沈華民

(中國化工學(xué)會化肥專業(yè)委員會 上海 200062)

全球化時代化肥工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)新

沈華民

(中國化工學(xué)會化肥專業(yè)委員會 上海 200062)

分析了傳統(tǒng)化肥工業(yè)存在的問題及發(fā)達國家與發(fā)展中國家對傳統(tǒng)化肥工業(yè)發(fā)展問題上存在的分歧。傳統(tǒng)的化肥工業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，要延續(xù)其生命力、持續(xù)為人類服務(wù)，當務(wù)之急是對先進核心技術(shù)的自主科學(xué)知識創(chuàng)新，積極籌劃開展新一輪的現(xiàn)代化肥生產(chǎn)的基礎(chǔ)探索研究，以應(yīng)對21世紀的挑戰(zhàn)。

全球化時代；化肥工業(yè)；創(chuàng)新

1913年，德國實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，合成氨中的高氮含量成為化肥的基礎(chǔ)原料。嗣后，硫酸銨、硝酸銨、碳酸氫銨、尿素、磷酸銨、氮磷鉀復(fù)合肥料等化肥產(chǎn)品相繼問世，從此開啟了化肥工業(yè)時代。

近百年來，化肥對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的貢獻功不可沒，人類已習(xí)慣于施用化肥來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。近年來，隨著世界人口的快速增長、城市的擴張以及農(nóng)用耕地的減少，人類更需要提高糧食和農(nóng)作物的產(chǎn)量來滿足不斷增長的需求，對化肥的依賴性更強。進入21世紀，隨著環(huán)境污染、天氣變暖及災(zāi)害性氣候的全球化，直接影響著全人類賴以生存的環(huán)境，人類必須重新審視傳統(tǒng)化肥的生產(chǎn)方法和過程，權(quán)衡化肥生產(chǎn)對人類的利弊得失。上述正負兩方面的因素必然左右著21世紀化肥工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)走勢。

1 存在的問題[1]

以合成氨為主要討論對象，傳統(tǒng)的化肥生產(chǎn)主要存在以下問題。

1.1 原料

農(nóng)作物所需的大量營養(yǎng)元素為氮、磷和鉀，尤以氮元素最為重要。由于空氣中的氮元素難以被作物吸收，必須將其制成液態(tài)或固態(tài)化合物，因此，液態(tài)氨遂成為氮肥之源。

生產(chǎn)合成氨的原料是氮氣和氫氣，氮氣來自空氣，氫氣來自水，因此，早期的制氨方法是在低溫下將空氣液化并分離出氮氣，用電解水法得到氫氣，然后再將氮氣與氫氣合成氨。由于電解水獲得氫氣的電能消耗巨大，導(dǎo)致制氨成本過高。此后，傳統(tǒng)的合成氨生產(chǎn)原料轉(zhuǎn)向碳基石化資源，即煤、石油和天然氣。

1.2 能耗

化肥生產(chǎn)是高能耗產(chǎn)業(yè)，如合成氨生產(chǎn)過程中要消耗較多的蒸汽、電等二次能源，生產(chǎn)1 t氨的理論能耗為21.3 GJ，而實際能耗要高得多。為降低能耗，國際上先進的化肥公司作出了巨大的努力，尤其是20世紀七八十年代，隨著電子計算機及計算技術(shù)的發(fā)展，西方發(fā)達國家先進的合成氨公司已運用數(shù)學(xué)模型對傳統(tǒng)化肥生產(chǎn)進行了開發(fā)和計算，并基本掌握了化肥產(chǎn)業(yè)的知識核心、技術(shù)關(guān)鍵以及發(fā)展趨勢和規(guī)律。經(jīng)過數(shù)十年的努力，噸氨實際能耗從50～60 GJ降至27～29 GJ，已接近理論值，難以再有突破。

