合成氨行业节能降碳改造怎么做？
——访中国氮肥工业协会会长顾宗勤
合成氨是我国传统行业，起步于上世纪30年代，行业整体发展较为成熟。由于合成氨的生产特性，行业耗能量较大。国家发展改革委等四部门联合发布的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年)版》(以下简称《指南》)提出，到2025年，合成氨行业能效标杆水平以上产能占比达到15%，能效基准水平以下产能基本清零。对于该目标，合成氨行业完成起来是否存在困难?未来合成氨行业节能降碳重点工作有哪些?绿氢制合成氨路线是否可行?带着诸多疑问，《中国石油和化工》杂志对中国氮肥工业协会会长顾宗勤进行了专访。
中国石油和化工：顾会长，您好!请您介绍一下目前合成氨行业的产能布局，以及能耗基本情况。
顾宗勤：合成氨行业的布局可以按照其不同的生产原料而分为两大区域。以天然气为原料的合成氨(以下简称“气头”)产能主要布局在天然气资源丰富的西南地区，以及包括新疆附近区域在内的西北地区。以煤炭为原料的合成氨产能(以下简称“煤头”)则主要分布于山西、内蒙古、河南、山东等煤炭资源较为丰富的华北及毗邻地区。上述三大地区(西南、西北及华北)基本可以覆盖我国的合成氨生产能力。而在南方地区，如广东、广西、浙江等，基本上没有合成氨的产能布局。
合成氨行业未来还会继续围绕原料进行产能布局。因为原料是合成氨生产最为核心的要素。我们核查的数据显示，原料可占据合成氨生产成本的一半以上。尤其是煤头工艺，煤炭所占的成本比例最高可逼近80%。
能耗方面，合成氨属于我国石化工业当中能耗较高的一个产品。这是因为在生产过程当中，煤炭、天然气等化石能源既做原料又做燃料。如果与同样较高能耗的炼油工业进行对比，炼油的工业产品仍然是能源，而合成氨则不是，因此炼油工艺过程的能源消耗没有合成氨高。所以从单位产品的耗能来看，合成氨是最高的。此外，合成氨反应过程需要高温高压条件，需要大量电耗。因此，在节能降碳工作中，应当把合成氨当成一个非常重要的产品来对待。
企业能耗水平方面，根据《合成氨行业节能降碳改造实施指南》，截至2020年底，我国合成氨行业能效优于标杆水平的产能占7%，能效低于基准水平的产能占19%。此外，《指南》还提出合成氨行业“十四五”工作目标，即：到2025年，合成氨行业能效标杆水平以上产能占比达到15%，能效基准水平以下产能基本清零。
中国石油和化工：我们观察到，《指南》对现代煤化工、炼油、乙烯等提出的“能效标杆水平以上产能占比”要求为30%甚至50%，而针对合成氨行业的这一要求仅为“达到15%”。您如何看这样的差距?合成氨行业完成15%的目标是否有难度?
顾宗勤：坦率地说，难度非常大。
首先，从目前的情况看，合成氨行业的节能技术改造空间不是很大，难以通过改造整个装置实现大幅度节能降碳。从技术方面来看，我国煤头合成氨技术处于世界领先水平，近年来也没有更为颠覆性的先进节能技术问世。从装置来看，很多气头合成氨企业的装置建设于上世纪八九十年代，甚至更早，改造难度极大。如果将这些原有装置推倒重建，则需要巨额投资，合成氨项目的投资动辄几亿元、几十亿元，对企业来说很困难。反观现代煤化工等行业，是相对比较年轻的行业，工艺技术、热工方案、装置效率等，还有很多可以优化的空间，有很大的改造提升潜力。这可以解释为何《指南》对合成氨提出的指标低于现代煤化工等行业。
其次，环保要求的提升也使合成氨企业更难实现能耗指标的降低。从行业能耗数据来看，近5年我国合成氨行业每年的能耗降低不足1%，2020年还出现不降反升的情况。随着我国环保要求提升，合成氨企业纷纷增设环保设施。环保设施都是需要耗电的，而在提升环保水平的同时，再要求企业大幅降低能耗，难度确实非常大。
再次，国家保供化肥的要求紧迫，合成氨行业肩负着氮肥保供重任。近年来，出于环保、高质量发展等方面的综合考虑，行业大力清退落后产能，合成氨行业现有企业数量已从过去最多时的1500余家降至目前的200余家，大量小规模、高排放产能被清退。如果再因为能耗问题将这200余家企业中的一部分“一刀砍死”，保供形势将更加严峻。
