傳統合成氨工業轉型升級的幾點思考

劉化章

（浙江工業大學工業催化研究所，浙江 杭州 310014）

合成氨工業是一個特殊的傳統工業。生產合成氨的原料和燃料以及產品氨都是能源，合成氨設備實際上是一座能源轉化裝置。其次，合成氨反應是一個沒有副反應、原子利用率100%的綠色反應，因此評價合成氨技術優劣的判據不是產品氨的質量，也不是數量，而是噸氨綜合能耗指標，生產過程能量損耗約50%，節能潛力大。第三，基于合成氨的氮肥占化肥的70%，消耗能源和CO2排放占全國總量的3.0%～3.5%，所以合成氨既關乎糧食安全又關乎能源安全。第四，化肥對糧食作物產量的貢獻率占50%左右。糧食的戰略地位決定了合成氨工業是不可替代的，化肥的剛性需求長期存在，無論能源供應如何緊缺，環境控制如何日益嚴格，合成氨工業必須依靠科技進步來面對這一嚴峻形勢而繼續發展，傳統合成氨工業的轉型升級、節能減排只能且必須依賴科技進步，別無選擇。

國家石化產業調整規劃提出了化肥工業的主要任務[1]有：①優化石化產業布局，其中在原料產地生產的化肥比例提高到60%；②采用潔凈煤氣化和能源梯級利用技術，對現有氮肥生產企業進行原料和動力結構調整，實現原料煤多元化，降低成本；③大型粉煤制合成氨等成套技術裝備實現本地化，噸氨綜合能耗低于1.8t 標準煤；④對化肥行業通過上大壓小，產能置換，淘汰技術落后、污染嚴重、資源利用不合理的產能；⑤支持企業聯合重組，引導大型能源企業與氮肥企業組成戰略聯盟，實現優勢互補。

這些既是國家產業政策，也是合成氨工業轉型升級和發展模式調整的重要途徑以及發展煤制油工業等新型煤化工產業的大好機遇。

合成氨工業是一個復雜的系統工程，轉型升級和節能減排需要綜合治理，從原料、技術、設備、工藝、管理等諸多方面猛下功夫。本文僅從原料路線、企業規模、關鍵裝備技術水平、高效催化劑及其工藝技術創新以及與煤化工和能源企業組成戰略聯盟等方面進行了討論。

1 原料路線選擇和轉型升級

合成氨生產所需的原料和燃料都是能源，國外主要是以天然氣為原料，占85%以上；我國天然氣僅占22%（消耗天然氣約126 億立方米），而煤占76.4%（圖1）。這種選擇有其歷史淵源，而從我國能源資源“缺油、少氣、有煤”的特點來說，也許是無可置疑的。

但是，從能源資源的合理利用原則來說，這種選擇就不合理了。煤、油、氣3 種含碳能源的H/C原子比分別是0.31、1.92 和4，而產品氨中只有氫而沒有碳。因此，根據含碳資源合理利用的氫/碳比相近原則[2]，含氫量最高的天然氣是用于生產合成氨的最經濟、最合理的原料；而含氫量最低的煤用于不需要氫的民用和發電是最合理的，兩者倒過來用就更不合理了。天然氣應該保護性地用于化工領 域，并首先確保合成氨生產的需要。

圖1 合成氨生產原料構成

從煤或天然氣和水、空氣為原料制氨的實際能源消耗（表1）的比較可知，以天然氣為原料的日產1000t 的合成氨廠的噸氨能耗是最低的，約為29.3GJ（先進企業已降到27GJ）；以煤為原料的常壓氣化工藝的噸氨能耗最高，達52GJ；加壓氣化工藝為48.2GJ，分別比天然氣為原料的高77.5%和64.5%。實際消耗能源分別為1645kg 標煤和999.8kg標煤，前者是后者的1.65 倍，煤比天然氣多消耗645.2kg 標煤，其中作為原料使用的幾乎相同，差別僅在于作為燃料使用的能源，煤比天然氣多消耗707.4kg 標煤。

煤比天然氣多消耗的645.2kg 標煤，主要是作為燃料而消耗在從水中取氫。煤為原料時，氨所需的1.5 個H2都來自H2O，而天然氣為原料時，只有0.615 個H2來自H2O，即煤比天然氣多消耗0.885個H2O。從這0.885 個H2O 中取出H2需要消耗能量12.25GJ/t（表2），即煤比天然氣為原料多消耗的18.9GJ/tNH3能耗中，有12.25GJ/tNH3損耗在從水中取H2，其余6.65GJ/tNH3是過程的不可逆損耗，因為煤制氨的過程比天然氣復雜得多。

表1 以煤和天然氣為原料的制氨過程的原材料消耗分析

表2 煤和天然氣為原料制氨過程能耗分析（單位：GJ/tNH3）

其次，由表1 可知，煤比天然氣為原料制氨并聯產尿素時不僅多消耗標煤645.2kg/tNH3，而且多消耗H2O 937kg/tNH3，多排放CO22361kg/tNH3。如果天然氣的比例從目前的22%提高到50%，則可節省能源1038 萬噸標準煤（降低13.1%）；可減少用水量1508 萬噸（降低19.5%）；可減少CO2排放量3798萬噸（降低16.2%）。節能、節水、減排效果十分 顯著。

