中国合成氨行业清洁生产潜力分析
朱兵, 陈洵欢, 张文俊, 胡山鹰, 金涌
清华大学 化学工程系, 北京 100084

作者简介: 朱兵(1967-), 男(汉), 四川, 教授。E-mail:bingzhu@tsinghua.edu.cn

摘要

随着资源环境矛盾的日益突出,在能源资源消耗严重、污染物排放高的中国合成氨行业开展清洁生产具有重要意义。该文在分析合成氨行业清洁生产现状的基础上,建立基于产能调整和技术改造的清洁生产潜力核算方法,并通过情景分析对2020年的清洁生产潜力进行了核算。结果表明: 注重源头削减的清洁生产模式可促进行业清洁生产目标的实现; 到2020年, 5种主要污染物产生总量相对于2010年都有不同程度的削减,其中氨氮的削减幅度最大(为37%~71%), SO2和固废的削减幅度较小(分别为24%~33%、 11%~18%); 不同的污染物和能耗的削减,可主要通过产能调整或相应的技术改造加以实现。

关键词: 合成氨; 清洁生产; 潜力分析
中图分类号:TQ113.2 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)03-0309-05
Potential assessment of cleaner production in China's ammonia industry
Bing ZHU, Xunhuan CHEN, Wenjun ZHANG, Shanying HU, Yong JIN
Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

While the issue of resource conservation and environmental protection is highly concerned, it is essential to promote cleaner production in China's ammonia industry, which has large energy consumption and creates considerable pollution. Based on the review of the cleaner production status of ammonia industry, a method was developed to assess cleaner production potential by production capacity adjustment and technology promotion. Scenarios were designed to predict cleaner production potential in 2020. The results show that cleaner production mode is favorable to the achievement of cleaner production. By 2020, the total generation quantities of 5 types of pollutant will decrease differently compared with 2010. NH3-N is expected to decrease by 37%-71%, which is the most significant, with SO2 and solid waste only decreasing by 24%-33% and 11%-18%, respectively. The reduction of pollution and energy consumption can be realized by production capacity adjustment and promotion of related technologies.

Keyword: ammonia industry; cleaner production; potential assessment

我国是农业大国,长期以来保障农业生产和粮食安全是我国的基本国策之一。合成氨作为化肥生产及其他化学品的主要原料,自20世纪50年代起产量持续增长,到2010年已达到5.2×107 t, 居我国各种化学品的首位[1]。但是,多年来合成氨在强调总量增长的同时,也逐渐暴露出污染物排放总量较大、能耗较高等一系列问题,资源环境问题严重制约行业的发展。解决这一问题的关键是将工业生产传统的“高投入、高消耗、高污染”发展模式,转向注重源头削减污染、对生产全过程采用预防性和综合性措施的清洁生产模式[2]

近年来,众多学者对合成氨行业清洁生产进行了大量研究,分析生产过程中主要能耗和污染物排放环节[3,4,5], 探讨典型的清洁生产工艺[6], 并提出一系列以节能和水污染物控制为主的清洁生产的政策建议[7,8], 这些研究促进了行业清洁生产的开展。但是,目前从行业层面对合成氨生产过程的清洁生产潜力进行定量化分析预测相对匮乏。因此,本文在分析行业清洁生产水平与发展趋势的基础上,建立由产能调整和技术改造实现的清洁生产潜力核算框架,并通过设置3种情景对2020年清洁生产潜力进行预测和分析。

1 行业清洁生产水平现状与发展趋势

“十一五”期间,在合成氨行业先后颁布了《清洁生产标准氮肥制造业》和《氮肥行业清洁生产评价指标体系(试行)》,并于2010年推出了《氮肥行业清洁生产技术推行方案》[9], 随着这些行业标准与技术方案的推广,合成氨行业的清洁生产问题得到了一定程度的缓解。到“十一五”末,以合成氨为主体的氮肥行业氨氮排放总量比2005年下降29.3%, 整体工艺的产污系数[10,11]均达到《清洁生产标准/氮肥制造业》中的国内先进水平(3.6 kg/t, 本文中出现的单位t 为NH3量专用), 见图1。但与此同时也可看出,企业清洁生产水平与国际先进水平相比有较大差距,而且存在参差不齐的问题。

图1 我国合成氨主要工艺氨氮产污系数与国际先进水平的比较

我国在“十二五”期间制定了更为严格的节能减排和清洁生产目标,就氮肥行业(含合成氨)而言,各种原料的单位产品能耗削减4.1%~8.3%、氨氮削减18%、水污染物排放标准更为严格,对废气固废也提出末端利用和无害化处理的要求[1]。为达到这一目标,在合成氨行业主要可通过以下两条途径加以实现。

1) 对工艺局部进行技术改造,推广应用清洁生产技术。具体包括气体深度净化、原料气微量碳脱除、先进氨合成、废水源头削减等清洁生产技术。

2) 淘汰部分落后产能,适度增加先进产能。受能源供应的限制,产能调整主要淘汰原料短缺的天然气常压间歇转化工艺和固定床间歇煤气化工艺,推广煤种适应性强的水煤浆加压气化工艺。同时在环境保护的压力下,三废治理设施不完善的产能也将被淘汰。

