氨醇聯產企業的資源價值流分析

肖序，張倩

（中南大學商學院，湖南 長沙 410083）

1 循環經濟價值流分析的意義

中國化學工業已經建立了門類比較齊全、具有相當規模、獨立完整并基本滿足國內需要、部分行業出口的化學工業體系。2010年，我國化學工業產值達5.23萬億元，按匯率計算已突破7700億美元，超越美國（7340億美元），化工經濟總量躍居世界第一。中國化學工業在快速發展同時，也面臨著諸多制約行業可持續發展的因素，主要表現在以下幾點。①資源消耗高、利用率低。我國是一個資源生產與消費并存的大國，其儲產比和儲消比大多低于世界平均水平，使之資源儲備量大幅減少，嚴重影響我國經濟的可持續發展。②能源消耗大，且回收利用率低。我國在合成氨（天然氣）、燒堿（膈膜法）、電石等幾種規模較大的化工產品上耗能均為世界先進水平的1.2倍。③環境污染嚴重，化工行業廢水排放量居全國工業行業的第二位，氰化物、氨氮類化合物排放量居工業行業首位?；ば袠I尚未完成由傳統的末端治理模式向資源減量化、再利用從源頭上減少廢棄物排放的經濟發展模式的轉變。

作為解決上述問題模式之一的循環經濟，越來越受到人們的關注。它將合理利用自然資源和環境容量、清潔生產和廢物利用結合起來，以減量化、再利用、資源化為原則，將傳統的 “資源-產品-廢物”的單向線性經濟模式轉化為閉環的“資源-產品-資源再利用”經濟模式，從而達到節約資源和保護環境的雙贏目標[1]。要維持經濟可持續化發展，企業應將技術與經濟優化相結合，在形成經濟增加值前提下進行技術創新。然而，目前不少企業在開展循環經濟活動中卻碰到了“有循環、無經濟”的現象，其改造的環境成本遠遠大于收益，造成財務負擔加重，嚴重挫傷企業積極性。顯然，這需要構筑一種物質流（技術性）與價值流（經濟性）相結合的核算與管理方法體系，使之能夠滿足企業對循環經濟開展的效果與效益進行科學評價的需要。資源價值流則是從經濟角度，計算與評價資源在不同生產過程或消費鏈條上價值的形成、增值或實現的過程。這里的價值不僅包括價格、成本等，還包括對環境的損害價值。這將有別于成本會計不單獨計算廢棄物的損失，而將其直接計入產品的成本，進而難以反映不同生產環節的資源環境效率及對環境造成的損害，不利于決策者改善經營生產過程，提高企業效率。資源價值流核算以企業生產過程中物質的循環流動為基本載體，將不同環節的產品和廢棄物的成本分別以貨幣計量，從而為循環經濟物質流的優化提供指導和建議。其主要思路如下。①循環經濟價值流遵循物質減量化原理，包含對輸入經濟系統的物量的減少，通過反映資源物質的利用率和循環再利用率的效益狀況來提高生產力，供決策者使用。②在資源成本核算中，將每一環節所生產的合格品、廢棄物分別界定為“正制品”、“負制品”，將所發生的材料、人工、設備折舊、能源等直接、間接費用加總，然后在正、負制品間分配，從而將導致資源損失和環境污染的價值“可視化”，診斷出循環經濟重點改善的環節及價值所在[2]。③資源價值流分析對廢棄物數量的外部環境負荷進行了計量，揭示出外部環境損害價值，進而將“經濟外部化”的內容納入評價體系之中[3]。

2 資源價值流分析的方法體系

資源成本核算有別于傳統會計，不但包括以往企業內部的資源消耗和人工費用，還將環境損害換算為價值形式，綜合比較各個物量中心的總體成本，據此找出需要改進的關鍵環節，達到對整個生產線的成本優化，以實現企業的可持續發展。本文將企業內部資源成本分為材料、能源、系統成本3個部分，依據資源有效利用率對各個物量中心進行成本細分，并以其作為改進空間和方向的參考，實現投入產出的最大化[4]。

價值流分析以物質流分析和環境成本會計為基礎，采用流量管理模式，通過成本計算，形成企業內外部的成本價值流轉，便于未參與生產實踐的管理者和其他外部信息使用者較快找到問題所在，發現改善企業經營管理的契機。