上述討論是從能源資源的合理利用原則來說的。但是，根據市場配置資源的原則，市場的選擇將首先決定于經濟。

首先，當生產1 噸合成氨的煤或天然氣用做民用燃料使用時，市場將選擇哪個？從表3 可知，1645kg 標煤和823.3m3天然氣都只能生產1 噸合成氨，它們的價值是相同的，效益相當。當生產1 噸合成氨的天然氣用于發電與生產合成氨相比，經濟效益是負的；用于供熱，則供熱量減少21.56GJ/tNH3；而當生產1 噸合成氨的煤用于發電，經濟效益大于制氨。因此煤當作民用燃料使用比天然氣用于民用，在經濟上更為合理。所以，目前市場將仍然首先選擇煤用于發電。雖然從環保角度，天然氣優于煤，但燃煤電站可建于邊遠的原煤產地，輸電到發達 地區。

我國2013年生產合成氨5745.3 萬噸。如果其中有50%即2900 萬噸合成氨用天然氣代替煤為原料，則需消耗天然氣約238.8 億立方米。這些天然氣用于生產合成氨與用作民用燃料使用相比，經濟效益可增加276 億元。同時可以減少4770.5 萬噸標煤，可減少CO2排放6847 萬噸。

其次，當煤或天然氣用于制氨原料時，市場將選擇哪個？Brown 公司曾比較了各種煤制氨工藝，認為當天然氣成本是煤的3 倍或4 倍時（按熱值單位），煤與天然氣相比是較為經濟的原料[3]。目前我國天然氣成本（按2.4 元/m3）大約是煤（按1.2 元/ kgce）的1.65 倍（按熱值單位）；其次，煤為原料的合成氨裝置設備投資大，初始投資是天然氣的2.4倍；三是煤制氨的過程比天然氣復雜得多，運行維護復雜，各項費用高，產品成本是天然氣的1.7 倍。因此，市場仍將選擇天然氣比煤為原料制氨是更為經濟的。目前一些天然氣為原料的企業開工率不足，可能是非市場因素造成的。但是，我國煤的資源相對豐富，制氨原料路線理應以煤為主，隨著民用天然氣需求增長和價格不斷上漲，例如，當天然氣價格上漲到5.0 元/m3左右時，市場將只能選擇煤為 原料。

隨著國家能源結構的調整，如國家十二五規劃要求，天然氣占一次能源消費比例提高到7.5%，煤炭消費比例降低到65%左右。同時，隨著我國天然氣產量增加，特別是我國與周邊國家建立的能源進口四大戰略通道，合計每年將為我國提供800 億立方米天然氣。因此，減少煤、焦制氨比例，增加天然氣制氨是有可能的。有專家預計將可供合成氨150～270 億立方米。以每噸氨消耗天然氣1000 立方米計算，可生產合成氨1500～2700 萬噸，與煤制氨相比，有630～1300 萬噸標準煤節能潛力。

原料路線是合成氨廠技術路線的基礎，是帶全局性的戰略決策。既要有戰略眼光，考慮國內能源結構，又要有現實性，計及經濟效益和社會效益。從國家整體利益來考慮，按照科學發展觀和含碳能源資源合理利用原則，天然氣資源應該優先用于化工領域，特別是合成氨；另一方面，大力發展原煤產地坑口電站，將電力輸送到商業中心城市和人口聚集地區以供應民用。特別要注意到的是，盡管天然氣供應緊缺，但國外新建合成氨廠基本上都是以天然氣為原料的，并未影響美國、德國、荷蘭等國去開發天然氣轉化新技術。

表3 生產合成氨與用作民用燃料的比較

2 與煤化工和能源企業組成戰略聯盟，實現產業轉型升級

包括合成氨在內的煤化工產業鏈的第一步大多都是煤氣化制合成氣的過程。合成氨裝置本身是能效最高的能源轉化裝置，是新型煤化工產業的基礎裝置，而現有大型合成氨裝置由煤、天然氣和石腦油等化石能源制合成氣及其凈化和變換技術已經十分成熟。

合成氣是由氫氣、一氧化碳和二氧化碳組成的混合物。在作為氨合成的原料時，它也含有氮氣。合成氣是化學工業中的一種較為重要的中間物種，利用合成氣可以高選擇性地合成各種化學品及系列燃料，也可以作為純氫和純一氧化碳生產的原料。合成氣在能量轉化中發揮著越來越重要的作用。

合成氣幾乎可以利用所有含碳的原料進行氧氣和水蒸氣氧化制得，比如天然氣、石油產品、煤及生物質。因此，它是化學工業路線多樣性發展及合成性燃料（synfuels）的核心。

目前，合成氣最主要的用途是作為氨合成（2008年1.809 億噸/年）和甲醇生產（2005年3.3 千萬 噸/年）的原料。此外，煉廠的加氫處理過程也采用合成氣作為純氫的來源。由合成氣生產得到的主要商品如表4。

目前，全球天然氣轉化所消耗的量（大約為7×109GJ/y）與天然氣總產量剛剛相抵[3.07×1012m3/y（標準，下同）或1.17×1011GJ/y（假設其低熱值LHV為38MJ/m3)]。最近，實際應用中往往傾向于將邊遠地區的低價天然氣或煤炭轉化為液體燃料（gas to liquid，GTL）。隨著燃料電池的發展，未來的所謂“氫能經濟”也將很大程度依賴于此路線。一方面，這些趨勢意味著規模化或大規?；ǎ?00000m3天然氣/h）的GTL 裝置的發展。另一方面，一些規模較小、結構緊湊的基于燃料電池的裝置（5～100m3天然氣或H2/h）也將具有較大發展空間。這些趨勢為催化技術及相關工藝技術的發展提出了新的挑戰。合成氣生產投資和成本通常均占到產品成本的50%～60%，廉價合成氣生產仍是一個重要的目標。

表4 利用合成氣制備的主要化學品[4]

