氮肥工厂“碳达峰、碳中和”的低碳技术探索

彭宇航 邵子豪 金灵 赵楠 龚淑芬

摘要：从国际市场供需来看，全球氮肥增长已经进入成熟发展阶段，总需求量保持缓慢稳定增长。中国是世界上最大的氮肥生产使用国，但是我国对于化学氮肥的使用效率和利用率还是较低的，不仅造成化学氮肥资源的大量浪费，还会影响农业上的生产效率，对环境土壤造成严重的危害。且制作氮肥过程需要合成氨，73.7%的合成氨都是以煤为原料生产的。其中硝酸、己二酸生产过程中会产生一种温室气体——氧化亚氮，其气体具有较高的全球变暖潜能值和破坏大气中的臭氧层的作用与二氧化碳相比，其全球变暖潜能值为298。

关键词：氮肥工厂;碳达峰;节能减排;低碳技术转型

习近平总书记强调，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，需把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局中，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。中国作为世界上最大的发展中国家仍处于工业化、城镇化的深化发展的阶段，对于能源资源的需求仍保持刚性增长，实现碳达峰、碳中和的时间窗口偏紧，工作任务偏重，以节能降碳为重要抓手，加快转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力，推动经济社会发展建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上[2]。2020年以来，受煤炭、天然气等原料市场的影响，氮肥行业经营波动较大“双碳”、“双控”等政策对行业发展的影响也日益明显。如何实现氮肥企业的可持续发展仍然是摆在氮肥行业面前的一个重大课题。因此，为了分析和研究氮肥行业的发展现状和最新的产业政策，因此提出探索适合氮肥行业的低碳技術，实现碳峰值，这是现在的重点方向。

1 前言

1990年开始，国际社会在联合国框架下开始关于应对气候变化国际制度安排的谈判;1992 年达成《联合国气候变化框架公约》;1997年达成《京都议定书》;2015年达成《巴黎协定》[3]。这些是各国共同面对气候变化的政治基础和法律基础。2015年习近平主席在联合国气候变化巴黎大会讲话中指出中国将把生态文明建设作为“十三五”规划中的重要内容，实施构建低碳能源体系、优化产业结构、发展绿色建筑和低碳交通、建立全国碳排放交易市场等一系列政策措施，形成人和自然和谐发展的现代化建设的新格局必须通过科技创新和体制机制创新[4]。2020年9月22 日，习近平总书在七十五届联合国大会一般性辩论上向世界宣布了中国的碳达峰目标和碳中和愿景，二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和[5]。

据世界气象组织最新发布信息显示，目前全球的地表平均温度增幅已经超过1°C，如果继续以目前的速率升温全球升温幅度可能会在2030年至2052年达到1.52°C，这将对全球自然生态环境造成巨大的影响，而中国升温幅度相比全球平均升温水平来说较高。气候变化会造成极端天气、自然灾害、破坏生态平衡等一系列的影响，这会对人类经济社会的发展构成重大经济威胁和社会损失。

碳达峰、碳中和是系统性、战略性和全局性工作，覆盖能源、工业、交通、建筑等高耗能、高排放部门，涉及生产和消费、基础设施建设和社会福利等各方面。把碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局，制定科学的行动计划，构建绿色低碳理念，有助于加快构建节约资源、保护环境的产业结构、生产方式、生活方式和空间格局，坚定不移走绿色低碳、生态优先、高质量发展。同时，为绿色低碳转型指明了方向，为全球气候治理注入了新动力[6]。