2.1 內部資源成本計算

內部資源成本核算以物質流為載體，將某一物量中心新投入三大成本與上一物量中心正制品分攤的三大成本分別進行匯總，然后以正負制品占該環節產出物數量的比例對材料、系統、能源成本進行分攤，分別得出正、負制品的三大成本，并將正制品資源成本轉入下一生產環節進行連續核算。如圖1所示。

2.2 外部損害成本計算

資源流成本核算另一項重要任務就是計算外部損害成本，借助環境損害影響評價方法進行測定，本文選取日本于2005年開發的LIME法進行計算。LIME將不同種類的環境負荷物質所造成的人類健康損害量在共同的斷點匯集并考慮了各端點數間的重要性，依據結合法以及AHP法確定各端點間的重要性清單，計算特性化系數和損害系數，以11個環境領域中的1000種環境物質為評價對象，求得單一貨幣化指標，如式（1）。

圖1 內部成本計算分配圖

式中，Si為物質i的生命周期清單；DFij為物質i對保護對象j的損害系數；WTPj為保護對象j的i指標單位損害回避意愿支付額。

資源價值流成本計算考慮了企業內部資源消耗和外部環境損害成本，從二元視角進行管理決策，不僅為企業節約了生產成本，也進一步改善了環境，從而實現了企業的長遠發展。其具體二元模型如圖2所示。其方法體系由資源流轉價值計算、外部環境損害評價、“資源流內部損失-廢棄物外部損害”二維分析3種方法組合而成。資源流轉價值計算主要依據企業物料流動按內部生產組織計算、劃分資源有效利用成本（正制品成本）、廢棄物損失價值（負制品成本），有助于從經濟角度考察企業資源利用效率；外部環境損害評價則以廢棄物為對象，借助環境損害影響評價方法，從其環境保護角度評價廢棄物的外部損害價值，有助于企業排放廢棄物對外部環境污染影響的定量分析[5]；“資源流內部損失-廢棄物外部損害” 二維分析則從“經濟-環境”一體化空間，采用平面坐標圖方式診斷各內部生產組織的現狀定位，確定其資源利用損失與環境污染的交點，為改善決策、強化生產控制、增加廢棄物資源化環節提供詳細的改進方向，并能為改善后的經濟效益和環保效果做出評價。

3 氨醇聯產典型企業的應用

基于我國能源結構現狀，以煤為原料的合成氨生產仍在國內占有主導地位，并具有較高的競爭力。企業氨醇聯產產業鏈是以原有小氮肥生產為基礎發展而來，其產品以碳酸氫銨和液氨為主，作為低端氮肥產品，其附加值低。隨著化工行業的發展，合成氨的生產裝置進一步改善，將液氨和生產過程中產生的高濃度的CO2脫碳解吸氣作為原料延伸出尿素產業鏈，達到了節能增產，降低成本的目的?，F以生產100 kt合成氨、聯產12400 t 99.8%精甲醇為例，其資源成本分析如下。

3.1 物質平衡分析

物質流分析是價值流分析的依據，同時也是價值流診斷與評價的對象，基于物質流的資源價值流核算分析，可作為尋找改善物質流的重點潛力環節的關鍵依據，實現技術與經濟的完美結合，物質流分析一般表示為質量守恒原理，氨醇聯產的物質流圖如圖3。依據圖 3，可按輸入輸出平衡原理，計算出相關物料質量如表1所示。

圖2 資源價值流的二元分析模型

圖3 氨醇聯產和尿素物質流分析圖

由表1所示，氨醇聯產共有造氣、脫硫、變換和脫碳、甲醇合成、氨合成、尿素合成等生產環節，其主要原料為無煙煤、水及氣體，其輸出環節產生半水煤氣、碳化氣、解吸氣等中間產物，以及硫磺、碳酸氫銨、液氨、尿素等完全產品。從平衡表上可看出，各個環節上均產生了不同程度的損耗，包括造氣灰渣、廢水、廢氣等，它們不僅浪費了寶貴的資源，且給環境造成了極大的污染。

