劉化章

（浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)催化研究所，浙江 杭州 310014）

合成氨工業(yè)是一個(gè)特殊的傳統(tǒng)工業(yè)。生產(chǎn)合成氨的原料和燃料以及產(chǎn)品氨都是能源，合成氨設(shè)備實(shí)際上是一座能源轉(zhuǎn)化裝置。其次，合成氨反應(yīng)是一個(gè)沒有副反應(yīng)、原子利用率100%的綠色反應(yīng)，因此評(píng)價(jià)合成氨技術(shù)優(yōu)劣的判據(jù)不是產(chǎn)品氨的質(zhì)量，也不是數(shù)量，而是噸氨綜合能耗指標(biāo)，生產(chǎn)過程能量損耗約50%，節(jié)能潛力大。第三，基于合成氨的氮肥占化肥的70%，消耗能源和CO2排放占全國總量的3.0%～3.5%，所以合成氨既關(guān)乎糧食安全又關(guān)乎能源安全。第四，化肥對(duì)糧食作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率占50%左右。糧食的戰(zhàn)略地位決定了合成氨工業(yè)是不可替代的，化肥的剛性需求長期存在，無論能源供應(yīng)如何緊缺，環(huán)境控制如何日益嚴(yán)格，合成氨工業(yè)必須依靠科技進(jìn)步來面對(duì)這一嚴(yán)峻形勢而繼續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)合成氨工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能減排只能且必須依賴科技進(jìn)步，別無選擇。

國家石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整規(guī)劃提出了化肥工業(yè)的主要任務(wù)[1]有：①優(yōu)化石化產(chǎn)業(yè)布局，其中在原料產(chǎn)地生產(chǎn)的化肥比例提高到60%；②采用潔凈煤氣化和能源梯級(jí)利用技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有氮肥生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)原料煤多元化，降低成本；③大型粉煤制合成氨等成套技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)本地化，噸氨綜合能耗低于1.8t 標(biāo)準(zhǔn)煤；④對(duì)化肥行業(yè)通過上大壓小，產(chǎn)能置換，淘汰技術(shù)落后、污染嚴(yán)重、資源利用不合理的產(chǎn)能；⑤支持企業(yè)聯(lián)合重組，引導(dǎo)大型能源企業(yè)與氮肥企業(yè)組成戰(zhàn)略聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。

這些既是國家產(chǎn)業(yè)政策，也是合成氨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和發(fā)展模式調(diào)整的重要途徑以及發(fā)展煤制油工業(yè)等新型煤化工產(chǎn)業(yè)的大好機(jī)遇。

合成氨工業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，轉(zhuǎn)型升級(jí)和節(jié)能減排需要綜合治理，從原料、技術(shù)、設(shè)備、工藝、管理等諸多方面猛下功夫。本文僅從原料路線、企業(yè)規(guī)模、關(guān)鍵裝備技術(shù)水平、高效催化劑及其工藝技術(shù)創(chuàng)新以及與煤化工和能源企業(yè)組成戰(zhàn)略聯(lián)盟等方面進(jìn)行了討論。

1 原料路線選擇和轉(zhuǎn)型升級(jí)

合成氨生產(chǎn)所需的原料和燃料都是能源，國外主要是以天然氣為原料，占85%以上；我國天然氣僅占22%（消耗天然氣約126 億立方米），而煤占76.4%（圖1）。這種選擇有其歷史淵源，而從我國能源資源“缺油、少氣、有煤”的特點(diǎn)來說，也許是無可置疑的。

但是，從能源資源的合理利用原則來說，這種選擇就不合理了。煤、油、氣3 種含碳能源的H/C原子比分別是0.31、1.92 和4，而產(chǎn)品氨中只有氫而沒有碳。因此，根據(jù)含碳資源合理利用的氫/碳比相近原則[2]，含氫量最高的天然氣是用于生產(chǎn)合成氨的最經(jīng)濟(jì)、最合理的原料；而含氫量最低的煤用于不需要?dú)涞拿裼煤桶l(fā)電是最合理的，兩者倒過來用就更不合理了。天然氣應(yīng)該保護(hù)性地用于化工領(lǐng) 域，并首先確保合成氨生產(chǎn)的需要。

圖1 合成氨生產(chǎn)原料構(gòu)成

從煤或天然氣和水、空氣為原料制氨的實(shí)際能源消耗（表1）的比較可知，以天然氣為原料的日產(chǎn)1000t 的合成氨廠的噸氨能耗是最低的，約為29.3GJ（先進(jìn)企業(yè)已降到27GJ）；以煤為原料的常壓氣化工藝的噸氨能耗最高，達(dá)52GJ；加壓氣化工藝為48.2GJ，分別比天然氣為原料的高77.5%和64.5%。實(shí)際消耗能源分別為1645kg 標(biāo)煤和999.8kg標(biāo)煤，前者是后者的1.65 倍，煤比天然氣多消耗645.2kg 標(biāo)煤，其中作為原料使用的幾乎相同，差別僅在于作為燃料使用的能源，煤比天然氣多消耗707.4kg 標(biāo)煤。

煤比天然氣多消耗的645.2kg 標(biāo)煤，主要是作為燃料而消耗在從水中取氫。煤為原料時(shí)，氨所需的1.5 個(gè)H2都來自H2O，而天然氣為原料時(shí)，只有0.615 個(gè)H2來自H2O，即煤比天然氣多消耗0.885個(gè)H2O。從這0.885 個(gè)H2O 中取出H2需要消耗能量12.25GJ/t（表2），即煤比天然氣為原料多消耗的18.9GJ/tNH3能耗中，有12.25GJ/tNH3損耗在從水中取H2，其余6.65GJ/tNH3是過程的不可逆損耗，因?yàn)槊褐瓢钡倪^程比天然氣復(fù)雜得多。

表1 以煤和天然氣為原料的制氨過程的原材料消耗分析

表2 煤和天然氣為原料制氨過程能耗分析（單位：GJ/tNH3）

其次，由表1 可知，煤比天然氣為原料制氨并聯(lián)產(chǎn)尿素時(shí)不僅多消耗標(biāo)煤645.2kg/tNH3，而且多消耗H2O 937kg/tNH3，多排放CO22361kg/tNH3。如果天然氣的比例從目前的22%提高到50%，則可節(jié)省能源1038 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤（降低13.1%）；可減少用水量1508 萬噸（降低19.5%）；可減少CO2排放量3798萬噸（降低16.2%）。節(jié)能、節(jié)水、減排效果十分 顯著。

