中國合成氨行業(yè)節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)評(píng)估及政策研究

尤政隆

（天脊潞安化工有限公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

引言

合成氨作為化肥的基礎(chǔ)上游產(chǎn)品，在我國是一個(gè)非常重要的產(chǎn)業(yè)。高耗能和高排放是我國合成氨工業(yè)面臨的兩大環(huán)境問題。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2019 年中國551 家合成氨廠消耗了全國天然氣產(chǎn)量的18.7%，無煙煤產(chǎn)量的22.1%和電力產(chǎn)量的2.3%，同時(shí)，估計(jì)了廢水總排放量、碳氧化物和氮?dú)浠锼急壤謩e為38%、35%和48%[1]。因此，提高能源效率和減少水污染是綜合政策設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)。然而，中國的合成氨工業(yè)是非常多樣化的，不同種類工廠在能源消耗水平和水污染排放水平上存在著顯著差異[2]。這使決策成為一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。

近十年來，為實(shí)現(xiàn)合成氨工業(yè)的節(jié)能減排，大力淘汰落后的小型合成氨設(shè)施，調(diào)整原料結(jié)構(gòu)。在原料結(jié)構(gòu)方面，利用更多的低質(zhì)煙煤代替無煙煤已被認(rèn)為是一項(xiàng)重要的原料利用政策，因此，中國特別鼓勵(lì)研究和開發(fā)以煙煤為原料的大規(guī)模夾帶流氣化技術(shù)[3]。除了原料結(jié)構(gòu)方面，清潔生產(chǎn)技術(shù)自20 世紀(jì)90 年代末引入中國以來，一直被廣泛認(rèn)為是一種從源頭上防止污染和實(shí)現(xiàn)能源效率的重要措施。到目前為止，我國合成氨工業(yè)的水污染減排潛力還缺乏一個(gè)全面的部門層面的研究[4]。能源消耗與溫室氣體排放問題是目前相關(guān)研究的熱點(diǎn)。

1 方法和技術(shù)

1.1 政策評(píng)估的自底向上技術(shù)模型

自底向上模型廣泛用于模擬部門或全國范圍內(nèi)的能源消耗，污染或溫室氣體排放[5]。在這些模型中，工業(yè)部門根據(jù)具體的生產(chǎn)工藝、技術(shù)或設(shè)備被分成若干個(gè)子類別。能源消費(fèi)總量和污染排放總量由總體活動(dòng)水平和子類別結(jié)構(gòu)決定。模型被擴(kuò)展到涵蓋每個(gè)子類別中具有減排效應(yīng)的技術(shù)。一些選定的清潔技術(shù)的應(yīng)用可以在相同的框架中建模。因此，除了改變整體活動(dòng)水平和行業(yè)結(jié)構(gòu)外，技術(shù)擴(kuò)散還會(huì)影響未來各個(gè)生產(chǎn)過程的能源消耗強(qiáng)度和污染排放負(fù)荷。方程式（1）～式（3）描述了模型的結(jié)構(gòu)。

式（1）顯示了清潔技術(shù)擴(kuò)散引起的污染產(chǎn)生系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。表示t 年生產(chǎn)過程i 的污染物p 的生成系數(shù)；θct，i，p表示在生產(chǎn)過程i 種應(yīng)用清潔技術(shù)ct 時(shí)污染物p 的降低率；βct，i表示t 年清潔技術(shù)ct 在生產(chǎn)過程i中的滲透率。需要注意的是，多種技術(shù)之間的相互作用表示為一個(gè)產(chǎn)品。從t 時(shí)刻到Δt，能源消耗系數(shù)的變化與式（1）相似。

為表示管道末端處理技術(shù)的額外污染去除能力，計(jì)算污染排放系數(shù)如式（2）所示。表示t 年生產(chǎn)過程i 中污染物p 的排放系數(shù)；φeop，i，p為管道末端處理技術(shù)（eop）應(yīng)用于工藝i 時(shí)對(duì)污染物p 的去除率;其中為第i 個(gè)過程在第t 年的管道末端處理技術(shù)應(yīng)用比例。

最后，將所有生產(chǎn)過程的污染負(fù)荷相加，計(jì)算出水體污染總排放量，如式（3）所示。為t 年污染物p的總排放量為t 年各過程i 的總產(chǎn)出。

上述自底向上的模擬模型是由一個(gè)自底向上的優(yōu)化模型派生而來的，該模型用于預(yù)測(cè)環(huán)境約束下清潔技術(shù)的應(yīng)用。重大的政策修改可以使當(dāng)前的模型比以前的模型更加通用和靈活。因此，它可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多樣、清潔技術(shù)推廣潛力大的工業(yè)部門。

1.2 中國氨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)

在中國，合成氨是從煤、天然氣、石油和焦?fàn)t煤氣中生產(chǎn)出來的。煤炭約占總產(chǎn)量的76%，盡管與其他原材料相比，煤炭在能源效率和污染負(fù)荷方面存在不足[6]。在煤炭方面，由于生產(chǎn)工藝的不同，優(yōu)質(zhì)無煙煤、劣質(zhì)煙煤和褐煤也有區(qū)別。根據(jù)原料轉(zhuǎn)化技術(shù)，即不同的煤氣化技術(shù)和天然氣轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了分類。對(duì)于某些生產(chǎn)過程，如果工廠規(guī)模是污染負(fù)荷的重要因素，則進(jìn)一步劃分為不同水平的工廠規(guī)模。