國家石化產業調整規劃[1]提出了支持化肥企業聯合重組，引導大型能源企業與氮肥企業組成戰略聯盟，實現優勢互補。由圖2 可知，合成氨、煤化工或煉油裝置在原料基地組成聯合企業，在大型合成氨裝置上增加側線，依托現有煉廠設施，省去合成氣制造和合成油加工的投資，形成“氨聯油”、“氨聯醇”、“醇聯烯”等聯合生產線，這樣只需增加F-T 合成反應器等投資，從而使投資大幅減 少[5]。這是以煤為原料的產業結構調整的主要途徑、是未來化工聯合企業的一種新模式，正是合成氨工業轉型升級和發展模式調整的重要途徑和發展煤制油工業等新型煤化工產業的大好機遇。

圖2 合成氨、煤化工與煉油組成聯合企業概念圖

此外，從國家安全與國家能源戰略角度考慮，一旦需要即可將散布在我國各地的多數合成氨廠轉為生產液體燃料的廠，形成集散生產與消費模式，穩固自我能源支撐體系，保證在非常情況下發動機燃料的自給，對于國家應付可能發生的能源封鎖及突發事件，具有極其重要的戰略作用。

國家產業政策與合成氨生產技術路線、總體發展趨勢及其可持續性是一致的。對于像合成氨那樣大噸位化工產品，其主要的發展趨勢是[6]：①選址于具有低原料價格區域；②經濟規模；③工藝設備集成化和CO2減排。采用潔凈煤氣化和能源梯級利用技術，對現有氮肥生產企業進行原料和動力結構調整，實現原料煤多元化，降低成本。大型粉煤制合成氨等成套技術裝備實現本地化，噸氨綜合能耗低于1.8t 標準煤，降低能源消耗。

這種趨勢應該是合成氨工業轉型升級的方向。

3 選址或遷址轉移到低價原料產地

世界范圍的全球化促使企業聚集于商業中心或資源中心。其后果是導致化工企業進行功能性重組，大致形成兩類：一類是商品和精細化工產品供應商；另一類是功能性產品供應商（如助劑和藥品）。這種轉移和重組主要出于兩方面的考慮。

首先是出于合成氨生產成本的考慮。在當前競爭環境下，工廠一般會遷向具有較低原材料價格的地區。對于像美國和歐洲的天然氣價格（3～4 美 元/GJ，周期性變化大），生產合成氨基本沒有競爭力[4]。因此，新的大宗化工產品生產企業一般都位于那些具有低天然氣或煤炭價格(0.5～1 美元/GJ)的國家和地區（如中東、特立尼達和多巴哥、尼日利亞、西澳等）。這當然也意味著對于那些具有較大以天然氣為燃料市場的國家或地區，新建以天然氣為化工原料的裝置可行性較低。

我國現有合成氨企業大多聚集于東南沿海經濟發達地區。國家石化產業調整規劃提出優化石化產業布局，其中在原料產地生產的化肥比例提高到60%，即應將大多合成氨企業選址或遷址到低價原料產地，轉移到西北等資源中心。

其次是出于對商業中心城市的環境保護。特別是對于合成氨原料以煤為主的我國合成氨工業來說尤為重要。煤炭制合成氣過程中排放的CO2、SOx和NOx，在所有的化石資源中是最大的。因此，必須讓以煤為原料的合成氨工業遠離中心城市。

當然，減少CO2排放量的根本出路在于減少含碳化石資源的使用量。CO2排放可用C-因子表示[7]（每噸產品排放CO2的噸數）。隨著溫室氣體排放越來越受重視，C-因子也將成為極重要的工藝參數。如考慮碳捕集和存儲（CCS）的成本，生產過程中產生的碳排放也是不可忽略的因素。另一方面，人們試圖利用CO2來生產那些碳中性的燃料，例如合成氨與尿素聯產，但是其生產過程中CO2的消耗不會改變整個世界的碳排放格局[8]。以甲醇合成為例[式（1）]。

即使反應原料H2是由其他碳中性的原料制得的，目前全世界利用此反應合成的甲醇也只消耗了4000 萬噸CO2/年。這一數值相當于一座4000MW的以煤為原料的火力發電廠。特別是對于世界CO2總排放量的27.5×109tCO2/a（相當于7.5×109tC/a），甲醇合成消耗的CO2相對較少。這也就是說利用CO2作為反應物對于全球的碳減排來說作用不大。更不用說，這些反應生成的產物最終仍然會以CO2的形式回到大氣中。這個結論對利用CO2進行天然氣重整來制合成氣也同樣適用。

其次，一般CO2直接與工藝過程的能耗相關。高的能量利用效率意味著更少的CO2排放量。比如，利用天然氣進行氨合成的能耗降低1GJ/t，全世界CO2的排放量將減少約850 萬噸CO2/年。在大多數氨廠中，大概80%的CO2用于和NH3反應生產尿素。當然，在尿素使用過程中隨著尿素的分解，CO2又釋放到大氣中。

4 企業規模轉型升級

眾所周知，企業的經濟效益與裝置規模有關，即存在規模效應。對于像合成氨這樣的大噸位化工產品，經濟效益最重要的關鍵點是生產成本（固定成本和可變成本）?？勺兂杀局饕ㄔ铣杀?、能耗、工藝選擇性及環境治理成本等，詳見圖3。經濟規模的發展也助力于裝置規模的擴張。有研究表明[6]，經濟規模與生產成本的關系可用式（2）表示。