上述討論是從能源資源的合理利用原則來說的。但是，根據(jù)市場配置資源的原則，市場的選擇將首先決定于經(jīng)濟(jì)。

首先，當(dāng)生產(chǎn)1 噸合成氨的煤或天然氣用做民用燃料使用時(shí)，市場將選擇哪個(gè)？從表3 可知，1645kg 標(biāo)煤和823.3m3天然氣都只能生產(chǎn)1 噸合成氨，它們的價(jià)值是相同的，效益相當(dāng)。當(dāng)生產(chǎn)1 噸合成氨的天然氣用于發(fā)電與生產(chǎn)合成氨相比，經(jīng)濟(jì)效益是負(fù)的；用于供熱，則供熱量減少21.56GJ/tNH3；而當(dāng)生產(chǎn)1 噸合成氨的煤用于發(fā)電，經(jīng)濟(jì)效益大于制氨。因此煤當(dāng)作民用燃料使用比天然氣用于民用，在經(jīng)濟(jì)上更為合理。所以，目前市場將仍然首先選擇煤用于發(fā)電。雖然從環(huán)保角度，天然氣優(yōu)于煤，但燃煤電站可建于邊遠(yuǎn)的原煤產(chǎn)地，輸電到發(fā)達(dá) 地區(qū)。

我國2013年生產(chǎn)合成氨5745.3 萬噸。如果其中有50%即2900 萬噸合成氨用天然氣代替煤為原料，則需消耗天然氣約238.8 億立方米。這些天然氣用于生產(chǎn)合成氨與用作民用燃料使用相比，經(jīng)濟(jì)效益可增加276 億元。同時(shí)可以減少4770.5 萬噸標(biāo)煤，可減少CO2排放6847 萬噸。

其次，當(dāng)煤或天然氣用于制氨原料時(shí)，市場將選擇哪個(gè)？Brown 公司曾比較了各種煤制氨工藝，認(rèn)為當(dāng)天然氣成本是煤的3 倍或4 倍時(shí)（按熱值單位），煤與天然氣相比是較為經(jīng)濟(jì)的原料[3]。目前我國天然氣成本（按2.4 元/m3）大約是煤（按1.2 元/ kgce）的1.65 倍（按熱值單位）；其次，煤為原料的合成氨裝置設(shè)備投資大，初始投資是天然氣的2.4倍；三是煤制氨的過程比天然氣復(fù)雜得多，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，各項(xiàng)費(fèi)用高，產(chǎn)品成本是天然氣的1.7 倍。因此，市場仍將選擇天然氣比煤為原料制氨是更為經(jīng)濟(jì)的。目前一些天然氣為原料的企業(yè)開工率不足，可能是非市場因素造成的。但是，我國煤的資源相對(duì)豐富，制氨原料路線理應(yīng)以煤為主，隨著民用天然氣需求增長和價(jià)格不斷上漲，例如，當(dāng)天然氣價(jià)格上漲到5.0 元/m3左右時(shí)，市場將只能選擇煤為 原料。

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，如國家十二五規(guī)劃要求，天然氣占一次能源消費(fèi)比例提高到7.5%，煤炭消費(fèi)比例降低到65%左右。同時(shí)，隨著我國天然氣產(chǎn)量增加，特別是我國與周邊國家建立的能源進(jìn)口四大戰(zhàn)略通道，合計(jì)每年將為我國提供800 億立方米天然氣。因此，減少煤、焦制氨比例，增加天然氣制氨是有可能的。有專家預(yù)計(jì)將可供合成氨150～270 億立方米。以每噸氨消耗天然氣1000 立方米計(jì)算，可生產(chǎn)合成氨1500～2700 萬噸，與煤制氨相比，有630～1300 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)能潛力。

原料路線是合成氨廠技術(shù)路線的基礎(chǔ)，是帶全局性的戰(zhàn)略決策。既要有戰(zhàn)略眼光，考慮國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)，又要有現(xiàn)實(shí)性，計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。從國家整體利益來考慮，按照科學(xué)發(fā)展觀和含碳能源資源合理利用原則，天然氣資源應(yīng)該優(yōu)先用于化工領(lǐng)域，特別是合成氨；另一方面，大力發(fā)展原煤產(chǎn)地坑口電站，將電力輸送到商業(yè)中心城市和人口聚集地區(qū)以供應(yīng)民用。特別要注意到的是，盡管天然氣供應(yīng)緊缺，但國外新建合成氨廠基本上都是以天然氣為原料的，并未影響美國、德國、荷蘭等國去開發(fā)天然氣轉(zhuǎn)化新技術(shù)。

表3 生產(chǎn)合成氨與用作民用燃料的比較

2 與煤化工和能源企業(yè)組成戰(zhàn)略聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

包括合成氨在內(nèi)的煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的第一步大多都是煤氣化制合成氣的過程。合成氨裝置本身是能效最高的能源轉(zhuǎn)化裝置，是新型煤化工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)裝置，而現(xiàn)有大型合成氨裝置由煤、天然氣和石腦油等化石能源制合成氣及其凈化和變換技術(shù)已經(jīng)十分成熟。

合成氣是由氫氣、一氧化碳和二氧化碳組成的混合物。在作為氨合成的原料時(shí)，它也含有氮?dú)?。合成氣是化學(xué)工業(yè)中的一種較為重要的中間物種，利用合成氣可以高選擇性地合成各種化學(xué)品及系列燃料，也可以作為純氫和純一氧化碳生產(chǎn)的原料。合成氣在能量轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著越來越重要的作用。

合成氣幾乎可以利用所有含碳的原料進(jìn)行氧氣和水蒸氣氧化制得，比如天然氣、石油產(chǎn)品、煤及生物質(zhì)。因此，它是化學(xué)工業(yè)路線多樣性發(fā)展及合成性燃料（synfuels）的核心。

目前，合成氣最主要的用途是作為氨合成（2008年1.809 億噸/年）和甲醇生產(chǎn)（2005年3.3 千萬 噸/年）的原料。此外，煉廠的加氫處理過程也采用合成氣作為純氫的來源。由合成氣生產(chǎn)得到的主要商品如表4。

