传统合成氨工业转型升级的几点思考

刘化章

（浙江工业大学工业催化研究所，浙江 杭州 310014）

合成氨工业是一个特殊的传统工业。生产合成氨的原料和燃料以及产品氨都是能源，合成氨设备实际上是一座能源转化装置。其次，合成氨反应是一个没有副反应、原子利用率100%的绿色反应，因此评价合成氨技术优劣的判据不是产品氨的质量，也不是数量，而是吨氨综合能耗指标，生产过程能量损耗约50%，节能潜力大。第三，基于合成氨的氮肥占化肥的70%，消耗能源和CO2排放占全国总量的3.0%～3.5%，所以合成氨既关乎粮食安全又关乎能源安全。第四，化肥对粮食作物产量的贡献率占50%左右。粮食的战略地位决定了合成氨工业是不可替代的，化肥的刚性需求长期存在，无论能源供应如何紧缺，环境控制如何日益严格，合成氨工业必须依靠科技进步来面对这一严峻形势而继续发展，传统合成氨工业的转型升级、节能减排只能且必须依赖科技进步，别无选择。

国家石化产业调整规划提出了化肥工业的主要任务[1]有：①优化石化产业布局，其中在原料产地生产的化肥比例提高到60%；②采用洁净煤气化和能源梯级利用技术，对现有氮肥生产企业进行原料和动力结构调整，实现原料煤多元化，降低成本；③大型粉煤制合成氨等成套技术装备实现本地化，吨氨综合能耗低于1.8t 标准煤；④对化肥行业通过上大压小，产能置换，淘汰技术落后、污染严重、资源利用不合理的产能；⑤支持企业联合重组，引导大型能源企业与氮肥企业组成战略联盟，实现优势互补。

这些既是国家产业政策，也是合成氨工业转型升级和发展模式调整的重要途径以及发展煤制油工业等新型煤化工产业的大好机遇。

合成氨工业是一个复杂的系统工程，转型升级和节能减排需要综合治理，从原料、技术、设备、工艺、管理等诸多方面猛下功夫。本文仅从原料路线、企业规模、关键装备技术水平、高效催化剂及其工艺技术创新以及与煤化工和能源企业组成战略联盟等方面进行了讨论。

1 原料路线选择和转型升级

合成氨生产所需的原料和燃料都是能源，国外主要是以天然气为原料，占85%以上；我国天然气仅占22%（消耗天然气约126 亿立方米），而煤占76.4%（图1）。这种选择有其历史渊源，而从我国能源资源“缺油、少气、有煤”的特点来说，也许是无可置疑的。

但是，从能源资源的合理利用原则来说，这种选择就不合理了。煤、油、气3 种含碳能源的H/C原子比分别是0.31、1.92 和4，而产品氨中只有氢而没有碳。因此，根据含碳资源合理利用的氢/碳比相近原则[2]，含氢量最高的天然气是用于生产合成氨的最经济、最合理的原料；而含氢量最低的煤用于不需要氢的民用和发电是最合理的，两者倒过来用就更不合理了。天然气应该保护性地用于化工领 域，并首先确保合成氨生产的需要。

图1 合成氨生产原料构成

从煤或天然气和水、空气为原料制氨的实际能源消耗（表1）的比较可知，以天然气为原料的日产1000t 的合成氨厂的吨氨能耗是最低的，约为29.3GJ（先进企业已降到27GJ）；以煤为原料的常压气化工艺的吨氨能耗最高，达52GJ；加压气化工艺为48.2GJ，分别比天然气为原料的高77.5%和64.5%。实际消耗能源分别为1645kg 标煤和999.8kg标煤，前者是后者的1.65 倍，煤比天然气多消耗645.2kg 标煤，其中作为原料使用的几乎相同，差别仅在于作为燃料使用的能源，煤比天然气多消耗707.4kg 标煤。

煤比天然气多消耗的645.2kg 标煤，主要是作为燃料而消耗在从水中取氢。煤为原料时，氨所需的1.5 个H2都来自H2O，而天然气为原料时，只有0.615 个H2来自H2O，即煤比天然气多消耗0.885个H2O。从这0.885 个H2O 中取出H2需要消耗能量12.25GJ/t（表2），即煤比天然气为原料多消耗的18.9GJ/tNH3能耗中，有12.25GJ/tNH3损耗在从水中取H2，其余6.65GJ/tNH3是过程的不可逆损耗，因为煤制氨的过程比天然气复杂得多。

表1 以煤和天然气为原料的制氨过程的原材料消耗分析

表2 煤和天然气为原料制氨过程能耗分析（单位：GJ/tNH3）

其次，由表1 可知，煤比天然气为原料制氨并联产尿素时不仅多消耗标煤645.2kg/tNH3，而且多消耗H2O 937kg/tNH3，多排放CO22361kg/tNH3。如果天然气的比例从目前的22%提高到50%，则可节省能源1038 万吨标准煤（降低13.1%）；可减少用水量1508 万吨（降低19.5%）；可减少CO2排放量3798万吨（降低16.2%）。节能、节水、减排效果十分 显著。

