傳統(tǒng)合成氨工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的幾點(diǎn)思考

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)是一個沒有副反應(yīng)、原子利用率100%的綠色反應(yīng)，因此評價合成氨技術(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、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利用技術(shù)，對現(xiàn)有氮肥生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行原料和動力結(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)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，轉(zhuǎn)型升級和節(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

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，氨所需的1.5 個H2都來自H2O，而天然氣為原料時，只有0.615 個H2來自H2O，即煤比天然氣多消耗0.885個H2O。從這0.885 個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，市場將選擇哪個？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，市場將選擇哪個？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（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格不斷上漲，例如，當(dāng)天然氣價格上漲到5.0 元/m3左右時，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，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，計及經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。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

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，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)模化或大規(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%，廉價合成氣生產(chǎn)仍是一個重要的目標(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)動機(jī)燃料的自給，對于國家應(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利用技術(shù)，對現(xiàn)有氮肥生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行原料和動力結(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)型升級的方向。

3 選址或遷址轉(zhuǎn)移到低價原料產(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，工廠一般會遷向具有較低原材料價格的地區(qū)。對于像美國和歐洲的天然氣價格（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)選址或遷址到低價原料產(chǎn)地，轉(zhuǎn)移到西北等資源中心。

其次是出于對商業(yè)中心城市的環(huán)境保護(hù)。特別是對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（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的消耗不會改變整個世界的碳排放格局[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相對較少。這也就是說利用CO2作為反應(yīng)物對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)物最終仍然會以CO2的形式回到大氣中。這個結(jié)論對利用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

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）?？勺兂杀局饕ㄔ铣杀尽⒛芎?、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，由于裝置變得越來越大，這就要求單個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（IFA）在第77 屆年會上發(fā)布的“全球肥料和原材料供需展望”報告估計，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)計規(guī)模為30 萬噸/年和近百套我國自行設(shè)計的規(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)型升級的方向。

5 關(guān)鍵裝備技術(shù)轉(zhuǎn)型升級

對于合成氨來說，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)原料價格低時，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，安裝對流重整反應(yīng)器后高壓水蒸氣的產(chǎn)量會減少。如果操作中二段重整引入的空氣過量（超過計量比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，而引進(jìn)的30 萬噸/年合成氨裝置僅一臺汽動壓縮機(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)動的汽動壓縮機(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)可允許采用汽動代替電動，可進(jìn)一步提高熱效率，節(jié)能效果更大。雖然汽動離心式壓縮機(jī)熱效率比電動往復(fù)式壓縮機(jī)稍低，但汽動壓縮機(jī)的動力來自于余熱回收的高壓蒸汽，（大型裝置余熱回收及梯級利用技術(shù)已趨成熟），而電動壓縮機(jī)的動力來自于熱電廠電力（熱效率35%～40%），因而從燃煤起算，汽動壓縮機(jī)的熱效率約是電動壓縮機(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

工藝技術(shù)進(jìn)步是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、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)步就會在短期內(nèi)帶來回報。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也會打破其經(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裝置的性能。

但是，由于整個社會對于可持續(xù)發(fā)展提出了越來越高的要求，因此也同時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)計將會給合成氨生產(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，對于工藝技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，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)品價格P 按2000 元/噸，變動成本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，企業(yè)要虧本；只有產(chǎn)量大于833 噸/天時，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)計值1000 噸/天時，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)型升級的主要關(guān)鍵技術(shù)。

其次，對于維持設(shè)計生產(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)省動力消耗。例如，使用ZA-5 催化劑要比A110噸氨動力消耗降低23.52kWh/t，對于年產(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對整個裝置的經(jīng)濟(jì)效益帶來較大影響。因此，催化劑的活性和穩(wěn)定性是整個工藝的關(guān)鍵。對于大規(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。對于像氨合成催化劑這種直接涉及企業(yè)在一個周期內(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比，而不是唯產(chǎn)品價格而為之，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%，即使價格相同（更不要說本來就應(yīng)該優(yōu)質(zhì)優(yōu)價），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，加速催化劑的升級換代，使催化劑市場進(jìn)入真正的技術(shù)競爭 時代。

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。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、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，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，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工藝指標(biāo)，而它們主要決定于催化劑的活性。

根據(jù)這個思路，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)計了合成塔及其回路工藝模擬設(shè)計優(yōu)化工藝包，以三大機(jī)總功耗最小為目標(biāo)函數(shù)，對合成回路工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)優(yōu)設(shè)計，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。

對于20 萬噸/年合成氨裝置，當(dāng)壓力由30MPa降低到15MPa，總動力功率降低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/年，或年可節(jié)煤1.03 萬噸標(biāo)煤/年，減排CO22.36萬噸/年。

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

同時，由表10 可知，當(dāng)壓力由30MPa 降低到10MPa 時，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，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%。這個計算結(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，還帶來兩個好處：①壓縮機(jī)和設(shè)備的壓力等級降低，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)計的一個成功的先例是Kellogg 公司對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，化肥對糧食作物產(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”。過量使用化肥對生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響已引起社會高度關(guān)注，但是假如停止施用化肥，那么農(nóng)作物將會即刻減產(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、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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