中国合成氨行业节能减排关键技术评估及政策研究

尤政隆

（天脊潞安化工有限公司，山西 长治 047500）

引言

合成氨作为化肥的基础上游产品，在我国是一个非常重要的产业。高耗能和高排放是我国合成氨工业面临的两大环境问题。根据行业统计，2019 年中国551 家合成氨厂消耗了全国天然气产量的18.7%，无烟煤产量的22.1%和电力产量的2.3%，同时，估计了废水总排放量、碳氧化物和氮氢化物所占比例分别为38%、35%和48%[1]。因此，提高能源效率和减少水污染是综合政策设计的关键目标。然而，中国的合成氨工业是非常多样化的，不同种类工厂在能源消耗水平和水污染排放水平上存在着显著差异[2]。这使决策成为一项相当复杂的任务。

近十年来，为实现合成氨工业的节能减排，大力淘汰落后的小型合成氨设施，调整原料结构。在原料结构方面，利用更多的低质烟煤代替无烟煤已被认为是一项重要的原料利用政策，因此，中国特别鼓励研究和开发以烟煤为原料的大规模夹带流气化技术[3]。除了原料结构方面，清洁生产技术自20 世纪90 年代末引入中国以来，一直被广泛认为是一种从源头上防止污染和实现能源效率的重要措施。到目前为止，我国合成氨工业的水污染减排潜力还缺乏一个全面的部门层面的研究[4]。能源消耗与温室气体排放问题是目前相关研究的热点。

1 方法和技术

1.1 政策评估的自底向上技术模型

自底向上模型广泛用于模拟部门或全国范围内的能源消耗，污染或温室气体排放[5]。在这些模型中，工业部门根据具体的生产工艺、技术或设备被分成若干个子类别。能源消费总量和污染排放总量由总体活动水平和子类别结构决定。模型被扩展到涵盖每个子类别中具有减排效应的技术。一些选定的清洁技术的应用可以在相同的框架中建模。因此，除了改变整体活动水平和行业结构外，技术扩散还会影响未来各个生产过程的能源消耗强度和污染排放负荷。方程式（1）～式（3）描述了模型的结构。

式（1）显示了清洁技术扩散引起的污染产生系数的动态变化。表示t 年生产过程i 的污染物p 的生成系数；θct，i，p表示在生产过程i 种应用清洁技术ct 时污染物p 的降低率；βct，i表示t 年清洁技术ct 在生产过程i中的渗透率。需要注意的是，多种技术之间的相互作用表示为一个产品。从t 时刻到Δt，能源消耗系数的变化与式（1）相似。

为表示管道末端处理技术的额外污染去除能力，计算污染排放系数如式（2）所示。表示t 年生产过程i 中污染物p 的排放系数；φeop，i，p为管道末端处理技术（eop）应用于工艺i 时对污染物p 的去除率;其中为第i 个过程在第t 年的管道末端处理技术应用比例。

最后，将所有生产过程的污染负荷相加，计算出水体污染总排放量，如式（3）所示。为t 年污染物p的总排放量为t 年各过程i 的总产出。

上述自底向上的模拟模型是由一个自底向上的优化模型派生而来的，该模型用于预测环境约束下清洁技术的应用。重大的政策修改可以使当前的模型比以前的模型更加通用和灵活。因此，它可以应用于结构特点多样、清洁技术推广潜力大的工业部门。

1.2 中国氨产业结构与节能减排关键技术

在中国，合成氨是从煤、天然气、石油和焦炉煤气中生产出来的。煤炭约占总产量的76%，尽管与其他原材料相比，煤炭在能源效率和污染负荷方面存在不足[6]。在煤炭方面，由于生产工艺的不同，优质无烟煤、劣质烟煤和褐煤也有区别。根据原料转化技术，即不同的煤气化技术和天然气转化技术对生产工艺进行了分类。对于某些生产过程，如果工厂规模是污染负荷的重要因素，则进一步划分为不同水平的工厂规模。

