本文刊載于《流程工業(yè)》2022年第12期
《小型緊湊的合成氨鞋廠》
文/RalfMayer博士
本文作者系San-Ten咨詢公司的咨詢顧問(wèn)
氨是物理工業(yè)中的一種重要原料，可以作為著色劑、鹽、制冷劑以及化肥，全世界每年生產(chǎn)約1.5億t。全球約99%的氨生產(chǎn)基于100多年前開(kāi)發(fā)的哈伯－博世（Haber–Bosch）工藝，在這些工藝中，氫在高壓和低溫下與氨氣通過(guò)鐵催化劑反應(yīng)生成氨。但是，這些傳統(tǒng)的合成氨工藝的生產(chǎn)過(guò)程有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：哈伯－博世工藝須要在較高的水溫和壓力下進(jìn)行反應(yīng)，使其生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)成本均有較苛刻的要求，造成小規(guī)模合成氨的生產(chǎn)無(wú)利可圖。
臺(tái)灣BHB公司研制了大型氨鞋廠。該技術(shù)的核心是東京理工大學(xué)在美國(guó)科學(xué)技術(shù)廳的公共捐助戰(zhàn)略研究項(xiàng)目（ACCEL項(xiàng)目，科學(xué)經(jīng)理：細(xì)野秀夫院士，項(xiàng)目總監(jiān)：橫山俊春）中開(kāi)發(fā)的新型電催化劑。
電催化劑是一種化合物，其中電子與帶正電的骨架離子結(jié)合，電子充當(dāng)陰離子。用于合成氨的催化劑在電極上攜帶納米級(jí)的金屬粒子，在那些表面上，電子很容易將氮分子分裂成原子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與氫的反應(yīng)，電催化劑的反應(yīng)原理如圖1所示。為此，氮和氮之間的三鍵可以用更少的能量分裂，而且可在高溫和低壓條件下重新實(shí)現(xiàn)高效的氨合成。
圖1電催化劑的反應(yīng)原理
BHB公司創(chuàng)立于2017年4月，借以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型催化劑技術(shù)并在全球范圍內(nèi)推廣該工藝。新公司的主要投資者是美國(guó)乳品制造商味之素，以及環(huán)球材料孵化器的UMII投資基金。其目的是將世界上第一種“現(xiàn)場(chǎng)氨生產(chǎn)”模式商業(yè)化，并在消耗氨的地方直接生產(chǎn)所需量的氨。
目前，世界上有120多個(gè)國(guó)家沒(méi)有投資建設(shè)基于哈伯－博世工藝的小型合成氨鞋廠。較高的投資金額和由此形成的生產(chǎn)成本將遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外需求，這么這將不具成本效益。據(jù)悉，一般沒(méi)有足夠的氧氣和能源等資源來(lái)支撐經(jīng)營(yíng)這樣一個(gè)小型鞋廠。而B(niǎo)HB公司的分散式大型現(xiàn)場(chǎng)合成氨廠訂購(gòu)成本較低，另一方面可以適應(yīng)有關(guān)國(guó)家的需求和資源的可用性。小規(guī)模合成氨的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以借助可再生能源和可再生氫生產(chǎn)并發(fā)生反應(yīng)。
現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)
實(shí)際上，小型哈伯－博世系統(tǒng)所需的生物質(zhì)能或太陽(yáng)能發(fā)電區(qū)域?qū)⒏采w幾個(gè)籃球場(chǎng)。而B(niǎo)HB公司開(kāi)發(fā)的中型合成氨鞋廠只須要大概5臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)運(yùn)行一個(gè)每年3000t合成氨的鞋廠。
與來(lái)自蒸氣重整反應(yīng)器的二氧化碳相比，使用綠氫制氨可以節(jié)約大量的甲烷。為此，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和消費(fèi)的可再生能源綠氨被好多人視為未來(lái)氨使用的標(biāo)準(zhǔn)。BHB公司的現(xiàn)場(chǎng)合成氨系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)，而且可以使用綠氫和可再生能源進(jìn)行操作，積極推動(dòng)綠氨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