3.2 資源價值流核算

3.2.1 企業內部資源價值流計算

以上述物質流平衡表為基礎，對合成氨各個工序投入的資源和能源成本在其產出的正負制品間進行成本分配，就可形成表2所示數據。

表2所示，各道生產工序均出現合格品成本與廢棄物損失之分。廢棄物損失較大的有造氣工序、合成氨工序及尿素合成工序。其中造氣工序的廢棄物損失高達8499萬元，高于其輸出的正制品8012萬元；氨合成工序廢棄物損失高達15037.4萬元，達正制品的5倍之多；尿素合成工序廢棄物損失為4172.5萬元，也高于正制品558.6萬元。這些數據為工藝的改進和優化提供了方向。

3.2.2 外部環境損害成本計算

我國合成氨工業的污染問題較為突出。其主要的污染物有：污水，如含氰污水、含氨污水、含硫污水；廢氣，如含硫化氫氣體、造氣吹風氣、一氧化碳氣體、二氧化碳氣體；固體廢物，如含煤灰、煤渣、銅液渣。資源價值流核算區別于傳統會計的重要一點就是將生產活動的外部環境損害成本單獨計算并揭示。LIME值法將不同種類的環境負荷物質所造成的人類健康損害量在共同的端點匯集，依據結合法以及AHP法確定各端點間的重要性清單，計算特性化系數和損害系數[6]。通過查閱文獻，得到不同廢棄物的LIME值，以貨幣單位乘以廢棄物的排放數值，即可得出外部損害價值，如圖4所示。

由圖4可知，排在外部環境損害最大的分別為氨合成、造氣、脫硫等生產工序。顯然，它們應是降低環境損害的重點改造之處。

4 循環經濟開展改善診斷及對策分析

4.1 循環經濟診斷

上述價值流二維匯總計算如圖5所示。

圖5顯示，造氣、甲醇合成、脫碳等工序的經濟損失數值較高，而環境損害價值則是氨合成、脫硫與造氣工序。這些工序的可改善分析如下。

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表1 氨醇聯產物料平衡分析表

圖4 氨醇聯產外部損害成本匯總圖

圖5 內部資源成本-環境損害成本二維圖

（1）造氣工序 可以從原料投入和能源消耗兩方面降低經濟成本，如采用天然氣、油氣或石腦油代替原本的無煙煤作為原料等。同時，從環境損害角度看，它還可以減少廢棄物的排放。造氣工序是合成氨生產中排放廢棄物最多的工段，不同原料路線所排放的“三廢”量有所區別。從噸氨廢水排放量上看，以油為原料（3～8 t/tNH3）＜以氣為原料（10 t/tNH3）＜以煤礦為原料（18 t/tNH3）；從廢氣排放來看，以天然氣為原料的噸氨污染物最低[7]；從廢渣排放來看，以煤為原料的噸氨廢渣排放量遠遠大于以氣或以油為原料的廢渣排放量，后二者的噸氨排渣量均較低。針對以上情況，可在工藝上進行改進，采用目前世界上工藝技術先進且具有競爭力的合成氨工藝，如：美國Brown公司深冷凈化技術、Kellogg公司的KAPP技術和KEP技術、英國Uhde公司技術、俄羅斯 GIAP 公司的 Tandem 工藝等，以清潔生產為導向，從源頭上減少污染。產生的污水可使用微渦流處理技術，可減排污染物 60%～70%。吹風氣、造氣爐渣經處理后送三廢混燃爐燃燒，鍋爐廢渣外賣作為建材原料。

（2）甲醇合成工序 可采用雙低壓醇氨聯產工藝。通過低壓聯醇和低壓氨合成可醇和氨的合成系統壓力，使得設備的材料等級及制造難度下降，從而節省裝置投資費用。同時，由于CO+CO2轉化率高，CO+CO2氣體幾乎全部轉化為甲醇，銅洗過程再生氣放空量很少，極大提高了氣體的利用率，從而可以降低原料的投入。甲醇和氨都在較低的壓力下合成反應，大大降低壓縮機的功耗，節約單位產品電耗，噸醇氨產品的電耗降低了約100 kW·h。