还要强调一点，合成氨供给还牵涉到我国粮食安全问题。如果国内合成氨企业因能耗问题而停产、限产，我们就必须依靠进口化肥来补充国内的需求。而进口化肥价格昂贵，这部分价差的压力最终会传导给终端农民用户。以尿素为例，当前国际尿素吨价1100美元，折合成人民币在7000元左右，而国产尿素价格全部在3000元以下。进口合成氨可能会导致农民用不起化肥。此外，以我国上世纪80年代大量进口化肥的经验来看，如果我国大量进口合成氨，国外供应商势必借机大幅提价，届时价差会进一步加剧。
上述均是合成氨行业在节能降碳过程中需要考虑的现实问题。
中国石油和化工：针对《指南》提出的目标和要求，请您从专业的角度向本刊读者介绍一下合成氨行业下一步的重点工作。
顾宗勤：“十四五”期间，氮肥行业应着重做好以下工作：
一是推动合成氨标杆企业上马大型化、国产化装置，提高合成氨单套装置生产能力。目前合成氨装置的规模一般在30万～40万吨/年，或50万～60万吨/年，已是大化肥装置，但还不够。在“十四五”期间，要争取上马100万吨/年的大型化装置。这是因为装置规模越大，能耗越低。
二是加快成熟工艺装备普及推广，推动业内企业利用新技术。包括：新型煤气化装置节能低碳技术改造、煤气化合成氨装置节能降碳技术改造、天然气原料合成氨装置节能降碳技术改造、尿素装置节能低碳改造以及优化能量回收网络、回收余压余热等技术。这些新技术从气化、净化、压缩、合成等各个环节入手，有序推动老旧装置改造升级，“深挖细算”地为合成氨企业实现能耗降低。
我举一个例子：早期建设的合成氨装置主要采用传统的绝热变换工艺，该工艺蒸汽消耗高。现在则采用等温变换技术，可以回收变换反应热，降低能源消耗。
此外，合成氨行业在进行改造升级的过程中，还应注重与机械、锅炉等行业进行联动，将其先进经验技术引入合成氨行业，为我所用。
需要强调的是，成熟工艺的推广工作绝非易事。上马新装置、进行试运行，以及后期的推广工作等，均需花费大量时间和资金，一个“五年计划”下来，也许只能推广3～4个新技术。
氮肥工业协会每年都要召开会员大会、信息交流会等会议，旨在将先进的行业技术分享给业内企业，并让企业到先进单位参观、学习，以提高行业的技术水平，推动行业高质量发展。
中国石油和化工：前段时间，国家出台我国首个氢能中长期规划。本刊高度关注氢能对合成氨行业节能降碳的影响。比如，绿氢制造合成氨是否可行?请您介绍一下这方面的情况。
顾宗勤：绿氢是通过可再生能源转化而来。而目前合成氨行业所用的氢均是灰氢，是依靠煤气化分解水，或用天然气分解水而来，也就是以化石能源为原料。
从节能降碳角度来看，绿氢制合成氨具有较大的优势。此外，绿氢路线的流程更为精简，不再需要煤气化的一系列净化装置，如脱硫、脱碳装置等，绿氢可以直接与氮气反应制造合成氨。
但如果考虑成本等问题，现阶段尚无法实现绿氢工艺对传统工艺的替代。绿氢的生产过程是可再生能源发电，再用这部分电进行电解水得到的氢。随着近年来可再生能源价格一再降低，可再生能源发电的电价也从过去的每千瓦时1元多降至目前的0.2元左右。成本下降速度之快，使人们对绿氢产生了极大的兴趣，但就0.2元的成本来看，在传统工艺面前仍然没有竞争力。据测算，在现有的条件下，只有当可再生能源发电的电价进一步降至每度0.1元以下的时候，绿氢路线的成本才能和传统的煤头、气头路线相竞争。
需要看到的是，可再生能源发电的电价从每千瓦时0.2元降到0.1元的难度。成本降到一定程度，再降难度会大幅度增加，这是因为可再生能源投资要折旧，电解水装置投资也需要折旧，比如风电的风车、光伏的太阳能板等等。
此外，在制氢量方面，无论是绿氢还是工业副产的氢，近期均无法支撑合成氨行业的用氢量，不能依靠这些氢去解决合成氨行业碳排放的问题。绿氢方面，《氢能产业发展中长期规划(2021～2035 年)》提出，到2025年可再生能源制氢量达到10万～20万吨/年，而20万吨氢只能生产160万吨合成氨，但目前全国合成氨总产量为5000多万吨。可再生能源制氢量与合成氨行业用氢量之间，存在巨大缺口。
综合而言，关于氢能助力合成氨行业节能降碳问题，我认为是一个远景的展望，它需要非常低的可再生能源价格。或许有一天出现了颠覆性的技术，梦想变为现实。虽然我们现阶段暂时无法做到，但我相信这一天迟早会到来。