氮肥装置清洁生产水平评估的分析与实践——以资源能源利用指标为例

张 蓓，郝莉莉

（1.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津300131；2.海洋石油富岛有限公司）

化肥是现代农业的重要生产资料，其主要产品包括氮肥、磷肥、钾肥等。在整个氮肥制造业中，尿素是目前固体氮肥中含氮量较高的化肥。中国已于2006年颁布实施了《清洁生产标准氮肥制造业》（HJ/T 188—2006）行业标准［1］，为氮肥装置清洁生产水平评估奠定了基础。随着氮肥制造业资源与能源效率的提高，某些氮肥装置的资源能源利用指标早已达到并优于HJ/T 188—2006中规定的标准值。在这种情况下，整理汇总现阶段国内外氮肥装置在资源能源利用指标方面的指标数据已成为进一步衡量氮肥装置清洁生产水平、挖掘氮肥装置清洁生产潜力的关键。

1 清洁生产水平评估的分析思路

在开展清洁生产水平评估时，清洁生产水平需要以清洁生产标准、清洁生产指标体系为主要依据加以评估和判断，并分别从理论值、清洁生产标准值、清洁生产指标体系值、文献报道值（如产业/发展规划值、单位产品消耗定额值、学术期刊与研究报告的相关数据等）、企业最优值等方面进行指标对比以明确清洁生产潜力。清洁生产水平评估的分析思路详见图1。

图1 清洁生产水平评估的分析工作思路

2 氮肥装置资源能源利用指标的确定

HJ/T 188—2006中，氮肥装置在资源能源利用指标方面开展清洁生产水平评估时所涉及的主要指标：综合能耗（GJ/t，以每 1 t NH3计，下同）、新鲜水用量（t/t，以每1 t NH3计，下同）、尿素生产中氨消耗量（kg/t，以每 1 t尿素计，下同）、氨利用率（%）、水循环利用率（%）。在《氮肥行业清洁生产评价指标体系（试行）》（以下简称《试行体系》）［2］中，关于资源能源消耗指标包括综合能耗、润滑油消耗量、催化剂消耗量、新鲜水消耗量、用电量5个方面，与HJ/T 188—2006中涉及的相关指标名目有所不同。

因HJ/T 188—2006晚于《试行体系》颁布实施，故对氮肥装置资源能源消耗指标的分析可暂以HJ/T 188—2006涉及的指标为准。

3 氮肥装置资源能源利用指标数据的确定

3.1 理论值

氮肥装置的理论能耗值可分别按照氨合成过程化学反应方程式、尿素反应过程反应方程式计算得到。根据氨合成反应的化学计量式，通过反应物和生成物的焓值计算得到理想状态下的每1 t氨理论能耗为21.28 GJ。根据尿素合成反应的化学计量式，通过反应物和生产物的焓值计算得到理想状态下的每1 t尿素综合能耗为-6.22 GJ。

3.2 清洁生产标准方面

采用HJ/T 188—2006对氮肥制造业的清洁生产水平进行判定。HJ/T 188—2006中规定了氮肥装置资源能源利用指标值：综合能耗值≤38.0 GJ/t（一级）、≤48.0 GJ/t（二级）、≤53.0 GJ/t（三级）；新鲜水消耗量≤20.0 t/t（一级）、≤40.0 t/t（二级）、≤60.0 t/t（三级）；生产尿素的氨消耗量≤575.0 kg/t（一级）、≤590.0 kg/t（二级）、≤610.0 kg/t（三级）；氨利用率≥98.0%（一级）、≥96.0%（二级）、≥93.0%（三级）；水循环利用率≥95.0%（一级）、≥90.0%（二级）、≥85.0%（三级）。

3.3 清洁生产指标体系方面

采用《试行体系》对氮肥制造企业的清洁生产水平进行判定。在《试行体系》规定了以天然气为原料的氮肥行业的资源能源利用指标值：综合能耗评价基准值为32 GJ/t、新鲜水消耗量评价基准值为10 t/t、水循环利用率评价基准值为90%。其中，基准值为行业清洁生产的先进值。

