“双碳”背景下煤基合成氨/尿素行业减排之路初探

李红泰

(山西天泽煤化工集团股份公司，山西 晋城 048000)

0 引 言

中国有句老话，“开门七件事，柴米油盐酱醋茶”，第一个字是“柴”，足见中国人自古以来就很重视能源问题。如今全球的节能宣传活动中，出现了两个高频词 ——“碳达峰”和“碳中和”(简称“双碳”)、“新能源——氢”，意味着用氢或其他新能源替代化石类能源实现“碳达峰、碳中和”是全人类需共同面对和必须解决的课题，这既是一场技术革命，又是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。

所谓“碳达峰”，就是某个地区在某一个时间点二氧化碳的排放量达历史峰值而不再增长，之后稳步回落；所谓“碳中和”，就是某个地区在一定时间内针对排放出的二氧化碳总量，采取植树造林、节能减排、碳捕集封存与利用(CCUS)等方式全部抵消掉，达到“净零排放”的目标。

在这场全人类的能源革命中，我国从中央到地方到企业到市场，都充满了关注和期待，也提出了相应的要求。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，中国将提高国家自主贡献力度，力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。2020年12月18日，中央经济工作会议部署2021年经济重点工作任务，其中，“做好碳达峰、碳中和工作”是党中央确定的2021年经济工作八大重点之一。2021年4月30日，习近平总书记在中共中央政治局就新形势下加强我国生态文明建设进行的第二十九次集体学习时指出，各级党委和政府要拿出实现碳达峰和碳中和的时间表、路线图、施工图，不符合要求的高能耗、高排放项目要坚决拿下来。

在中央的安排部署下，各地政府也出台了相应的规划、政策、制度、办法等，并设立了专门的机构，以促使完成碳减排任务、实现“双碳”目标。例如，山西省设立了山西省碳中和监测评估中心、山西省碳中和研究院等专门机构，“点线面”结合推进“双碳”目标的实现。2021年7月16日全国碳市场上线交易正式启动。北京绿色金融与可持续发展研究院院长马骏预计，今后大约30年内，“双碳”产生的投资规模在100万～500万亿元。

1 人类历史二氧化碳排放情况

人类自18世纪末进入工业社会以来，化石能源的生产与利用构成了工业生产与经济活动的主要模式，在不到300年的时间里创造了远超过去数千年的物质文明，与此同时向大气排放了巨量的二氧化碳。以国际能源署2019年数据为例，2019年全球二氧化碳排放量330×108t，同期植物光合作用固定的二氧化碳仅有110×108t，二氧化碳净排放量220×108t。正是由于工业生产及经济活动高强度的二氧化碳排放，打破了大自然原来的生态平衡。

从全新世开始(约12 000年前)到工业革命之前，大气中二氧化碳浓度保持在280×10-6；工业革命以来，大气中二氧化碳浓度急剧上升，1950年突破300×10-6，2013年突破了400×10-6，短短200多年间，大气中二氧化碳浓度上升了48%，人类主导的二氧化碳浓度上升比大自然主导的二氧化碳浓度上升快50 000倍，这就是所谓的温室效应，使得自工业革命以来全球地表平均温度增速过快。在此严峻的形势下，世界各国于2015年缔结《巴黎协定》，提出到本世纪末将全球地表温度相对于工业革命前上升的幅度控制在2 ℃以内，争取实现1.5 ℃的温控目标；根据这一目标测算，全球应该在2065—2070年左右实现“碳中和”。

2 国外的“双碳”情况

据世界资源研究所2017年下半年发布的报告，全球已有49个国家的碳排放实现达峰，占全球碳排放总量的36%。比如，前苏联的加盟共和国和东欧计划经济国家，是因为经济衰退或经济转型而碳达峰；欧洲一些国家，是因为严格的气候政策和经济高度发达实现了碳达峰。1990年以前实现了碳达峰的有白俄罗斯、德国、俄罗斯、乌克兰等19个国家，1990—2000年间实现了碳达峰的有法国(1991年)、英国(1991年)、瑞典(1993年)、丹麦(1996年)、瑞士(2000年)等14个国家，2000—2010年间实现了碳达峰的有巴西(2004年)、澳大利亚(2006年)、加拿大(2007年)、意大利(2007年)、美国(2007年)等16个国家。世界资源研究所预测，中国、墨西哥、新加坡等国的碳达峰时间预计在2030年以前。日本前首相菅义伟在首次施政演说时提出，日本将于2050年实现“碳中和”；韩国前总统文在寅发表施政演说时提出，韩国将力争在2050年之前实现“碳中和”；欧盟计划在2050年实现“碳中和”；印度计划在2070年实现“碳中和”。

