工業(yè)合成氨節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)評估

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（山西興新安全技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000）

引言

合成氨生產(chǎn)作為化肥的基本上游產(chǎn)品，在我國是一個非常重要的產(chǎn)業(yè)，其中，能源消耗高和水污染排放大是我國合成氨工業(yè)面臨的兩大環(huán)境問題[1-2]。如何提高能源效率和減少水污染是綜合政策設(shè)計的關(guān)鍵目標(biāo)，不同種類植物在能源消耗水平和水污染排放水平上存在顯著差異。此外，改造現(xiàn)有工廠和擴(kuò)大新的生產(chǎn)能力有助于該部門的高度動態(tài)性質(zhì)，這些因素使的決策成為一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。

本文介紹了自底向上的技術(shù)模型，將蒙特卡羅模擬應(yīng)用于自底向上模型的方法框架，通過蒙特卡羅模擬，探討了環(huán)境績效和不同結(jié)構(gòu)因素與清潔技術(shù)之間的相關(guān)性，結(jié)論部分討論了本文提出方法框架的一些特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 用于政策評估的自底向上技術(shù)模型

自底向上的模型被廣泛用于模擬部門或全國的能源消耗污染或溫室氣體（GHG）排放。在這些模型中，工業(yè)部門根據(jù)特定的生產(chǎn)過程、技術(shù)或設(shè)備分為若干子類。總的能源消耗和污染排放是由總的活動水平和子類別的結(jié)構(gòu)所決定的。一些特定的篩選技術(shù)的應(yīng)用和推廣可以在同一框架內(nèi)進(jìn)行模擬。因此，除了整體活動水平和部門結(jié)構(gòu)的變化外，技術(shù)擴(kuò)散還會影響未來每個生產(chǎn)過程的能源消耗強(qiáng)度和污染排放負(fù)荷。模型的結(jié)構(gòu)如式（1）。

1.2 將蒙特卡羅隨機(jī)模擬與傳統(tǒng)的自底向上模型相結(jié)合

自底向上技術(shù)模型的傳統(tǒng)方法對某些構(gòu)造具有特定策略含義的場景執(zhí)行簡單的計算。但是，結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)的擴(kuò)散在某種程度上是高度不確定的。當(dāng)使用有限數(shù)量的場景時，很多關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)特性的有用信息可能會丟失。因此，將蒙特卡羅隨機(jī)抽樣技術(shù)與該技術(shù)模型相結(jié)合，對傳統(tǒng)的自底向上模型進(jìn)行了重要的擴(kuò)展。其基本步驟包括兩個步驟：一是隨機(jī)生成足夠數(shù)量的合理情景；二是分析不同因素與環(huán)境績效之間的相關(guān)性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 場景定義

合成氨的總產(chǎn)量主要是由肥料需求驅(qū)動的。預(yù)測化肥需求超出了本文的范圍，雖然最近的文獻(xiàn)總結(jié)了對中國未來化肥需求的預(yù)測。具體而言，預(yù)計在未來10 年～20 年，化肥需求增長將逐漸放緩，年增長率不超過2%。因此，目前的研究假設(shè)合成氨的總產(chǎn)量2010 年—2015 年將每年增長2%，2015 年—2020 年將每年增長1%。相應(yīng)的總產(chǎn)量將在2015 年為58.7 t，2020 年為61.7 t。

根據(jù)目前的部門計劃設(shè)計了各種方案。四種情景S1、S2、S3、S4 分別代表了合成氨工業(yè)的不同方面的推進(jìn)情況。S1 情景主要反映了原材料結(jié)構(gòu)變化和小工廠淘汰的情況，S2 情景代表過程一體化清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣，S3 情景代表具有高效反硝化作用的生物處理技術(shù)將被廣泛采用，S4 情景代表了結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)進(jìn)步的共同作用。

2.2 水污染排放

1）在S1、S2 和S3 情景中，S1 表示的結(jié)構(gòu)調(diào)整對水污染減少的影響更大。與2010 年相比，廢水、COD、NH4的減少，2020 年S1 中氰化物、苯酚和油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到29.0%、50.8%、41.2%、65.9%、70.5%和55.6%。