目前，全球天然氣轉(zhuǎn)化所消耗的量（大約為7×109GJ/y）與天然氣總產(chǎn)量剛剛相抵[3.07×1012m3/y（標(biāo)準(zhǔn)，下同）或1.17×1011GJ/y（假設(shè)其低熱值LHV為38MJ/m3)]。最近，實(shí)際應(yīng)用中往往傾向于將邊遠(yuǎn)地區(qū)的低價(jià)天然氣或煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料（gas to liquid，GTL）。隨著燃料電池的發(fā)展，未來的所謂“氫能經(jīng)濟(jì)”也將很大程度依賴于此路線。一方面，這些趨勢意味著規(guī)?；虼笠?guī)?；ǎ?00000m3天然氣/h）的GTL 裝置的發(fā)展。另一方面，一些規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)緊湊的基于燃料電池的裝置（5～100m3天然氣或H2/h）也將具有較大發(fā)展空間。這些趨勢為催化技術(shù)及相關(guān)工藝技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。合成氣生產(chǎn)投資和成本通常均占到產(chǎn)品成本的50%～60%，廉價(jià)合成氣生產(chǎn)仍是一個(gè)重要的目標(biāo)。

表4 利用合成氣制備的主要化學(xué)品[4]

國家石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整規(guī)劃[1]提出了支持化肥企業(yè)聯(lián)合重組，引導(dǎo)大型能源企業(yè)與氮肥企業(yè)組成戰(zhàn)略聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。由圖2 可知，合成氨、煤化工或煉油裝置在原料基地組成聯(lián)合企業(yè)，在大型合成氨裝置上增加側(cè)線，依托現(xiàn)有煉廠設(shè)施，省去合成氣制造和合成油加工的投資，形成“氨聯(lián)油”、“氨聯(lián)醇”、“醇聯(lián)烯”等聯(lián)合生產(chǎn)線，這樣只需增加F-T 合成反應(yīng)器等投資，從而使投資大幅減 少[5]。這是以煤為原料的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要途徑、是未來化工聯(lián)合企業(yè)的一種新模式，正是合成氨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和發(fā)展模式調(diào)整的重要途徑和發(fā)展煤制油工業(yè)等新型煤化工產(chǎn)業(yè)的大好機(jī)遇。

圖2 合成氨、煤化工與煉油組成聯(lián)合企業(yè)概念圖

此外，從國家安全與國家能源戰(zhàn)略角度考慮，一旦需要即可將散布在我國各地的多數(shù)合成氨廠轉(zhuǎn)為生產(chǎn)液體燃料的廠，形成集散生產(chǎn)與消費(fèi)模式，穩(wěn)固自我能源支撐體系，保證在非常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的自給，對(duì)于國家應(yīng)付可能發(fā)生的能源封鎖及突發(fā)事件，具有極其重要的戰(zhàn)略作用。

國家產(chǎn)業(yè)政策與合成氨生產(chǎn)技術(shù)路線、總體發(fā)展趨勢及其可持續(xù)性是一致的。對(duì)于像合成氨那樣大噸位化工產(chǎn)品，其主要的發(fā)展趨勢是[6]：①選址于具有低原料價(jià)格區(qū)域；②經(jīng)濟(jì)規(guī)模；③工藝設(shè)備集成化和CO2減排。采用潔凈煤氣化和能源梯級(jí)利用技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有氮肥生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)原料煤多元化，降低成本。大型粉煤制合成氨等成套技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)本地化，噸氨綜合能耗低于1.8t 標(biāo)準(zhǔn)煤，降低能源消耗。

這種趨勢應(yīng)該是合成氨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向。

3 選址或遷址轉(zhuǎn)移到低價(jià)原料產(chǎn)地

世界范圍的全球化促使企業(yè)聚集于商業(yè)中心或資源中心。其后果是導(dǎo)致化工企業(yè)進(jìn)行功能性重組，大致形成兩類：一類是商品和精細(xì)化工產(chǎn)品供應(yīng)商；另一類是功能性產(chǎn)品供應(yīng)商（如助劑和藥品）。這種轉(zhuǎn)移和重組主要出于兩方面的考慮。

首先是出于合成氨生產(chǎn)成本的考慮。在當(dāng)前競爭環(huán)境下，工廠一般會(huì)遷向具有較低原材料價(jià)格的地區(qū)。對(duì)于像美國和歐洲的天然氣價(jià)格（3～4 美 元/GJ，周期性變化大），生產(chǎn)合成氨基本沒有競爭力[4]。因此，新的大宗化工產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)一般都位于那些具有低天然氣或煤炭價(jià)格(0.5～1 美元/GJ)的國家和地區(qū)（如中東、特立尼達(dá)和多巴哥、尼日利亞、西澳等）。這當(dāng)然也意味著對(duì)于那些具有較大以天然氣為燃料市場的國家或地區(qū)，新建以天然氣為化工原料的裝置可行性較低。

我國現(xiàn)有合成氨企業(yè)大多聚集于東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。國家石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整規(guī)劃提出優(yōu)化石化產(chǎn)業(yè)布局，其中在原料產(chǎn)地生產(chǎn)的化肥比例提高到60%，即應(yīng)將大多合成氨企業(yè)選址或遷址到低價(jià)原料產(chǎn)地，轉(zhuǎn)移到西北等資源中心。

其次是出于對(duì)商業(yè)中心城市的環(huán)境保護(hù)。特別是對(duì)于合成氨原料以煤為主的我國合成氨工業(yè)來說尤為重要。煤炭制合成氣過程中排放的CO2、SOx和NOx，在所有的化石資源中是最大的。因此，必須讓以煤為原料的合成氨工業(yè)遠(yuǎn)離中心城市。

當(dāng)然，減少CO2排放量的根本出路在于減少含碳化石資源的使用量。CO2排放可用C-因子表示[7]（每噸產(chǎn)品排放CO2的噸數(shù)）。隨著溫室氣體排放越來越受重視，C-因子也將成為極重要的工藝參數(shù)。如考慮碳捕集和存儲(chǔ)（CCS）的成本，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放也是不可忽略的因素。另一方面，人們試圖利用CO2來生產(chǎn)那些碳中性的燃料，例如合成氨與尿素聯(lián)產(chǎn)，但是其生產(chǎn)過程中CO2的消耗不會(huì)改變整個(gè)世界的碳排放格局[8]。以甲醇合成為例[式（1）]。

