全球化时代化肥工业的发展创新

沈华民

(中国化工学会化肥专业委员会 上海 200062)

全球化时代化肥工业的发展创新

沈华民

(中国化工学会化肥专业委员会 上海 200062)

分析了传统化肥工业存在的问题及发达国家与发展中国家对传统化肥工业发展问题上存在的分歧。传统的化肥工业经过数十年的发展，要延续其生命力、持续为人类服务，当务之急是对先进核心技术的自主科学知识创新，积极筹划开展新一轮的现代化肥生产的基础探索研究，以应对21世纪的挑战。

全球化时代；化肥工业；创新

1913年，德国实现了合成氨的工业化生产，合成氨中的高氮含量成为化肥的基础原料。嗣后，硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵、尿素、磷酸铵、氮磷钾复合肥料等化肥产品相继问世，从此开启了化肥工业时代。

近百年来，化肥对农业增产的贡献功不可没，人类已习惯于施用化肥来提高农作物的产量。近年来，随着世界人口的快速增长、城市的扩张以及农用耕地的减少，人类更需要提高粮食和农作物的产量来满足不断增长的需求，对化肥的依赖性更强。进入21世纪，随着环境污染、天气变暖及灾害性气候的全球化，直接影响着全人类赖以生存的环境，人类必须重新审视传统化肥的生产方法和过程，权衡化肥生产对人类的利弊得失。上述正负两方面的因素必然左右着21世纪化肥工业的发展和技术走势。

1 存在的问题[1]

以合成氨为主要讨论对象，传统的化肥生产主要存在以下问题。

1.1 原料

农作物所需的大量营养元素为氮、磷和钾，尤以氮元素最为重要。由于空气中的氮元素难以被作物吸收，必须将其制成液态或固态化合物，因此，液态氨遂成为氮肥之源。

生产合成氨的原料是氮气和氢气，氮气来自空气，氢气来自水，因此，早期的制氨方法是在低温下将空气液化并分离出氮气，用电解水法得到氢气，然后再将氮气与氢气合成氨。由于电解水获得氢气的电能消耗巨大，导致制氨成本过高。此后，传统的合成氨生产原料转向碳基石化资源，即煤、石油和天然气。

1.2 能耗

化肥生产是高能耗产业，如合成氨生产过程中要消耗较多的蒸汽、电等二次能源，生产1 t氨的理论能耗为21.3 GJ，而实际能耗要高得多。为降低能耗，国际上先进的化肥公司作出了巨大的努力，尤其是20世纪七八十年代，随着电子计算机及计算技术的发展，西方发达国家先进的合成氨公司已运用数学模型对传统化肥生产进行了开发和计算，并基本掌握了化肥产业的知识核心、技术关键以及发展趋势和规律。经过数十年的努力，吨氨实际能耗从50～60 GJ降至27～29 GJ，已接近理论值，难以再有突破。

1.3 投资

新建化肥装置投资费用巨大。由于化肥生产，如合成氨和尿素，均是在高温和高压条件下进行，尤其是高压条件是造成装置投资费用巨大的主要因素之一；由于使用碳基石化原料，需在流程中设置原料气转化制取、净化等一系列过程，使工艺流程冗长、设备繁多，这是装置投资费用巨大的另一个重要原因；此外，传统化肥新技术、新设备的开发研究需投入的经费和技术力量也十分可观。为此，传统化肥技术先进的西方发达国家将投入传统化肥产业的经费及技术力量纷纷转向信息、高新技术、新能源等“朝阳产业”，或开展新一轮原创性化肥开发研究。

2 分歧

基于化肥生产过程中高排污并排放温室气体及高能耗、高投资等问题，西方发达国家在20世纪90年代已将化肥产业定位为“夕阳产业”[2]，不再继续开发研究，其中当然也有为了保护自身国家的生态环境及为了推卸近百年来生产发展传统化肥产业而排放CO2造成气候变暖所应承担的责任。为了维持传统化肥技术的先进强势格局及既得利益，保护在化肥生产方面的科学技术及对化肥产业的垄断和控制地位，西方发达国家将传统化肥产业的科学知识和技术融为一体，组合成科技专利加以保护。由此可见，西方发达国家虽然口头上宣扬全球经济一体化，但却用知识经济化来掩盖其保护主义的本质[2]。这种对技术复杂的传统化肥产业采取的知识和技术双重保护，无疑阻碍和限制了发展中国家对传统化肥生产技术的继续发展。

