小型緊湊的合成氨工廠

文/Ralf Mayer博士

本文作者系San-Ten咨詢公司的咨詢顧問。

重新考慮合成氨：日本開發商希望用像這樣緊湊的工廠進行現場生產

日本研究人員研發出了一種用于小規模合成氨的新技術——緊湊的合成氨系統可以使較小的國家建立自己的分散式合成氨生產，并在工業脫碳中發揮重要作用。通常情況下，復雜的催化劑是這個新技術實現的關鍵因素。

氨是化學工業中的一種重要原料，可以作為著色劑、鹽、制冷劑以及肥料，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，在這種工藝中，氫在高壓和高溫下與氮氣通過鐵催化劑反應生成氨。然而，這種傳統的合成氨工藝的生產過程有一個很大的缺點：哈伯－博世工藝需要在較高的溫度和壓力下進行反應，使其生產工藝對設備及生產成本均有較嚴苛的要求，導致小規模合成氨的生產無利可圖。

日本Tsubame BHB公司研發了小型氨工廠。該技術的核心是東京理工學院在日本科學技術廳的公共資助戰略研究項目（ACCEL項目，科學總監：細野秀夫教授，項目經理：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，在這些表面上，電子很容易將氮分子分裂成原子，從而實現與氫的反應，電催化劑的反應原理如圖1所示。因此，氮和氮之間的三鍵可以用更少的能量分裂，并且可在低溫和低壓條件下重新實現高效的氨合成。Tsubame BHB公司成立于2017年4月，旨在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日本食品制造商味之素，以及環球材料孵化器的UMI I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。

圖1 電催化劑的反應原理

目前，世界上有120多個國家沒有投資建設基于哈伯－博世工藝的大型合成氨工廠。較高的投資金額和由此產生的生產成本將遠超過國內需求，那么這將不具成本效益。此外，通常沒有足夠的氫氣和能源等資源來支撐經營這樣一個大型工廠。而Tsubame BHB公司的分散式小型現場合成氨廠購買成本較低，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利用可再生能源和可再生氫生產并發生反應。

現場生產

實際上，大型哈伯－博世系統所需的風能或太陽能發電區域將覆蓋幾個足球場。而Tsubame BHB公司開發的小型合成氨工廠只需要大約5臺風力渦輪機來運行一個每年3 000 t合成氨的工廠。與來自蒸汽重整反應器的氫氣相比，使用綠氫制氨可以節省大量的二氧化碳。因此，現場生產和消費的可再生能源綠氨被很多人視為未來氨使用的標準。Tsubame BHB公司的現場合成氨系統能夠實現小規模生產，并且可以使用綠氫和可再生能源進行操作，積極促進綠氨產業的發展。

Tsubame BHB公司并不認為自己與現有的哈伯－博世工藝直接競爭，而是覺得自己是能夠在更多領域為資源節約和成本效率做出貢獻的補充，哈伯－博世方法與Tsubame BHB研發方法的比較見表1。

表1 哈伯－博世方法與Tsubame BHB研發方法的比較

此外，對于現場合成氨生產來說確保了原材料的供應安全。化工廠難以獲得原材料交付的情況正變得越來越普遍。暴雨和洪水導致的交通基礎設施故障是一個典型的例子，隨著河流和運河的水位越來越低使運輸越來越困難直至癱瘓。相比而言，小規模現場合成氨生產不僅減少了總體碳足跡，而且有助于確保原材料的供應安全。

小就是美

從可持續性、資源節約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。然而，風能和太陽能等能源產生的能量波動很大，不容易保證完成固定時間的實際生產需求。而且在不久的將來，這些變化需求和供需差異將不得不通過儲能來補償。除能源供應之外，氫氣供應也十分重要，氫能夠通過電解生產，然后在燃料電池中轉化為電能。然而，氫氣的能量密度相對較低，這會使過程效率低下。通過氨的儲存和運輸可能是一種解決方案，因為氨的能量密度相比于氫的能量密度要高得多，比液態氫也更容易儲存和運輸。Tsubame BHB公司的小型合成氨工廠可以在這過程中發揮關鍵作用，因為它們非常適合較小的、分散的能源系統，并使氨生產接近能源發電，例如，可以直接在風力發電場生產。

2019年12月，一家年產20 t氨的試點工廠在東京附近的川崎開始運營。在這個實驗工廠中，研究人員正在研究催化劑的長期穩定性和最佳工藝條件。在優化的操作條件（反應器溫度、壓力等）下，對中試裝置中的催化劑進行的試驗表明，催化劑的催化活性高于實驗室試驗。與實驗室反應器相比，在相同的生產率下，所需的催化劑量可減少約30%。對于年產數千噸或更多的合成氨工廠，這意味著他們可以用更少的催化劑運行。此外，實驗室反應器還表明，即使在恒定的反應條件下連續運行兩年以上，催化劑也不會失活。

未來發展

Tsubame BHB公司目前已經完成了500 kg/a、3 000 kg/a和5 000 kg/a的兩個模塊化單元的基礎工程。這些系統旨在用于交鑰匙操作，并能夠提供可選的氫氣和氮氣供應。而且對于生產超過1×1010t/a的大型系統，也有經典的EPC業務模式，即用戶接收設計和規劃數據以及催化劑，并與已建立的工程公司合作進行系統的實際建設。 ●