3.4 产业规划/发展规划方面

目前，中国氮肥制造业涉及的产业规划与发展规划主要包括《化肥工业“十二五”发展规划》［3］、《石化和化学工业“十二五”发展规划》［3］、《节能中长期专项规划》［4］。 《化肥工业“十二五”发展规划》规定：合成t氨综合能耗（以天然气和焦炉气为原料）需降至33.70 GJ/t；《石化和化学工业“十二五”发展规划》规定：合成氨装置平均综合能耗需低于39.56 GJ/t；《节能中长期专项规划》规定：大型合成氨综合能耗2010年的目标值为33.41 GJ/t，2020年的目标值为29.31 GJ/t。

3.5 单位产品消耗定额方面

现阶段，中国氮肥制造业在单位产品消耗定额方面涉及的标准包括 《合成氨单位产品能源消耗限额》（GB 21344—2008）［5］、《尿素单位产品能源消耗定额》（GB 32035—2015）［6］。 GB 21344—2008 规定，现有合成氨生产企业的尿素单位产品综合能耗限额限定值（以天然气、焦炉气为原料）需≤48.36 GJ/t，先进值≤33.70 GJ/t；GB 32035—2015规定，现有尿素生产企业的尿素单位产品氨耗限额限定值≤600 kg/t，先进值≤580 kg/t，每1 t尿素综合能耗限额限定值为≤7.03 GJ，先进值≤5.28GJ。

3.6 学术期刊/研究报告方面

一般情况下，合成氨装置和尿素装置的资源能源利用指标值是分开说明的。

对于合成氨装置，其资源能源利用指标值主要包括：1）综合能耗（从 1990年至今）为 28.46～30.98 GJ/t［7］，中国先进值为 33.70 GJ/t［8］、国际先进值为27.6～30.1 GJ/t［9］。其中，乌鲁木齐石化公司 2013年二化装置吨氨综合能耗为 28.55 GJ/t［10］、美国凯洛格（Kellogg）工艺合成氨装置综合能耗为 25.96～27.21 GJ/t［11］、美国布朗（Braun）工艺合成氨装置综合能耗为 28.4 GJ/t［11］、英国 ICI 工艺合成氨综合能耗为 29.31 GJ/t［11］。2）锅炉补充水消耗量（以 1 t NH3计）国际先进值为 0.7～1.5 t/t［9］。

对于尿素装置，其资源能源利用指标值（均以生产1 t尿素计）主要包括：1）能源（蒸汽+电力）消耗量为 1.93～8.66 GJ/t（CO2汽提工艺为 2.23～3.9 GJ/t、NH3汽提工艺为 2.33～3.43 GJ/t）［12-16］，国际先进值为3.1～4.1 GJ/t［9］。 2）液氨消耗量为 568～630 kg/t（CO2汽提工艺为 570～590 kg/t，NH3汽提工艺为 568～585kg/t）［12-17］，国际先进值为 567kg/t［9］。 3）CO2消耗量为 735～780 kg/t（CO2汽提工艺为 750～780 kg/t，NH3汽提工艺为 735～740 kg/t）［12-16］，国际先进值为 733～735 kg/t［9］。 4）冷却水消耗量为 55～200 kg/t（CO2汽提工艺为 63～120 t/t，NH3汽提工艺为 70～115 t/t）［12-16］，国际先进值为 60～70 t/t［9］。

3.7 企业日常统计方面

实践经验表明，根据企业合成氨装置/尿素装置的设计手册及日常运行情况（以近3 a月度统计数据的最优值计），可整理得到该企业氮肥装置资源能源利用指标的设计值和最优值。例如：某企业氮肥装置（30万t/a合成氨采用英国ICI-AMV工艺、52万t/a大颗粒尿素采用意大利SNAM氨汽提工艺，以天然气为原料）的资源能源利用指标值：综合能耗设计值为29.86 GJ/t、最优值为31.38 GJ/t；新鲜水消耗量设计值为5.10 t/t、最优值为4.93 t/t；尿素生产氨消耗量设计值为566.00 kg/t、最优值为563.07 kg/t；氨利用率设计值为100%、最优值为100%；水循环利用率设计值为95%、最优值为96%。