上述讨论是从能源资源的合理利用原则来说的。但是，根据市场配置资源的原则，市场的选择将首先决定于经济。

首先，当生产1 吨合成氨的煤或天然气用做民用燃料使用时，市场将选择哪个？从表3 可知，1645kg 标煤和823.3m3天然气都只能生产1 吨合成氨，它们的价值是相同的，效益相当。当生产1 吨合成氨的天然气用于发电与生产合成氨相比，经济效益是负的；用于供热，则供热量减少21.56GJ/tNH3；而当生产1 吨合成氨的煤用于发电，经济效益大于制氨。因此煤当作民用燃料使用比天然气用于民用，在经济上更为合理。所以，目前市场将仍然首先选择煤用于发电。虽然从环保角度，天然气优于煤，但燃煤电站可建于边远的原煤产地，输电到发达 地区。

我国2013年生产合成氨5745.3 万吨。如果其中有50%即2900 万吨合成氨用天然气代替煤为原料，则需消耗天然气约238.8 亿立方米。这些天然气用于生产合成氨与用作民用燃料使用相比，经济效益可增加276 亿元。同时可以减少4770.5 万吨标煤，可减少CO2排放6847 万吨。

其次，当煤或天然气用于制氨原料时，市场将选择哪个？Brown 公司曾比较了各种煤制氨工艺，认为当天然气成本是煤的3 倍或4 倍时（按热值单位），煤与天然气相比是较为经济的原料[3]。目前我国天然气成本（按2.4 元/m3）大约是煤（按1.2 元/ kgce）的1.65 倍（按热值单位）；其次，煤为原料的合成氨装置设备投资大，初始投资是天然气的2.4倍；三是煤制氨的过程比天然气复杂得多，运行维护复杂，各项费用高，产品成本是天然气的1.7 倍。因此，市场仍将选择天然气比煤为原料制氨是更为经济的。目前一些天然气为原料的企业开工率不足，可能是非市场因素造成的。但是，我国煤的资源相对丰富，制氨原料路线理应以煤为主，随着民用天然气需求增长和价格不断上涨，例如，当天然气价格上涨到5.0 元/m3左右时，市场将只能选择煤为 原料。

随着国家能源结构的调整，如国家十二五规划要求，天然气占一次能源消费比例提高到7.5%，煤炭消费比例降低到65%左右。同时，随着我国天然气产量增加，特别是我国与周边国家建立的能源进口四大战略通道，合计每年将为我国提供800 亿立方米天然气。因此，减少煤、焦制氨比例，增加天然气制氨是有可能的。有专家预计将可供合成氨150～270 亿立方米。以每吨氨消耗天然气1000 立方米计算，可生产合成氨1500～2700 万吨，与煤制氨相比，有630～1300 万吨标准煤节能潜力。

原料路线是合成氨厂技术路线的基础，是带全局性的战略决策。既要有战略眼光，考虑国内能源结构，又要有现实性，计及经济效益和社会效益。从国家整体利益来考虑，按照科学发展观和含碳能源资源合理利用原则，天然气资源应该优先用于化工领域，特别是合成氨；另一方面，大力发展原煤产地坑口电站，将电力输送到商业中心城市和人口聚集地区以供应民用。特别要注意到的是，尽管天然气供应紧缺，但国外新建合成氨厂基本上都是以天然气为原料的，并未影响美国、德国、荷兰等国去开发天然气转化新技术。

表3 生产合成氨与用作民用燃料的比较

2 与煤化工和能源企业组成战略联盟，实现产业转型升级

包括合成氨在内的煤化工产业链的第一步大多都是煤气化制合成气的过程。合成氨装置本身是能效最高的能源转化装置，是新型煤化工产业的基础装置，而现有大型合成氨装置由煤、天然气和石脑油等化石能源制合成气及其净化和变换技术已经十分成熟。

合成气是由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的混合物。在作为氨合成的原料时，它也含有氮气。合成气是化学工业中的一种较为重要的中间物种，利用合成气可以高选择性地合成各种化学品及系列燃料，也可以作为纯氢和纯一氧化碳生产的原料。合成气在能量转化中发挥着越来越重要的作用。

合成气几乎可以利用所有含碳的原料进行氧气和水蒸气氧化制得，比如天然气、石油产品、煤及生物质。因此，它是化学工业路线多样性发展及合成性燃料（synfuels）的核心。

目前，合成气最主要的用途是作为氨合成（2008年1.809 亿吨/年）和甲醇生产（2005年3.3 千万 吨/年）的原料。此外，炼厂的加氢处理过程也采用合成气作为纯氢的来源。由合成气生产得到的主要商品如表4。