式中，n 的值一般介于0.6～0.9 之間。由于經濟實力的不同也意味著對于不同工藝和技術的選擇范圍不同，這體現在式（2）中的n 值不同。

由式（2）可知，如果企業生產規模從10 萬噸/年提高到30 萬噸/年，且n=0.7，則后者的生產成本是前者的2.16 倍，而不是與規模比例相同的3 倍，即生產成本可降低28%以上。

當今，新建的合成氨裝置單套規模已超過3000噸/天（MTPD），而甲醇裝置的規模也在10000 噸/天（MTPD）。這些規模相當于利用F-T 反應合成油的35000 桶油/天（barrels per day，bpd）的規模。同時，由于裝置變得越來越大，這就要求單個工藝過程裝置小型化，使利用規模生產的優勢達到經濟目的。這也是氫能經濟和燃料電池發展的核心問題之一。微型單元操作裝置如換熱器、新型反應器及其概念都在快速發展，化工裝置也因此變得越來越集成化，以便進一步降低能耗。

根據國際肥料工業協會（IFA）在第77 屆年會上發布的“全球肥料和原材料供需展望”報告估計，全球合成氨產能將由2008年的1.809 億噸增長至2013年的2.178 億噸。2009—2013年全球有55 套大型合成氨裝置投產，新增產能2400 萬噸，其中1300 萬噸來自現有企業的升級改造，其余來自55套新建裝置，其中三分之一來自中國[9]。

我國現有合成氨裝置約400 多套，除了33 套引進的設計規模為30 萬噸/年和近百套我國自行設計的規模為20 萬噸/年的大型裝置外，其余200 多套裝置都是中小型企業。根據國家石化產業調整規劃提出的要求，對化肥行業通過上大壓小，產能置換，淘汰技術落后、污染嚴重、資源利用不合理的產能。我國將繼續對所有規模小于20 萬噸/年的中小型合成氨裝置通過淘汰、兼并、擴建為20 萬噸/年大型合成氨裝置，并要求大型粉煤制合成氨等成套技術裝備實現本地化，噸氨綜合能耗低于1.8t 標準煤。這是合成氨工業在規模上轉型升級的方向。

5 關鍵裝備技術轉型升級

對于合成氨來說，原料的消耗是生產成本中的決定性因素，而工藝裝置的運行成本與能量的轉化與傳遞（傳熱，壓縮）密切相關。有人認為，當原料價格低時，能量效率高低并不特別關鍵。然而，高的能量效率也意味著小的原料處理單元及少的設備單元，從而可以降低投資成本。

在合成氨工業中，原料和燃料消耗量最大的設備是鍋爐、煤氣發生爐或蒸汽轉化爐等三大爐，其能源消耗占噸氨總能耗的60%以上。降低三大爐的能量消耗是進一步節能的重點。

首先，由合成氨過程反應焓變和相應的有效能（?）消耗分析結果表明（表5），有效能損失最大的是蒸汽重整過程，其次是蒸汽生產過程（鍋爐）。相反，利用回收廢熱產生高壓水蒸氣驅動透平和壓縮機的有效能損失較少，在一定程度上彌補了重整工藝的熱損失。因此，合成氨工藝必須經過工藝優化，最大程度利用廢熱。當然，這也是以采用蒸汽透平及裝置的自動化為前提的。

表5 合成氨工藝中反應焓變和有效能（）分析[6]

表5 合成氨工藝中反應焓變和有效能（）分析[6]

能耗 焓/kJ·kgNH3 liq-1 ?/kJ·kgNH3 liq-1 原料和燃料總能耗 29.4 30.7 能量損失 重整 0.4 4.9 蒸汽生產 0.3 2.4 透平/壓縮機 6.5 0.5 其他工序 9.9 2.3 產品能耗 17.1 20.1 效率 58% 66%

考慮到重整爐中由于燃燒產生的能量損失，可以采用對流重整反應器。這樣，二段重整過程中氣體含有的熱量可以供給一段重整步驟作為熱源[6]。二段重整產生的熱可以滿足60%的一段重整的能量需求。如采用對流重整反應器并平行安裝，且操作參數不變，那么管式重整反應器的尺寸可以減少40%。當然，安裝對流重整反應器后高壓水蒸氣的產量會減少。如果操作中二段重整引入的空氣過量（超過計量比50%），或者過程空氣中O2濃度富集超過30%，那么二段重整產生的熱足以滿足對流重整反應器中一段重整天然氣轉化所需的熱。這也意味著可以取消燃燒重整反應器。不過采用這些工藝需要加入額外設備，要么用于空氣富集，要么從合成氣中移除多余N2。此外，正如前面所述，另外一個后果是水蒸氣生產效率降低了。

KBR公司的KRES轉化工藝則取消了燃燒天然氣提供熱量的一段爐轉化爐和輔助鍋爐，其技術核心是使用開口管換熱式轉化爐與自熱式轉化爐（Autothermall reformer，ATR，圖3）組合，在ATR中使用富氧空氣來滿足工藝熱平衡和物料平衡要求，換熱式轉化爐所需反應熱量通過與ATR 轉化爐的高溫轉化工藝氣進行熱交換而獲得（圖4）。因而使工藝余熱品質下降，同時為彌補燃氣輔助鍋爐取消而使合成氨裝置自產高壓蒸汽不足部分，則通過裝置區外高壓燃煤鍋爐（代替原燃氣輔助鍋爐）向合成氨裝置蒸汽輪機輸送高壓動力蒸汽，并在澳大利亞建成一座世界規模最大的、日產合成氨2200t的特大型低能耗合成氨裝置，其工藝流程如圖5。據該公司報道[10]，該技術具有節省建設投資3%～5%、降低操作成本、減少工程費用和NOx、CO2排放的特點，提高了操作靈活性和裝置可靠性，實現 了節能、節氣（天然氣）的目的。這項技術對我國天然氣資源逐年減少的化肥企業尤其適用。例如，遼寧華錦通達化工股份有限公司1000t/d 合成氨裝置采用KRES 進行技術改造的運行結果表 明，與原裝置相比每天可節省天然氣用量約30× 104m3[11]。其次，由表5 可知，熱能損失最大的是透平及其壓縮機，包括原料氣和或工藝空氣、合成氣和制冷等三大透平及其壓縮機，總裝機容量約為33370kW，耗電量占全廠（總裝機容量40070kW）的80%以上，占噸氨總能耗35%左右（表6）。其中，合成氣壓縮機和氨氣壓縮機是最大的能量消耗源。

