氮肥工廠“碳達峰、碳中和”的低碳技術探索

彭宇航 邵子豪 金靈 趙楠 龔淑芬

摘要：從國際市場供需來看，全球氮肥增長已經進入成熟發展階段，總需求量保持緩慢穩定增長。中國是世界上最大的氮肥生產使用國，但是我國對于化學氮肥的使用效率和利用率還是較低的，不僅造成化學氮肥資源的大量浪費，還會影響農業上的生產效率，對環境土壤造成嚴重的危害。且制作氮肥過程需要合成氨，73.7%的合成氨都是以煤為原料生產的。其中硝酸、己二酸生產過程中會產生一種溫室氣體——氧化亞氮，其氣體具有較高的全球變暖潛能值和破壞大氣中的臭氧層的作用與二氧化碳相比，其全球變暖潛能值為298。

關鍵詞：氮肥工廠;碳達峰;節能減排;低碳技術轉型

習近平總書記強調，實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，需把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局中，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標。中國作為世界上最大的發展中國家仍處于工業化、城鎮化的深化發展的階段，對于能源資源的需求仍保持剛性增長，實現碳達峰、碳中和的時間窗口偏緊，工作任務偏重，以節能降碳為重要抓手，加快轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力，推動經濟社會發展建立在資源高效利用和綠色低碳發展的基礎之上[2]。2020年以來，受煤炭、天然氣等原料市場的影響，氮肥行業經營波動較大“雙碳”、“雙控”等政策對行業發展的影響也日益明顯。如何實現氮肥企業的可持續發展仍然是擺在氮肥行業面前的一個重大課題。因此，為了分析和研究氮肥行業的發展現狀和最新的產業政策，因此提出探索適合氮肥行業的低碳技術，實現碳峰值，這是現在的重點方向。

1 前言

1990年開始，國際社會在聯合國框架下開始關于應對氣候變化國際制度安排的談判;1992 年達成《聯合國氣候變化框架公約》;1997年達成《京都議定書》;2015年達成《巴黎協定》[3]。這些是各國共同面對氣候變化的政治基礎和法律基礎。2015年習近平主席在聯合國氣候變化巴黎大會講話中指出中國將把生態文明建設作為“十三五”規劃中的重要內容，實施構建低碳能源體系、優化產業結構、發展綠色建筑和低碳交通、建立全國碳排放交易市場等一系列政策措施，形成人和自然和諧發展的現代化建設的新格局必須通過科技創新和體制機制創新[4]。2020年9月22 日，習近平總書在七十五屆聯合國大會一般性辯論上向世界宣布了中國的碳達峰目標和碳中和愿景，二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和[5]。

據世界氣象組織最新發布信息顯示，目前全球的地表平均溫度增幅已經超過1°C，如果繼續以目前的速率升溫全球升溫幅度可能會在2030年至2052年達到1.52°C，這將對全球自然生態環境造成巨大的影響，而中國升溫幅度相比全球平均升溫水平來說較高。氣候變化會造成極端天氣、自然災害、破壞生態平衡等一系列的影響，這會對人類經濟社會的發展構成重大經濟威脅和社會損失。

碳達峰、碳中和是系統性、戰略性和全局性工作，覆蓋能源、工業、交通、建筑等高耗能、高排放部門，涉及生產和消費、基礎設施建設和社會福利等各方面。把碳達峰碳中和納入生態文明建設整體布局，制定科學的行動計劃，構建綠色低碳理念，有助于加快構建節約資源、保護環境的產業結構、生產方式、生活方式和空間格局，堅定不移走綠色低碳、生態優先、高質量發展。同時，為綠色低碳轉型指明了方向，為全球氣候治理注入了新動力[6]。

2 我國氮肥工廠碳排放的現狀

中國是世界上化石能源消費量最大的國家之一，也是石油化工產品消費大國。在2018年碳排放量近100億噸，居世界第一;2019年全世界碳排放總量達342億噸，其中我國碳排放已達近100億噸，其碳排放量將達全世界總碳排放量的三分之一。中國的能源結構是“富煤缺油少氣”，所以煤炭仍是當前能源消耗的主體，煤炭的消費占能源總消費比例為58%，遠超世界27%的平均水平。其中我國化工產業每年消耗4.2億噸標煤，約占全國消費總量的8.4%;二氧化碳年排放量達到11億噸，其占全國總排放量的10%[7]。其中，合成氨、甲醇產業在全產業的碳排放量中更是名列前茅，并且73.7%的合成氨、77.3%的甲醇都是以煤為原料生產的。2020年合成氨、甲醇行業CO2成總的排放量分別為2.19億噸和1.96億噸，分別占石化和化工行業排放總量的19.9%和17.8%，二者合計CO2者排放量約占到石化和化工行業排放總量的38%。因此減少碳排放必然會對中國的石化和化工行業產生重大影響。煤不僅是化工生產的動力源，也是甲醇、氨等煤化工產品的重要原料。煤化工行業碳排放具有單排放源排放強度大、生產過程中碳排放濃度高的特點。煤化工過程中碳排放強度遠高于全國平均碳排放水平，達到全國平均水平的10-20倍[8]。因此我國煤化工行業的發展正面臨著非常嚴重的碳排放問題，同時也導致氮肥、甲醇行業的碳減排壓力巨大。