目前，全球天然气转化所消耗的量（大约为7×109GJ/y）与天然气总产量刚刚相抵[3.07×1012m3/y（标准，下同）或1.17×1011GJ/y（假设其低热值LHV为38MJ/m3)]。最近，实际应用中往往倾向于将边远地区的低价天然气或煤炭转化为液体燃料（gas to liquid，GTL）。随着燃料电池的发展，未来的所谓“氢能经济”也将很大程度依赖于此路线。一方面，这些趋势意味着规模化或大规模化（＞500000m3天然气/h）的GTL 装置的发展。另一方面，一些规模较小、结构紧凑的基于燃料电池的装置（5～100m3天然气或H2/h）也将具有较大发展空间。这些趋势为催化技术及相关工艺技术的发展提出了新的挑战。合成气生产投资和成本通常均占到产品成本的50%～60%，廉价合成气生产仍是一个重要的目标。

表4 利用合成气制备的主要化学品[4]

国家石化产业调整规划[1]提出了支持化肥企业联合重组，引导大型能源企业与氮肥企业组成战略联盟，实现优势互补。由图2 可知，合成氨、煤化工或炼油装置在原料基地组成联合企业，在大型合成氨装置上增加侧线，依托现有炼厂设施，省去合成气制造和合成油加工的投资，形成“氨联油”、“氨联醇”、“醇联烯”等联合生产线，这样只需增加F-T 合成反应器等投资，从而使投资大幅减 少[5]。这是以煤为原料的产业结构调整的主要途径、是未来化工联合企业的一种新模式，正是合成氨工业转型升级和发展模式调整的重要途径和发展煤制油工业等新型煤化工产业的大好机遇。

图2 合成氨、煤化工与炼油组成联合企业概念图

此外，从国家安全与国家能源战略角度考虑，一旦需要即可将散布在我国各地的多数合成氨厂转为生产液体燃料的厂，形成集散生产与消费模式，稳固自我能源支撑体系，保证在非常情况下发动机燃料的自给，对于国家应付可能发生的能源封锁及突发事件，具有极其重要的战略作用。

国家产业政策与合成氨生产技术路线、总体发展趋势及其可持续性是一致的。对于像合成氨那样大吨位化工产品，其主要的发展趋势是[6]：①选址于具有低原料价格区域；②经济规模；③工艺设备集成化和CO2减排。采用洁净煤气化和能源梯级利用技术，对现有氮肥生产企业进行原料和动力结构调整，实现原料煤多元化，降低成本。大型粉煤制合成氨等成套技术装备实现本地化，吨氨综合能耗低于1.8t 标准煤，降低能源消耗。

这种趋势应该是合成氨工业转型升级的方向。

3 选址或迁址转移到低价原料产地

世界范围的全球化促使企业聚集于商业中心或资源中心。其后果是导致化工企业进行功能性重组，大致形成两类：一类是商品和精细化工产品供应商；另一类是功能性产品供应商（如助剂和药品）。这种转移和重组主要出于两方面的考虑。

首先是出于合成氨生产成本的考虑。在当前竞争环境下，工厂一般会迁向具有较低原材料价格的地区。对于像美国和欧洲的天然气价格（3～4 美 元/GJ，周期性变化大），生产合成氨基本没有竞争力[4]。因此，新的大宗化工产品生产企业一般都位于那些具有低天然气或煤炭价格(0.5～1 美元/GJ)的国家和地区（如中东、特立尼达和多巴哥、尼日利亚、西澳等）。这当然也意味着对于那些具有较大以天然气为燃料市场的国家或地区，新建以天然气为化工原料的装置可行性较低。

我国现有合成氨企业大多聚集于东南沿海经济发达地区。国家石化产业调整规划提出优化石化产业布局，其中在原料产地生产的化肥比例提高到60%，即应将大多合成氨企业选址或迁址到低价原料产地，转移到西北等资源中心。

其次是出于对商业中心城市的环境保护。特别是对于合成氨原料以煤为主的我国合成氨工业来说尤为重要。煤炭制合成气过程中排放的CO2、SOx和NOx，在所有的化石资源中是最大的。因此，必须让以煤为原料的合成氨工业远离中心城市。

当然，减少CO2排放量的根本出路在于减少含碳化石资源的使用量。CO2排放可用C-因子表示[7]（每吨产品排放CO2的吨数）。随着温室气体排放越来越受重视，C-因子也将成为极重要的工艺参数。如考虑碳捕集和存储（CCS）的成本，生产过程中产生的碳排放也是不可忽略的因素。另一方面，人们试图利用CO2来生产那些碳中性的燃料，例如合成氨与尿素联产，但是其生产过程中CO2的消耗不会改变整个世界的碳排放格局[8]。以甲醇合成为例[式（1）]。

