氮肥工廠“碳達(dá)峰、碳中和”的低碳技術(shù)探索

彭宇航 邵子豪 金靈 趙楠 龔淑芬

摘要：從國(guó)際市場(chǎng)供需來(lái)看，全球氮肥增長(zhǎng)已經(jīng)進(jìn)入成熟發(fā)展階段，總需求量保持緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng)。中國(guó)是世界上最大的氮肥生產(chǎn)使用國(guó)，但是我國(guó)對(duì)于化學(xué)氮肥的使用效率和利用率還是較低的，不僅造成化學(xué)氮肥資源的大量浪費(fèi)，還會(huì)影響農(nóng)業(yè)上的生產(chǎn)效率，對(duì)環(huán)境土壤造成嚴(yán)重的危害。且制作氮肥過(guò)程需要合成氨，73.7%的合成氨都是以煤為原料生產(chǎn)的。其中硝酸、己二酸生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種溫室氣體——氧化亞氮，其氣體具有較高的全球變暖潛能值和破壞大氣中的臭氧層的作用與二氧化碳相比，其全球變暖潛能值為298。

關(guān)鍵詞：氮肥工廠;碳達(dá)峰;節(jié)能減排;低碳技術(shù)轉(zhuǎn)型

習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，需把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局中，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。中國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深化發(fā)展的階段，對(duì)于能源資源的需求仍保持剛性增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的時(shí)間窗口偏緊，工作任務(wù)偏重，以節(jié)能降碳為重要抓手，加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展建立在資源高效利用和綠色低碳發(fā)展的基礎(chǔ)之上[2]。2020年以來(lái)，受煤炭、天然氣等原料市場(chǎng)的影響，氮肥行業(yè)經(jīng)營(yíng)波動(dòng)較大“雙碳”、“雙控”等政策對(duì)行業(yè)發(fā)展的影響也日益明顯。如何實(shí)現(xiàn)氮肥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展仍然是擺在氮肥行業(yè)面前的一個(gè)重大課題。因此，為了分析和研究氮肥行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和最新的產(chǎn)業(yè)政策，因此提出探索適合氮肥行業(yè)的低碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳峰值，這是現(xiàn)在的重點(diǎn)方向。

1 前言

1990年開(kāi)始，國(guó)際社會(huì)在聯(lián)合國(guó)框架下開(kāi)始關(guān)于應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)際制度安排的談判;1992 年達(dá)成《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》;1997年達(dá)成《京都議定書(shū)》;2015年達(dá)成《巴黎協(xié)定》[3]。這些是各國(guó)共同面對(duì)氣候變化的政治基礎(chǔ)和法律基礎(chǔ)。2015年習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)氣候變化巴黎大會(huì)講話(huà)中指出中國(guó)將把生態(tài)文明建設(shè)作為“十三五”規(guī)劃中的重要內(nèi)容，實(shí)施構(gòu)建低碳能源體系、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展綠色建筑和低碳交通、建立全國(guó)碳排放交易市場(chǎng)等一系列政策措施，形成人和自然和諧發(fā)展的現(xiàn)代化建設(shè)的新格局必須通過(guò)科技創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新[4]。2020年9月22 日，習(xí)近平總書(shū)在七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上向世界宣布了中國(guó)的碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景，二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[5]。

據(jù)世界氣象組織最新發(fā)布信息顯示，目前全球的地表平均溫度增幅已經(jīng)超過(guò)1°C，如果繼續(xù)以目前的速率升溫全球升溫幅度可能會(huì)在2030年至2052年達(dá)到1.52°C，這將對(duì)全球自然生態(tài)環(huán)境造成巨大的影響，而中國(guó)升溫幅度相比全球平均升溫水平來(lái)說(shuō)較高。氣候變化會(huì)造成極端天氣、自然災(zāi)害、破壞生態(tài)平衡等一系列的影響，這會(huì)對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展構(gòu)成重大經(jīng)濟(jì)威脅和社會(huì)損失。

碳達(dá)峰、碳中和是系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性和全局性工作，覆蓋能源、工業(yè)、交通、建筑等高耗能、高排放部門(mén)，涉及生產(chǎn)和消費(fèi)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和社會(huì)福利等各方面。把碳達(dá)峰碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，制定科學(xué)的行動(dòng)計(jì)劃，構(gòu)建綠色低碳理念，有助于加快構(gòu)建節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式和空間格局，堅(jiān)定不移走綠色低碳、生態(tài)優(yōu)先、高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)，為綠色低碳轉(zhuǎn)型指明了方向，為全球氣候治理注入了新動(dòng)力[6]。