3 我国的二氧化碳排放情况

最近十几年，我国碳排放强度是逐步下降的，生态环境部2019年11月发布的《中国应对气候变化的政策与行动2019年度报告》指出，我国2018年单位国内生产总值(GDP)二氧化碳排放强度相较于2005 年累计下降了45.8%，已提前完成了2009年向国际社会承诺的到2020年碳排放强度比2005年下降40%～45%的目标，并提出2030年碳排放强度比2005年下降60%～65%的目标。

2019年，我国排放二氧化碳超100×108t，植物固定二氧化碳约10×108t。2019年排放的二氧化碳主要集中领域的占比如下：能源生产(包括煤炭、石油、天然气等化石能源的开采)、热电生产等领域占比55%；工业生产领域占比25%，其中，石油化工(含煤化工)年排二氧化碳约10×108t，合成氨(含尿素)/甲醇工业年排二氧化碳近3×108t；交通领域占比10%；其他领域(包括民用、动物活动等)占比10%。

4 煤基合成氨/尿素生产中的二氧化碳排放

4.1 炭燃烧生成二氧化碳的理论值

4.2 合成氨/尿素生产中二氧化碳排放分析

某企业以晋城块煤(含碳量71.305%)为原料采用固定床间歇气化炉(UGI)制半水煤气生产合成氨与尿素，2020年其合成氨/尿素装置的消耗数据如下：吨氨耗原料块煤1 095 kg，吨尿素耗原料氨0.57 t、耗原料二氧化碳760 kg、耗蒸汽1.05 t，(锅炉)吨蒸汽耗燃料煤(含碳量63.74%，热值≥5 500 kcal)110～115 kg。基于上述合成氨/尿素装置的消耗数据，该企业生产合成氨产生的二氧化碳以及合成氨再生产尿素消耗掉的二氧化碳计算如下。

合成氨生产中，该企业吨氨耗晋城块煤1 095 kg，则1 t晋城块煤能产0.913 2 t氨，同时产出3.666×71.305%=2.614 0 t二氧化碳。

尿素生产中，该企业吨尿素耗原料液氨0.57 t、耗原料二氧化碳760 kg，则0.913 2 t的氨能产出0.9132÷0.57=1.602 1 t的尿素，而生产1.602 1 t尿素耗原料二氧化碳1.6021×0.760=1.217 6 t，即1 t晋城块煤能产0.913 2 t的氨，再转化成1.602 1 t的尿素，消耗掉1.217 6 t原料二氧化碳。另外，氨加工吨尿素需消耗1.05 t的蒸汽，锅炉生产吨蒸汽的燃料煤耗以110 kg计，则生产吨尿素蒸汽锅炉燃煤排放的二氧化碳量为3.666×1.05×0.110×63.74%=0.269 9 t，即1.602 1 t尿素的生产过程中锅炉燃煤排放的二氧化碳量为1.6021×0.2699=0.432 4 t。

综上，该企业1 t晋城块煤生产氨再加工成尿素，生产过程中直接排放的二氧化碳量为2.6140-1.2176+0.4324=1.828 8 t。

5 煤基合成氨/尿素企业的碳减排之路

碳变成二氧化碳，绝大多数时候人们利用的是碳燃烧放出的热量，这种碳利用方式人类使用已有上万年的历史，然而进入工业时代后，人类无序、无节制地资源开发利用造成了全球气候变暖，其中二氧化碳是温室效应的主要贡献者，倒逼各国联合起来共同进行二氧化碳减排行动，以遏制全球气温过快上升的势头，保障人类生存环境和永续发展。目前，各国已承诺共同、有区别责任地控制温室效应，我国从“十四五”开始将大规模、持续地开展 “双碳”行动，兑现在国际上的庄严承诺——碳强度下降，直至实现“碳中和”的目标。现阶段,合成氨/尿素行业的碳减排,就是要力争生产过程中少排二氧化碳甚至不排二氧化碳，其方案包括将排出的二氧化碳产品化或原料化两条路径，具体方式考虑如下。