但是，对于人类的大多数而言，为了生存，不能缺少化肥。据最近联合国粮食组织报道，由于世界各地相继出现极端天气而造成粮食减产，已经为粮食危机敲响警钟。化肥是粮食的“粮食”，人类，特别是发展中国家还需通过进一步发展化肥生产来保障粮食供应。我国作为最大的发展中国家，拥有13亿以上的人口，且地少人多，粮食安全至关重要。我国用占世界7%的耕地养活了占世界20%的人口，在此化肥的贡献是不言而喻的。毋容置疑，21世纪我国必须继续支持传统化肥产业的正常生产和发展。由于西方与东方社会发展的差别，生命观、发展观和价值观不同，西方发达国家与发展中国家在如何对待传统化肥产业的发展问题上已经产生了分歧。

3 化肥产业的发展途径

我国的化肥生产装置基本上以引进国外先进技术为基础，从20世纪70年代到90年代，先后引进了数十套大型化肥生产装置。在全球化知识经济时代，面对西方发达国家对传统化肥产业的知识技术封锁与垄断的严峻形势下，必须重点开展消化吸收先进技术的自主再创新。对先进化肥技术的自主创新包括两方面内容，即先进技术设备和先进流程的核心科学技术知识。

我国虽然在20世纪八九十年代进行了对引进装置先进设备的消化吸收再创新，即国产化过程，然而忽视了对引进流程专利技术中核心科学知识的消化吸收再创新。长期以来，对核心科学知识消化吸收的缺失是我国化肥产业进行节能减排、发展低碳经济面临的主要问题。因此，必须重点消化吸收先进化肥技术的核心知识，进行自主的科学核心知识创新，然后以创新知识为导引，开展、开发符合我国国情的化肥新技术，这是引领我国传统化肥产业实现新的节能型低碳经济发展、走向化肥强国的合理途径。

4 核心知识的自主创新

如何破解先进流程技术核心的科学知识具有一定难度，这是由于发达国家对传统产业很少出版科技知识理论方面的丛书(如化肥工学丛书等专业书籍)，技术专利也只提供给用户操作手册之类的说明书，传统产业科技原理方面的论文更加难觅踪影。

笔者从尿素技术发展进步中受到启发。由于需不断降低尿素生产成本，故而尿素的技术发展和进步就是一部节能技术发展史，当然也是一部尿素工艺理论知识和核心技术知识创新史。因此，笔者认为核心知识的自主创新从化肥技术发展史入手是一条较好的途径。

迄今为止，尿素工业生产已经走过了90年的发展历程，生产技术的发展分别经历了4个阶段和4个时代，即：①不循环、半循环时代(20世纪20年代至50年代)；②水溶液全循环时代(20世纪50年代末至60年代)；③汽提时代(20世纪70年代至90年代)；④合成时代(20世纪80年代至21世纪初)。

尿素成为主要化肥品种是从20世纪60年代开始的，当时由于尿素生产工艺的回收技术取得了重大突破，未反应物以低水含量甲铵液返回尿素合成塔，吨尿素蒸汽消耗从超过2.0 t降至1.5～1.8 t，从而取代了其他氮肥品种，开创了水溶液全循环时代。该回收技术的核心由两部分组合而成：①相平衡及相图试验和理论研究，低水含量适宜回收区的发现；②用氨洗法代替传统的水洗法并在工业生产上获得应用。

20世纪60年代开发成功的汽提技术，使尿素生产工艺飞跃进入全面回收热量的时代，吨尿素蒸汽消耗由1.5～1.8 t急剧降至1.0 t。其核心技术也由两部分组成：①超临界NH3- CO2二元共沸物系的研究及高压(13 MPa)条件下NH3- CO2- (NH2)2CO·1H2O似三元等压相图的制作，为低温高效率汽提法尿素热量回收奠定了基础；②降膜式汽提塔的开发成功并实现工业化应用，是用汽提法来实现热量回收的重要基础。

20世纪80年代初的合成时代，则以提高尿素合成转化率为主要目标。其核心技术包括：①工业尿素合成理论的创新，为提高工业尿素合成反应的转化率提供了理论基础；②用逆流换热方式代替传统的塔底进料法，通过全液相合成法来提高尿素的合成转化率，CO2转化率超过70%，个别达到75%左右,吨尿素蒸汽消耗下降至0.8 t左右。

创建上述技术核心中的科学知识理论是技术开发进步的重要基础，掌握并应用这些核心知识也是尿素技术继续再创新的基础。由此，汲取国外先进技术，融合历年来国内外已开发的中低压先进技术，创建符合我国国情的低能耗尿素新流程，以实现传统法尿素工艺的“中国梦”[3]。

5 未来的化肥工业

传统的化肥工业已有数十年历史，原料的不可再生性和高污染、高能耗，已使其呈现“老态”。化肥工业要延续生命力、持续为人类服务，就必须变革，研究开创无三废污染、无CO2排放的绿色朝阳化肥产业是大势所趋，西方发达国家在开发现代化肥工业的原创性、探索性基础研究值得借鉴。

5.1 “太阳能机器”