如今，隨著農業現代化的逐步推進，農民對化肥等主要農業投入品的質量和使用效率提出了越來越高的要求。當前，我國農業生產與資源環境的矛盾日益突出，化肥行業面臨著能源、資源和環保的硬約束。氮肥行業還面臨天然氣供應短缺、節能減排技術發展滯后、原材料價格波動、產品結構單一、單位產品能耗相對較高等問題，制約行業低碳高質量發展的突出問題。當今氮肥企業必須進行新的供給側改革，這是氮肥企業面臨的重要問題。因此石化和化工行業，尤其是氮肥、甲醇等碳排放企業對此十分重視，并十分關注世界碳減排形勢、中國的碳減排政策和碳減排措施。

3氮肥工廠低碳技術探索措施

3.1國家政策措施

2022年3月5日國務院總理李克強在第十三屆全國人民代表大會第五次會議中提出要有序的推進碳達峰、碳中和工作。落實碳達峰行動方案，推動能源革命，確保能源供應，立足資源稟賦，堅持先立后破、通盤謀劃，推進能源低碳轉型;加強煤炭清潔高效利用，有序對煤炭使用減量替代，推動煤電節能降碳改造、靈活性改造、供熱改造;推進綠色低碳技術研發和推廣應用，努力建設綠色制造體系和服務體系，推進鋼鐵、有色、石化、化工、建材等行業節能降碳;堅決遏制高耗能、高排放、低水平項目的盲目發展;推動能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”的轉變，加強完善減污降碳激勵約束政策，加快形成綠色生產、綠色生活方式[9]。

2021年4月16日，習近平主席同法德領導人舉行視頻峰會時表示，中國已決定接受《<蒙特利爾協定書>基加利修正案》，加強對非CO2利溫室氣體管控。生態環境部發布的《關于加強企業溫室氣體排放報告管理相關工作的通知》中，將硝酸生產企業納入到碳排放數據報告與核查的名單中。此外，應生態環境部氣候司要求，氮肥協會編寫了《硝酸行業氧化亞氮減排行動方案》?！笆逦濉逼陂g國家很有可能將氧化亞氮納入到全國碳市場。今后硝酸企業也要積極開展減排工作，為下一步非CO2溫室氣體減排做好準備[10]。

3.2氮肥行業碳減排行動

2021年7月29日召開了氮肥、甲醇行業碳減排交流會議，中國氮肥工業協會理事長顧宗勤點在會議上指出關于搞好碳減排的六項重：一是認清形勢、摸清家底;二是要做好節能提效工作;三是做好二氧化碳資源化利用;四是優化能源結構;五是做好參與碳市場的準備;六是做好碳達峰行動方案。

顧宗勤表示下一步，要廣泛開展調查研究工作，制定出行之有效的行動方案和配套措施。

3.3氮肥工廠的低碳技術

（1）大力推進水溶肥、高效肥

新型肥料網現場報道：近日，農業農村部、工信部等三部門聯合印發明傳電報，要緊急部署切實加強強化化肥供應保障“三夏”生產，電報中明確指出各地要持續的推進化肥減量，提高肥料利用效率，示范推廣高效緩控釋肥料、水溶肥料等新產品，切實減少化肥用量，提高肥料利用率[11]。

以安徽省科邦生物有限公司為例，安徽省科邦生物有限公司是一家從事生物科技研發、環保設備、農業技術咨詢服務、農用肥料開發、生產、銷售于一體的綜合性公司。貴公司設有產品研發部、生產部、質量檢測控制中心、營銷中心等經營體系，其研發高效顆粒鋅肥，由于鋅具有含量高、活性好、施肥方便、容易被吸收的特點，其中采用大量高含量鋅粉到工業精制而成。高效顆粒鋅肥全水溶、易吸收、安全無毒、無公害，能緩沖土壤酸堿變化，穩定土壤PH值，改良土壤。使用此肥料能夠孕蕾開花，促花保果，促進莖稈粗壯，促進淀粉合成，使作物根系發達，葉片濃綠肥厚，增加作物抗病性、抗逆性、提高作物免疫力，增加座果率，改善果實品質，提高作物產量。

要想減少化肥生產和施用過程中的碳排放，運用水溶肥和高效肥是重要的解決方法。高效肥和水溶肥的使用既能節約化肥資源，又能顯著的減少化肥生產和施用過程中的碳排放，提高化肥利用率。因此大力推進水溶肥和高效肥的發展，對我國實行綠色低碳具有重要戰略意義。