即使反應(yīng)原料H2是由其他碳中性的原料制得的，目前全世界利用此反應(yīng)合成的甲醇也只消耗了4000 萬噸CO2/年。這一數(shù)值相當(dāng)于一座4000MW的以煤為原料的火力發(fā)電廠。特別是對(duì)于世界CO2總排放量的27.5×109tCO2/a（相當(dāng)于7.5×109tC/a），甲醇合成消耗的CO2相對(duì)較少。這也就是說利用CO2作為反應(yīng)物對(duì)于全球的碳減排來說作用不大。更不用說，這些反應(yīng)生成的產(chǎn)物最終仍然會(huì)以CO2的形式回到大氣中。這個(gè)結(jié)論對(duì)利用CO2進(jìn)行天然氣重整來制合成氣也同樣適用。

其次，一般CO2直接與工藝過程的能耗相關(guān)。高的能量利用效率意味著更少的CO2排放量。比如，利用天然氣進(jìn)行氨合成的能耗降低1GJ/t，全世界CO2的排放量將減少約850 萬噸CO2/年。在大多數(shù)氨廠中，大概80%的CO2用于和NH3反應(yīng)生產(chǎn)尿素。當(dāng)然，在尿素使用過程中隨著尿素的分解，CO2又釋放到大氣中。

4 企業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)型升級(jí)

眾所周知，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與裝置規(guī)模有關(guān)，即存在規(guī)模效應(yīng)。對(duì)于像合成氨這樣的大噸位化工產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)效益最重要的關(guān)鍵點(diǎn)是生產(chǎn)成本（固定成本和可變成本）。可變成本主要包括原料成本、能耗、工藝選擇性及環(huán)境治理成本等，詳見圖3。經(jīng)濟(jì)規(guī)模的發(fā)展也助力于裝置規(guī)模的擴(kuò)張。有研究表明[6]，經(jīng)濟(jì)規(guī)模與生產(chǎn)成本的關(guān)系可用式（2）表示。

式中，n 的值一般介于0.6～0.9 之間。由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不同也意味著對(duì)于不同工藝和技術(shù)的選擇范圍不同，這體現(xiàn)在式（2）中的n 值不同。

由式（2）可知，如果企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模從10 萬噸/年提高到30 萬噸/年，且n=0.7，則后者的生產(chǎn)成本是前者的2.16 倍，而不是與規(guī)模比例相同的3 倍，即生產(chǎn)成本可降低28%以上。

當(dāng)今，新建的合成氨裝置單套規(guī)模已超過3000噸/天（MTPD），而甲醇裝置的規(guī)模也在10000 噸/天（MTPD）。這些規(guī)模相當(dāng)于利用F-T 反應(yīng)合成油的35000 桶油/天（barrels per day，bpd）的規(guī)模。同時(shí)，由于裝置變得越來越大，這就要求單個(gè)工藝過程裝置小型化，使利用規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的。這也是氫能經(jīng)濟(jì)和燃料電池發(fā)展的核心問題之一。微型單元操作裝置如換熱器、新型反應(yīng)器及其概念都在快速發(fā)展，化工裝置也因此變得越來越集成化，以便進(jìn)一步降低能耗。

根據(jù)國際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)（IFA）在第77 屆年會(huì)上發(fā)布的“全球肥料和原材料供需展望”報(bào)告估計(jì)，全球合成氨產(chǎn)能將由2008年的1.809 億噸增長至2013年的2.178 億噸。2009—2013年全球有55 套大型合成氨裝置投產(chǎn)，新增產(chǎn)能2400 萬噸，其中1300 萬噸來自現(xiàn)有企業(yè)的升級(jí)改造，其余來自55套新建裝置，其中三分之一來自中國[9]。

我國現(xiàn)有合成氨裝置約400 多套，除了33 套引進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)模為30 萬噸/年和近百套我國自行設(shè)計(jì)的規(guī)模為20 萬噸/年的大型裝置外，其余200 多套裝置都是中小型企業(yè)。根據(jù)國家石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整規(guī)劃提出的要求，對(duì)化肥行業(yè)通過上大壓小，產(chǎn)能置換，淘汰技術(shù)落后、污染嚴(yán)重、資源利用不合理的產(chǎn)能。我國將繼續(xù)對(duì)所有規(guī)模小于20 萬噸/年的中小型合成氨裝置通過淘汰、兼并、擴(kuò)建為20 萬噸/年大型合成氨裝置，并要求大型粉煤制合成氨等成套技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)本地化，噸氨綜合能耗低于1.8t 標(biāo)準(zhǔn)煤。這是合成氨工業(yè)在規(guī)模上轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向。

5 關(guān)鍵裝備技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)

對(duì)于合成氨來說，原料的消耗是生產(chǎn)成本中的決定性因素，而工藝裝置的運(yùn)行成本與能量的轉(zhuǎn)化與傳遞（傳熱，壓縮）密切相關(guān)。有人認(rèn)為，當(dāng)原料價(jià)格低時(shí)，能量效率高低并不特別關(guān)鍵。然而，高的能量效率也意味著小的原料處理單元及少的設(shè)備單元，從而可以降低投資成本。

在合成氨工業(yè)中，原料和燃料消耗量最大的設(shè)備是鍋爐、煤氣發(fā)生爐或蒸汽轉(zhuǎn)化爐等三大爐，其能源消耗占噸氨總能耗的60%以上。降低三大爐的能量消耗是進(jìn)一步節(jié)能的重點(diǎn)。

首先，由合成氨過程反應(yīng)焓變和相應(yīng)的有效能（?）消耗分析結(jié)果表明（表5），有效能損失最大的是蒸汽重整過程，其次是蒸汽生產(chǎn)過程（鍋爐）。相反，利用回收廢熱產(chǎn)生高壓水蒸氣驅(qū)動(dòng)透平和壓縮機(jī)的有效能損失較少，在一定程度上彌補(bǔ)了重整工藝的熱損失。因此，合成氨工藝必須經(jīng)過工藝優(yōu)化，最大程度利用廢熱。當(dāng)然，這也是以采用蒸汽透平及裝置的自動(dòng)化為前提的。

表5 合成氨工藝中反應(yīng)焓變和有效能（）分析[6]