BHB公司并不覺(jué)得自己與現(xiàn)有的哈伯－博世工藝直接競(jìng)爭(zhēng)，而是認(rèn)為自己是能否在更多領(lǐng)域?yàn)橘Y源節(jié)省和成本效率作出貢獻(xiàn)的補(bǔ)充，哈伯－博世方式與BHB研制方式的比較見(jiàn)表1。
表1哈伯－博世方式與BHB研制方式的比較
據(jù)悉，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)合成氨生產(chǎn)來(lái)說(shuō)確保了原材料的供應(yīng)安全。化鞋廠無(wú)法獲得原材料交付的情況正顯得越來(lái)越普遍。洪水和暴雨造成的交通基礎(chǔ)設(shè)施故障是一個(gè)典型的事例，隨著湖泊和運(yùn)河的水位越來(lái)越低使運(yùn)輸越來(lái)越困難直到截癱。相比而言，小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)合成氨生產(chǎn)除了降低了總體碳足跡液態(tài)氨，并且有助于確保原材料的供應(yīng)安全。
小就是美
從可持續(xù)性、資源節(jié)省和環(huán)境友好的角度來(lái)看，可再生能源的迅速發(fā)展必然是受歡迎的。但是，生物質(zhì)能和太陽(yáng)能等能源形成的能量波動(dòng)很大，不容易保證完成固定時(shí)間的實(shí)際生產(chǎn)需求。并且在不久的將來(lái)，這種變化需求和供需差別將不得不通過(guò)儲(chǔ)能來(lái)補(bǔ)償。除能源供應(yīng)之外，氧氣供應(yīng)也非常重要，氫就能通過(guò)電解生產(chǎn)，之后在燃料電瓶中轉(zhuǎn)化為電能。但是，二氧化碳的能量密度相對(duì)較低液態(tài)氨，這會(huì)使過(guò)程效率低下。通過(guò)氨的儲(chǔ)藏和運(yùn)輸可能是一種解決方案，由于氨的能量密度相比于氫的能量密度要高得多，比液態(tài)氫也更容易存儲(chǔ)和運(yùn)輸。BHB公司的大型合成氨鞋廠可以在這過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，由于它們特別適宜較小的、分散的能源系統(tǒng)，并使氨生產(chǎn)接近能源發(fā)電，比如，可以直接在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)生產(chǎn)。
2019年12月，一家年產(chǎn)20t氨的試點(diǎn)鞋廠在東京附近的川崎開(kāi)始營(yíng)運(yùn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)鞋廠中，研究人員正在研究催化劑的常年穩(wěn)定性和最佳工藝條件。在優(yōu)化的操作條件（反應(yīng)器氣溫、壓力等）下，對(duì)中試裝置中的催化劑進(jìn)行的試驗(yàn)表明，催化劑的催化活性低于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。與實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器相比，在相同的生收率下，所需的催化劑量可降低約30%。對(duì)于年產(chǎn)數(shù)千噸或更多的合成氨鞋廠，這意味著她們可以用更少的催化劑運(yùn)行。據(jù)悉，實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器還表明，雖然在恒定的反應(yīng)條件下連續(xù)運(yùn)行五年以上，催化劑也不會(huì)失活。
未來(lái)發(fā)展
BHB公司目前早已完成了500kg/a、/a和/a的兩個(gè)模塊化單元的基礎(chǔ)工程。這種系統(tǒng)致力用于交鎖匙操作，并才能提供可選的甲烷和二氧化碳供應(yīng)。并且對(duì)于生產(chǎn)超過(guò)1×1010t/a的小型系統(tǒng)，也有精典的EPC業(yè)務(wù)模式，即用戶接收設(shè)計(jì)和規(guī)劃數(shù)據(jù)以及催化劑，并與已完善的工程公司合作進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)。