基于上述材料，將選定的節(jié)能和工藝一體化清潔技術(shù)的特點(diǎn)總結(jié)列在表1 中。該模型共包括9 項(xiàng)節(jié)能技術(shù)和8 項(xiàng)工藝一體化清潔技術(shù)。目前，我國氨行業(yè)采用的管尾處理技術(shù)有缺氧/好氧（A/O）、多級(jí)A/O、反應(yīng)器(SBR)、酸化-SBR（A/SBR）、循環(huán)活性污泥系統(tǒng)（CASS）、膜生物反應(yīng)器(MBR)作為二級(jí)生物處理技術(shù)。根據(jù)污染控制效果的不同，將處理技術(shù)分為4 類：1）能源種類替代；2）傳統(tǒng)生物處理以去除氨氮化合物技術(shù)；3）高級(jí)生物處理以去除氨氮和氮氧化合物技術(shù)；4）包含以上種方案的聯(lián)合。

表1 合成氨工業(yè)節(jié)能技術(shù)與工藝一體化清潔技術(shù)

2 結(jié)果及討論

2.1 場(chǎng)景定義

合成氨的總產(chǎn)量主要受化肥需求的推動(dòng)。預(yù)測(cè)化肥需求超出了本文預(yù)期的范圍，具體來說，預(yù)計(jì)在未來10 年到20 年，化肥需求的增長(zhǎng)速度將逐漸放緩至每年不超過2%的水平。因此，本研究模擬假設(shè)合成氨的總產(chǎn)量在2021 年至2026 年期間每年增長(zhǎng)2%，在2026 年至2031 年期間每年增長(zhǎng)1%。2026 年和2031年的總產(chǎn)量分別為5870 萬t 和6170 萬t。

方案是根據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，表2 中的前三種階段分別代表了合成氨工業(yè)在不同政策方式的促進(jìn)情況。方式1 主要反映的是原材料結(jié)構(gòu)的改變，小型工廠的淘汰；方式2 表示過程一體化清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣；方式3 表示升級(jí)的管端處理技術(shù)的推廣。方式4代表了結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)進(jìn)步的聯(lián)合效應(yīng)。

表2 合成氨工業(yè)在不同政策方式下的促進(jìn)情況

2.2 污染排放與能耗排放

各政策下的水污染排放總量和能耗如表3 所示。從這個(gè)策略模擬中得出的主要結(jié)論如下所示。

表3 四種政策下水污染排放總量和以及能源消耗

1）在政策1、2、3 的情景中，政策1 所表示的原料結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水體污染減少的影響更大。與2021 年相比，2031 年廢水、焦?fàn)t煤氣、氮?dú)浠衔铩⑶杌?、苯酚和石油的排放量分別降低29.0%、50.8%、41.2%、65.9%、70.5%和55.6%。消除和升級(jí)許多小型氨廠，發(fā)展大規(guī)模的現(xiàn)代技術(shù)，如夾帶流氣化，可以大大有助于減少水污染。

2）政策2、政策3 所示，推廣清潔技術(shù)，升級(jí)管端處理技術(shù)，除廢水外，具有類似的節(jié)能減排潛力。清潔技術(shù)推廣的效果要小于原料結(jié)構(gòu)調(diào)整。與2021 年相比，2031 年廢水、焦?fàn)t煤氣、氮?dú)浠衔铩⑶杌?、苯酚和石油消耗量分別降低5.1%、18.5%、16.6%、27.9%，34.9%和5.9%。對(duì)這些結(jié)果的一種直觀解釋是，清潔技術(shù)在改造大量中小型煤基氨廠方面存在著重要的推廣潛力。由于傳統(tǒng)電廠的污染負(fù)荷遠(yuǎn)高于新建電廠，因此可以在一定程度上降低污染負(fù)荷，但不能完全降低污染負(fù)荷。

3）僅采用管端處理是不可能顯著減少水污染的。特別是政策3 的廢水排放量將在2031 年增加10.4%。這是因?yàn)椋吓f和小型設(shè)施要應(yīng)用先進(jìn)的處理技術(shù)，將面臨許多技術(shù)和資金方面的障礙。

4）這些措施的聯(lián)合效果，如政策4 所示，是比較積極的。在這樣一個(gè)樂觀的前景下，廢水、焦?fàn)t煤氣、氮?dú)浠衔?、氰化物、苯酚和石油的消耗量分別降低42.7%、63.2%、63.9%、83.5%、87.8%和73.8%。

3 結(jié)論

本文建立了我國合成氨工業(yè)自底向上的技術(shù)模型。在系統(tǒng)模型框架中，描述了中國氨工業(yè)的結(jié)構(gòu)特征和減少污染和節(jié)能的技術(shù)機(jī)遇。構(gòu)建了4 個(gè)代表不同政策措施的發(fā)展情景，模擬了未來污染排放和能源消耗的趨勢(shì)，以探索不同因素對(duì)結(jié)果的影響。在現(xiàn)實(shí)世界中，政策引發(fā)的結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)進(jìn)步具有高度的不確定性。該分析結(jié)構(gòu)還可以指導(dǎo)其他許多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征的能源和污染密集型行業(yè)的環(huán)境政策問題。