2 我國(guó)氮肥工廠碳排放的現(xiàn)狀

中國(guó)是世界上化石能源消費(fèi)量最大的國(guó)家之一，也是石油化工產(chǎn)品消費(fèi)大國(guó)。在2018年碳排放量近100億噸，居世界第一;2019年全世界碳排放總量達(dá)342億噸，其中我國(guó)碳排放已達(dá)近100億噸，其碳排放量將達(dá)全世界總碳排放量的三分之一。中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是“富煤缺油少氣”，所以煤炭仍是當(dāng)前能源消耗的主體，煤炭的消費(fèi)占能源總消費(fèi)比例為58%，遠(yuǎn)超世界27%的平均水平。其中我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)每年消耗4.2億噸標(biāo)煤，約占全國(guó)消費(fèi)總量的8.4%;二氧化碳年排放量達(dá)到11億噸，其占全國(guó)總排放量的10%[7]。其中，合成氨、甲醇產(chǎn)業(yè)在全產(chǎn)業(yè)的碳排放量中更是名列前茅，并且73.7%的合成氨、77.3%的甲醇都是以煤為原料生產(chǎn)的。2020年合成氨、甲醇行業(yè)CO2成總的排放量分別為2.19億噸和1.96億噸，分別占石化和化工行業(yè)排放總量的19.9%和17.8%，二者合計(jì)CO2者排放量約占到石化和化工行業(yè)排放總量的38%。因此減少碳排放必然會(huì)對(duì)中國(guó)的石化和化工行業(yè)產(chǎn)生重大影響。煤不僅是化工生產(chǎn)的動(dòng)力源，也是甲醇、氨等煤化工產(chǎn)品的重要原料。煤化工行業(yè)碳排放具有單排放源排放強(qiáng)度大、生產(chǎn)過(guò)程中碳排放濃度高的特點(diǎn)。煤化工過(guò)程中碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于全國(guó)平均碳排放水平，達(dá)到全國(guó)平均水平的10-20倍[8]。因此我國(guó)煤化工行業(yè)的發(fā)展正面臨著非常嚴(yán)重的碳排放問(wèn)題，同時(shí)也導(dǎo)致氮肥、甲醇行業(yè)的碳減排壓力巨大。

如今，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的逐步推進(jìn)，農(nóng)民對(duì)化肥等主要農(nóng)業(yè)投入品的質(zhì)量和使用效率提出了越來(lái)越高的要求。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與資源環(huán)境的矛盾日益突出，化肥行業(yè)面臨著能源、資源和環(huán)保的硬約束。氮肥行業(yè)還面臨天然氣供應(yīng)短缺、節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展滯后、原材料價(jià)格波動(dòng)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一、單位產(chǎn)品能耗相對(duì)較高等問(wèn)題，制約行業(yè)低碳高質(zhì)量發(fā)展的突出問(wèn)題。當(dāng)今氮肥企業(yè)必須進(jìn)行新的供給側(cè)改革，這是氮肥企業(yè)面臨的重要問(wèn)題。因此石化和化工行業(yè)，尤其是氮肥、甲醇等碳排放企業(yè)對(duì)此十分重視，并十分關(guān)注世界碳減排形勢(shì)、中國(guó)的碳減排政策和碳減排措施。

3氮肥工廠低碳技術(shù)探索措施

3.1國(guó)家政策措施

2022年3月5日國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在第十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)第五次會(huì)議中提出要有序的推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和工作。落實(shí)碳達(dá)峰行動(dòng)方案，推動(dòng)能源革命，確保能源供應(yīng)，立足資源稟賦，堅(jiān)持先立后破、通盤(pán)謀劃，推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型;加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，有序?qū)γ禾渴褂脺p量替代，推動(dòng)煤電節(jié)能降碳改造、靈活性改造、供熱改造;推進(jìn)綠色低碳技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，努力建設(shè)綠色制造體系和服務(wù)體系，推進(jìn)鋼鐵、有色、石化、化工、建材等行業(yè)節(jié)能降碳;堅(jiān)決遏制高耗能、高排放、低水平項(xiàng)目的盲目發(fā)展;推動(dòng)能耗“雙控”向碳排放總量和強(qiáng)度“雙控”的轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)完善減污降碳激勵(lì)約束政策，加快形成綠色生產(chǎn)、綠色生活方式[9]。

2021年4月16日，習(xí)近平主席同法德領(lǐng)導(dǎo)人舉行視頻峰會(huì)時(shí)表示，中國(guó)已決定接受《<蒙特利爾協(xié)定書(shū)>基加利修正案》，加強(qiáng)對(duì)非CO2利溫室氣體管控。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理相關(guān)工作的通知》中，將硝酸生產(chǎn)企業(yè)納入到碳排放數(shù)據(jù)報(bào)告與核查的名單中。此外，應(yīng)生態(tài)環(huán)境部氣候司要求，氮肥協(xié)會(huì)編寫(xiě)了《硝酸行業(yè)氧化亞氮減排行動(dòng)方案》?！笆逦濉逼陂g國(guó)家很有可能將氧化亞氮納入到全國(guó)碳市場(chǎng)。今后硝酸企業(yè)也要積極開(kāi)展減排工作，為下一步非CO2溫室氣體減排做好準(zhǔn)備[10]。