表5 合成氨工藝中反應(yīng)焓變和有效能（）分析[6]

能耗 焓/kJ·kgNH3 liq-1 ?/kJ·kgNH3 liq-1 原料和燃料總能耗 29.4 30.7 能量損失 重整 0.4 4.9 蒸汽生產(chǎn) 0.3 2.4 透平/壓縮機(jī) 6.5 0.5 其他工序 9.9 2.3 產(chǎn)品能耗 17.1 20.1 效率 58% 66%

考慮到重整爐中由于燃燒產(chǎn)生的能量損失，可以采用對(duì)流重整反應(yīng)器。這樣，二段重整過程中氣體含有的熱量可以供給一段重整步驟作為熱源[6]。二段重整產(chǎn)生的熱可以滿足60%的一段重整的能量需求。如采用對(duì)流重整反應(yīng)器并平行安裝，且操作參數(shù)不變，那么管式重整反應(yīng)器的尺寸可以減少40%。當(dāng)然，安裝對(duì)流重整反應(yīng)器后高壓水蒸氣的產(chǎn)量會(huì)減少。如果操作中二段重整引入的空氣過量（超過計(jì)量比50%），或者過程空氣中O2濃度富集超過30%，那么二段重整產(chǎn)生的熱足以滿足對(duì)流重整反應(yīng)器中一段重整天然氣轉(zhuǎn)化所需的熱。這也意味著可以取消燃燒重整反應(yīng)器。不過采用這些工藝需要加入額外設(shè)備，要么用于空氣富集，要么從合成氣中移除多余N2。此外，正如前面所述，另外一個(gè)后果是水蒸氣生產(chǎn)效率降低了。

KBR公司的KRES轉(zhuǎn)化工藝則取消了燃燒天然氣提供熱量的一段爐轉(zhuǎn)化爐和輔助鍋爐，其技術(shù)核心是使用開口管換熱式轉(zhuǎn)化爐與自熱式轉(zhuǎn)化爐（Autothermall reformer，ATR，圖3）組合，在ATR中使用富氧空氣來滿足工藝熱平衡和物料平衡要求，換熱式轉(zhuǎn)化爐所需反應(yīng)熱量通過與ATR 轉(zhuǎn)化爐的高溫轉(zhuǎn)化工藝氣進(jìn)行熱交換而獲得（圖4）。因而使工藝余熱品質(zhì)下降，同時(shí)為彌補(bǔ)燃?xì)廨o助鍋爐取消而使合成氨裝置自產(chǎn)高壓蒸汽不足部分，則通過裝置區(qū)外高壓燃煤鍋爐（代替原燃?xì)廨o助鍋爐）向合成氨裝置蒸汽輪機(jī)輸送高壓動(dòng)力蒸汽，并在澳大利亞建成一座世界規(guī)模最大的、日產(chǎn)合成氨2200t的特大型低能耗合成氨裝置，其工藝流程如圖5。據(jù)該公司報(bào)道[10]，該技術(shù)具有節(jié)省建設(shè)投資3%～5%、降低操作成本、減少工程費(fèi)用和NOx、CO2排放的特點(diǎn)，提高了操作靈活性和裝置可靠性，實(shí)現(xiàn) 了節(jié)能、節(jié)氣（天然氣）的目的。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)我國天然氣資源逐年減少的化肥企業(yè)尤其適用。例如，遼寧華錦通達(dá)化工股份有限公司1000t/d 合成氨裝置采用KRES 進(jìn)行技術(shù)改造的運(yùn)行結(jié)果表 明，與原裝置相比每天可節(jié)省天然氣用量約30× 104m3[11]。其次，由表5 可知，熱能損失最大的是透平及其壓縮機(jī)，包括原料氣和或工藝空氣、合成氣和制冷等三大透平及其壓縮機(jī)，總裝機(jī)容量約為33370kW，耗電量占全廠（總裝機(jī)容量40070kW）的80%以上，占噸氨總能耗35%左右（表6）。其中，合成氣壓縮機(jī)和氨氣壓縮機(jī)是最大的能量消耗源。

圖3 ATR 反應(yīng)器

圖4 ATR 轉(zhuǎn)化爐（左）和換熱轉(zhuǎn)化爐（右）組合

圖5 澳大利亞一座世界規(guī)模最大、日產(chǎn)合成氨2200t 的特大型低能耗合成氨裝置工藝流程

表6 天然氣為原料1000t/d 合成氨裝置四大壓縮機(jī)裝機(jī) 容量及能耗

我國已經(jīng)建設(shè)了大批單系列20 萬噸/年大型合成氨裝置，單系列裝置的規(guī)模是上去了，相應(yīng)的配套裝備技術(shù)也應(yīng)該跟上去。但是，據(jù)了解，目前一些20 萬噸/年合成氨裝置僅壓縮機(jī)就多達(dá)40 多臺(tái)，而引進(jìn)的30 萬噸/年合成氨裝置僅一臺(tái)汽動(dòng)壓縮機(jī)，且無備用（表7）。因此，開發(fā)和采用大功率的大型壓縮機(jī)，特別是盡可能利用工藝余熱產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)的汽動(dòng)壓縮機(jī)，是20 萬噸/年大型合成氨裝置配套裝備技術(shù)改造面臨的重要課題。

表7 國內(nèi)外合成氣壓縮機(jī)性能比較

目前，以天然氣為原料的合成氨工藝的能耗已接近27GJ/tNH3，已有報(bào)道指出噸氨能耗已可低至27.2GJ。綜合能耗的顯著降低是與工藝蒸汽透平的整合及催化劑的改進(jìn)密切相關(guān)。

結(jié)合下文所述，如果將我國合成壓力為30MPa的數(shù)百家中小型合成氨裝置的操作壓力降到15MPa 及以下，則壓縮機(jī)可允許采用汽動(dòng)代替電動(dòng)，可進(jìn)一步提高熱效率，節(jié)能效果更大。雖然汽動(dòng)離心式壓縮機(jī)熱效率比電動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)稍低，但汽動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力來自于余熱回收的高壓蒸汽，（大型裝置余熱回收及梯級(jí)利用技術(shù)已趨成熟），而電動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力來自于熱電廠電力（熱效率35%～40%），因而從燃煤起算，汽動(dòng)壓縮機(jī)的熱效率約是電動(dòng)壓縮機(jī)的2 倍[12]。這是引進(jìn)大型氨廠比我國中小型企業(yè)能耗低的一個(gè)重要原因。

