滤膜饮用水厂。此项目的成功落地,开启了纳滤膜技术在自来水行业微污染水源处理领域的一个新应用。2020年,张家港第四水厂深度处理改造工程纳滤系统 (四厂二期)项目启动,纳滤产水规模20万吨/日。该项目完成后,张家港市第四水厂一期二期纳滤系统处理总规模将达到30万m3/d,是国内首座30万 m3/d级纳滤饮用水深度处理项目,也是目前国际上单厂规模最大的纳滤自来水深度处理项目。目前,嘉兴、郑州、海宁、武汉等多个地区将纳滤工艺纳入十万吨以上大型自来水水厂升级改造的重要选择之一。截至2023年底,中国已建与在建日产万吨规模以上的膜法饮用水厂累计工程数量达到168个,累积规模超过1400万吨/天。中国膜法饮用水水厂累计数量和规模年变化如图1-10所示。二、 膜在实现 “双碳” 目标中的作用
面临日益激烈的气候变化对人类生存条件造成的严峻挑战, “碳中和”成为众多国家的国家战略。自2020年中国宣布了“双碳”目标 (碳达峰和碳中和)愿景以来,2021年,“碳中和”又成为中国社会发展的重点规划目标,各行各业都在有序推进 “双碳”目标的实施。以低碳技术重大突破、能源低碳转型、污染治理和生态修复为核心的一系列举措,成为我国社会构建以高效和可持续的消费与生产力为主要特征的可持续发展模式的当务之急。
(一)零碳能源重构
作为一种高效节能的共性分离技术,膜技术在实现 “双碳”目标中发挥重要作用。电力能源是我国当前碳排放的主要来源之一,碳排放总量约40亿吨,占比约36%。基于清洁可再生能源构建零碳电力系统是实现碳中和的必经之路,其普及应用的关键瓶颈之一在于开发转化效率高、能量密度高、使用寿命长的储能技术。全钒液流电池作为尖端的大规模储能技术,具有环保、安全、高效、功率和容量可独立调节、循环使用寿命长、后期维护成本低等特点。质子交换膜是液流电池的核心
材料,对电池效率和成本具有决定性影响。
发展绿氢是实现能源系统向清洁化、零碳化转型的关键路径之一。目前绿氢制备的难点在于制氢单位成本高、制备规模小,制造材料及环境要求高。因此,亟需低成本、高效率、规模化的绿氢制备技术。质子交换膜 (PEM)电解槽和碱性阴离子交换膜 (AEM)电解槽流程简单,可实现低温条件下制氢效率的大幅提升。
我国质子交换膜产业整体正处于加速发展阶段,市场活跃,东岳集团的膜产品已经进入奔驰公司供应链体系,相关企业正在加速布局。截至2021年,我国质子交换膜设计年产能已超过490万平米,已投产年产能达220万平米,但国内质子交换膜供给仍然不足,大部分需求方仍使用进口膜。国内生产企业正在加速发展,部分代表性企业已经实现批量供货,并正在扩大产能。
随着氢燃料电池汽车规模化应用,质子交换膜也必将迎来新的高峰,蕴藏着巨大的市场潜力。预计随着国产化的推进、下游需求的井喷和上游原材料生产企业突破技术瓶颈,加之企业逐步实现规模化,质子交换膜成本将大幅下降,届时将带动氢能源产业及质子交换膜产业快速发展。
(二)低碳流程再造
我国工业碳排放约占排放总量的44%,工业过程的优化提升与构建绿色低碳的工业体系是实现 “碳减排”的关键手段。通过在现有工业流程中引入新技术、新工艺,实现低碳工业流程再造,可促进工业过程节能减排,解决现有工业领域高能耗、高污染、高排放的难题。
膜反应器是将分离与反应过程相结合的新技术,通过选择性移除产物,突破热力学平衡限制,提高原料转化率及目的产物产率,优化工艺流程,减少污染物排放。南京工业大学开发的连续膜反应器技术在国际上率先实现了陶瓷膜技术在石油化工主流程中的工业化应用,推广应用超过百万吨规模,在中国石化实现了氨肟化制己内酰胺工艺流程再造,“三废”排放是原有工艺的1/200。
(三)负碳体系构建
碳捕集是实现CCUS (碳捕集、利用与封存技术),构建负碳体系的基础,是完成碳中和目标的技术保障之一。与传统CO2 分离技术相比,膜技术可实现不同场合CO2的高效捕集,在提高捕集效率、降低能耗和成本等方面具有潜在优势。膜反应器可强化CO2 转化为燃料及化学品以进行可再生资源的利用,实现负碳工业过程。
天津大学在国内首次开发出了包括膜材料开发、分离膜规模化制备、膜组件研制和膜分离工艺及装置设计建造的膜法碳捕集完整技术链,实现了高性能CO2分离膜和膜组件的规模化制备,建成了国内首套日处理量5万标准立方米的烟道气膜法碳捕集工业示范装置,年捕集二氧化碳超3000吨。燃煤电厂烟道气经膜装置处理后产品CO2 纯度可达96.2%,能耗较传统技术降低39%。目前,膜法碳捕集技术虽然尚未实现大规模应用,但其在提高碳捕集效率、降低能耗和成本等方面展现出显著的潜在优势。在未来5~10年,膜分离技术有望发展成为工业成熟的碳捕集技术,预期比胺吸收等碳捕集技术节能30%左右。
三、 前景
目前,膜技术已经在工业用水处理、城市污水再生回用、工业废水零排放、市政自来水提质改造等领域发展重要作用,其推广应用是保障我国水资源安全的重要举措之一。同时,膜技术特别适于现代工业对节能降耗、低品位原材料再利用和环境治理与保护等重大需求,对保障用水安全、调整能源结构和能源清洁利用及产业转型升级具有重要意义。
膜分离技术推广应用的覆盖面可以反映出一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。在 “双碳”目标下,我国膜技术的发展正面向国家重大需求,聚焦关键核心膜材料和膜过程,开展从高性能膜材料微结构调控、规模化制备、流程设计到工程应用示范的全链条研究,实现低成本绿氢制造、液流长时储能、基于膜材料和膜过程的低碳流程再造、膜法烟道气碳捕集、膜反应器CO2制甲醇等一批前沿技术的大规模应用,为我国实现碳中和提供坚实的技术支撑。“十四五”期间,我国膜产业仍保持快速增长,预计2025年总产值达到4500~5000亿元,到2030年将达到7500~8000亿元,其市场前景如表1-3所示。
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