全球化時代化肥工業的發展創新

沈華民

(中國化工學會化肥專業委員會 上海 200062)

全球化時代化肥工業的發展創新

沈華民

(中國化工學會化肥專業委員會 上海 200062)

分析了傳統化肥工業存在的問題及發達國家與發展中國家對傳統化肥工業發展問題上存在的分歧。傳統的化肥工業經過數十年的發展，要延續其生命力、持續為人類服務，當務之急是對先進核心技術的自主科學知識創新，積極籌劃開展新一輪的現代化肥生產的基礎探索研究，以應對21世紀的挑戰。

全球化時代；化肥工業；創新

1913年，德國實現了合成氨的工業化生產，合成氨中的高氮含量成為化肥的基礎原料。嗣后，硫酸銨、硝酸銨、碳酸氫銨、尿素、磷酸銨、氮磷鉀復合肥料等化肥產品相繼問世，從此開啟了化肥工業時代。

近百年來，化肥對農業增產的貢獻功不可沒，人類已習慣于施用化肥來提高農作物的產量。近年來，隨著世界人口的快速增長、城市的擴張以及農用耕地的減少，人類更需要提高糧食和農作物的產量來滿足不斷增長的需求，對化肥的依賴性更強。進入21世紀，隨著環境污染、天氣變暖及災害性氣候的全球化，直接影響著全人類賴以生存的環境，人類必須重新審視傳統化肥的生產方法和過程，權衡化肥生產對人類的利弊得失。上述正負兩方面的因素必然左右著21世紀化肥工業的發展和技術走勢。

1 存在的問題[1]

以合成氨為主要討論對象，傳統的化肥生產主要存在以下問題。

1.1 原料

農作物所需的大量營養元素為氮、磷和鉀，尤以氮元素最為重要。由于空氣中的氮元素難以被作物吸收，必須將其制成液態或固態化合物，因此，液態氨遂成為氮肥之源。

生產合成氨的原料是氮氣和氫氣，氮氣來自空氣，氫氣來自水，因此，早期的制氨方法是在低溫下將空氣液化并分離出氮氣，用電解水法得到氫氣，然后再將氮氣與氫氣合成氨。由于電解水獲得氫氣的電能消耗巨大，導致制氨成本過高。此后，傳統的合成氨生產原料轉向碳基石化資源，即煤、石油和天然氣。

1.2 能耗

化肥生產是高能耗產業，如合成氨生產過程中要消耗較多的蒸汽、電等二次能源，生產1 t氨的理論能耗為21.3 GJ，而實際能耗要高得多。為降低能耗，國際上先進的化肥公司作出了巨大的努力，尤其是20世紀七八十年代，隨著電子計算機及計算技術的發展，西方發達國家先進的合成氨公司已運用數學模型對傳統化肥生產進行了開發和計算，并基本掌握了化肥產業的知識核心、技術關鍵以及發展趨勢和規律。經過數十年的努力，噸氨實際能耗從50～60 GJ降至27～29 GJ，已接近理論值，難以再有突破。

1.3 投資

新建化肥裝置投資費用巨大。由于化肥生產，如合成氨和尿素，均是在高溫和高壓條件下進行，尤其是高壓條件是造成裝置投資費用巨大的主要因素之一；由于使用碳基石化原料，需在流程中設置原料氣轉化制取、凈化等一系列過程，使工藝流程冗長、設備繁多，這是裝置投資費用巨大的另一個重要原因；此外，傳統化肥新技術、新設備的開發研究需投入的經費和技術力量也十分可觀。為此，傳統化肥技術先進的西方發達國家將投入傳統化肥產業的經費及技術力量紛紛轉向信息、高新技術、新能源等“朝陽產業”，或開展新一輪原創性化肥開發研究。