圖3 ATR 反應器

圖4 ATR 轉化爐（左）和換熱轉化爐（右）組合

圖5 澳大利亞一座世界規模最大、日產合成氨2200t 的特大型低能耗合成氨裝置工藝流程

表6 天然氣為原料1000t/d 合成氨裝置四大壓縮機裝機 容量及能耗

我國已經建設了大批單系列20 萬噸/年大型合成氨裝置，單系列裝置的規模是上去了，相應的配套裝備技術也應該跟上去。但是，據了解，目前一些20 萬噸/年合成氨裝置僅壓縮機就多達40 多臺，而引進的30 萬噸/年合成氨裝置僅一臺汽動壓縮機，且無備用（表7）。因此，開發和采用大功率的大型壓縮機，特別是盡可能利用工藝余熱產生的高溫高壓蒸汽驅動的汽動壓縮機，是20 萬噸/年大型合成氨裝置配套裝備技術改造面臨的重要課題。

表7 國內外合成氣壓縮機性能比較

目前，以天然氣為原料的合成氨工藝的能耗已接近27GJ/tNH3，已有報道指出噸氨能耗已可低至27.2GJ。綜合能耗的顯著降低是與工藝蒸汽透平的整合及催化劑的改進密切相關。

結合下文所述，如果將我國合成壓力為30MPa的數百家中小型合成氨裝置的操作壓力降到15MPa 及以下，則壓縮機可允許采用汽動代替電動，可進一步提高熱效率，節能效果更大。雖然汽動離心式壓縮機熱效率比電動往復式壓縮機稍低，但汽動壓縮機的動力來自于余熱回收的高壓蒸汽，（大型裝置余熱回收及梯級利用技術已趨成熟），而電動壓縮機的動力來自于熱電廠電力（熱效率35%～40%），因而從燃煤起算，汽動壓縮機的熱效率約是電動壓縮機的2 倍[12]。這是引進大型氨廠比我國中小型企業能耗低的一個重要原因。

總之，抓住這三類機器、設備的技術改造，就抓住了節能的技術關鍵所在。

6 工藝技術轉型升級

工藝技術進步是產業轉型升級、節能減排最重要的措施，其貢獻率可占節能減排總量的半壁江 山[13]。產品生產裝置的發展依賴于技術的進步及精密化。甚至工藝上一步小的進步就會在短期內帶來回報。當然具有先進技術的新工藝的一些不確定因素有時也會打破其經濟優勢。工藝流程中，某一步的改進必然導致其他步驟的操作條件及性能。裝置的高度集成化意味著流程中最弱的一部分決定了整個裝置的性能。

但是，由于整個社會對于可持續發展提出了越來越高的要求，因此也同時給這些工藝帶來了新的挑戰。這不僅導致新產品的需求，也促使新工藝的發展。對于催化工藝過程，環境問題是最有可能實現突破的地方。

化工生產過程的大量研究與實踐表明，降低化工產品的能耗主要依靠催化劑及工藝過程的創新。合成氨經歷了一個世紀的發展，生產工藝已趨成熟，降低合成氨能耗更加主要依靠催化劑的技術進步及以新型催化劑為基礎的工藝改進。十分可喜的是，新一代合成氨催化劑已經實現工業化，預計將會給合成氨生產帶來革命性的變化。隨著新型催化劑的使用，合成壓力將會進一步降低。利用Fe1-xO 催化劑，實現8.7MPa 重油部分氧化法和水煤漿氣化法等壓合成氨已經成為可能，如果催化劑的使用壓力降到5MPa 以下，煤炭加壓氣化、天然氣轉化法等壓合成氨也為期不遠。合成氨催化劑技術的創新及低壓合成氨工藝的改進，使合成氨工業跳出高壓工業的范圍成為可能，并將產生明顯的節能效果[14]。由此可知，對于工藝技術轉型升級，至少應包括新型催化劑及以新型催化劑為基礎的工藝改進。

6.1 催化劑的升級換代

在合成氨的生產過程中，從制氣、凈化到合成，主要的化學反應都是通過多相催化過程完成的，催化劑起著極為重要的作用。其中以天然氣為原料，用蒸汽轉化法生產合成氨的大型氨廠所用的催化劑有8 種之多（表8）。

在這8 種催化劑中，蒸汽重整催化劑、低溫變換催化劑和氨合成催化劑的活性好壞和所能達到的轉化率直接影響工廠的經濟收益，被稱為“經濟性催化劑”。無論何種制氨工藝，變換催化劑和氨合成催化劑都是不可或缺的，它們是合成氨工業的核心催化劑。