總之，抓住這三類機(jī)器、設(shè)備的技術(shù)改造，就抓住了節(jié)能的技術(shù)關(guān)鍵所在。

6 工藝技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)

工藝技術(shù)進(jìn)步是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能減排最重要的措施，其貢獻(xiàn)率可占節(jié)能減排總量的半壁江 山[13]。產(chǎn)品生產(chǎn)裝置的發(fā)展依賴于技術(shù)的進(jìn)步及精密化。甚至工藝上一步小的進(jìn)步就會(huì)在短期內(nèi)帶來回報(bào)。當(dāng)然具有先進(jìn)技術(shù)的新工藝的一些不確定因素有時(shí)也會(huì)打破其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。工藝流程中，某一步的改進(jìn)必然導(dǎo)致其他步驟的操作條件及性能。裝置的高度集成化意味著流程中最弱的一部分決定了整個(gè)裝置的性能。

但是，由于整個(gè)社會(huì)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展提出了越來越高的要求，因此也同時(shí)給這些工藝帶來了新的挑戰(zhàn)。這不僅導(dǎo)致新產(chǎn)品的需求，也促使新工藝的發(fā)展。對(duì)于催化工藝過程，環(huán)境問題是最有可能實(shí)現(xiàn)突破的地方。

化工生產(chǎn)過程的大量研究與實(shí)踐表明，降低化工產(chǎn)品的能耗主要依靠催化劑及工藝過程的創(chuàng)新。合成氨經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝已趨成熟，降低合成氨能耗更加主要依靠催化劑的技術(shù)進(jìn)步及以新型催化劑為基礎(chǔ)的工藝改進(jìn)。十分可喜的是，新一代合成氨催化劑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，預(yù)計(jì)將會(huì)給合成氨生產(chǎn)帶來革命性的變化。隨著新型催化劑的使用，合成壓力將會(huì)進(jìn)一步降低。利用Fe1-xO 催化劑，實(shí)現(xiàn)8.7MPa 重油部分氧化法和水煤漿氣化法等壓合成氨已經(jīng)成為可能，如果催化劑的使用壓力降到5MPa 以下，煤炭加壓氣化、天然氣轉(zhuǎn)化法等壓合成氨也為期不遠(yuǎn)。合成氨催化劑技術(shù)的創(chuàng)新及低壓合成氨工藝的改進(jìn)，使合成氨工業(yè)跳出高壓工業(yè)的范圍成為可能，并將產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果[14]。由此可知，對(duì)于工藝技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，至少應(yīng)包括新型催化劑及以新型催化劑為基礎(chǔ)的工藝改進(jìn)。

6.1 催化劑的升級(jí)換代

在合成氨的生產(chǎn)過程中，從制氣、凈化到合成，主要的化學(xué)反應(yīng)都是通過多相催化過程完成的，催化劑起著極為重要的作用。其中以天然氣為原料，用蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)合成氨的大型氨廠所用的催化劑有8 種之多（表8）。

在這8 種催化劑中，蒸汽重整催化劑、低溫變換催化劑和氨合成催化劑的活性好壞和所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率直接影響工廠的經(jīng)濟(jì)收益，被稱為“經(jīng)濟(jì)性催化劑”。無論何種制氨工藝，變換催化劑和氨合成催化劑都是不可或缺的，它們是合成氨工業(yè)的核心催化劑。

表8 現(xiàn)代以天然氣為原料制氨裝置8 種催化劑及其主要工藝參數(shù)

催化劑活性的高低對(duì)于經(jīng)濟(jì)收益的影響極為關(guān)鍵。以氨合成催化劑為例，高活性催化劑可以提高氨凈值，而氨產(chǎn)量與氨凈值接近正比關(guān)系。氨凈值提高1%，氨產(chǎn)量可以提高約10%，且不需增加投資。產(chǎn)品產(chǎn)量上去了，能耗自然就降下來了。這可從圖6 給出的合成氨廠盈虧平衡曲線來說明[14]。由圖6 可知，假設(shè)單位產(chǎn)品價(jià)格P 按2000 元/噸，變動(dòng)成本Cv為1400 元/噸，固定成本Cf為50 萬元/天，則企業(yè)的銷售收入隨氨產(chǎn)量的變化如B 線，總生產(chǎn)成本如C 線。則該企業(yè)的盈虧平衡點(diǎn)是B 線與C 線的交點(diǎn)，其值為833 噸/天，即當(dāng)產(chǎn)量少于833 噸/天時(shí)，企業(yè)要虧本；只有產(chǎn)量大于833 噸/天時(shí)，企業(yè)才有盈利，其利潤額為B 與C 的差值。在上述條件下的企業(yè)，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)值1000 噸/天時(shí)，其利潤為10 萬元/天。

圖6 日產(chǎn)千噸氨廠盈虧平衡線

催化劑性能對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的影響，主要體現(xiàn)在增產(chǎn)、節(jié)能、降耗和開工率的影響。由圖7 可以清楚地知道，增加氨產(chǎn)量可以獲取更為顯著的效益。例如，采用新型高效催化劑使氨產(chǎn)量從設(shè)計(jì)值1000噸/天提高到1100 噸/天，則利潤從10 萬元/天增加 到16 萬元/天，即1000 噸/天時(shí)的噸氨利潤為100元/噸，而增產(chǎn)的100 噸氨/天的噸氨利潤為600 元/噸，后者的噸氨利潤是前者的 6 倍。因此，增產(chǎn)是企業(yè)獲取利潤的主要途徑，而采用新型高效催化劑是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的最有效的措施，也是合成氨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要關(guān)鍵技術(shù)。

其次，對(duì)于維持設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力而不能或無需增加產(chǎn)量的企業(yè)，使用高活性催化劑同樣可以達(dá)到節(jié)能、降耗、提高效益的作用。

在相同氨產(chǎn)量和操作條件下，高活性催化劑可以提高氨凈值，由此可以達(dá)到以下節(jié)能降耗效果：氣體循環(huán)量與氨凈值成反比，高的氨凈值能使噸氨氣體循環(huán)量減少，從而減少了循環(huán)機(jī)的負(fù)荷和冷凍量消耗，降低了動(dòng)力消耗；可以減少氣體排放量，降低原料消耗；高的氨凈值能提高氨合成反應(yīng)熱的回收品質(zhì)和回收率。