（3）變換、脫碳工序 目前我國70%大、中、小化肥廠均采用熱鉀堿工藝脫碳脫除變換氣中的二氧化碳，因為其具有電耗低、氮氫損失少、凈化度和二氧化碳回收率高等優點。但該技術存在綜合能耗高、冷卻水和蒸汽使用量大、操作費用較高等缺點。因此可采用改良N-甲基二乙醇胺（MDEA）法和聚乙二醇二甲醚（NHD）法對生產工藝進行改進。NHD法是物理吸收法，對設備腐蝕較小，對CO2、H2S等酸性氣體吸收能力強且無毒，有良好的化學穩定性和熱穩定性，運行的綜合費用較低。MDEA法屬于化學吸收法，對N2、H2、CO的回收率略高，電耗較小且不耗冷量。目前我國氮肥廠所使用的氫氮氣壓縮機采用的脫碳壓力只有兩種：1.6 MPa和2.7 MPa。當脫碳系統壓力在2.7 MPa時，NHD法略優于MDEA法，噸氨可節約綜合費用1～5元；而當壓力降為1.6 MPa，MDEA法則表現出優勢，噸氨可節約費用5～8元。

（4）氨合成工序 產生的蒸汽可使用“熱功聯產”回收熱量改造技術，利用特種汽輪機將各級蒸汽的壓差能轉化為有用功，從而節約大量用電、降低能耗，充分實現蒸汽能量的綜合利用。產生的含氨的廢水還可通過生化處理，較為先進的方法是膜生物反應器，其綜合了膜處理技術和生物處理技術的優點，出水質量高且污泥少。該工序的循環水可做消防水和沖洗水，或經處理作為脫硫循環水的補充水，節約用水量。

（5）脫硫工序 可使用一元凈化器技術定期對其循環水中的雜質和S進行處理，然后將其作為內部循環利用資源連續使用不外排，從而達到節約資源和保護環境的目的。

4.2 改善后評價

選取造氣、脫碳和甲醇合成工序為例，對改進后的經濟效益進行具體評估、分析。

4.2.1 造氣工序

圖5可看出，造氣工序的內部資源成本和外部從降低資源、能耗和減少廢水、廢渣的排放等方面進行改善。

（1）降低資源、能耗 20世紀70年代以來，針對我國富煤的能源結構，合成氨的原料由資源有限的焦炭改為無煙煤，緩解了合成氨原料供給不足的壓力，促進了氮肥工業的快速發展。但隨著科技的進步和社會的發展，這一技術遇到了一些困難：①較為豐富的無煙煤集中分布在我國山西、貴州等省，全國中小型氮肥廠基本遠離煤產區，許多廠家面臨著運輸成本高、碎煤率高等問題，從而導致原料成本上升，且尿素產品又實行限價，致使很多企業生產無法為繼；②無煙煤長途運輸致使碎煤率高，即使粘成煤球使用，由于其氣化溫度低，也會大大降低無煙煤的利用率；③大量排放的吹風氣不僅浪費了原料也污染了環境。隨著我國逐漸對環境污染和生態保護的關注，天然氣作為一種清潔的合成氨原料進入公眾視野。其只需經過兩段即可制得潔凈的原料氣，且流程、設備簡單，基建投資較少。就我國而言，天然氣儲備豐富，總體探明儲量增速維持在每年1%以上，并在未來幾十年出現增長高峰。隨著我國西氣東輸、油氣管道工程和配氣網絡的建設，天然氣的運輸和使用成本必將進一步降低，以天然氣為原料的合成氨工藝有巨大市場潛力。因此，本工作將合成氨原料由無煙煤改進為天然氣，其主要成分甲烷燃燒后產生的二氧化碳和氮氧化合物僅為煤的50%和20%，產生的污染也遠遠低于石油和煤，符合循環經濟節能減排的目標。

圖6 天然氣替代合成氨資源、能源成本比較

由表1、表2中可得，采用無煙煤合成氨，噸氨耗煤量1320 kg，造氣工序投入原料1538.8元，若改用天然氣合成，噸氨耗用850 m3天然氣，按市價計算原料投入為1275元，降低了投入成本263.8元；其次，合成氨總電耗為1497 kW·h，而天然氣則為900 kW·h，節約成本179.1元，同時減少了能耗。為了進一步降低資源消耗，可采用以換熱式轉化工藝為核心的俄羅斯 GIAP 公司的 Tandem 工藝，采用的方法是二段轉化爐加入富氧空氣，以維持熱平衡而不破壞產品合成氣的氫氮比。換熱式轉化造氣新工藝的最大特點是大大降低了天然氣的使用量，可降低消耗120 m3左右。采用新技術后，噸氨消耗天然氣735 m3，消耗電能810 kW·h，即減少成本199.5元。