即使反应原料H2是由其他碳中性的原料制得的，目前全世界利用此反应合成的甲醇也只消耗了4000 万吨CO2/年。这一数值相当于一座4000MW的以煤为原料的火力发电厂。特别是对于世界CO2总排放量的27.5×109tCO2/a（相当于7.5×109tC/a），甲醇合成消耗的CO2相对较少。这也就是说利用CO2作为反应物对于全球的碳减排来说作用不大。更不用说，这些反应生成的产物最终仍然会以CO2的形式回到大气中。这个结论对利用CO2进行天然气重整来制合成气也同样适用。

其次，一般CO2直接与工艺过程的能耗相关。高的能量利用效率意味着更少的CO2排放量。比如，利用天然气进行氨合成的能耗降低1GJ/t，全世界CO2的排放量将减少约850 万吨CO2/年。在大多数氨厂中，大概80%的CO2用于和NH3反应生产尿素。当然，在尿素使用过程中随着尿素的分解，CO2又释放到大气中。

4 企业规模转型升级

众所周知，企业的经济效益与装置规模有关，即存在规模效应。对于像合成氨这样的大吨位化工产品，经济效益最重要的关键点是生产成本（固定成本和可变成本）。可变成本主要包括原料成本、能耗、工艺选择性及环境治理成本等，详见图3。经济规模的发展也助力于装置规模的扩张。有研究表明[6]，经济规模与生产成本的关系可用式（2）表示。

式中，n 的值一般介于0.6～0.9 之间。由于经济实力的不同也意味着对于不同工艺和技术的选择范围不同，这体现在式（2）中的n 值不同。

由式（2）可知，如果企业生产规模从10 万吨/年提高到30 万吨/年，且n=0.7，则后者的生产成本是前者的2.16 倍，而不是与规模比例相同的3 倍，即生产成本可降低28%以上。

当今，新建的合成氨装置单套规模已超过3000吨/天（MTPD），而甲醇装置的规模也在10000 吨/天（MTPD）。这些规模相当于利用F-T 反应合成油的35000 桶油/天（barrels per day，bpd）的规模。同时，由于装置变得越来越大，这就要求单个工艺过程装置小型化，使利用规模生产的优势达到经济目的。这也是氢能经济和燃料电池发展的核心问题之一。微型单元操作装置如换热器、新型反应器及其概念都在快速发展，化工装置也因此变得越来越集成化，以便进一步降低能耗。

根据国际肥料工业协会（IFA）在第77 届年会上发布的“全球肥料和原材料供需展望”报告估计，全球合成氨产能将由2008年的1.809 亿吨增长至2013年的2.178 亿吨。2009—2013年全球有55 套大型合成氨装置投产，新增产能2400 万吨，其中1300 万吨来自现有企业的升级改造，其余来自55套新建装置，其中三分之一来自中国[9]。

我国现有合成氨装置约400 多套，除了33 套引进的设计规模为30 万吨/年和近百套我国自行设计的规模为20 万吨/年的大型装置外，其余200 多套装置都是中小型企业。根据国家石化产业调整规划提出的要求，对化肥行业通过上大压小，产能置换，淘汰技术落后、污染严重、资源利用不合理的产能。我国将继续对所有规模小于20 万吨/年的中小型合成氨装置通过淘汰、兼并、扩建为20 万吨/年大型合成氨装置，并要求大型粉煤制合成氨等成套技术装备实现本地化，吨氨综合能耗低于1.8t 标准煤。这是合成氨工业在规模上转型升级的方向。

5 关键装备技术转型升级

对于合成氨来说，原料的消耗是生产成本中的决定性因素，而工艺装置的运行成本与能量的转化与传递（传热，压缩）密切相关。有人认为，当原料价格低时，能量效率高低并不特别关键。然而，高的能量效率也意味着小的原料处理单元及少的设备单元，从而可以降低投资成本。

在合成氨工业中，原料和燃料消耗量最大的设备是锅炉、煤气发生炉或蒸汽转化炉等三大炉，其能源消耗占吨氨总能耗的60%以上。降低三大炉的能量消耗是进一步节能的重点。

首先，由合成氨过程反应焓变和相应的有效能（㶲）消耗分析结果表明（表5），有效能损失最大的是蒸汽重整过程，其次是蒸汽生产过程（锅炉）。相反，利用回收废热产生高压水蒸气驱动透平和压缩机的有效能损失较少，在一定程度上弥补了重整工艺的热损失。因此，合成氨工艺必须经过工艺优化，最大程度利用废热。当然，这也是以采用蒸汽透平及装置的自动化为前提的。

表5 合成氨工艺中反应焓变和有效能（）分析[6]

表5 合成氨工艺中反应焓变和有效能（）分析[6]