4 案例说明

某氮肥装置1996年投产运行，设计生成能力为30万t/a合成氨、52万t/a大颗粒尿素，以天然气为原料生产合成氨产品，并使用自产的合成氨产品和二氧化碳副产品生产尿素产品。其中，合成氨装置采用英国ICI-AMV工艺、尿素装置采用意大利SNAM氨汽提工艺。

该氮肥装置在开展清洁生产审核工作时，参照《试行体系》和《清洁生产评价指标体系编制通则》［18］，得到了该装置的清洁生产综合评价指数，如表 1所示。 根据清洁生产水平判定标准［2，18］可知，在资源能源利用指标方面，为该氮肥装置为清洁生产先进装置［2］、Ⅱ级清洁生产水平（≥85,中国清洁生产先进水平）［18］。

表1 某氮肥装置资源能源利用指标清洁生产水平评估

参照HJ/T 188—2006，通过与清洁生产标准值的对比分析（见表2），可知：该氮肥装置资源能源利用指标中的综合能耗、新鲜水用量、氨利用率、水循环利用率均已优于清洁生产一级水平（国际清洁生产先进水平）［1］，仅尿素生产氨消耗量暂未达到清洁生产一级水平但已优于清洁生产二级水平（中国清洁生产先进水平）［1］。

表2 某氮肥装置清洁生产水平评估中的资源能源利用指标分析

进一步分析该装置在资源能源利用指标方面存在的差距（见表2）可知：1）该氮肥装置的综合能耗已优于中国产业/行业规划2010年的目标值（33.41 GJ/t）和中国氮肥制造业的单位产品消耗定额先进值（33.70 GJ/t），但未达到中国产业规划/行业规划2020年的目标值（29.31 GJ/t），并与学术期刊/研究报告中的最优值（27.65 GJ/t）存在4.65 GJ/t的差距；2）该氮肥装置的新鲜水消耗量（5.99 t/t）与学术期刊/研究报告中的最优值（0.7 t/t）存在5.29 t/t差距；3）该氮肥装置的尿素生产氨消耗量未达到中国氮肥制造业单位产品消耗定额先进值（580 kg/t），且与学术期刊/研究报告中的最优值（567 kg/t）存在22.38 kg/t的差距。4）氨利用率已达到指标数据汇总中的最佳值（100%）；5）水循环利用率已达到指标数据汇总中的最佳值（96%）。

由表2还可见，随着该氮肥装置生产运行时间的增加，该氮肥装置的资源能源利用指标均高于该装置的设计值/理论值。其中，综合能耗分别比设计值和理论值高2.44 GJ/t和11.02 GJ/t，新鲜水用量比设计值高0.89 t/t，尿素生产氨消耗量分别比设计值和理论值高19.45 kg/t和305.45 kg/t。

综上对比结果表明，在资源能源利用指标方面，该套氮肥装置为清洁生产先进装置/Ⅱ级清洁生产水平（中国清洁生产先进水平），其资源能源利用指标已达标并优于清洁生产一级水平或/和清洁生产二级水平，但与企业的最优值以及国内外先进值仍存在一定差距。

5 小结

通过氮肥装置清洁生产审核中资源能源利用指标的对标实践，得到结论：1）在开展清洁生产水平评估时，需要以清洁生产标准、清洁生产指标体系为主要依据，并分别从理论值、清洁生产标准值、清洁生产指标体系值、文献报道值（如产业/发展规划值、单位产品消耗定额值、学术期刊和研究报告相关数据等）、企业最优值等方面进行指标对比以明确清洁生产潜力；2）以某氮肥装置（30万t/a合成氨采用英国ICI-AMV工艺、52万t/a大颗粒尿素采用意大利SNAM氨汽提工艺，以天然气为原料）在资源能源利用指标方面的清洁生产水平评估为例，发现在资源能源利用指标方面，该套氮肥装置为清洁生产先进装置、Ⅱ级清洁生产水平（中国清洁生产先进水平），其资源能源利用指标已达到并优于HJ/T 188—2006清洁生产一级水平或/和清洁生产二级水平，但与企业的最优值以及国内外先进值水平仍存在一定差距。

［1]HJ/T 188—2006清洁生产标准 氮肥制造业［S］.

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［5]GB 21344—2008合成氨单位产品能源消耗限额［S］.

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