表8 現代以天然氣為原料制氨裝置8 種催化劑及其主要工藝參數

催化劑活性的高低對于經濟收益的影響極為關鍵。以氨合成催化劑為例，高活性催化劑可以提高氨凈值，而氨產量與氨凈值接近正比關系。氨凈值提高1%，氨產量可以提高約10%，且不需增加投資。產品產量上去了，能耗自然就降下來了。這可從圖6 給出的合成氨廠盈虧平衡曲線來說明[14]。由圖6 可知，假設單位產品價格P 按2000 元/噸，變動成本Cv為1400 元/噸，固定成本Cf為50 萬元/天，則企業的銷售收入隨氨產量的變化如B 線，總生產成本如C 線。則該企業的盈虧平衡點是B 線與C 線的交點，其值為833 噸/天，即當產量少于833 噸/天時，企業要虧本；只有產量大于833 噸/天時，企業才有盈利，其利潤額為B 與C 的差值。在上述條件下的企業，當產量達到設計值1000 噸/天時，其利潤為10 萬元/天。

圖6 日產千噸氨廠盈虧平衡線

催化劑性能對企業經濟效益的影響，主要體現在增產、節能、降耗和開工率的影響。由圖7 可以清楚地知道，增加氨產量可以獲取更為顯著的效益。例如，采用新型高效催化劑使氨產量從設計值1000噸/天提高到1100 噸/天，則利潤從10 萬元/天增加 到16 萬元/天，即1000 噸/天時的噸氨利潤為100元/噸，而增產的100 噸氨/天的噸氨利潤為600 元/噸，后者的噸氨利潤是前者的 6 倍。因此，增產是企業獲取利潤的主要途徑，而采用新型高效催化劑是實現增產的最有效的措施，也是合成氨工業轉型升級的主要關鍵技術。

其次，對于維持設計生產能力而不能或無需增加產量的企業，使用高活性催化劑同樣可以達到節能、降耗、提高效益的作用。

在相同氨產量和操作條件下，高活性催化劑可以提高氨凈值，由此可以達到以下節能降耗效果：氣體循環量與氨凈值成反比，高的氨凈值能使噸氨氣體循環量減少，從而減少了循環機的負荷和冷凍量消耗，降低了動力消耗；可以減少氣體排放量，降低原料消耗；高的氨凈值能提高氨合成反應熱的回收品質和回收率。

在氨產量相同的情況下，可以降低合成壓力，節省動力消耗。例如，使用ZA-5 催化劑要比A110噸氨動力消耗降低23.52kWh/t，對于年產20 萬噸氨的企業，年可節省470 萬度電。文獻[15-16]對上述效果有詳細的分析。

第三，催化劑的穩定性或失活往往決定了生產周期及最佳的適用操作條件。不同于間歇式精細化工產品生產，大噸位化工產品生產中催化劑的壽命是非常關鍵的。因為圖7 中Cf是不隨產量而變動的固定成本，它是企業不開工生產也要支出的費用。往往由于催化劑失效而造成的短短幾天停工會對整個裝置的經濟效益帶來較大影響。因此，催化劑的活性和穩定性是整個工藝的關鍵。對于大規模的工業生產，出于經濟效益的考慮，為了將催化劑壽命提高至5年而將時空收率限制在0.1t 產品/m3或催化劑消耗小于0.2kg 催化劑/t 產品。對于氨合成催化劑，其典型的值一般是0.03kg 催化劑/tNH3。

圖7 壓力與功耗的關系

因此，正確選用催化劑是合成氨廠穩產、高產和低耗的關鍵之一。對于像氨合成催化劑這種直接涉及企業在一個周期內（5～10年以上）的經濟效益的核心催化劑，選用的唯一標準應該是催化劑的性能或性價比，而不是唯產品價格而為之，切不可因小失大。然而，令人遺憾的是，在催化劑市場競爭中卻出現了“劣勝優汰”的現象。某些企業僅僅因為高活性的ZA-5 催化劑因堆密度比其他催化劑高3%～5%，即使價格相同（更不要說本來就應該優質優價），也要比其他催化劑多花3%～5%的費用，因而寧愿選用落后的催化劑。殊不知，僅僅在催化劑的還原階段，ZA-5 催化劑就可以使企業增加數十乃至數百萬元的經濟效益。因此，建議有關部門制定促進“優勝劣汰”的相關政策，加速催化劑的升級換代，使催化劑市場進入真正的技術競爭 時代。

ZA-5 型Fe1-xO 基低溫低壓氨合成催化劑是我國獨創的擁有自主知識產權的原創性高技術成 果[17]，已獲得國家發明二等獎。ZA-5 型低溫低壓氨合成催化劑具有特別容易還原、特別高的活性、特別低的活性溫度、高的機械強度以及適用H2/N2范圍寬等特點，是目前國內外活性最高、生產成本低廉的最先進的催化劑，并已有約23000t 產品在工業上得到廣泛應用。

因此，催化劑的升級換代，采用新型高效ZA-5型這類低溫低壓氨合成催化劑是實現轉型升級并確保經濟效益的關鍵之一。

6.2 降低合成回路壓力

催化劑是工藝技術改造和節能減排的核心技術。我國以煤作原料、30MPa 高壓工藝的中小型合成氨裝置產量大（占全國總產量60%以上）、規模小（單系列裝置平均規模為8～10 萬噸/年）、原料以煤為主（70%以上）、工藝落后（合成壓力高達30.4MPa）、綜合能耗高。如果全部中小型合成氨裝置由大化肥取代，約需投資4000 億元以上，這是一時不能實現的，唯一的出路就是就地進行節能工藝改造。而以高效催化劑為核心技術，對現有合成氨裝置進行低壓合成工藝改造投資省、收效快、效果好，是合成氨工業技術轉型升級、節能減排的方向和重點[18-20]。