1.3 投資

新建化肥裝置投資費用巨大。由于化肥生產(chǎn)，如合成氨和尿素，均是在高溫和高壓條件下進行，尤其是高壓條件是造成裝置投資費用巨大的主要因素之一；由于使用碳基石化原料，需在流程中設(shè)置原料氣轉(zhuǎn)化制取、凈化等一系列過程，使工藝流程冗長、設(shè)備繁多，這是裝置投資費用巨大的另一個重要原因；此外，傳統(tǒng)化肥新技術(shù)、新設(shè)備的開發(fā)研究需投入的經(jīng)費和技術(shù)力量也十分可觀。為此，傳統(tǒng)化肥技術(shù)先進的西方發(fā)達國家將投入傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)的經(jīng)費及技術(shù)力量紛紛轉(zhuǎn)向信息、高新技術(shù)、新能源等“朝陽產(chǎn)業(yè)”，或開展新一輪原創(chuàng)性化肥開發(fā)研究。

2 分歧

基于化肥生產(chǎn)過程中高排污并排放溫室氣體及高能耗、高投資等問題，西方發(fā)達國家在20世紀90年代已將化肥產(chǎn)業(yè)定位為“夕陽產(chǎn)業(yè)”[2]，不再繼續(xù)開發(fā)研究，其中當然也有為了保護自身國家的生態(tài)環(huán)境及為了推卸近百年來生產(chǎn)發(fā)展傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)而排放CO2造成氣候變暖所應(yīng)承擔的責任。為了維持傳統(tǒng)化肥技術(shù)的先進強勢格局及既得利益，保護在化肥生產(chǎn)方面的科學(xué)技術(shù)及對化肥產(chǎn)業(yè)的壟斷和控制地位，西方發(fā)達國家將傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)的科學(xué)知識和技術(shù)融為一體，組合成科技專利加以保護。由此可見，西方發(fā)達國家雖然口頭上宣揚全球經(jīng)濟一體化，但卻用知識經(jīng)濟化來掩蓋其保護主義的本質(zhì)[2]。這種對技術(shù)復(fù)雜的傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)采取的知識和技術(shù)雙重保護，無疑阻礙和限制了發(fā)展中國家對傳統(tǒng)化肥生產(chǎn)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展。

但是，對于人類的大多數(shù)而言，為了生存，不能缺少化肥。據(jù)最近聯(lián)合國糧食組織報道，由于世界各地相繼出現(xiàn)極端天氣而造成糧食減產(chǎn)，已經(jīng)為糧食危機敲響警鐘。化肥是糧食的“糧食”，人類，特別是發(fā)展中國家還需通過進一步發(fā)展化肥生產(chǎn)來保障糧食供應(yīng)。我國作為最大的發(fā)展中國家，擁有13億以上的人口，且地少人多，糧食安全至關(guān)重要。我國用占世界7%的耕地養(yǎng)活了占世界20%的人口，在此化肥的貢獻是不言而喻的。毋容置疑，21世紀我國必須繼續(xù)支持傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)的正常生產(chǎn)和發(fā)展。由于西方與東方社會發(fā)展的差別，生命觀、發(fā)展觀和價值觀不同，西方發(fā)達國家與發(fā)展中國家在如何對待傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展問題上已經(jīng)產(chǎn)生了分歧。

3 化肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑

我國的化肥生產(chǎn)裝置基本上以引進國外先進技術(shù)為基礎(chǔ)，從20世紀70年代到90年代，先后引進了數(shù)十套大型化肥生產(chǎn)裝置。在全球化知識經(jīng)濟時代，面對西方發(fā)達國家對傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)的知識技術(shù)封鎖與壟斷的嚴峻形勢下，必須重點開展消化吸收先進技術(shù)的自主再創(chuàng)新。對先進化肥技術(shù)的自主創(chuàng)新包括兩方面內(nèi)容，即先進技術(shù)設(shè)備和先進流程的核心科學(xué)技術(shù)知識。

我國雖然在20世紀八九十年代進行了對引進裝置先進設(shè)備的消化吸收再創(chuàng)新，即國產(chǎn)化過程，然而忽視了對引進流程專利技術(shù)中核心科學(xué)知識的消化吸收再創(chuàng)新。長期以來，對核心科學(xué)知識消化吸收的缺失是我國化肥產(chǎn)業(yè)進行節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟面臨的主要問題。因此，必須重點消化吸收先進化肥技術(shù)的核心知識，進行自主的科學(xué)核心知識創(chuàng)新，然后以創(chuàng)新知識為導(dǎo)引，開展、開發(fā)符合我國國情的化肥新技術(shù)，這是引領(lǐng)我國傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)新的節(jié)能型低碳經(jīng)濟發(fā)展、走向化肥強國的合理途徑。