能耗 焓/kJ·kgNH3 liq-1 㶲/kJ·kgNH3 liq-1 原料和燃料总能耗 29.4 30.7 能量损失 重整 0.4 4.9 蒸汽生产 0.3 2.4 透平/压缩机 6.5 0.5 其他工序 9.9 2.3 产品能耗 17.1 20.1 效率 58% 66%

考虑到重整炉中由于燃烧产生的能量损失，可以采用对流重整反应器。这样，二段重整过程中气体含有的热量可以供给一段重整步骤作为热源[6]。二段重整产生的热可以满足60%的一段重整的能量需求。如采用对流重整反应器并平行安装，且操作参数不变，那么管式重整反应器的尺寸可以减少40%。当然，安装对流重整反应器后高压水蒸气的产量会减少。如果操作中二段重整引入的空气过量（超过计量比50%），或者过程空气中O2浓度富集超过30%，那么二段重整产生的热足以满足对流重整反应器中一段重整天然气转化所需的热。这也意味着可以取消燃烧重整反应器。不过采用这些工艺需要加入额外设备，要么用于空气富集，要么从合成气中移除多余N2。此外，正如前面所述，另外一个后果是水蒸气生产效率降低了。

KBR公司的KRES转化工艺则取消了燃烧天然气提供热量的一段炉转化炉和辅助锅炉，其技术核心是使用开口管换热式转化炉与自热式转化炉（Autothermall reformer，ATR，图3）组合，在ATR中使用富氧空气来满足工艺热平衡和物料平衡要求，换热式转化炉所需反应热量通过与ATR 转化炉的高温转化工艺气进行热交换而获得（图4）。因而使工艺余热品质下降，同时为弥补燃气辅助锅炉取消而使合成氨装置自产高压蒸汽不足部分，则通过装置区外高压燃煤锅炉（代替原燃气辅助锅炉）向合成氨装置蒸汽轮机输送高压动力蒸汽，并在澳大利亚建成一座世界规模最大的、日产合成氨2200t的特大型低能耗合成氨装置，其工艺流程如图5。据该公司报道[10]，该技术具有节省建设投资3%～5%、降低操作成本、减少工程费用和NOx、CO2排放的特点，提高了操作灵活性和装置可靠性，实现 了节能、节气（天然气）的目的。这项技术对我国天然气资源逐年减少的化肥企业尤其适用。例如，辽宁华锦通达化工股份有限公司1000t/d 合成氨装置采用KRES 进行技术改造的运行结果表 明，与原装置相比每天可节省天然气用量约30× 104m3[11]。其次，由表5 可知，热能损失最大的是透平及其压缩机，包括原料气和或工艺空气、合成气和制冷等三大透平及其压缩机，总装机容量约为33370kW，耗电量占全厂（总装机容量40070kW）的80%以上，占吨氨总能耗35%左右（表6）。其中，合成气压缩机和氨气压缩机是最大的能量消耗源。

图3 ATR 反应器

图4 ATR 转化炉（左）和换热转化炉（右）组合

图5 澳大利亚一座世界规模最大、日产合成氨2200t 的特大型低能耗合成氨装置工艺流程

表6 天然气为原料1000t/d 合成氨装置四大压缩机装机 容量及能耗

我国已经建设了大批单系列20 万吨/年大型合成氨装置，单系列装置的规模是上去了，相应的配套装备技术也应该跟上去。但是，据了解，目前一些20 万吨/年合成氨装置仅压缩机就多达40 多台，而引进的30 万吨/年合成氨装置仅一台汽动压缩机，且无备用（表7）。因此，开发和采用大功率的大型压缩机，特别是尽可能利用工艺余热产生的高温高压蒸汽驱动的汽动压缩机，是20 万吨/年大型合成氨装置配套装备技术改造面临的重要课题。

表7 国内外合成气压缩机性能比较

目前，以天然气为原料的合成氨工艺的能耗已接近27GJ/tNH3，已有报道指出吨氨能耗已可低至27.2GJ。综合能耗的显著降低是与工艺蒸汽透平的整合及催化剂的改进密切相关。

结合下文所述，如果将我国合成压力为30MPa的数百家中小型合成氨装置的操作压力降到15MPa 及以下，则压缩机可允许采用汽动代替电动，可进一步提高热效率，节能效果更大。虽然汽动离心式压缩机热效率比电动往复式压缩机稍低，但汽动压缩机的动力来自于余热回收的高压蒸汽，（大型装置余热回收及梯级利用技术已趋成熟），而电动压缩机的动力来自于热电厂电力（热效率35%～40%），因而从燃煤起算，汽动压缩机的热效率约是电动压缩机的2 倍[12]。这是引进大型氨厂比我国中小型企业能耗低的一个重要原因。