2 我国氮肥工厂碳排放的现状

中国是世界上化石能源消费量最大的国家之一，也是石油化工产品消费大国。在2018年碳排放量近100亿吨，居世界第一;2019年全世界碳排放总量达342亿吨，其中我国碳排放已达近100亿吨，其碳排放量将达全世界总碳排放量的三分之一。中国的能源结构是“富煤缺油少气”，所以煤炭仍是当前能源消耗的主体，煤炭的消费占能源总消费比例为58%，远超世界27%的平均水平。其中我国化工产业每年消耗4.2亿吨标煤，约占全国消费总量的8.4%;二氧化碳年排放量达到11亿吨，其占全国总排放量的10%[7]。其中，合成氨、甲醇产业在全产业的碳排放量中更是名列前茅，并且73.7%的合成氨、77.3%的甲醇都是以煤为原料生产的。2020年合成氨、甲醇行业CO2成总的排放量分别为2.19亿吨和1.96亿吨，分别占石化和化工行业排放总量的19.9%和17.8%，二者合计CO2者排放量约占到石化和化工行业排放总量的38%。因此减少碳排放必然会对中国的石化和化工行业产生重大影响。煤不仅是化工生产的动力源，也是甲醇、氨等煤化工产品的重要原料。煤化工行业碳排放具有单排放源排放强度大、生产过程中碳排放浓度高的特点。煤化工过程中碳排放强度远高于全国平均碳排放水平，达到全国平均水平的10-20倍[8]。因此我国煤化工行业的发展正面临着非常严重的碳排放问题，同时也导致氮肥、甲醇行业的碳减排压力巨大。

如今，随着农业现代化的逐步推进，农民对化肥等主要农业投入品的质量和使用效率提出了越来越高的要求。当前，我国农业生产与资源环境的矛盾日益突出，化肥行业面临着能源、资源和环保的硬约束。氮肥行业还面临天然气供应短缺、节能减排技术发展滞后、原材料价格波动、产品结构单一、单位产品能耗相对较高等问题，制约行业低碳高质量发展的突出问题。当今氮肥企业必须进行新的供给侧改革，这是氮肥企业面临的重要问题。因此石化和化工行业，尤其是氮肥、甲醇等碳排放企业对此十分重视，并十分关注世界碳减排形势、中国的碳减排政策和碳减排措施。

3氮肥工厂低碳技术探索措施

3.1国家政策措施

2022年3月5日国务院总理李克强在第十三届全国人民代表大会第五次会议中提出要有序的推进碳达峰、碳中和工作。落实碳达峰行动方案，推动能源革命，确保能源供应，立足资源禀赋，坚持先立后破、通盘谋划，推进能源低碳转型;加强煤炭清洁高效利用，有序对煤炭使用减量替代，推动煤电节能降碳改造、灵活性改造、供热改造;推进绿色低碳技术研发和推广应用，努力建设绿色制造体系和服务体系，推进钢铁、有色、石化、化工、建材等行业节能降碳;坚决遏制高耗能、高排放、低水平项目的盲目发展;推动能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”的转变，加强完善减污降碳激励约束政策，加快形成绿色生产、绿色生活方式[9]。

2021年4月16日，习近平主席同法德领导人举行视频峰会时表示，中国已决定接受《<蒙特利尔协定书>基加利修正案》，加强对非CO2利温室气体管控。生态环境部发布的《关于加强企业温室气体排放报告管理相关工作的通知》中，将硝酸生产企业纳入到碳排放数据报告与核查的名单中。此外，应生态环境部气候司要求，氮肥协会编写了《硝酸行业氧化亚氮减排行动方案》。“十五五”期间国家很有可能将氧化亚氮纳入到全国碳市场。今后硝酸企业也要积极开展减排工作，为下一步非CO2温室气体减排做好准备[10]。

3.2氮肥行业碳减排行动

2021年7月29日召开了氮肥、甲醇行业碳减排交流会议，中国氮肥工业协会理事长顾宗勤点在会议上指出关于搞好碳减排的六项重：一是认清形势、摸清家底;二是要做好节能提效工作;三是做好二氧化碳资源化利用;四是优化能源结构;五是做好参与碳市场的准备;六是做好碳达峰行动方案。