2 清洁生产潜力核算

本文将合成氨行业清洁生产潜力定义为通过产能调整和技术改造,目标年份相对于基准年份能源消耗总量和污染物产生总量的削减量[12]

2.1 核算数据

产能调整是合成氨实现清洁生产潜力的途径之一,本研究中将“十二五”期间涉及产能调整的主要工艺的信息汇总如表1所示。

表1 我国合成氨行业主要工艺信息

实现清洁生产潜力的另外一条重要途径是通过工艺技术局部改造实现,按照技术类别将主要清洁生产技术及其技术参数汇总如表2所示。

表2 我国合成氨主要清洁生产技术信息
2.2 核算方法

本研究选取2010年为基准年份、 2020年为目标年份。鉴于合成氨行业清洁生产主要面临以氨氮为重点的三废防治和节能问题,选取能耗总量、废水产生总量、 COD产生总量、氨氮产生总量、 SO2产生总量、固废产生总量等6个指标作为表征清洁生产潜力Gi,t的指标,其潜力由产能调整和技术改造2部分构成。指标核算所需数据取自表1表2

i——核算指标序号,取值1 ~6;

j——局部清洁生产技术序号,取值1 ~1, 对应表2中4 ~14项局部清洁生产技术;

k——工艺序号,取值1 ~8, 对应表1中的工艺序号;

Pk,0——在基准年份第 k种工艺的产量;

Ik,i,0——在基准年份第 k种工艺的第 i个指标平均强度;

Pk, t——在目标年份 t k种工艺的产量;

Ik, i, t——仅在产能调整的作用下,在目标年份 t k种工艺的第 i个指标平均强度;

Sj, k, i——第 j项技术改造在第 k种工艺第 i个指标削减强度;

Δ pj, k, t——从基准年份到目标年份 t, 第 j项技术改造在第 k种工艺中的普及率增量。

2.3 情景设定

本文从产能调整和局部清洁生产技术推广应用的角度进行情景设置,并有如下基本假设: 合成氨产量在2010—2015年期间保持2%的年增长速度, 2015—2020年期间保持1%的年增速[8]; 在此基础上,设定3种情景。

情景1 基准情景,不进行产能调整,各种清洁生产技术改造的普及率增量为0。

情景2 当前政策情景,即从2010—2015年,产能调整总量为300×104 t(淘汰的落后产能中,以煤为原料的比例为80%); 各种清洁生产技术改造的普及率增量与《氮肥行业清洁生产技术推行方案》、《合成氨及甲醇行业节能减排先进适用技术目录》中“十二五”预计普及率增量相同(详见表1); 2010—2015年和2015—2020年期间,产能调整总量相同,技术普及率增量相等。

情景3 清洁生产模式情景,即从2010—2015年,产能调整总量为600×104 t; 源头控制技术的普及率增量为情景2的2倍,过程减量技术的普及率增量与情景2相同,末端利用技术的普及率增量为情景2的一半。2010—2015年和2015—2020年期间,产能调整总量相同,技术普及率增量相等。

2.4 结果分析

根据表1表2中的技术参数和清洁生产的3种情景,核算2020年我国合成氨行业主要指标的产生量和清洁生产潜力,如表3所示。

表3 我国合成氨行业在不同情景下的主要指标的产生量和清洁生产潜力

在情景1中,由于合成氨产量的持续增长, 2020年氨氮、 COD和废水产生总量相对2010年有较大幅度的增长(分别增长约16%)。与文[1]给出的“十二五”污染物总量控制的目标比较发现,在情景1的情况下,该目标难以实现; 因此,若要完成该目标,须强化污染物末端治理。

在情景2和情景3中, 2020年能耗总量相对于2010年均增加约7%, 这主要受制于在此期间合成氨行业产量呈增长趋势; 各种污染物产生总量都相对2010年总量有不同程度的削减,氨氮、废水和COD的削减幅度都在25%以上,其中氨氮削减幅度为37%~71%, 废气SO2和固废的削减幅度分别为24%~33%、 11%~18%。这反映出氨氮具有较大的清洁生产潜力,是行业开展清洁生产的重点。

技术改造和产能调整对清洁生产各指标的潜力贡献不尽相同,下面以情景2为例进行分析,结果如图2所示。可以看出,废水排放、 COD和固废清洁生产潜力主要通过产能调整实现(贡献率均超过50%); 二氧化硫及能耗的削减主要通过技术改造加以实现; 氨氮的排放则需技术改造和产能调整共同作用才能完成。

图2 不同措施对清洁生产潜力贡献分析

3 结 论

我国合成氨行业是能源消耗、污染物排放总量较大的行业,对整个生产过程采用综合性、预防性措施,对实现行业清洁生产目标有着重要意义。潜力分析表明:

1) 注重源头削减的清洁生产模式可促进合成氨行业“十二五”清洁生产目标的实现;

2) 到2020年, 5种主要污染物产生总量有不同程度的削减,其中氨氮削减幅度最大(37%~71%), SO2和固废的削减幅度较小(分别为24%~33%、 11%~18%), 能耗总量比2010年增加约7%;

3) 不同污染物和能耗较大幅度地削减,可通过产能调整或相应技术改造加以实现。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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