现代化肥工业的创建应从生命科学、仿生学入手。叶绿素的光合作用是植物生长的基础，以CO2和H2O为原料，以太阳光为能量，将H2O分解为H2和O2，然后使H2与CO2反应生成复杂的碳水化合物——单糖，其反应式如下：

美国和瑞士的科研人员研发了一种“太阳能机器”的样机，捕获的阳光在CeO2的催化作用下使CO2与H2O反应生成H2和CO并放出O2，其反应式如下：

此发明的原理：鉴于普通的光伏电池板虽然能吸收光能并转化为电能却无法储存电能，“太阳能机器”在设计时考虑了储存能量以备后用，即通过1个石英窗口将阳光集中至衬有CeO2的圆柱反应器内，CeO2在加热时能将O2“呼出”，而当冷却时将O2“吸入”。具体操作过程：用泵将CO2和H2O灌入样机的圆柱反应器内，在CeO2的催化作用下CO2与H2O反应，生成的O2分离出来，引出的H2和CO可以作为燃料或制氨的原料气。

目前的“太阳能机器”样机的转化效率还很低，只能利用机器捕获的太阳能的0.7%～0.8%，大量的能量在热能传输时损失了。研究人员相信，通过改进，其效率将可提高至19%。

5.2 常温、常压下合成氨

20世纪初，德国化学家哈柏在研究直接法合成氨时，由于找不到低压条件下反应速率快的催化剂，故最终选择了高温、高压合成氨的技术路线，从而决定了之后100年合成氨的技术走向，也使合成氨生产的设备投资和生产能耗大为增加。日本东京大学催化反应工程学的西林仁昭副教授所带领的团队针对高温、高压条件下合成氨的弊端，正在研究钼催化剂作用下常温、常压合成氨的课题，其反应式如下：

如果此课题研发成功，就无需传统的高温、高压设备，制造氨的设备投资及生产成本都可大幅下降，但报道中未提及生成氨的转化率。据分析，此课题成功的关键是反应速率，所以催化剂的选择是关键。

5.3 新的尿素合成法

(1)

(2)

上述2个反应的条件为压力0.1～1.5 MPa、温度25～400 ℃。

众所周知，传统的工业尿素合成是高温、高压下液相甲铵脱水生成尿素的方法。新方法是气相尿素生成法，由上述2个平衡反应组成，气相反应的压力得以下降。上述反应(1)还是个变换反应，将CO转化为H2。

6 结语

(1)在合成氨生产工业化100周年之际，由合成氨指导并催生的化肥工业已有60年的历史。回顾化肥工业的发展历程，人类受益于化肥工业带来的粮食和农作物产量成倍增长的福音。然而随着时间的流逝，化肥工业也呈现出病态，即原料的不可再生性、三废污染以及排放CO2造成的气候变暖、高能耗和高投资，化肥生产已经给人类的生存环境带来了挑战。

(2)进入21世纪，在如何评议化肥工业的功过问题上存有分歧，化肥工业的发展由此遇到了困境。以欧美为主的西方发达国家认为化肥工业过大于功并已步入“老年”，传统的化肥产业为“夕阳产业”，不应继续发展；同时，他们以“保护科学知识产权”为借口，遏制他人继续发展化肥产业。而以中国为代表的发展中国家认为，化肥工业功大于过，只是步入“中壮年”，还未到老态龙钟的地步；人类生存，粮食是第一需要，发展中国家还未摆脱饥饿和贫困状态，传统的化肥产业应在尽力克服现有弊病的基础上继续发展。在西方发达国家对传统化肥产业先进技术垄断和封锁的国际大环境下，当务之急是对先进核心技术的自主科学知识创新，而从传统化肥技术发展史中提炼出核心知识是开展自主知识创新最为有效的方法之一。

(3)展望21世纪，化肥工业正处于新旧交替过渡的时代，将传统夕阳型的化肥产业改造为无三废物和无CO2排放的朝阳型化肥产业已经启动，西方发达国家已经开展了新的现代化肥生产方法的探索研究，值得关注。当然，新的化肥生产要从技术探索研究、技术开发研究到实现工业化生产，进而逐步过渡并取代传统化肥产业尚需时日，传统化肥产业仍将是人类生产化肥的主要方法，估计在未来30～50年不会改变。但是在全球化时代、知识经济时代，新的化肥生产方法的探索研究成果也是绝对不可能共享的，故而应未雨绸缪，积极筹划开展新一轮的现代朝阳型化肥生产的基础探索研究，以应对21世纪传统化肥产业方面的挑战。

[1] 沈华民.低碳经济与化肥生产的CO2减排技术[J].化肥设计，2010(4)：7- 14.

[2] 沈华民.尿素产业在全球化时代的挑战和应对[J].化肥设计，2011(5)：1- 6.

[3] 沈华民.我国传统法尿素工艺的“中国梦”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)