顾宗勤表示下一步，要广泛开展调查研究工作，制定出行之有效的行动方案和配套措施。

3.3氮肥工厂的低碳技术

（1）大力推进水溶肥、高效肥

新型肥料网现场报道：近日，农业农村部、工信部等三部门联合印发明传电报，要紧急部署切实加强强化化肥供应保障“三夏”生产，电报中明确指出各地要持续的推进化肥减量，提高肥料利用效率，示范推广高效缓控释肥料、水溶肥料等新产品，切实减少化肥用量，提高肥料利用率[11]。

以安徽省科邦生物有限公司为例，安徽省科邦生物有限公司是一家从事生物科技研发、环保设备、农业技术咨询服务、农用肥料开发、生产、销售于一体的综合性公司。贵公司设有产品研发部、生产部、质量检测控制中心、营销中心等经营体系，其研发高效颗粒锌肥，由于锌具有含量高、活性好、施肥方便、容易被吸收的特点，其中采用大量高含量锌粉到工业精制而成。高效颗粒锌肥全水溶、易吸收、安全无毒、无公害，能缓冲土壤酸碱变化，稳定土壤PH值，改良土壤。使用此肥料能够孕蕾开花，促花保果，促进茎秆粗壮，促进淀粉合成，使作物根系发达，叶片浓绿肥厚，增加作物抗病性、抗逆性、提高作物免疫力，增加座果率，改善果实品质，提高作物产量。

要想减少化肥生产和施用过程中的碳排放，运用水溶肥和高效肥是重要的解决方法。高效肥和水溶肥的使用既能節约化肥资源，又能显著的减少化肥生产和施用过程中的碳排放，提高化肥利用率。因此大力推进水溶肥和高效肥的发展，对我国实行绿色低碳具有重要战略意义。

（2）高效催化剂实现低压氨合成

使用新型高效的Fe1-xO基熔铁催化剂，由高压合成转换为低压合成在现有的合成氨工艺中可大幅降低合成氨能耗，还能大大提高资源的利用率。

通过模拟试验，发现对于年产20万吨合成氨装置，当氨合成压力从30兆帕降到15兆帕和10兆帕节能效率分别可达12.34%、18.31%。每吨氨节约标煤分别可达51.34千克、76.16千克;每年节约标煤量可达1.03万吨和1.52万吨，减排二氧化碳2.35万吨和3.49万吨。8.53兆帕渣油、粉煤或水煤浆气化制气的7.5兆帕的等压合成氨工艺，节能效果尤其显著。由于压缩机和设备压力等级以及相关费用的下降，15兆帕比30兆帕的合成气压缩机及设备费用可节约37.2%，合成回路主要设备费用可节约12.1%。刘化章认为为了完成愈加紧迫的节能减排任务，行业需与低压合成氨相配套的新型催化剂及新工艺想结合，还有采用精脱硫与分级精馏法工艺利用合成氨装置的脱碳放空废气尾气为主要的原料，通过调整气化炉水汽比来提高废热锅炉的副产蒸汽量，在生产运行过程中有效的降低了燃烧煤的消耗，也使煤燃烧的碳排放减少，使能源综合利用效率实现了最大化[12]。

以中盐安徽红四方肥业股份有限公司为例，贵公司主要从事经营复合（混）肥、控失肥、缓释肥、水溶性肥等新型肥料的研发、生产、销售和服务。在国家努力减少碳排放和低碳生活的背景下，贵公司正围绕“双碳”目标探索节约能源和减少碳排放的方法。一是坚持节约优先、环境保护优先、循环利用优先的原则，以创建“绿色工厂”为导向，制定减碳战略目标，落实路线规划图;二是进一步优化现有工艺，降低单位能耗，计划投资5000万元增加环保设施的投资，主要用于除尘和煤转天然气等方面;三是加强产品研发，促进产品创新。建立了一批绿色环保智能化肥料系统，通过使用控释氮肥和添加增效剂来增强各种养分的协同效应提高肥料利用率，降低肥料消耗;四是改善农业服务，推广新型肥料。中盐红四方肥业还新建了二氧化碳减排及联碱装置节能环保技术，利用乙二醇装置的剩余二氧化碳和合成氨装置的剩余液氨，采用真空带式碱过滤机、粉流冷碱、轻液蒸馏和尾气吸收塔等节能环保设备和技术，采用加热流化床干铵炉对原有湿铵装置进行了改造。新增碳化塔、真空带滤机、淡液蒸馏塔、浓气压缩机、轻灰蒸汽煅烧炉、结晶器、流化床干燥机、螺杆氨压缩机等设备。项目技术改造扩建后，每年可增加轻碱15万吨，湿铵15万吨，干铵20万吨。红四方还率先从转化炉中提取一氧化碳，生产甲酸钠，年产量达1.5万吨，很好地实现了对危废气体的利用[13]。