2 分歧

基于化肥生產過程中高排污并排放溫室氣體及高能耗、高投資等問題，西方發達國家在20世紀90年代已將化肥產業定位為“夕陽產業”[2]，不再繼續開發研究，其中當然也有為了保護自身國家的生態環境及為了推卸近百年來生產發展傳統化肥產業而排放CO2造成氣候變暖所應承擔的責任。為了維持傳統化肥技術的先進強勢格局及既得利益，保護在化肥生產方面的科學技術及對化肥產業的壟斷和控制地位，西方發達國家將傳統化肥產業的科學知識和技術融為一體，組合成科技專利加以保護。由此可見，西方發達國家雖然口頭上宣揚全球經濟一體化，但卻用知識經濟化來掩蓋其保護主義的本質[2]。這種對技術復雜的傳統化肥產業采取的知識和技術雙重保護，無疑阻礙和限制了發展中國家對傳統化肥生產技術的繼續發展。

但是，對于人類的大多數而言，為了生存，不能缺少化肥。據最近聯合國糧食組織報道，由于世界各地相繼出現極端天氣而造成糧食減產，已經為糧食危機敲響警鐘。化肥是糧食的“糧食”，人類，特別是發展中國家還需通過進一步發展化肥生產來保障糧食供應。我國作為最大的發展中國家，擁有13億以上的人口，且地少人多，糧食安全至關重要。我國用占世界7%的耕地養活了占世界20%的人口，在此化肥的貢獻是不言而喻的。毋容置疑，21世紀我國必須繼續支持傳統化肥產業的正常生產和發展。由于西方與東方社會發展的差別，生命觀、發展觀和價值觀不同，西方發達國家與發展中國家在如何對待傳統化肥產業的發展問題上已經產生了分歧。

3 化肥產業的發展途徑

我國的化肥生產裝置基本上以引進國外先進技術為基礎，從20世紀70年代到90年代，先后引進了數十套大型化肥生產裝置。在全球化知識經濟時代，面對西方發達國家對傳統化肥產業的知識技術封鎖與壟斷的嚴峻形勢下，必須重點開展消化吸收先進技術的自主再創新。對先進化肥技術的自主創新包括兩方面內容，即先進技術設備和先進流程的核心科學技術知識。

我國雖然在20世紀八九十年代進行了對引進裝置先進設備的消化吸收再創新，即國產化過程，然而忽視了對引進流程專利技術中核心科學知識的消化吸收再創新。長期以來，對核心科學知識消化吸收的缺失是我國化肥產業進行節能減排、發展低碳經濟面臨的主要問題。因此，必須重點消化吸收先進化肥技術的核心知識，進行自主的科學核心知識創新，然后以創新知識為導引，開展、開發符合我國國情的化肥新技術，這是引領我國傳統化肥產業實現新的節能型低碳經濟發展、走向化肥強國的合理途徑。

4 核心知識的自主創新

如何破解先進流程技術核心的科學知識具有一定難度，這是由于發達國家對傳統產業很少出版科技知識理論方面的叢書(如化肥工學叢書等專業書籍)，技術專利也只提供給用戶操作手冊之類的說明書，傳統產業科技原理方面的論文更加難覓蹤影。

筆者從尿素技術發展進步中受到啟發。由于需不斷降低尿素生產成本，故而尿素的技術發展和進步就是一部節能技術發展史，當然也是一部尿素工藝理論知識和核心技術知識創新史。因此，筆者認為核心知識的自主創新從化肥技術發展史入手是一條較好的途徑。

迄今為止，尿素工業生產已經走過了90年的發展歷程，生產技術的發展分別經歷了4個階段和4個時代，即：①不循環、半循環時代(20世紀20年代至50年代)；②水溶液全循環時代(20世紀50年代末至60年代)；③汽提時代(20世紀70年代至90年代)；④合成時代(20世紀80年代至21世紀初)。

尿素成為主要化肥品種是從20世紀60年代開始的，當時由于尿素生產工藝的回收技術取得了重大突破，未反應物以低水含量甲銨液返回尿素合成塔，噸尿素蒸汽消耗從超過2.0 t降至1.5～1.8 t，從而取代了其他氮肥品種，開創了水溶液全循環時代。該回收技術的核心由兩部分組合而成：①相平衡及相圖試驗和理論研究，低水含量適宜回收區的發現；②用氨洗法代替傳統的水洗法并在工業生產上獲得應用。

