1、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）摘要：合成氨生产是中国的能源密集型产业，造成了严重的水污染与能源消耗。合成氨行业的复杂结构及其动态发展，对合成氨行业的环境保护政策提出了挑战。本文建立了我国合成氨工业自底向上的技术模型。合成氨的生产根据不同的原料类型、生产工艺和工厂规模分为多种组合。并设计了 4 种政策情景来预测未来的水污染排放和能源消费趋势：生产原料更换；推广清洁技术；升级管端处理；三种方式的组合。并预测了 4 种方式对未来水资源以及能源消耗水平。关键词：合成氨工业能源消耗水资源消耗中图分类号：TQ113.2文献标识码：A文章编号
2、：1004-7050（2022）09-0134-02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
3、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
4、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。Gt+ti，p=Gti，p 1-ct，i，p（t+tct，i-tct，i），（1）Eti，p=Gti，peopSETeopiteop，i（1-eop，i，p），（2）TEtp=AiDti Eti，p.（3）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。
5、Gti，p表示 t 年生产过程 i 的污染物 p 的生成系数；ct，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；ct，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 t，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。EtA，i，p表示 t 年生产过程 i 中污染物 p 的排放系数；eop，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 teop，i为第 i 个过程在第 t 年的管道末端处理技术应用
6、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。TEtp为 t 年污染物 p的总排放量，Dti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、石油和焦炉煤气收稿日期：2022-04-15作者简介：尤政隆，男，1988 年出生，毕业于西北工业大学，本科，助理工程师，研究方向为合成氨工艺及设备。总
7、第 205 期2022 年第 9 期山西化工Shanxi Chemical IndustryTotal 205No.9，2022DOI:10.16525/14-1109/tq.2022.09.055节能减排2022 年第 9 期表 3四种政策下水污染排放总量和以及能源消耗项目2021 年方式 1方式 2方式 3方式 42026 年2031 年2026 年2031 年2026 年2031 年2026 年2031 年水污染及主要能源消耗量水资源浪费/百万 t637.0538.7452.5644.2604.4693.0703.4487.9364.7焦炉煤气/kt42.731.121.039.834.
8、840.633.324.415.7氮氢化合物/kt31.324.118.429.526.130.725.419.311.3氰化物/t238.2140.581.3211.9171.7231.4191.098.339.3苯酚/t37.020.610.931.824.134.426.313.54.5石油/t2 264.81 513.61 005.32 280.22 132.12 175.21 760.91 200.2592.3能源消耗标准煤/百万 t90.697.699.295.293.4100.0105.193.291.0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
9、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，
10、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。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
11、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。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 1合成氨工业节能技术与工艺一体化清洁技术项目序号节能技术工艺一体化清洁技术1低能耗 CO2去除技术甲醇化-甲烷化提纯技术和甲醇化-烃基化提纯技术2甲醇化-烃基化净化技术和甲醇化-甲烷化净化技术用蒸馏法从稀氨水中回收液氨技术3低温转换和中-低-
12、低温转换技术稀氨水浓缩再利用技术4采用高效催化剂的低能氨合成技术循环冷却水排放技术（用脱盐水替代循环冷却水系统）5低能耗天然气重整技术（换热重整技术）油水分离和采油技术6“三废”流态化混合燃烧炉技术碱性溶液基脱硫技术7一级重整炉烟气余热回收技术气化污水微涡流澄清闭式循环技术8蒸发式冷凝器冷却技术蒸发式冷凝器冷却技术9联合循环技术表 2合成氨工业在不同政策方式下的促进情况项目序号名称主要假设关键变量设置1生产原料更换对于煤基氨，未来的大部分新产能将采用以烟煤为原料的夹带流气化工艺。这些产能将取代现有的小型固定床气化工艺对于天然气基氨气，由于扩大产能和改造现有工厂，小型蒸汽重整和间歇重整工艺的比例
13、将会下降煤炭、天然气、焦炉煤气和石油的份额保持在2021 年观察到的水平。2026 年烟煤在煤基氨中的比例达到25%，2031年达到 35%，取代小型固定床气化厂2026 年，大型蒸汽重整工艺占天然气基氨的60%，2031 年占 75%2清洁技术的使用在未来更严格的节能和污染控制政策的推动下，先进的低能源技术和清洁生产技术将迅速传播，特别是在大中型工厂一体化清洁技术的渗透率到 2026 年增加了15%，到 2031 年增加了30%废水末端处理的技术组合保持不变3升级的管端处理技术由于今后对废水的排放限制更加严格，具有高效反硝化作用的生物处理技术将被广泛采用。对于大中型工厂，基于膜技术的深度处理
14、和废水回用将在 2026 年后逐步普及先进生物处理技术在2026 年约占 40%，到2031 年约占 60%到 2031 年，第三级深度处理占 15%，主要是大型工厂4以上三种的组合这代表了我国合成氨工业最乐观的发展前景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
15、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（下转第 162 页）尤政隆：中国合成氨行业节能减排关键技术评估及政策研究135山西化工第 42 卷Evaluation and Policy Research on Key Technologies of Energy Saving and EmissionReduction in Chinas Synthetic Ammonia IndustryYou Zhenglong（Tianji Luan Chemical Co
16、.,Ltd.,Changzhi Shanxi 047500）Abstract:Synthetic ammonia production is an energy intensive industry in China,causing serious water pollution and energy consumption.The complex structure and dynamic development of the ammonia industry pose challenges to the environmental protection policies of theammonia industry.In this paper,a bottom-up technical model for Chinas ammonia industry has been established.The production ofsynthetic ammonia is divided into various combinations according to different