5.1 产品化方案

产品化方案，即合成氨装置通过配建工业液体二氧化碳项目实现碳减排。煤制合成氨或甲醇装置脱碳再生后的气体制工业液体二氧化碳，目前最常用的工艺方法为全精馏法——先将合成氨或甲醇装置脱碳再生后的气体脱杂，之后利用低温制冷液化，最后利用各液化气体组分相对挥发度(沸点)的不同通过精馏实现二氧化碳与其他杂质的分离。以配建100 kt/a工业液体二氧化碳项目为例，涉及到的主要设备有二氧化碳压缩机，粗脱硫塔、常温水解塔、精脱硫塔、精馏塔，冷箱(冷箱内设置干燥器、预冷器过冷器、冷凝器、再沸器等)，2台2 000 m3的二氧化碳低温储罐，标准冰机、低温冰机、蒸发冷凝器、装车泵；项目投资概算3 350万元，装置+罐区占地面积约50 m×75 m。

5.2 原料化方案

原料化方案，即将二氧化碳作为原料，例如通过环氧乙烷与二氧化碳反应生成碳酸乙烯酯，碳酸乙烯酯再与甲醇通过酯交换法生产碳酸二甲酯和乙二醇，由此实现碳减排。

6 碳减排工作要防“三化”

工业企业要把碳减排的发展理念贯彻到行业各领域、企业各环节与各方面，要全面理解，充分发挥减污、降本、降碳的协同效应，防止碳减排工作“片面化”；要把碳减排要求落实到具体工作中去，企业发展和个人工作不被动应付，要有预见性，主动作为，防止碳减排工作“消极化”；碳减排重点在落实、关键在行动，不能只停留在口头上、会议室，防止碳减排工作“口号化”。

对于煤基合成氨/尿素企业而言，碳减排除了通过合成氨生产中产出的二氧化碳产品化这一技术路线实现外，碳减排工作防“三化”也很重要，要将碳减排落实在生产过程的点滴之中，如：采用高效锅炉降煤耗，淘汰老式电机/电器降电耗，节约1 t碳、1 kW·h电、1 L汽油、1 L柴油(节约1 t碳可减排二氧化碳约3.67 t、节约1 kW·h电可减排二氧化碳约0.80 kg、节约1 L汽油可减排二氧化碳约2.30 kg、节约1 L柴油可减排二氧化碳约2.63 kg)，等等。

对于地方政府而言，应落实中央不搞运动式减碳的要求，要结合当地自然资源禀赋、产业结构布局、现有企业基础、社会经济状况等，先调查摸底测算，然后再制定路线图和时间表，因地制宜探寻适合本地区实现“双碳”目标的科学途径。

7 “新能源——氢”离我们有多远？

7.1 “新能源——氢”的利用和生产现状

基于我国的能源资源禀赋及实际利用情况，要实现二氧化碳减排，实际上主要是替代煤炭的问题(2020年我国煤炭消费占能源消费总量的56.8%)。回顾能源利用史，人类曾经历过木材时代、煤炭时代、石油时代、后石油时代，如今即将进入去化石能源时代，在能源利用的发展过程中，到底哪种能源占据主导地位，它不取决于某个文件或指令，而是由技术来回答行不行，由环境来回答上不上，由市场来回答用不用。

氢作为能源，具有如下优势：① 氢的热值高，制备氢气的原料资源无限且可循环再生；② 氢气燃烧时清洁无污染，利于解决环境污染和气候变暖问题；③ 制备氢气的方法早已工业化、规模化；④ 燃用氢气的发动机和其他燃具以及氢燃料电池已商业化，应用前景广阔；⑤ 氢作为合成氨、甲醇或其他化工产品的原料已成功生产和应用多年。目前，氢能源利用存在的主要问题在于安全和储存、成本、加氢站建设滞后等方面。

氢气是一种极易挥发和燃爆的气体，在爆炸极限范围内，点燃氢气的能量是点燃天然气或汽油所需能量的1/20，甚至手机通话时产生的静电就可点爆，安全性很差，且由于氢气自身的性质(液氢沸点-252.8 ℃，氢气密度低等)很难压缩液化，贮存(储氢压力主要有35 MPa和70 MPa两个压力等级)、运输也非常困难，因此在相当长的一段时期内无载体“氢能源”只是一种期望。