20世紀60年代開發成功的汽提技術，使尿素生產工藝飛躍進入全面回收熱量的時代，噸尿素蒸汽消耗由1.5～1.8 t急劇降至1.0 t。其核心技術也由兩部分組成：①超臨界NH3- CO2二元共沸物系的研究及高壓(13 MPa)條件下NH3- CO2- (NH2)2CO·1H2O似三元等壓相圖的制作，為低溫高效率汽提法尿素熱量回收奠定了基礎；②降膜式汽提塔的開發成功并實現工業化應用，是用汽提法來實現熱量回收的重要基礎。

20世紀80年代初的合成時代，則以提高尿素合成轉化率為主要目標。其核心技術包括：①工業尿素合成理論的創新，為提高工業尿素合成反應的轉化率提供了理論基礎；②用逆流換熱方式代替傳統的塔底進料法，通過全液相合成法來提高尿素的合成轉化率，CO2轉化率超過70%，個別達到75%左右,噸尿素蒸汽消耗下降至0.8 t左右。

創建上述技術核心中的科學知識理論是技術開發進步的重要基礎，掌握并應用這些核心知識也是尿素技術繼續再創新的基礎。由此，汲取國外先進技術，融合歷年來國內外已開發的中低壓先進技術，創建符合我國國情的低能耗尿素新流程，以實現傳統法尿素工藝的“中國夢”[3]。

5 未來的化肥工業

傳統的化肥工業已有數十年歷史，原料的不可再生性和高污染、高能耗，已使其呈現“老態”。化肥工業要延續生命力、持續為人類服務，就必須變革，研究開創無三廢污染、無CO2排放的綠色朝陽化肥產業是大勢所趨，西方發達國家在開發現代化肥工業的原創性、探索性基礎研究值得借鑒。

5.1 “太陽能機器”

現代化肥工業的創建應從生命科學、仿生學入手。葉綠素的光合作用是植物生長的基礎，以CO2和H2O為原料，以太陽光為能量，將H2O分解為H2和O2，然后使H2與CO2反應生成復雜的碳水化合物——單糖，其反應式如下：

美國和瑞士的科研人員研發了一種“太陽能機器”的樣機，捕獲的陽光在CeO2的催化作用下使CO2與H2O反應生成H2和CO并放出O2，其反應式如下：

此發明的原理：鑒于普通的光伏電池板雖然能吸收光能并轉化為電能卻無法儲存電能，“太陽能機器”在設計時考慮了儲存能量以備后用，即通過1個石英窗口將陽光集中至襯有CeO2的圓柱反應器內，CeO2在加熱時能將O2“呼出”，而當冷卻時將O2“吸入”。具體操作過程：用泵將CO2和H2O灌入樣機的圓柱反應器內，在CeO2的催化作用下CO2與H2O反應，生成的O2分離出來，引出的H2和CO可以作為燃料或制氨的原料氣。

目前的“太陽能機器”樣機的轉化效率還很低，只能利用機器捕獲的太陽能的0.7%～0.8%，大量的能量在熱能傳輸時損失了。研究人員相信，通過改進，其效率將可提高至19%。

5.2 常溫、常壓下合成氨

20世紀初，德國化學家哈柏在研究直接法合成氨時，由于找不到低壓條件下反應速率快的催化劑，故最終選擇了高溫、高壓合成氨的技術路線，從而決定了之后100年合成氨的技術走向，也使合成氨生產的設備投資和生產能耗大為增加。日本東京大學催化反應工程學的西林仁昭副教授所帶領的團隊針對高溫、高壓條件下合成氨的弊端，正在研究鉬催化劑作用下常溫、常壓合成氨的課題，其反應式如下：