3.2氮肥行業(yè)碳減排行動(dòng)

2021年7月29日召開(kāi)了氮肥、甲醇行業(yè)碳減排交流會(huì)議，中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)顧宗勤點(diǎn)在會(huì)議上指出關(guān)于搞好碳減排的六項(xiàng)重：一是認(rèn)清形勢(shì)、摸清家底;二是要做好節(jié)能提效工作;三是做好二氧化碳資源化利用;四是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu);五是做好參與碳市場(chǎng)的準(zhǔn)備;六是做好碳達(dá)峰行動(dòng)方案。

顧宗勤表示下一步，要廣泛開(kāi)展調(diào)查研究工作，制定出行之有效的行動(dòng)方案和配套措施。

3.3氮肥工廠的低碳技術(shù)

（1）大力推進(jìn)水溶肥、高效肥

新型肥料網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道：近日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、工信部等三部門(mén)聯(lián)合印發(fā)明傳電報(bào)，要緊急部署切實(shí)加強(qiáng)強(qiáng)化化肥供應(yīng)保障“三夏”生產(chǎn)，電報(bào)中明確指出各地要持續(xù)的推進(jìn)化肥減量，提高肥料利用效率，示范推廣高效緩控釋肥料、水溶肥料等新產(chǎn)品，切實(shí)減少化肥用量，提高肥料利用率[11]。

以安徽省科邦生物有限公司為例，安徽省科邦生物有限公司是一家從事生物科技研發(fā)、環(huán)保設(shè)備、農(nóng)業(yè)技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)、農(nóng)用肥料開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售于一體的綜合性公司。貴公司設(shè)有產(chǎn)品研發(fā)部、生產(chǎn)部、質(zhì)量檢測(cè)控制中心、營(yíng)銷(xiāo)中心等經(jīng)營(yíng)體系，其研發(fā)高效顆粒鋅肥，由于鋅具有含量高、活性好、施肥方便、容易被吸收的特點(diǎn)，其中采用大量高含量鋅粉到工業(yè)精制而成。高效顆粒鋅肥全水溶、易吸收、安全無(wú)毒、無(wú)公害，能緩沖土壤酸堿變化，穩(wěn)定土壤PH值，改良土壤。使用此肥料能夠孕蕾開(kāi)花，促花保果，促進(jìn)莖稈粗壯，促進(jìn)淀粉合成，使作物根系發(fā)達(dá)，葉片濃綠肥厚，增加作物抗病性、抗逆性、提高作物免疫力，增加座果率，改善果實(shí)品質(zhì)，提高作物產(chǎn)量。

要想減少化肥生產(chǎn)和施用過(guò)程中的碳排放，運(yùn)用水溶肥和高效肥是重要的解決方法。高效肥和水溶肥的使用既能節(jié)約化肥資源，又能顯著的減少化肥生產(chǎn)和施用過(guò)程中的碳排放，提高化肥利用率。因此大力推進(jìn)水溶肥和高效肥的發(fā)展，對(duì)我國(guó)實(shí)行綠色低碳具有重要戰(zhàn)略意義。

（2）高效催化劑實(shí)現(xiàn)低壓氨合成

使用新型高效的Fe1-xO基熔鐵催化劑，由高壓合成轉(zhuǎn)換為低壓合成在現(xiàn)有的合成氨工藝中可大幅降低合成氨能耗，還能大大提高資源的利用率。

通過(guò)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于年產(chǎn)20萬(wàn)噸合成氨裝置，當(dāng)氨合成壓力從30兆帕降到15兆帕和10兆帕節(jié)能效率分別可達(dá)12.34%、18.31%。每噸氨節(jié)約標(biāo)煤分別可達(dá)51.34千克、76.16千克;每年節(jié)約標(biāo)煤量可達(dá)1.03萬(wàn)噸和1.52萬(wàn)噸，減排二氧化碳2.35萬(wàn)噸和3.49萬(wàn)噸。8.53兆帕渣油、粉煤或水煤漿氣化制氣的7.5兆帕的等壓合成氨工藝，節(jié)能效果尤其顯著。由于壓縮機(jī)和設(shè)備壓力等級(jí)以及相關(guān)費(fèi)用的下降，15兆帕比30兆帕的合成氣壓縮機(jī)及設(shè)備費(fèi)用可節(jié)約37.2%，合成回路主要設(shè)備費(fèi)用可節(jié)約12.1%。劉化章認(rèn)為為了完成愈加緊迫的節(jié)能減排任務(wù)，行業(yè)需與低壓合成氨相配套的新型催化劑及新工藝想結(jié)合，還有采用精脫硫與分級(jí)精餾法工藝?yán)煤铣砂毖b置的脫碳放空廢氣尾氣為主要的原料，通過(guò)調(diào)整氣化爐水汽比來(lái)提高廢熱鍋爐的副產(chǎn)蒸汽量，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中有效的降低了燃燒煤的消耗，也使煤燃燒的碳排放減少，使能源綜合利用效率實(shí)現(xiàn)了最大化[12]。