氢气的生产成本及碳排放情况如下：利用天然气或煤制氢，制备1 kg氢气的生产成本约7元，因以煤为原料制备1 kg氢气排放的二氧化碳约10 kg，当下被称为“黑(灰)氢”；利用天然气制氢，且对生产过程中产生的二氧化碳采取碳捕集、利用和封存(CCUS)等措施减排，当下被称为“蓝氢”；电解水制氢，制备1 kg氢气的生产成本约20元，生产过程中不排放二氧化碳，碳净零排放，当下被称为“绿氢”；生物质制氢，制备1 kg氢气的生产成本约50元，生产过程中不排放二氧化碳，碳净零排放，当下被称为“绿氢”。

7.2 以氨为载体的氢能源利用

随着科技的进步，氢的安全和储运问题将会得到解决。就目前而言，倘若无载体氢能源拓展为利用氨、甲醇作为氢载体，将会成为合成氨工业、甲醇工业发展的一个方向，氢载体 ——“绿氨”是未来的方向之一。

氨是人类第一个大规模生产和利用的“人造氮肥”的中间产物，化学肥料的施用可以说是告别古老农耕作业进入现代农业的开端。德国科学家哈伯发明了“以氢固氮”合成氨，氨再制造化肥，有效地解决了人类的粮食短缺问题。现在若换一下思路，通过合成氨“以氮固氢”，或将在解决能源替代的问题上大有作为。而氨又是一种可燃气体，作为航空燃料(X-15)已有应用，氨的衍生物肼(联氨)、二甲基肼等，在替代燃料中有着重要的地位；氨作为燃料电池，可彻底解决燃烧过程中的积炭问题，具有较好的前景；氨直接作为燃料，会产生有害的NOx，但通过合适的技术转化，可变害为利。

氨是一种良好的储氢载体，可在很大程度上克服氢气在贮存、运输和安全方面的缺点，“氨经济”作为氢能源的拓展和实用形式可望有良好的前途。据报道，全球最大可再生氢项目开发商——洲际能源公司计划在西澳大利亚州东皮尔巴拉建设1个26 GW太阳能和风能项目，26 GW清洁电力中的约3 GW电力满足当地使用，其余部分将被送入电解槽用于生产氢气，进而生产氨气，最终生产“绿氨”用于出口；洲际能源公司首席战略官认为，氨除了可能是最终产品，也可以作为氢的有效载体。氨的单位体积能量密度比氢大，液体储存温度更适宜，液氨可以更容易地通过船舶运输；“绿氨”除用作工程燃料，还可以作为船用燃料，氨有可能取代燃油和柴油。据悉，2021年10月日本最大的燃煤火电厂之碧南燃煤火力发电站，开始将氨作为替代煤炭的脱碳燃料进行燃烧实验发电；日本经济产业省计划投入多达700亿日元用以在2030年前确立领先的纯氨发电技术，利用燃烧时不产生二氧化碳的“绿氨”进行发电，以淘汰低效率燃煤发电机组，实现碳减排目标。

8 结束语

合成氨生产过程主要分为原料气制取、原料气净化、氨合成三大部分；其中，原料气制取(和CO变换)可以说是个制氢的过程，通过下游配建尿素装置和碳铵装置可以消耗掉合成氨生产过程中产生的一部分二氧化碳。但煤基合成氨/尿素装置，按现有原料和流程，生产过程中有多余的二氧化碳要排入大气中，而按当前的“双碳”政策要求，需消耗掉过剩的二氧化碳。因此，首先，合成氨/尿素生产企业应通过技术升级和加强管理实现节能减污降碳；其次，可考虑将过剩的二氧化碳产品化；再次，通过植树造林或CCUS获得碳汇指标，实现本企业的“碳达峰”和“碳中和”。总的来说，“双碳”背景下，我国煤基合成氨/尿素行业应借鉴国外先进技术进行彻底的变革——利用可再生能源(光伏、风能发电等生产“绿电”)探索“绿氢” (“绿电”电解水制氢气)生产合成氨/尿素的经济合理的生产模式，主动走上“绿氨”高质量转型发展之路，使企业在未来的市场竞争中立于不败之地。