在氨產(chǎn)量相同的情況下，可以降低合成壓力，節(jié)省動(dòng)力消耗。例如，使用ZA-5 催化劑要比A110噸氨動(dòng)力消耗降低23.52kWh/t，對(duì)于年產(chǎn)20 萬噸氨的企業(yè)，年可節(jié)省470 萬度電。文獻(xiàn)[15-16]對(duì)上述效果有詳細(xì)的分析。

第三，催化劑的穩(wěn)定性或失活往往決定了生產(chǎn)周期及最佳的適用操作條件。不同于間歇式精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)，大噸位化工產(chǎn)品生產(chǎn)中催化劑的壽命是非常關(guān)鍵的。因?yàn)閳D7 中Cf是不隨產(chǎn)量而變動(dòng)的固定成本，它是企業(yè)不開工生產(chǎn)也要支出的費(fèi)用。往往由于催化劑失效而造成的短短幾天停工會(huì)對(duì)整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)效益帶來較大影響。因此，催化劑的活性和穩(wěn)定性是整個(gè)工藝的關(guān)鍵。對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，出于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，為了將催化劑壽命提高至5年而將時(shí)空收率限制在0.1t 產(chǎn)品/m3或催化劑消耗小于0.2kg 催化劑/t 產(chǎn)品。對(duì)于氨合成催化劑，其典型的值一般是0.03kg 催化劑/tNH3。

圖7 壓力與功耗的關(guān)系

因此，正確選用催化劑是合成氨廠穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和低耗的關(guān)鍵之一。對(duì)于像氨合成催化劑這種直接涉及企業(yè)在一個(gè)周期內(nèi)（5～10年以上）的經(jīng)濟(jì)效益的核心催化劑，選用的唯一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是催化劑的性能或性價(jià)比，而不是唯產(chǎn)品價(jià)格而為之，切不可因小失大。然而，令人遺憾的是，在催化劑市場競爭中卻出現(xiàn)了“劣勝優(yōu)汰”的現(xiàn)象。某些企業(yè)僅僅因?yàn)楦呋钚缘腪A-5 催化劑因堆密度比其他催化劑高3%～5%，即使價(jià)格相同（更不要說本來就應(yīng)該優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)），也要比其他催化劑多花3%～5%的費(fèi)用，因而寧愿選用落后的催化劑。殊不知，僅僅在催化劑的還原階段，ZA-5 催化劑就可以使企業(yè)增加數(shù)十乃至數(shù)百萬元的經(jīng)濟(jì)效益。因此，建議有關(guān)部門制定促進(jìn)“優(yōu)勝劣汰”的相關(guān)政策，加速催化劑的升級(jí)換代，使催化劑市場進(jìn)入真正的技術(shù)競爭 時(shí)代。

ZA-5 型Fe1-xO 基低溫低壓氨合成催化劑是我國獨(dú)創(chuàng)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性高技術(shù)成 果[17]，已獲得國家發(fā)明二等獎(jiǎng)。ZA-5 型低溫低壓氨合成催化劑具有特別容易還原、特別高的活性、特別低的活性溫度、高的機(jī)械強(qiáng)度以及適用H2/N2范圍寬等特點(diǎn)，是目前國內(nèi)外活性最高、生產(chǎn)成本低廉的最先進(jìn)的催化劑，并已有約23000t 產(chǎn)品在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。

因此，催化劑的升級(jí)換代，采用新型高效ZA-5型這類低溫低壓氨合成催化劑是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)并確保經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵之一。

6.2 降低合成回路壓力

催化劑是工藝技術(shù)改造和節(jié)能減排的核心技術(shù)。我國以煤作原料、30MPa 高壓工藝的中小型合成氨裝置產(chǎn)量大（占全國總產(chǎn)量60%以上）、規(guī)模小（單系列裝置平均規(guī)模為8～10 萬噸/年）、原料以煤為主（70%以上）、工藝落后（合成壓力高達(dá)30.4MPa）、綜合能耗高。如果全部中小型合成氨裝置由大化肥取代，約需投資4000 億元以上，這是一時(shí)不能實(shí)現(xiàn)的，唯一的出路就是就地進(jìn)行節(jié)能工藝改造。而以高效催化劑為核心技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有合成氨裝置進(jìn)行低壓合成工藝改造投資省、收效快、效果好，是合成氨工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能減排的方向和重點(diǎn)[18-20]。

國際上合成氨壓力發(fā)展方向由高到低，并主要是通過開發(fā)高效低溫低壓催化劑來實(shí)現(xiàn)節(jié)能型低壓合成氨工藝技術(shù)。我國雖然擁有世界上最好的催化劑，卻被用在了世界上最落后的高壓工藝上。迄今仍沒有與低壓高活性催化劑相匹配的低壓合成工藝。而且我國操作壓力發(fā)展方向剛好與國外相反?，F(xiàn)在能源已成為主要矛盾，追求高產(chǎn)能的時(shí)代早已過去！再不把壓力降下來，是不符合合成氨工業(yè)發(fā)展總趨勢的（表9）。國外壓力由高到低和我國壓力由低到高的實(shí)踐過程本身說明，進(jìn)行低壓工藝改造，技術(shù)是成熟的。

在我國，低壓合成氨工藝長期得不到重視，最大障礙是有些專家認(rèn)為低壓并不能節(jié)能[21]，如 式（3）。

表9 我國與國際合成氨壓力和能耗發(fā)展趨勢

其結(jié)果如圖7(b)曲線1 所示。

從表面看，能量損耗主要在轉(zhuǎn)化工序，而實(shí)質(zhì)上應(yīng)在合成。因?yàn)檎伎偰芎?0%以上的動(dòng)力消耗主要為合成服務(wù)。氫與氮的合成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在常溫、常壓下可以合成為氨，加壓合成主要是為了克服氨合成反應(yīng)的能壘，而能壘的高低決定于催化劑的活化能。就是為了跨越這一反應(yīng)障礙，付出了多么大的代價(jià)，開發(fā)新型低溫合成催化劑意義非同小可。新型高效催化劑的活化能比以往“常用” 催化劑的低多了，所需要的壓力也應(yīng)該隨之降低，這就為低壓工藝提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