因此也能看出对于氮肥企业而言通过节能改进工艺和对低碳技术的探索对企业本身实行绿色低碳具有重要的意义。

4 结语

近几年氮肥在工业消费方面增长较快且煤化工过程的碳排放强度远远高于全国平均水平，合成氨产业在全产业碳排放量中更是名列前茅其主要排放为化石燃料（主要为煤）燃烧以及电力消耗的排放，所以大多企业以节能降碳为重要抓手，加快转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力等采用相关适宜的技术手段。

针对氮肥工厂的碳排放，可采取的几条解决技术探索，首先应从煤炭出发加强煤炭清洁高效利用，有序减量替代，推动煤电节能降碳改造、灵活性改造、供热改造;其次应加快推进动力结构技术改造项目和化工装置余热分布式梯度回收项目实施进度，加大稳定性、缓释、功能性增效等新型肥料的开发推广力度;三是利用现代技术，更新设备，选用能量转换率更高的设备，降低合成氨能耗，提升能源利用效率，打造出一批绿色环保智能肥体系。氮肥企业应响应氮肥协会号召，推动产业转型升级，节能改进工艺，加强低碳技术研发，明确氮肥企业碳达峰目标时间表，提前规划，用实际行动为实现国家碳达峰、碳中和目标做出贡献，走绿色低碳高质量发展的道路。

参考文献：

[1]唐登杰.大力推动节能工作助力实现碳达峰碳中和[J].人民日报.2021，17（20-23）：1-4.

[2]周伟铎，庄贵阳.美国重返《巴黎协定》后的全球气候治理：争夺领导力还是走向全球共识[J].太平洋学报.2021，9（17-29）：5-7

[3]卢延国.“自上而下”和“自下而上”相结合稳步推进“双碳”行动[J].广西电业，2021，9（61-64）：1-2

[4]习近平.在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话[N].人民日报，2020-9-23（003）

[5]刘锦鑫.践诺“双碳”目标引领绿色发展[N].中国新时代，2021-10-29（10）

[6]翁智雄，吴玉锋，顾一帆.征收差异化行业碳税对中国经济与环境影响[J].中国人口·资源与环境，2021，3（75-86）：2-3

[7]姜小毛.中国氮肥工业协会理事长顾宗勤：氮肥、甲醇行业碳减排任务艰巨[N].中国化工报，2021-8-2

[8]生态环境部党组理论学习中心组.推动经济社会发展全面绿色转型[N].环境保护，2021（9）

[9]朱英.习近平同法国德国领导人举行视频峰会[N].新华社，2022-3-8

[10]王润楠.中国氮肥工业协会：加快高效肥发展，全力推进碳减排[J].中国农资，2021，24（8-8）：1-1

[11]王云立.高效催化剂实现低压氨合成[N].中国化工报，2012-11-16

[12]梁地.中盐红四方：二氧化碳减排节能环保技改项目通过环保预审[J].中国农资，2021，1（10-10）：1-1

基金项目：安徽省大学生创新创业项目（ 202011306030，S202111306113）;池州学院教学研究项目（2021XJYXM22）。