國際上合成氨壓力發展方向由高到低，并主要是通過開發高效低溫低壓催化劑來實現節能型低壓合成氨工藝技術。我國雖然擁有世界上最好的催化劑，卻被用在了世界上最落后的高壓工藝上。迄今仍沒有與低壓高活性催化劑相匹配的低壓合成工藝。而且我國操作壓力發展方向剛好與國外相反?，F在能源已成為主要矛盾，追求高產能的時代早已過去！再不把壓力降下來，是不符合合成氨工業發展總趨勢的（表9）。國外壓力由高到低和我國壓力由低到高的實踐過程本身說明，進行低壓工藝改造，技術是成熟的。

在我國，低壓合成氨工藝長期得不到重視，最大障礙是有些專家認為低壓并不能節能[21]，如 式（3）。

表9 我國與國際合成氨壓力和能耗發展趨勢

其結果如圖7(b)曲線1 所示。

從表面看，能量損耗主要在轉化工序，而實質上應在合成。因為占總能耗30%以上的動力消耗主要為合成服務。氫與氮的合成反應為放熱反應，在常溫、常壓下可以合成為氨，加壓合成主要是為了克服氨合成反應的能壘，而能壘的高低決定于催化劑的活化能。就是為了跨越這一反應障礙，付出了多么大的代價，開發新型低溫合成催化劑意義非同小可。新型高效催化劑的活化能比以往“常用” 催化劑的低多了，所需要的壓力也應該隨之降低，這就為低壓工藝提供了技術基礎。

針對式（3），本文作者[22]研究了合成回路三大壓縮機功率與催化劑活性和工藝參數的關系。結果表明，當氨產量和系統壓力一定時，三大機功耗決定于合成塔進出口氨含量（氨凈值）、新鮮氣及放空氣的惰性氣體含量和氨冷凝溫度這三個工藝指標，而它們主要決定于催化劑的活性。

根據這個思路，本文作者提出了以高效催化劑為核心技術的低能耗氨合成新工藝技術方案。采用工藝參數調優設計的方法，在不改變現有的工藝流程情況下，利用ZA-5 催化劑的高活性降低三大機組的總功耗。為此作者課題組設計了合成塔及其回路工藝模擬設計優化工藝包，以三大機總功耗最小為目標函數，對合成回路工藝參數進行了調優設計，結果如圖7(a)所示。

由圖7(a)可知，該新工藝技術中，隨著合成壓力降低，循環機和制冷機的功率基本不變，因此總功率隨合成壓縮機功率降低而降低，其總功率及其節能效果隨壓力變化如表10 所示。

對于20 萬噸/年合成氨裝置，當壓力由30MPa降低到15MPa，總動力功率降低3529.9kW，噸氨能耗降低1.505GJ/t 或節約標煤51.3kgce/t，節能效率達到12.34%。相應地，每年可節電2542 萬千瓦時/年，或年可節煤1.03 萬噸標煤/年，減排CO22.36萬噸/年。

對于全國5700 萬噸/年合成氨，則每年可節電72.45 億千瓦時，或年可節煤295.8 萬噸標煤，減排CO2672.6 萬噸。

同時，由表10 可知，當壓力由30MPa 降低到10MPa 時，節能減排效果更為顯著。

尤其值得注意的是，當采用渣油、水煤漿或粉煤在4～9MPa 高壓制氣，并采用ZA-5 催化劑時，可以實現低壓或7.5MPa 的等壓合成氨新工藝。在該工藝中，無須合成氣壓縮機，壓縮總功率可以降低一半左右，噸氨能耗降低6.17GJ/t 或節約標煤210.6kgce/t，節能效率達到50.62%。這個計算結果與Kellogg 公司曾提出4MPa 等壓合成氨工藝節能2.3～6.9GJ/t 的結果基本一致[3]。

表10 20 萬噸/年合成氨裝置三大壓縮機總功率及其節能效果與壓力的關系

因此，等壓合成氨工藝是合成氨工業發展的 方向。

此外，當壓力從30MPa 降到10～15MPa 時，還帶來兩個好處：①壓縮機和設備的壓力等級降低，合成回路建設費用降低12.1%，其中合成氣壓縮機及級間設備等費用節省37.2%[23]，如果新建100 套20 萬噸/年合成氨裝置，可節省基建費用約70 多億元；②如前所述，由于壓力降低，為采用汽動壓縮機創造了條件，可以進一步降低投資和能耗，其總熱效率比往復式壓縮機提高一倍[12]。

調優設計的一個成功的先例是Kellogg 公司對以天然氣為原料的蒸汽轉化工序工藝參數進行調優，結果使噸氨能耗從38.6GJ 降低到28GJ；原料能耗幾乎不變；燃料能耗從占總能耗44%降低到25%。這就是目前廣泛采用的Kellogg 公司的低能耗合成氨工藝。

7 結論和展望

糧食問題始終是性命攸關的重大戰略問題，解決好13 億人的吃飯問題始終是治國安邦的頭等大事。糧食都是含氮物質，其中約50%氮來自氮肥，其余來自自然界。人體中的氮50%來自合成氨，也就是說，如果沒有合成氨工業，地球上將有50%的人不能生存。我國也不可能以占世界7%的耕地養活占世界21%的人口。中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手上。為了切實保障國家糧食安全，滿足隨著人口和人均糧食需求增長的需求[24]，守住了18 億畝耕地紅線后，畝產就要能夠從現在的333kg 提高到450kg，這主要就依靠化肥。據聯合國糧農組織FAO 統計，化肥對糧食作物產量的貢獻率占40%～50%。所以，化肥在確保國家糧食安全中起著不可代替的作用，同樣是“性命攸關的”。過量使用化肥對生態環境造成的負面影響已引起社會高度關注，但是假如停止施用化肥，那么農作物將會即刻減產40%～50%，切不可“因噎廢食”，把“臟水和孩子一起潑掉！”。