（2）微渦流技術減少污水的排放 微渦流技術通過形成微小渦旋流動來增加污水中微小顆粒的碰撞概率，使水中膠體在渦旋的作用下相互碰撞，在較短的時間里形成較穩定的絮體，從而沉淀下來，以達到減少水中雜質、降低污水排放的目的[8]。工藝流程見圖7。

采用微渦流技術綜合利用造氣灰渣，減少固體廢棄物污染，可節約費用24.75元/tNH3。污水減排約60%，節約202.9元/tNH3。

4.2.2 變換、脫碳工序

通過物理吸收的聚乙二醇二甲醚（NHD）法從綜合能耗、運行費用等方面降低脫碳工序的綜合費用，即降低噸氨綜合能耗 2.508×106kJ，操作費用63.8元。具體如表3所示。

4.2.3 甲醇合成工序

圖7 微渦流技術處理污水簡圖

表3 熱堿法與NHD法操作費用對比分析

雙低壓醇氨聯產工藝主要由低壓聯醇、二級醇化、甲烷化、氨合成4個子系統組成。該工藝的技術特點是：①壓縮功率降低，與中壓聯醇相比，低壓聯醇功耗降低30%～40%；與高壓合成氨相比，低壓合成氨功耗降低約25%。②裝置利用率高，甲醇合成和氨合成共用一套氣化和凈化系統，可以根據市場需求調節甲醇和氨產量，若是其中一種需要降低產量，也不會影響另一種產品的凈化和合成。③熱量回收利用率高，與傳統中壓聯醇相比，噸醇可副產蒸汽1.0 t以上，氨合成壓力降低后，噸氨比傳統工藝多產高品位蒸汽0.1～0.3 t[9]。④氣體損耗減少，甲醇合成系統醇后氣全部作為合成氨原料氣，經過精制成為氨合成氣，只留一處放空來調節惰性氣體，噸氨放空氣量降低 600～800 m3，同時也節約了氣體回收系統的投資和運行費用。

因此，進行雙低壓醇氨聯產工藝改進后，低壓聯醇和合成氨可節約電耗合計 187.25（270×30%+425×25%）kW·h，即 56.2元；同時可副產蒸汽 1.3 t，即節約成本70元；氣體損耗減少，可提高氨醇產量，即理論上可多生成約20%的合成氨，以當前市價計，可增加效益約600元/tNH3氨。

改進后的物質流圖如圖8。

通過以上工藝改進，可獲得氨醇聯產成本的節約或是效益的增加，匯總如表4。

改用天然氣替代合成氨，造氣環節仍可利用原有的微渦流技術工藝，而天然氣是潔凈能源，不產生造氣灰渣，則可省去圖8的晾曬和灰渣綜合利用等環節，減少原料成本和能源消耗約642.4元/tNH3。由表4可以看出，通過改進，造氣、脫碳、甲醇合成等工序的效益明顯提高，利用資源價值流二維分析法可以得到改進前后內外部成本對比圖，如圖9。由圖9可知，改進方向與圖5的診斷分析方法保持一致，基本達到優化目的。

圖8 微渦流、雙低壓聯醇工藝改進的物質流圖

表4 改進后成本效益匯總表

圖9 資源成本一體化方法改進圖

5 結 語

本文對氨醇聯產結合尿素生產的整個工藝流程的價值流進行了系統的分析，即通過對氨醇聯產生產流程的內部結構進行了內部資源成本和外部環境損害成本的計算和分析，揭示了傳統方法無法反映的看不見的廢棄物經濟損失與環境損害價值，為確定循環經濟重點改善環節提供了科學依據，具有重要的方法意義[10]。文中概述了循環經濟的分析原理，將其應用于氨醇聯產典型企業的生產工藝流程之中，使之深入至工序的結構層面，認真描繪出元素流的生產流程，達到了技術性的物質流分析結果。以此為基礎，通過引入貨幣單位，計算出對應工序的經濟損失與環境損害價值，揭示出各工序廢棄物排放的影響結果，進而診斷出改造的潛力環節。提出了相關的改善措施，并且對改進后的工藝進行了成本效益分析，由此進一步達到優化物質流路線的功效，使之形成經濟與技術的較完美的結合。

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