基于上述材料，将选定的节能和工艺一体化清洁技术的特点总结列在表1 中。该模型共包括9 项节能技术和8 项工艺一体化清洁技术。目前，我国氨行业采用的管尾处理技术有缺氧/好氧（A/O）、多级A/O、反应器(SBR)、酸化-SBR（A/SBR）、循环活性污泥系统（CASS）、膜生物反应器(MBR)作为二级生物处理技术。根据污染控制效果的不同，将处理技术分为4 类：1）能源种类替代；2）传统生物处理以去除氨氮化合物技术；3）高级生物处理以去除氨氮和氮氧化合物技术；4）包含以上种方案的联合。

表1 合成氨工业节能技术与工艺一体化清洁技术

2 结果及讨论

2.1 场景定义

合成氨的总产量主要受化肥需求的推动。预测化肥需求超出了本文预期的范围，具体来说，预计在未来10 年到20 年，化肥需求的增长速度将逐渐放缓至每年不超过2%的水平。因此，本研究模拟假设合成氨的总产量在2021 年至2026 年期间每年增长2%，在2026 年至2031 年期间每年增长1%。2026 年和2031年的总产量分别为5870 万t 和6170 万t。

方案是根据目前的统计数据设计，表2 中的前三种阶段分别代表了合成氨工业在不同政策方式的促进情况。方式1 主要反映的是原材料结构的改变，小型工厂的淘汰；方式2 表示过程一体化清洁生产技术的推广；方式3 表示升级的管端处理技术的推广。方式4代表了结构变化和技术进步的联合效应。

表2 合成氨工业在不同政策方式下的促进情况

2.2 污染排放与能耗排放

各政策下的水污染排放总量和能耗如表3 所示。从这个策略模拟中得出的主要结论如下所示。

表3 四种政策下水污染排放总量和以及能源消耗

1）在政策1、2、3 的情景中，政策1 所表示的原料结构调整对水体污染减少的影响更大。与2021 年相比，2031 年废水、焦炉煤气、氮氢化合物、氰化物、苯酚和石油的排放量分别降低29.0%、50.8%、41.2%、65.9%、70.5%和55.6%。消除和升级许多小型氨厂，发展大规模的现代技术，如夹带流气化，可以大大有助于减少水污染。

2）政策2、政策3 所示，推广清洁技术，升级管端处理技术，除废水外，具有类似的节能减排潜力。清洁技术推广的效果要小于原料结构调整。与2021 年相比，2031 年废水、焦炉煤气、氮氢化合物、氰化物、苯酚和石油消耗量分别降低5.1%、18.5%、16.6%、27.9%，34.9%和5.9%。对这些结果的一种直观解释是，清洁技术在改造大量中小型煤基氨厂方面存在着重要的推广潜力。由于传统电厂的污染负荷远高于新建电厂，因此可以在一定程度上降低污染负荷，但不能完全降低污染负荷。

3）仅采用管端处理是不可能显著减少水污染的。特别是政策3 的废水排放量将在2031 年增加10.4%。这是因为，老旧和小型设施要应用先进的处理技术，将面临许多技术和资金方面的障碍。

4）这些措施的联合效果，如政策4 所示，是比较积极的。在这样一个乐观的前景下，废水、焦炉煤气、氮氢化合物、氰化物、苯酚和石油的消耗量分别降低42.7%、63.2%、63.9%、83.5%、87.8%和73.8%。

3 结论

本文建立了我国合成氨工业自底向上的技术模型。在系统模型框架中，描述了中国氨工业的结构特征和减少污染和节能的技术机遇。构建了4 个代表不同政策措施的发展情景，模拟了未来污染排放和能源消耗的趋势，以探索不同因素对结果的影响。在现实世界中，政策引发的结构变化和技术进步具有高度的不确定性。该分析结构还可以指导其他许多具有复杂结构和技术特征的能源和污染密集型行业的环境政策问题。