总之，抓住这三类机器、设备的技术改造，就抓住了节能的技术关键所在。

6 工艺技术转型升级

工艺技术进步是产业转型升级、节能减排最重要的措施，其贡献率可占节能减排总量的半壁江 山[13]。产品生产装置的发展依赖于技术的进步及精密化。甚至工艺上一步小的进步就会在短期内带来回报。当然具有先进技术的新工艺的一些不确定因素有时也会打破其经济优势。工艺流程中，某一步的改进必然导致其他步骤的操作条件及性能。装置的高度集成化意味着流程中最弱的一部分决定了整个装置的性能。

但是，由于整个社会对于可持续发展提出了越来越高的要求，因此也同时给这些工艺带来了新的挑战。这不仅导致新产品的需求，也促使新工艺的发展。对于催化工艺过程，环境问题是最有可能实现突破的地方。

化工生产过程的大量研究与实践表明，降低化工产品的能耗主要依靠催化剂及工艺过程的创新。合成氨经历了一个世纪的发展，生产工艺已趋成熟，降低合成氨能耗更加主要依靠催化剂的技术进步及以新型催化剂为基础的工艺改进。十分可喜的是，新一代合成氨催化剂已经实现工业化，预计将会给合成氨生产带来革命性的变化。随着新型催化剂的使用，合成压力将会进一步降低。利用Fe1-xO 催化剂，实现8.7MPa 重油部分氧化法和水煤浆气化法等压合成氨已经成为可能，如果催化剂的使用压力降到5MPa 以下，煤炭加压气化、天然气转化法等压合成氨也为期不远。合成氨催化剂技术的创新及低压合成氨工艺的改进，使合成氨工业跳出高压工业的范围成为可能，并将产生明显的节能效果[14]。由此可知，对于工艺技术转型升级，至少应包括新型催化剂及以新型催化剂为基础的工艺改进。

6.1 催化剂的升级换代

在合成氨的生产过程中，从制气、净化到合成，主要的化学反应都是通过多相催化过程完成的，催化剂起着极为重要的作用。其中以天然气为原料，用蒸汽转化法生产合成氨的大型氨厂所用的催化剂有8 种之多（表8）。

在这8 种催化剂中，蒸汽重整催化剂、低温变换催化剂和氨合成催化剂的活性好坏和所能达到的转化率直接影响工厂的经济收益，被称为“经济性催化剂”。无论何种制氨工艺，变换催化剂和氨合成催化剂都是不可或缺的，它们是合成氨工业的核心催化剂。

表8 现代以天然气为原料制氨装置8 种催化剂及其主要工艺参数

催化剂活性的高低对于经济收益的影响极为关键。以氨合成催化剂为例，高活性催化剂可以提高氨净值，而氨产量与氨净值接近正比关系。氨净值提高1%，氨产量可以提高约10%，且不需增加投资。产品产量上去了，能耗自然就降下来了。这可从图6 给出的合成氨厂盈亏平衡曲线来说明[14]。由图6 可知，假设单位产品价格P 按2000 元/吨，变动成本Cv为1400 元/吨，固定成本Cf为50 万元/天，则企业的销售收入随氨产量的变化如B 线，总生产成本如C 线。则该企业的盈亏平衡点是B 线与C 线的交点，其值为833 吨/天，即当产量少于833 吨/天时，企业要亏本；只有产量大于833 吨/天时，企业才有盈利，其利润额为B 与C 的差值。在上述条件下的企业，当产量达到设计值1000 吨/天时，其利润为10 万元/天。

图6 日产千吨氨厂盈亏平衡线

催化剂性能对企业经济效益的影响，主要体现在增产、节能、降耗和开工率的影响。由图7 可以清楚地知道，增加氨产量可以获取更为显著的效益。例如，采用新型高效催化剂使氨产量从设计值1000吨/天提高到1100 吨/天，则利润从10 万元/天增加 到16 万元/天，即1000 吨/天时的吨氨利润为100元/吨，而增产的100 吨氨/天的吨氨利润为600 元/吨，后者的吨氨利润是前者的 6 倍。因此，增产是企业获取利润的主要途径，而采用新型高效催化剂是实现增产的最有效的措施，也是合成氨工业转型升级的主要关键技术。

其次，对于维持设计生产能力而不能或无需增加产量的企业，使用高活性催化剂同样可以达到节能、降耗、提高效益的作用。

在相同氨产量和操作条件下，高活性催化剂可以提高氨净值，由此可以达到以下节能降耗效果：气体循环量与氨净值成反比，高的氨净值能使吨氨气体循环量减少，从而减少了循环机的负荷和冷冻量消耗，降低了动力消耗；可以减少气体排放量，降低原料消耗；高的氨净值能提高氨合成反应热的回收品质和回收率。

在氨产量相同的情况下，可以降低合成压力，节省动力消耗。例如，使用ZA-5 催化剂要比A110吨氨动力消耗降低23.52kWh/t，对于年产20 万吨氨的企业，年可节省470 万度电。文献[15-16]对上述效果有详细的分析。