如果此課題研發成功，就無需傳統的高溫、高壓設備，制造氨的設備投資及生產成本都可大幅下降，但報道中未提及生成氨的轉化率。據分析，此課題成功的關鍵是反應速率，所以催化劑的選擇是關鍵。

5.3 新的尿素合成法

(1)

(2)

上述2個反應的條件為壓力0.1～1.5 MPa、溫度25～400 ℃。

眾所周知，傳統的工業尿素合成是高溫、高壓下液相甲銨脫水生成尿素的方法。新方法是氣相尿素生成法，由上述2個平衡反應組成，氣相反應的壓力得以下降。上述反應(1)還是個變換反應，將CO轉化為H2。

6 結語

(1)在合成氨生產工業化100周年之際，由合成氨指導并催生的化肥工業已有60年的歷史。回顧化肥工業的發展歷程，人類受益于化肥工業帶來的糧食和農作物產量成倍增長的福音。然而隨著時間的流逝，化肥工業也呈現出病態，即原料的不可再生性、三廢污染以及排放CO2造成的氣候變暖、高能耗和高投資，化肥生產已經給人類的生存環境帶來了挑戰。

(2)進入21世紀，在如何評議化肥工業的功過問題上存有分歧，化肥工業的發展由此遇到了困境。以歐美為主的西方發達國家認為化肥工業過大于功并已步入“老年”，傳統的化肥產業為“夕陽產業”，不應繼續發展；同時，他們以“保護科學知識產權”為借口，遏制他人繼續發展化肥產業。而以中國為代表的發展中國家認為，化肥工業功大于過，只是步入“中壯年”，還未到老態龍鐘的地步；人類生存，糧食是第一需要，發展中國家還未擺脫饑餓和貧困狀態，傳統的化肥產業應在盡力克服現有弊病的基礎上繼續發展。在西方發達國家對傳統化肥產業先進技術壟斷和封鎖的國際大環境下，當務之急是對先進核心技術的自主科學知識創新，而從傳統化肥技術發展史中提煉出核心知識是開展自主知識創新最為有效的方法之一。

(3)展望21世紀，化肥工業正處于新舊交替過渡的時代，將傳統夕陽型的化肥產業改造為無三廢物和無CO2排放的朝陽型化肥產業已經啟動，西方發達國家已經開展了新的現代化肥生產方法的探索研究，值得關注。當然，新的化肥生產要從技術探索研究、技術開發研究到實現工業化生產，進而逐步過渡并取代傳統化肥產業尚需時日，傳統化肥產業仍將是人類生產化肥的主要方法，估計在未來30～50年不會改變。但是在全球化時代、知識經濟時代，新的化肥生產方法的探索研究成果也是絕對不可能共享的，故而應未雨綢繆，積極籌劃開展新一輪的現代朝陽型化肥生產的基礎探索研究，以應對21世紀傳統化肥產業方面的挑戰。

[1] 沈華民.低碳經濟與化肥生產的CO2減排技術[J].化肥設計，2010(4)：7- 14.

[2] 沈華民.尿素產業在全球化時代的挑戰和應對[J].化肥設計，2011(5)：1- 6.

[3] 沈華民.我國傳統法尿素工藝的“中國夢”在哪里[J].中氮肥，2014(2)：1- 6.

Development and Innovation of Chemical Fertilizer Industry in Era of Globalization

SHEN Huamin

(Chemical Fetrtilizer Industry Committee, Chemical Industry and Engineering Society of China, Shanghai 200062, China)

An analysis is made of the problems of traditional chemical fertilizer industry and existing different opinions between developed countries and developing countries on the problem of how to develop traditional chemical fertilizer industry. The traditional chemical fertilizer industry has experienced decades of development, in order to extend its viability and continue to serve the human race and to take up the challenges of the 21st century, the task of top priority is to innovate scientific knowledge of cutting-edge core technology, and constructively plan carrying out a new round of exploration of the fundamental of modern chemical fertilizer production.

era of globalization; chemical fertilizer industry; innovation

TQ440

A

1006- 7779(2017)01- 0004- 05

2016- 05- 18)