2）推廣清潔技術(shù)，除廢水外，具有類似的減排潛力。促進(jìn)清潔技術(shù)的效果小于結(jié)構(gòu)調(diào)整。廢水、COD、NH4的去除率分別為5.1%、18.5%、16.6%，2020 年S2中氰化物、苯酚、油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.9%、34.9%和5.9%。

3）僅通過管道末端處理是不可能顯著減少水污染的。特別是2020 年S3 的廢水排放量將增加10.4%。這是因?yàn)槔吓f和較小的設(shè)施要應(yīng)用先進(jìn)的處理技術(shù)將面臨許多技術(shù)和財政障礙。

4）如S4 所示，這些措施的聯(lián)合效果是相當(dāng)積極的。在這樣一個樂觀的前景下，廢水、COD、NH4、氰化物、苯酚和油的還原率分別為42.7%、63.2%、63.9%、83.5%、87.8%和73.8%，氰化物和苯酚的還原潛力比其他污染物高。

S4 的COD 排放組成結(jié)構(gòu)變化如圖1 所示。其他污染物的組成變化趨勢與COD 非常相似。從總的COD 排放量從2010 年的77.1%減少到2020 年的53.5%可以看出，固定床氣化工藝具有最大的減排潛力。

圖1 S4：COD 排放結(jié)構(gòu)的變化

2.3 能源消耗

降低總能耗是一項(xiàng)更加困難的任務(wù)，結(jié)構(gòu)變革不會帶來實(shí)質(zhì)性的能源節(jié)約。在S1 情景下，2015 年能源消耗總量將增長7.7%，2020 年將增長9.5%。值得注意的是，按照推斷，2015 年合成氨總產(chǎn)量將增長10.4%，2020 年將增長16%。雖然天然氣氨氣比煤氨氣更節(jié)能，但并不認(rèn)為在任何情況下，原料都可以轉(zhuǎn)換為天然氣。因此，近年來我國沒有新建天然氣基氨生產(chǎn)能力。相對而言，推廣節(jié)能技術(shù)比結(jié)構(gòu)性改革更有效。在情景S2 下，2015 年能源消耗總量增長率為5.1%，2020 年僅為3.1%。2010 年氨產(chǎn)品單位綜合能耗平均為1.703 tce/t；在S4 情景下，2015 年可改善至1.588 tce/t（或減少6.8%），2020 年可改善至1.475 tce/t（或減少13.4%）。應(yīng)當(dāng)指出的是，S3 方案代表改善了污水的管道末端處理，對節(jié)約能源沒有影響。

從圖2 中可以看出，除了夾帶床氣化過程替代固定床氣化過程所占比例增加外，能耗組成較為穩(wěn)定。

圖2 S4：能源消耗結(jié)構(gòu)的變化

3.4 替代因素的隨機(jī)模擬與相關(guān)分析

圖3 顯示了原料類型與污染排放和能源消耗之間的關(guān)系。正相關(guān)系數(shù)表明，某些參數(shù)的增加會導(dǎo)致污染排放總量或能源消耗的增加，反之亦然，煤基氨是減排和節(jié)能都有負(fù)面影響的元素?？傊?，原料類型對能源消耗的影響遠(yuǎn)大于對污染排放的影響。

圖3 原料類型與污染排放總量或能源消耗之間的相關(guān)性

4 結(jié)論

本文提出了一種面向我國合成氨工業(yè)的自下而上的技術(shù)模式，在系統(tǒng)模型框架中，描述了氨工業(yè)的結(jié)構(gòu)特征和減少污染與節(jié)能的技術(shù)機(jī)遇。模型應(yīng)用分為兩個部分，首先，構(gòu)建了代表不同政策措施的若干發(fā)展情景，并模擬了未來污染排放和能源消耗的趨勢。其次，蒙特卡羅隨機(jī)模擬被用來產(chǎn)生足夠多的可能場景，然后將這些場景關(guān)聯(lián)起來，以探索不同因素對結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，所提出的蒙特卡羅模擬方法可以識別出特定政策目標(biāo)的敏感和重要因素。