第三，催化剂的稳定性或失活往往决定了生产周期及最佳的适用操作条件。不同于间歇式精细化工产品生产，大吨位化工产品生产中催化剂的寿命是非常关键的。因为图7 中Cf是不随产量而变动的固定成本，它是企业不开工生产也要支出的费用。往往由于催化剂失效而造成的短短几天停工会对整个装置的经济效益带来较大影响。因此，催化剂的活性和稳定性是整个工艺的关键。对于大规模的工业生产，出于经济效益的考虑，为了将催化剂寿命提高至5年而将时空收率限制在0.1t 产品/m3或催化剂消耗小于0.2kg 催化剂/t 产品。对于氨合成催化剂，其典型的值一般是0.03kg 催化剂/tNH3。

图7 压力与功耗的关系

因此，正确选用催化剂是合成氨厂稳产、高产和低耗的关键之一。对于像氨合成催化剂这种直接涉及企业在一个周期内（5～10年以上）的经济效益的核心催化剂，选用的唯一标准应该是催化剂的性能或性价比，而不是唯产品价格而为之，切不可因小失大。然而，令人遗憾的是，在催化剂市场竞争中却出现了“劣胜优汰”的现象。某些企业仅仅因为高活性的ZA-5 催化剂因堆密度比其他催化剂高3%～5%，即使价格相同（更不要说本来就应该优质优价），也要比其他催化剂多花3%～5%的费用，因而宁愿选用落后的催化剂。殊不知，仅仅在催化剂的还原阶段，ZA-5 催化剂就可以使企业增加数十乃至数百万元的经济效益。因此，建议有关部门制定促进“优胜劣汰”的相关政策，加速催化剂的升级换代，使催化剂市场进入真正的技术竞争 时代。

ZA-5 型Fe1-xO 基低温低压氨合成催化剂是我国独创的拥有自主知识产权的原创性高技术成 果[17]，已获得国家发明二等奖。ZA-5 型低温低压氨合成催化剂具有特别容易还原、特别高的活性、特别低的活性温度、高的机械强度以及适用H2/N2范围宽等特点，是目前国内外活性最高、生产成本低廉的最先进的催化剂，并已有约23000t 产品在工业上得到广泛应用。

因此，催化剂的升级换代，采用新型高效ZA-5型这类低温低压氨合成催化剂是实现转型升级并确保经济效益的关键之一。

6.2 降低合成回路压力

催化剂是工艺技术改造和节能减排的核心技术。我国以煤作原料、30MPa 高压工艺的中小型合成氨装置产量大（占全国总产量60%以上）、规模小（单系列装置平均规模为8～10 万吨/年）、原料以煤为主（70%以上）、工艺落后（合成压力高达30.4MPa）、综合能耗高。如果全部中小型合成氨装置由大化肥取代，约需投资4000 亿元以上，这是一时不能实现的，唯一的出路就是就地进行节能工艺改造。而以高效催化剂为核心技术，对现有合成氨装置进行低压合成工艺改造投资省、收效快、效果好，是合成氨工业技术转型升级、节能减排的方向和重点[18-20]。

国际上合成氨压力发展方向由高到低，并主要是通过开发高效低温低压催化剂来实现节能型低压合成氨工艺技术。我国虽然拥有世界上最好的催化剂，却被用在了世界上最落后的高压工艺上。迄今仍没有与低压高活性催化剂相匹配的低压合成工艺。而且我国操作压力发展方向刚好与国外相反。现在能源已成为主要矛盾，追求高产能的时代早已过去！再不把压力降下来，是不符合合成氨工业发展总趋势的（表9）。国外压力由高到低和我国压力由低到高的实践过程本身说明，进行低压工艺改造，技术是成熟的。

在我国，低压合成氨工艺长期得不到重视，最大障碍是有些专家认为低压并不能节能[21]，如 式（3）。

表9 我国与国际合成氨压力和能耗发展趋势

其结果如图7(b)曲线1 所示。

从表面看，能量损耗主要在转化工序，而实质上应在合成。因为占总能耗30%以上的动力消耗主要为合成服务。氢与氮的合成反应为放热反应，在常温、常压下可以合成为氨，加压合成主要是为了克服氨合成反应的能垒，而能垒的高低决定于催化剂的活化能。就是为了跨越这一反应障碍，付出了多么大的代价，开发新型低温合成催化剂意义非同小可。新型高效催化剂的活化能比以往“常用” 催化剂的低多了，所需要的压力也应该随之降低，这就为低压工艺提供了技术基础。

针对式（3），本文作者[22]研究了合成回路三大压缩机功率与催化剂活性和工艺参数的关系。结果表明，当氨产量和系统压力一定时，三大机功耗决定于合成塔进出口氨含量（氨净值）、新鲜气及放空气的惰性气体含量和氨冷凝温度这三个工艺指标，而它们主要决定于催化剂的活性。