4 核心知識的自主創(chuàng)新

如何破解先進流程技術(shù)核心的科學(xué)知識具有一定難度，這是由于發(fā)達國家對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)很少出版科技知識理論方面的叢書(如化肥工學(xué)叢書等專業(yè)書籍)，技術(shù)專利也只提供給用戶操作手冊之類的說明書，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)科技原理方面的論文更加難覓蹤影。

筆者從尿素技術(shù)發(fā)展進步中受到啟發(fā)。由于需不斷降低尿素生產(chǎn)成本，故而尿素的技術(shù)發(fā)展和進步就是一部節(jié)能技術(shù)發(fā)展史，當然也是一部尿素工藝理論知識和核心技術(shù)知識創(chuàng)新史。因此，筆者認為核心知識的自主創(chuàng)新從化肥技術(shù)發(fā)展史入手是一條較好的途徑。

迄今為止，尿素工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)走過了90年的發(fā)展歷程，生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展分別經(jīng)歷了4個階段和4個時代，即：①不循環(huán)、半循環(huán)時代(20世紀20年代至50年代)；②水溶液全循環(huán)時代(20世紀50年代末至60年代)；③汽提時代(20世紀70年代至90年代)；④合成時代(20世紀80年代至21世紀初)。

尿素成為主要化肥品種是從20世紀60年代開始的，當時由于尿素生產(chǎn)工藝的回收技術(shù)取得了重大突破，未反應(yīng)物以低水含量甲銨液返回尿素合成塔，噸尿素蒸汽消耗從超過2.0 t降至1.5～1.8 t，從而取代了其他氮肥品種，開創(chuàng)了水溶液全循環(huán)時代。該回收技術(shù)的核心由兩部分組合而成：①相平衡及相圖試驗和理論研究，低水含量適宜回收區(qū)的發(fā)現(xiàn)；②用氨洗法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水洗法并在工業(yè)生產(chǎn)上獲得應(yīng)用。

20世紀60年代開發(fā)成功的汽提技術(shù)，使尿素生產(chǎn)工藝飛躍進入全面回收熱量的時代，噸尿素蒸汽消耗由1.5～1.8 t急劇降至1.0 t。其核心技術(shù)也由兩部分組成：①超臨界NH3- CO2二元共沸物系的研究及高壓(13 MPa)條件下NH3- CO2- (NH2)2CO·1H2O似三元等壓相圖的制作，為低溫高效率汽提法尿素熱量回收奠定了基礎(chǔ)；②降膜式汽提塔的開發(fā)成功并實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，是用汽提法來實現(xiàn)熱量回收的重要基礎(chǔ)。

20世紀80年代初的合成時代，則以提高尿素合成轉(zhuǎn)化率為主要目標。其核心技術(shù)包括：①工業(yè)尿素合成理論的創(chuàng)新，為提高工業(yè)尿素合成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率提供了理論基礎(chǔ)；②用逆流換熱方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塔底進料法，通過全液相合成法來提高尿素的合成轉(zhuǎn)化率，CO2轉(zhuǎn)化率超過70%，個別達到75%左右,噸尿素蒸汽消耗下降至0.8 t左右。

創(chuàng)建上述技術(shù)核心中的科學(xué)知識理論是技術(shù)開發(fā)進步的重要基礎(chǔ)，掌握并應(yīng)用這些核心知識也是尿素技術(shù)繼續(xù)再創(chuàng)新的基礎(chǔ)。由此，汲取國外先進技術(shù)，融合歷年來國內(nèi)外已開發(fā)的中低壓先進技術(shù)，創(chuàng)建符合我國國情的低能耗尿素新流程，以實現(xiàn)傳統(tǒng)法尿素工藝的“中國夢”[3]。

5 未來的化肥工業(yè)