（2）高效催化劑實現低壓氨合成

使用新型高效的Fe1-xO基熔鐵催化劑，由高壓合成轉換為低壓合成在現有的合成氨工藝中可大幅降低合成氨能耗，還能大大提高資源的利用率。

通過模擬試驗，發現對于年產20萬噸合成氨裝置，當氨合成壓力從30兆帕降到15兆帕和10兆帕節能效率分別可達12.34%、18.31%。每噸氨節約標煤分別可達51.34千克、76.16千克;每年節約標煤量可達1.03萬噸和1.52萬噸，減排二氧化碳2.35萬噸和3.49萬噸。8.53兆帕渣油、粉煤或水煤漿氣化制氣的7.5兆帕的等壓合成氨工藝，節能效果尤其顯著。由于壓縮機和設備壓力等級以及相關費用的下降，15兆帕比30兆帕的合成氣壓縮機及設備費用可節約37.2%，合成回路主要設備費用可節約12.1%。劉化章認為為了完成愈加緊迫的節能減排任務，行業需與低壓合成氨相配套的新型催化劑及新工藝想結合，還有采用精脫硫與分級精餾法工藝利用合成氨裝置的脫碳放空廢氣尾氣為主要的原料，通過調整氣化爐水汽比來提高廢熱鍋爐的副產蒸汽量，在生產運行過程中有效的降低了燃燒煤的消耗，也使煤燃燒的碳排放減少，使能源綜合利用效率實現了最大化[12]。

以中鹽安徽紅四方肥業股份有限公司為例，貴公司主要從事經營復合（混）肥、控失肥、緩釋肥、水溶性肥等新型肥料的研發、生產、銷售和服務。在國家努力減少碳排放和低碳生活的背景下，貴公司正圍繞“雙碳”目標探索節約能源和減少碳排放的方法。一是堅持節約優先、環境保護優先、循環利用優先的原則，以創建“綠色工廠”為導向，制定減碳戰略目標，落實路線規劃圖;二是進一步優化現有工藝，降低單位能耗，計劃投資5000萬元增加環保設施的投資，主要用于除塵和煤轉天然氣等方面;三是加強產品研發，促進產品創新。建立了一批綠色環保智能化肥料系統，通過使用控釋氮肥和添加增效劑來增強各種養分的協同效應提高肥料利用率，降低肥料消耗;四是改善農業服務，推廣新型肥料。中鹽紅四方肥業還新建了二氧化碳減排及聯堿裝置節能環保技術，利用乙二醇裝置的剩余二氧化碳和合成氨裝置的剩余液氨，采用真空帶式堿過濾機、粉流冷堿、輕液蒸餾和尾氣吸收塔等節能環保設備和技術，采用加熱流化床干銨爐對原有濕銨裝置進行了改造。新增碳化塔、真空帶濾機、淡液蒸餾塔、濃氣壓縮機、輕灰蒸汽煅燒爐、結晶器、流化床干燥機、螺桿氨壓縮機等設備。項目技術改造擴建后，每年可增加輕堿15萬噸，濕銨15萬噸，干銨20萬噸。紅四方還率先從轉化爐中提取一氧化碳，生產甲酸鈉，年產量達1.5萬噸，很好地實現了對危廢氣體的利用[13]。

因此也能看出對于氮肥企業而言通過節能改進工藝和對低碳技術的探索對企業本身實行綠色低碳具有重要的意義。

4 結語

近幾年氮肥在工業消費方面增長較快且煤化工過程的碳排放強度遠遠高于全國平均水平，合成氨產業在全產業碳排放量中更是名列前茅其主要排放為化石燃料（主要為煤）燃燒以及電力消耗的排放，所以大多企業以節能降碳為重要抓手，加快轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力等采用相關適宜的技術手段。

針對氮肥工廠的碳排放，可采取的幾條解決技術探索，首先應從煤炭出發加強煤炭清潔高效利用，有序減量替代，推動煤電節能降碳改造、靈活性改造、供熱改造;其次應加快推進動力結構技術改造項目和化工裝置余熱分布式梯度回收項目實施進度，加大穩定性、緩釋、功能性增效等新型肥料的開發推廣力度;三是利用現代技術，更新設備，選用能量轉換率更高的設備，降低合成氨能耗，提升能源利用效率，打造出一批綠色環保智能肥體系。氮肥企業應響應氮肥協會號召，推動產業轉型升級，節能改進工藝，加強低碳技術研發，明確氮肥企業碳達峰目標時間表，提前規劃，用實際行動為實現國家碳達峰、碳中和目標做出貢獻，走綠色低碳高質量發展的道路。

參考文獻：

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[11]王云立.高效催化劑實現低壓氨合成[N].中國化工報，2012-11-16

[12]梁地.中鹽紅四方：二氧化碳減排節能環保技改項目通過環保預審[J].中國農資，2021，1（10-10）：1-1

基金項目：安徽省大學生創新創業項目（ 202011306030，S202111306113）;池州學院教學研究項目（2021XJYXM22）。