本文刊載于《流程工業》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
氨是物理工業中的一種重要原料，可以作為著色劑、鹽、制冷劑以及化肥，全世界每年生產約1.5億t。全球約99%的氨生產基于100多年前開發的哈伯－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鐵催化劑反應生成氨。但是，這些傳統的合成氨工藝的生產過程有一個很大的缺點：哈伯－博世工藝須要在較高的水溫和壓力下進行反應，使其生產工藝對設備及生產成本均有較苛刻的要求，造成小規模合成氨的生產無利可圖。
臺灣BHB公司研制了大型氨鞋廠。該技術的核心是東京理工大學在美國科學技術廳的公共捐助戰略研究項目（ACCEL項目，科學經理：細野秀夫院士，項目總監：橫山俊春）中開發的新型電催化劑。
電催化劑是一種化合物，其中電子與帶正電的骨架離子結合，電子充當陰離子。用于合成氨的催化劑在電極上攜帶納米級的金屬粒子，在那些表面上，電子很容易將氮分子分裂成原子，進而實現與氫的反應，電催化劑的反應原理如圖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現高效的氨合成。
圖1電催化劑的反應原理
BHB公司創立于2017年4月，借以進一步開發新型催化劑技術并在全球范圍內推廣該工藝。新公司的主要投資者是美國乳品制造商味之素，以及環球材料孵化器的UMII投資基金。其目的是將世界上第一種“現場氨生產”模式商業化，并在消耗氨的地方直接生產所需量的氨。
目前，世界上有120多個國家沒有投資建設基于哈伯－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成本將遠超過國外需求，這么這將不具成本效益。據悉，一般沒有足夠的氧氣和能源等資源來支撐經營這樣一個小型鞋廠。而BHB公司的分散式大型現場合成氨廠訂購成本較低，另一方面可以適應有關國家的需求和資源的可用性。小規模合成氨的另一個優勢是可以借助可再生能源和可再生氫生產并發生反應。
現場生產
實際上，小型哈伯－博世系統所需的生物質能或太陽能發電區域將覆蓋幾個籃球場。而BHB公司開發的中型合成氨鞋廠只須要大概5臺風力渦輪機來運行一個每年3000t合成氨的鞋廠。
與來自蒸氣重整反應器的二氧化碳相比，使用綠氫制氨可以節約大量的甲烷。為此，現場生產和消費的可再生能源綠氨被好多人視為未來氨使用的標準。BHB公司的現場合成氨系統才能實現小規模生產，而且可以使用綠氫和可再生能源進行操作，積極推動綠氨產業的發展。
BHB公司并不覺得自己與現有的哈伯－博世工藝直接競爭，而是認為自己是能否在更多領域為資源節省和成本效率作出貢獻的補充，哈伯－博世方式與BHB研制方式的比較見表1。
表1哈伯－博世方式與BHB研制方式的比較
據悉，對于現場合成氨生產來說確保了原材料的供應安全。化鞋廠無法獲得原材料交付的情況正顯得越來越普遍。洪水和暴雨造成的交通基礎設施故障是一個典型的事例，隨著湖泊和運河的水位越來越低使運輸越來越困難直到截癱。相比而言，小規模現場合成氨生產除了降低了總體碳足跡液態氨，并且有助于確保原材料的供應安全。
小就是美
從可持續性、資源節省和環境友好的角度來看，可再生能源的迅速發展必然是受歡迎的。但是，生物質能和太陽能等能源形成的能量波動很大，不容易保證完成固定時間的實際生產需求。并且在不久的將來，這種變化需求和供需差別將不得不通過儲能來補償。除能源供應之外，氧氣供應也非常重要，氫就能通過電解生產，之后在燃料電瓶中轉化為電能。但是，二氧化碳的能量密度相對較低液態氨，這會使過程效率低下。通過氨的儲藏和運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，比液態氫也更容易存儲和運輸。BHB公司的大型合成氨鞋廠可以在這過程中發揮關鍵作用，由于它們特別適宜較小的、分散的能源系統，并使氨生產接近能源發電，比如，可以直接在風力發電場生產。
2019年12月，一家年產20t氨的試點鞋廠在東京附近的川崎開始營運。在這個實驗鞋廠中，研究人員正在研究催化劑的常年穩定性和最佳工藝條件。在優化的操作條件（反應器氣溫、壓力等）下，對中試裝置中的催化劑進行的試驗表明，催化劑的催化活性低于實驗室試驗。與實驗室反應器相比，在相同的生收率下，所需的催化劑量可降低約30%。對于年產數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行。據悉，實驗室反應器還表明，雖然在恒定的反應條件下連續運行五年以上，催化劑也不會失活。
未來發展
BHB公司目前早已完成了500kg/a、/a和/a的兩個模塊化單元的基礎工程。這種系統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。并且對于生產超過1×1010t/a的小型系統，也有精典的EPC業務模式，即用戶接收設計和規劃數據以及催化劑，并與已完善的工程公司合作進行系統的實際建設。