由此可知，糧食的戰略地位決定了合成氨工業是不可替代的，化肥的剛性需求長期存在，無論能源供應如何緊缺，環境控制如何日益嚴格，合成氨工業必須依靠科技進步來面對這一嚴峻形勢而繼續發展，傳統合成氨工業的轉型升級、節能減排，只能且必須依賴科技進步，別無選擇。過量使用化肥對生態環境造成的負面影響主要是化肥未能物盡其用[25]。因此，提高化肥利用率，減少化肥流失，是減少化肥對生態環境造成負面影響的關鍵所在。其次，大力發展農肥和生物固氮作物，特別是大量種植豆科植物（一個根瘤就是一座“微型氮肥廠”），是減少化學氮肥用量、解決當前我國農業生產中過量施用化肥的負面影響的途徑之一[26]。

[1] 石化產業調整和振興規劃[2009-05-18]. [EB/OL]http：//www.gov. cn.

[2] 曹湘洪. 面向2020年我國煉油石化產業必須重視的若干問題. 見：薛群基 主編，面向2020 的化工、冶金與材料，中國工程院化工、冶金與材料工程學部第六屆學術會議論文集[M]. 北京：化學工業出版社，2007.

[3] 于遵宏，朱炳辰，沈才大，等. 大型合成氨廠工藝過程分析[M]. 北京：中國石化出版社，1993.

[4] Rostrup-Nielsen J R. Natural Gas：Fuel or Feedctock，Proc. NATO ASI Sustainable Strategies fou the Upgrading of Natural Gas：Fundamentals，Challenges and Opportunities[M]. Derouane E G，Parmon V，Lemos F，et al，eds）. Dortrecht：Springer，2005：3.

[5] 劉化章. 合成氨工業：過去、現在和未來——合成氨工業創立100周年回顧-啟迪和挑戰[J]. 化工進展，2013，32（9）：1995-2005.

[6] Nielsen J R，Christiansen L J. Concepts in Syngas Manufacture[M]. London：Imperial College Press，2011.

[7] Christensen C H，Rass-Hansen J，Marsden C C，et al. The renewable chemicals industry[J].Chem. Sub. Chem.，2008，1（4）：283-289.

[8] Rostrup-Nielsen J R.Catalytic conversion of carbon dioxide(special issue：Preface)[J]. Appl. Catal.，2003，A 255：3.

[9] 世界合成氨產能未來幾年仍將增加（動態簡訊）[J]. 天然氣化工，2009，34（3）：43.

[10] Ammonia technology solutions[EB/OL]. www.kbr.com/technology or email ammonia@kbr.com.

[11] 許曉軍，王剛，裴盈，等. 大型合成氨裝置KRES 技術改造特點[J]. 大氮肥，2004，27（2）：90-92.

[12] 沈俊主編，朱世勇，馮孝庭副主編.《化肥工學叢書》編委會. 合成氨[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

[13] 李勇武主編. 科技興化激蕩30年——紀念中國石油和化學工業改革開放30年[M]. 北京：化學工業出版社，2008.

[14] 劉化章. 氨合成催化劑——實踐與理論[M]. 北京：化學工業出版社，2007.

[15] 劉化章. 合成氨工業節能減排的分析[J]. 化工進展，2011，30（6）：1147-1157.

[16] 劉華彥，劉化章. A301 催化劑用于日產千噸徑向氨合成塔操作工況的模擬及優化[J]. 化肥工業，2002，29（2）：28-32.

[17] Liu Huazhang. Review：Ammonia synthesis catalyst 100 years：Practice，enlightenment and challenge[J]. Chinese Journal of Catalysis，2014，35（10）：1619-1640.

[18] 劉化章，胡樟能，李小年，等. A301 催化劑等壓合成氨的可行性[J]. 化工學報，2001，52（12）：1063-1067.

[19] 戴欣華，劉化章. 中小型合成氨裝置合成回路低壓改造的模擬計算和可行性探討[J]. 化肥工業，2006，33（3）：12-16.

[20] 劉化章，劉華彥. S-200 徑向氨合成塔使用A301 催化劑模擬計算[J]. 大氮肥，2001，24（4）：233-237.

[21] Ib Dybkjaer，Erik A Gam. Save-energy measures in ammonia synthesis——Application of high-activity catalysts and new converter[J]. CEER，1984，16（9）：29-35.

[22] 劉化章. 高效催化劑與低能耗合成氨工藝. 見：現代化工 冶金 材料 能源//中國工程院化工、冶金與材料工程學部第九屆學術會議論文集[M].上冊，曹湘洪主編. 徐州：中國礦業大學出版社，2012：51-57.

[23] [美]A V. 斯拉克，G. R. 詹姆斯 主編. 大連工學院無機化工教研室譯. 合成氨（第三分冊）[M]. 北京：化學工業出版社，1980：147-148.

[24] 奚振邦，鄭偉中. 我國糧食安全與化肥問題試析[J]. 化肥工業，2005，32（2）：1-4.

[25] 伍宏業，曾憲坤，黃景梁，等. 論提高我國化肥利用率[J].磷肥與復肥，1999（1-2）：6-12.

[26] 陳文新，陳文峰. 發揮生物固氮作用，減少化學氮肥用量[J]. 中國農業科技導報，2004，6（6）：3-6.