傳統(tǒng)的化肥工業(yè)已有數(shù)十年歷史，原料的不可再生性和高污染、高能耗，已使其呈現(xiàn)“老態(tài)”?；使I(yè)要延續(xù)生命力、持續(xù)為人類服務(wù)，就必須變革，研究開創(chuàng)無三廢污染、無CO2排放的綠色朝陽化肥產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，西方發(fā)達國家在開發(fā)現(xiàn)代化肥工業(yè)的原創(chuàng)性、探索性基礎(chǔ)研究值得借鑒。

5.1 “太陽能機器”

現(xiàn)代化肥工業(yè)的創(chuàng)建應(yīng)從生命科學(xué)、仿生學(xué)入手。葉綠素的光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，以CO2和H2O為原料，以太陽光為能量，將H2O分解為H2和O2，然后使H2與CO2反應(yīng)生成復(fù)雜的碳水化合物——單糖，其反應(yīng)式如下：

美國和瑞士的科研人員研發(fā)了一種“太陽能機器”的樣機，捕獲的陽光在CeO2的催化作用下使CO2與H2O反應(yīng)生成H2和CO并放出O2，其反應(yīng)式如下：

此發(fā)明的原理：鑒于普通的光伏電池板雖然能吸收光能并轉(zhuǎn)化為電能卻無法儲存電能，“太陽能機器”在設(shè)計時考慮了儲存能量以備后用，即通過1個石英窗口將陽光集中至襯有CeO2的圓柱反應(yīng)器內(nèi)，CeO2在加熱時能將O2“呼出”，而當冷卻時將O2“吸入”。具體操作過程：用泵將CO2和H2O灌入樣機的圓柱反應(yīng)器內(nèi)，在CeO2的催化作用下CO2與H2O反應(yīng)，生成的O2分離出來，引出的H2和CO可以作為燃料或制氨的原料氣。

目前的“太陽能機器”樣機的轉(zhuǎn)化效率還很低，只能利用機器捕獲的太陽能的0.7%～0.8%，大量的能量在熱能傳輸時損失了。研究人員相信，通過改進，其效率將可提高至19%。

5.2 常溫、常壓下合成氨

20世紀初，德國化學(xué)家哈柏在研究直接法合成氨時，由于找不到低壓條件下反應(yīng)速率快的催化劑，故最終選擇了高溫、高壓合成氨的技術(shù)路線，從而決定了之后100年合成氨的技術(shù)走向，也使合成氨生產(chǎn)的設(shè)備投資和生產(chǎn)能耗大為增加。日本東京大學(xué)催化反應(yīng)工程學(xué)的西林仁昭副教授所帶領(lǐng)的團隊針對高溫、高壓條件下合成氨的弊端，正在研究鉬催化劑作用下常溫、常壓合成氨的課題，其反應(yīng)式如下：

如果此課題研發(fā)成功，就無需傳統(tǒng)的高溫、高壓設(shè)備，制造氨的設(shè)備投資及生產(chǎn)成本都可大幅下降，但報道中未提及生成氨的轉(zhuǎn)化率。據(jù)分析，此課題成功的關(guān)鍵是反應(yīng)速率，所以催化劑的選擇是關(guān)鍵。

5.3 新的尿素合成法

(1)

(2)

上述2個反應(yīng)的條件為壓力0.1～1.5 MPa、溫度25～400 ℃。

眾所周知，傳統(tǒng)的工業(yè)尿素合成是高溫、高壓下液相甲銨脫水生成尿素的方法。新方法是氣相尿素生成法，由上述2個平衡反應(yīng)組成，氣相反應(yīng)的壓力得以下降。上述反應(yīng)(1)還是個變換反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)化為H2。

6 結(jié)語

(1)在合成氨生產(chǎn)工業(yè)化100周年之際，由合成氨指導(dǎo)并催生的化肥工業(yè)已有60年的歷史?；仡櫥使I(yè)的發(fā)展歷程，人類受益于化肥工業(yè)帶來的糧食和農(nóng)作物產(chǎn)量成倍增長的福音。然而隨著時間的流逝，化肥工業(yè)也呈現(xiàn)出病態(tài)，即原料的不可再生性、三廢污染以及排放CO2造成的氣候變暖、高能耗和高投資，化肥生產(chǎn)已經(jīng)給人類的生存環(huán)境帶來了挑戰(zhàn)。