針對(duì)式（3），本文作者[22]研究了合成回路三大壓縮機(jī)功率與催化劑活性和工藝參數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)氨產(chǎn)量和系統(tǒng)壓力一定時(shí)，三大機(jī)功耗決定于合成塔進(jìn)出口氨含量（氨凈值）、新鮮氣及放空氣的惰性氣體含量和氨冷凝溫度這三個(gè)工藝指標(biāo)，而它們主要決定于催化劑的活性。

根據(jù)這個(gè)思路，本文作者提出了以高效催化劑為核心技術(shù)的低能耗氨合成新工藝技術(shù)方案。采用工藝參數(shù)調(diào)優(yōu)設(shè)計(jì)的方法，在不改變現(xiàn)有的工藝流程情況下，利用ZA-5 催化劑的高活性降低三大機(jī)組的總功耗。為此作者課題組設(shè)計(jì)了合成塔及其回路工藝模擬設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝包，以三大機(jī)總功耗最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)合成回路工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)優(yōu)設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖7(a)所示。

由圖7(a)可知，該新工藝技術(shù)中，隨著合成壓力降低，循環(huán)機(jī)和制冷機(jī)的功率基本不變，因此總功率隨合成壓縮機(jī)功率降低而降低，其總功率及其節(jié)能效果隨壓力變化如表10 所示。

對(duì)于20 萬噸/年合成氨裝置，當(dāng)壓力由30MPa降低到15MPa，總動(dòng)力功率降低3529.9kW，噸氨能耗降低1.505GJ/t 或節(jié)約標(biāo)煤51.3kgce/t，節(jié)能效率達(dá)到12.34%。相應(yīng)地，每年可節(jié)電2542 萬千瓦時(shí)/年，或年可節(jié)煤1.03 萬噸標(biāo)煤/年，減排CO22.36萬噸/年。

對(duì)于全國5700 萬噸/年合成氨，則每年可節(jié)電72.45 億千瓦時(shí)，或年可節(jié)煤295.8 萬噸標(biāo)煤，減排CO2672.6 萬噸。

同時(shí)，由表10 可知，當(dāng)壓力由30MPa 降低到10MPa 時(shí)，節(jié)能減排效果更為顯著。

尤其值得注意的是，當(dāng)采用渣油、水煤漿或粉煤在4～9MPa 高壓制氣，并采用ZA-5 催化劑時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)低壓或7.5MPa 的等壓合成氨新工藝。在該工藝中，無須合成氣壓縮機(jī)，壓縮總功率可以降低一半左右，噸氨能耗降低6.17GJ/t 或節(jié)約標(biāo)煤210.6kgce/t，節(jié)能效率達(dá)到50.62%。這個(gè)計(jì)算結(jié)果與Kellogg 公司曾提出4MPa 等壓合成氨工藝節(jié)能2.3～6.9GJ/t 的結(jié)果基本一致[3]。

表10 20 萬噸/年合成氨裝置三大壓縮機(jī)總功率及其節(jié)能效果與壓力的關(guān)系

因此，等壓合成氨工藝是合成氨工業(yè)發(fā)展的 方向。

此外，當(dāng)壓力從30MPa 降到10～15MPa 時(shí)，還帶來兩個(gè)好處：①壓縮機(jī)和設(shè)備的壓力等級(jí)降低，合成回路建設(shè)費(fèi)用降低12.1%，其中合成氣壓縮機(jī)及級(jí)間設(shè)備等費(fèi)用節(jié)省37.2%[23]，如果新建100 套20 萬噸/年合成氨裝置，可節(jié)省基建費(fèi)用約70 多億元；②如前所述，由于壓力降低，為采用汽動(dòng)壓縮機(jī)創(chuàng)造了條件，可以進(jìn)一步降低投資和能耗，其總熱效率比往復(fù)式壓縮機(jī)提高一倍[12]。

調(diào)優(yōu)設(shè)計(jì)的一個(gè)成功的先例是Kellogg 公司對(duì)以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化工序工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，結(jié)果使噸氨能耗從38.6GJ 降低到28GJ；原料能耗幾乎不變；燃料能耗從占總能耗44%降低到25%。這就是目前廣泛采用的Kellogg 公司的低能耗合成氨工藝。

7 結(jié)論和展望

糧食問題始終是性命攸關(guān)的重大戰(zhàn)略問題，解決好13 億人的吃飯問題始終是治國安邦的頭等大事。糧食都是含氮物質(zhì)，其中約50%氮來自氮肥，其余來自自然界。人體中的氮50%來自合成氨，也就是說，如果沒有合成氨工業(yè)，地球上將有50%的人不能生存。我國也不可能以占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界21%的人口。中國人的飯碗任何時(shí)候都要牢牢端在自己手上。為了切實(shí)保障國家糧食安全，滿足隨著人口和人均糧食需求增長的需求[24]，守住了18 億畝耕地紅線后，畝產(chǎn)就要能夠從現(xiàn)在的333kg 提高到450kg，這主要就依靠化肥。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO 統(tǒng)計(jì)，化肥對(duì)糧食作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率占40%～50%。所以，化肥在確保國家糧食安全中起著不可代替的作用，同樣是“性命攸關(guān)的”。過量使用化肥對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響已引起社會(huì)高度關(guān)注，但是假如停止施用化肥，那么農(nóng)作物將會(huì)即刻減產(chǎn)40%～50%，切不可“因噎廢食”，把“臟水和孩子一起潑掉！”。

由此可知，糧食的戰(zhàn)略地位決定了合成氨工業(yè)是不可替代的，化肥的剛性需求長期存在，無論能源供應(yīng)如何緊缺，環(huán)境控制如何日益嚴(yán)格，合成氨工業(yè)必須依靠科技進(jìn)步來面對(duì)這一嚴(yán)峻形勢而繼續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)合成氨工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能減排，只能且必須依賴科技進(jìn)步，別無選擇。過量使用化肥對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響主要是化肥未能物盡其用[25]。因此，提高化肥利用率，減少化肥流失，是減少化肥對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響的關(guān)鍵所在。其次，大力發(fā)展農(nóng)肥和生物固氮作物，特別是大量種植豆科植物（一個(gè)根瘤就是一座“微型氮肥廠”），是減少化學(xué)氮肥用量、解決當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施用化肥的負(fù)面影響的途徑之一[26]。

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