以中鹽安徽紅四方肥業(yè)股份有限公司為例，貴公司主要從事經(jīng)營(yíng)復(fù)合（混）肥、控失肥、緩釋肥、水溶性肥等新型肥料的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和服務(wù)。在國(guó)家努力減少碳排放和低碳生活的背景下，貴公司正圍繞“雙碳”目標(biāo)探索節(jié)約能源和減少碳排放的方法。一是堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、環(huán)境保護(hù)優(yōu)先、循環(huán)利用優(yōu)先的原則，以創(chuàng)建“綠色工廠”為導(dǎo)向，制定減碳戰(zhàn)略目標(biāo)，落實(shí)路線規(guī)劃圖;二是進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有工藝，降低單位能耗，計(jì)劃投資5000萬(wàn)元增加環(huán)保設(shè)施的投資，主要用于除塵和煤轉(zhuǎn)天然氣等方面;三是加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)，促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新。建立了一批綠色環(huán)保智能化肥料系統(tǒng)，通過(guò)使用控釋氮肥和添加增效劑來(lái)增強(qiáng)各種養(yǎng)分的協(xié)同效應(yīng)提高肥料利用率，降低肥料消耗;四是改善農(nóng)業(yè)服務(wù)，推廣新型肥料。中鹽紅四方肥業(yè)還新建了二氧化碳減排及聯(lián)堿裝置節(jié)能環(huán)保技術(shù)，利用乙二醇裝置的剩余二氧化碳和合成氨裝置的剩余液氨，采用真空帶式堿過(guò)濾機(jī)、粉流冷堿、輕液蒸餾和尾氣吸收塔等節(jié)能環(huán)保設(shè)備和技術(shù)，采用加熱流化床干銨爐對(duì)原有濕銨裝置進(jìn)行了改造。新增碳化塔、真空帶濾機(jī)、淡液蒸餾塔、濃氣壓縮機(jī)、輕灰蒸汽煅燒爐、結(jié)晶器、流化床干燥機(jī)、螺桿氨壓縮機(jī)等設(shè)備。項(xiàng)目技術(shù)改造擴(kuò)建后，每年可增加輕堿15萬(wàn)噸，濕銨15萬(wàn)噸，干銨20萬(wàn)噸。紅四方還率先從轉(zhuǎn)化爐中提取一氧化碳，生產(chǎn)甲酸鈉，年產(chǎn)量達(dá)1.5萬(wàn)噸，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)危廢氣體的利用[13]。

因此也能看出對(duì)于氮肥企業(yè)而言通過(guò)節(jié)能改進(jìn)工藝和對(duì)低碳技術(shù)的探索對(duì)企業(yè)本身實(shí)行綠色低碳具有重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾年氮肥在工業(yè)消費(fèi)方面增長(zhǎng)較快且煤化工過(guò)程的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平，合成氨產(chǎn)業(yè)在全產(chǎn)業(yè)碳排放量中更是名列前茅其主要排放為化石燃料（主要為煤）燃燒以及電力消耗的排放，所以大多企業(yè)以節(jié)能降碳為重要抓手，加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力等采用相關(guān)適宜的技術(shù)手段。

針對(duì)氮肥工廠的碳排放，可采取的幾條解決技術(shù)探索，首先應(yīng)從煤炭出發(fā)加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，有序減量替代，推動(dòng)煤電節(jié)能降碳改造、靈活性改造、供熱改造;其次應(yīng)加快推進(jìn)動(dòng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)改造項(xiàng)目和化工裝置余熱分布式梯度回收項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度，加大穩(wěn)定性、緩釋、功能性增效等新型肥料的開(kāi)發(fā)推廣力度;三是利用現(xiàn)代技術(shù)，更新設(shè)備，選用能量轉(zhuǎn)換率更高的設(shè)備，降低合成氨能耗，提升能源利用效率，打造出一批綠色環(huán)保智能肥體系。氮肥企業(yè)應(yīng)響應(yīng)氮肥協(xié)會(huì)號(hào)召，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，節(jié)能改進(jìn)工藝，加強(qiáng)低碳技術(shù)研發(fā)，明確氮肥企業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)時(shí)間表，提前規(guī)劃，用實(shí)際行動(dòng)為實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，走綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的道路。

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