根据这个思路，本文作者提出了以高效催化剂为核心技术的低能耗氨合成新工艺技术方案。采用工艺参数调优设计的方法，在不改变现有的工艺流程情况下，利用ZA-5 催化剂的高活性降低三大机组的总功耗。为此作者课题组设计了合成塔及其回路工艺模拟设计优化工艺包，以三大机总功耗最小为目标函数，对合成回路工艺参数进行了调优设计，结果如图7(a)所示。

由图7(a)可知，该新工艺技术中，随着合成压力降低，循环机和制冷机的功率基本不变，因此总功率随合成压缩机功率降低而降低，其总功率及其节能效果随压力变化如表10 所示。

对于20 万吨/年合成氨装置，当压力由30MPa降低到15MPa，总动力功率降低3529.9kW，吨氨能耗降低1.505GJ/t 或节约标煤51.3kgce/t，节能效率达到12.34%。相应地，每年可节电2542 万千瓦时/年，或年可节煤1.03 万吨标煤/年，减排CO22.36万吨/年。

对于全国5700 万吨/年合成氨，则每年可节电72.45 亿千瓦时，或年可节煤295.8 万吨标煤，减排CO2672.6 万吨。

同时，由表10 可知，当压力由30MPa 降低到10MPa 时，节能减排效果更为显著。

尤其值得注意的是，当采用渣油、水煤浆或粉煤在4～9MPa 高压制气，并采用ZA-5 催化剂时，可以实现低压或7.5MPa 的等压合成氨新工艺。在该工艺中，无须合成气压缩机，压缩总功率可以降低一半左右，吨氨能耗降低6.17GJ/t 或节约标煤210.6kgce/t，节能效率达到50.62%。这个计算结果与Kellogg 公司曾提出4MPa 等压合成氨工艺节能2.3～6.9GJ/t 的结果基本一致[3]。

表10 20 万吨/年合成氨装置三大压缩机总功率及其节能效果与压力的关系

因此，等压合成氨工艺是合成氨工业发展的 方向。

此外，当压力从30MPa 降到10～15MPa 时，还带来两个好处：①压缩机和设备的压力等级降低，合成回路建设费用降低12.1%，其中合成气压缩机及级间设备等费用节省37.2%[23]，如果新建100 套20 万吨/年合成氨装置，可节省基建费用约70 多亿元；②如前所述，由于压力降低，为采用汽动压缩机创造了条件，可以进一步降低投资和能耗，其总热效率比往复式压缩机提高一倍[12]。

调优设计的一个成功的先例是Kellogg 公司对以天然气为原料的蒸汽转化工序工艺参数进行调优，结果使吨氨能耗从38.6GJ 降低到28GJ；原料能耗几乎不变；燃料能耗从占总能耗44%降低到25%。这就是目前广泛采用的Kellogg 公司的低能耗合成氨工艺。

7 结论和展望

粮食问题始终是性命攸关的重大战略问题，解决好13 亿人的吃饭问题始终是治国安邦的头等大事。粮食都是含氮物质，其中约50%氮来自氮肥，其余来自自然界。人体中的氮50%来自合成氨，也就是说，如果没有合成氨工业，地球上将有50%的人不能生存。我国也不可能以占世界7%的耕地养活占世界21%的人口。中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上。为了切实保障国家粮食安全，满足随着人口和人均粮食需求增长的需求[24]，守住了18 亿亩耕地红线后，亩产就要能够从现在的333kg 提高到450kg，这主要就依靠化肥。据联合国粮农组织FAO 统计，化肥对粮食作物产量的贡献率占40%～50%。所以，化肥在确保国家粮食安全中起着不可代替的作用，同样是“性命攸关的”。过量使用化肥对生态环境造成的负面影响已引起社会高度关注，但是假如停止施用化肥，那么农作物将会即刻减产40%～50%，切不可“因噎废食”，把“脏水和孩子一起泼掉！”。

由此可知，粮食的战略地位决定了合成氨工业是不可替代的，化肥的刚性需求长期存在，无论能源供应如何紧缺，环境控制如何日益严格，合成氨工业必须依靠科技进步来面对这一严峻形势而继续发展，传统合成氨工业的转型升级、节能减排，只能且必须依赖科技进步，别无选择。过量使用化肥对生态环境造成的负面影响主要是化肥未能物尽其用[25]。因此，提高化肥利用率，减少化肥流失，是减少化肥对生态环境造成负面影响的关键所在。其次，大力发展农肥和生物固氮作物，特别是大量种植豆科植物（一个根瘤就是一座“微型氮肥厂”），是减少化学氮肥用量、解决当前我国农业生产中过量施用化肥的负面影响的途径之一[26]。

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