(2)進入21世紀，在如何評議化肥工業(yè)的功過問題上存有分歧，化肥工業(yè)的發(fā)展由此遇到了困境。以歐美為主的西方發(fā)達國家認為化肥工業(yè)過大于功并已步入“老年”，傳統(tǒng)的化肥產(chǎn)業(yè)為“夕陽產(chǎn)業(yè)”，不應(yīng)繼續(xù)發(fā)展；同時，他們以“保護科學(xué)知識產(chǎn)權(quán)”為借口，遏制他人繼續(xù)發(fā)展化肥產(chǎn)業(yè)。而以中國為代表的發(fā)展中國家認為，化肥工業(yè)功大于過，只是步入“中壯年”，還未到老態(tài)龍鐘的地步；人類生存，糧食是第一需要，發(fā)展中國家還未擺脫饑餓和貧困狀態(tài)，傳統(tǒng)的化肥產(chǎn)業(yè)應(yīng)在盡力克服現(xiàn)有弊病的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。在西方發(fā)達國家對傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)先進技術(shù)壟斷和封鎖的國際大環(huán)境下，當務(wù)之急是對先進核心技術(shù)的自主科學(xué)知識創(chuàng)新，而從傳統(tǒng)化肥技術(shù)發(fā)展史中提煉出核心知識是開展自主知識創(chuàng)新最為有效的方法之一。

(3)展望21世紀，化肥工業(yè)正處于新舊交替過渡的時代，將傳統(tǒng)夕陽型的化肥產(chǎn)業(yè)改造為無三廢物和無CO2排放的朝陽型化肥產(chǎn)業(yè)已經(jīng)啟動，西方發(fā)達國家已經(jīng)開展了新的現(xiàn)代化肥生產(chǎn)方法的探索研究，值得關(guān)注。當然，新的化肥生產(chǎn)要從技術(shù)探索研究、技術(shù)開發(fā)研究到實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，進而逐步過渡并取代傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)尚需時日，傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)仍將是人類生產(chǎn)化肥的主要方法，估計在未來30～50年不會改變。但是在全球化時代、知識經(jīng)濟時代，新的化肥生產(chǎn)方法的探索研究成果也是絕對不可能共享的，故而應(yīng)未雨綢繆，積極籌劃開展新一輪的現(xiàn)代朝陽型化肥生產(chǎn)的基礎(chǔ)探索研究，以應(yīng)對21世紀傳統(tǒng)化肥產(chǎn)業(yè)方面的挑戰(zhàn)。

[1] 沈華民.低碳經(jīng)濟與化肥生產(chǎn)的CO2減排技術(shù)[J].化肥設(shè)計，2010(4)：7- 14.

[2] 沈華民.尿素產(chǎn)業(yè)在全球化時代的挑戰(zhàn)和應(yīng)對[J].化肥設(shè)計，2011(5)：1- 6.

[3] 沈華民.我國傳統(tǒng)法尿素工藝的“中國夢”在哪里[J].中氮肥，2014(2)：1- 6.

Development and Innovation of Chemical Fertilizer Industry in Era of Globalization

SHEN Huamin

(Chemical Fetrtilizer Industry Committee, Chemical Industry and Engineering Society of China, Shanghai 200062, China)

An analysis is made of the problems of traditional chemical fertilizer industry and existing different opinions between developed countries and developing countries on the problem of how to develop traditional chemical fertilizer industry. The traditional chemical fertilizer industry has experienced decades of development, in order to extend its viability and continue to serve the human race and to take up the challenges of the 21st century, the task of top priority is to innovate scientific knowledge of cutting-edge core technology, and constructively plan carrying out a new round of exploration of the fundamental of modern chemical fertilizer production.

era of globalization; chemical fertilizer industry; innovation

TQ440

A

1006- 7779(2017)01- 0004- 05

2016- 05- 18)