小型緊湊的合成氨工廠

文/Ralf Mayer博士

本文作者系San-Ten咨詢公司的咨詢顧問。

重新考慮合成氨：日本開發(fā)商希望用像這樣緊湊的工廠進行現(xiàn)場生產(chǎn)

日本研究人員研發(fā)出了一種用于小規(guī)模合成氨的新技術——緊湊的合成氨系統(tǒng)可以使較小的國家建立自己的分散式合成氨生產(chǎn)，并在工業(yè)脫碳中發(fā)揮重要作用。通常情況下，復雜的催化劑是這個新技術實現(xiàn)的關鍵因素。

氨是化學工業(yè)中的一種重要原料，可以作為著色劑、鹽、制冷劑以及肥料，全世界每年生產(chǎn)約1.5億t。全球約99%的氨生產(chǎn)基于100多年前開發(fā)的哈伯－博世（Haber–Bosch）工藝，在這種工藝中，氫在高壓和高溫下與氮氣通過鐵催化劑反應生成氨。然而，這種傳統(tǒng)的合成氨工藝的生產(chǎn)過程有一個很大的缺點：哈伯－博世工藝需要在較高的溫度和壓力下進行反應，使其生產(chǎn)工藝對設備及生產(chǎn)成本均有較嚴苛的要求，導致小規(guī)模合成氨的生產(chǎn)無利可圖。

日本Tsubame BHB公司研發(fā)了小型氨工廠。該技術的核心是東京理工學院在日本科學技術廳的公共資助戰(zhàn)略研究項目（ACCEL項目，科學總監(jiān)：細野秀夫教授，項目經(jīng)理：橫山俊春）中開發(fā)的新型電催化劑。

電催化劑是一種化合物，其中電子與帶正電的骨架離子結(jié)合，電子充當陰離子。用于合成氨的催化劑在電極上攜帶納米級的金屬粒子，在這些表面上，電子很容易將氮分子分裂成原子，從而實現(xiàn)與氫的反應，電催化劑的反應原理如圖1所示。因此，氮和氮之間的三鍵可以用更少的能量分裂，并且可在低溫和低壓條件下重新實現(xiàn)高效的氨合成。Tsubame BHB公司成立于2017年4月，旨在進一步開發(fā)新型催化劑技術并在全球范圍內(nèi)推廣該工藝。新公司的主要投資者是日本食品制造商味之素，以及環(huán)球材料孵化器的UMI I投資基金。其目的是將世界上第一種“現(xiàn)場氨生產(chǎn)”模式商業(yè)化，并在消耗氨的地方直接生產(chǎn)所需量的氨。

圖1 電催化劑的反應原理

目前，世界上有120多個國家沒有投資建設基于哈伯－博世工藝的大型合成氨工廠。較高的投資金額和由此產(chǎn)生的生產(chǎn)成本將遠超過國內(nèi)需求，那么這將不具成本效益。此外，通常沒有足夠的氫氣和能源等資源來支撐經(jīng)營這樣一個大型工廠。而Tsubame BHB公司的分散式小型現(xiàn)場合成氨廠購買成本較低，另一方面可以適應有關國家的需求和資源的可用性。小規(guī)模合成氨的另一個優(yōu)勢是可以利用可再生能源和可再生氫生產(chǎn)并發(fā)生反應。

現(xiàn)場生產(chǎn)

實際上，大型哈伯－博世系統(tǒng)所需的風能或太陽能發(fā)電區(qū)域?qū)⒏采w幾個足球場。而Tsubame BHB公司開發(fā)的小型合成氨工廠只需要大約5臺風力渦輪機來運行一個每年3 000 t合成氨的工廠。與來自蒸汽重整反應器的氫氣相比，使用綠氫制氨可以節(jié)省大量的二氧化碳。因此，現(xiàn)場生產(chǎn)和消費的可再生能源綠氨被很多人視為未來氨使用的標準。Tsubame BHB公司的現(xiàn)場合成氨系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)，并且可以使用綠氫和可再生能源進行操作，積極促進綠氨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

Tsubame BHB公司并不認為自己與現(xiàn)有的哈伯－博世工藝直接競爭，而是覺得自己是能夠在更多領域為資源節(jié)約和成本效率做出貢獻的補充，哈伯－博世方法與Tsubame BHB研發(fā)方法的比較見表1。

表1 哈伯－博世方法與Tsubame BHB研發(fā)方法的比較

此外，對于現(xiàn)場合成氨生產(chǎn)來說確保了原材料的供應安全?；S難以獲得原材料交付的情況正變得越來越普遍。暴雨和洪水導致的交通基礎設施故障是一個典型的例子，隨著河流和運河的水位越來越低使運輸越來越困難直至癱瘓。相比而言，小規(guī)?，F(xiàn)場合成氨生產(chǎn)不僅減少了總體碳足跡，而且有助于確保原材料的供應安全。

小就是美

從可持續(xù)性、資源節(jié)約和環(huán)境友好的角度來看，可再生能源的迅速發(fā)展必然是受歡迎的。然而，風能和太陽能等能源產(chǎn)生的能量波動很大，不容易保證完成固定時間的實際生產(chǎn)需求。而且在不久的將來，這些變化需求和供需差異將不得不通過儲能來補償。除能源供應之外，氫氣供應也十分重要，氫能夠通過電解生產(chǎn)，然后在燃料電池中轉(zhuǎn)化為電能。然而，氫氣的能量密度相對較低，這會使過程效率低下。通過氨的儲存和運輸可能是一種解決方案，因為氨的能量密度相比于氫的能量密度要高得多，比液態(tài)氫也更容易儲存和運輸。Tsubame BHB公司的小型合成氨工廠可以在這過程中發(fā)揮關鍵作用，因為它們非常適合較小的、分散的能源系統(tǒng)，并使氨生產(chǎn)接近能源發(fā)電，例如，可以直接在風力發(fā)電場生產(chǎn)。

2019年12月，一家年產(chǎn)20 t氨的試點工廠在東京附近的川崎開始運營。在這個實驗工廠中，研究人員正在研究催化劑的長期穩(wěn)定性和最佳工藝條件。在優(yōu)化的操作條件（反應器溫度、壓力等）下，對中試裝置中的催化劑進行的試驗表明，催化劑的催化活性高于實驗室試驗。與實驗室反應器相比，在相同的生產(chǎn)率下，所需的催化劑量可減少約30%。對于年產(chǎn)數(shù)千噸或更多的合成氨工廠，這意味著他們可以用更少的催化劑運行。此外，實驗室反應器還表明，即使在恒定的反應條件下連續(xù)運行兩年以上，催化劑也不會失活。

未來發(fā)展

Tsubame BHB公司目前已經(jīng)完成了500 kg/a、3 000 kg/a和5 000 kg/a的兩個模塊化單元的基礎工程。這些系統(tǒng)旨在用于交鑰匙操作，并能夠提供可選的氫氣和氮氣供應。而且對于生產(chǎn)超過1×1010t/a的大型系統(tǒng)，也有經(jīng)典的EPC業(yè)務模式，即用戶接收設計和規(guī)劃數(shù)據(jù)以及催化劑，并與已建立的工程公司合作進行系統(tǒng)的實際建設。 ●