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概述
調研大綱

合成氨作為一種基礎化工產品,在現代工業(yè)和農業(yè)領域都有著舉足輕重的地位,從農業(yè)角度來看,氨是生產氮肥和復合肥的關鍵原料,對保障全球糧食供應起著不可或缺的作用。隨著全球人口的持續(xù)增長,對糧食的需求不斷攀升,這使得合成氨在農業(yè)領域的重要性愈發(fā)凸顯。

一、合成氨定義與分類?

合成氨,是指由氮和氫在高溫高壓以及催化劑存在的條件下直接合成的氨,其化學反應方程式為?N2+3H2?2NH3,在現代化學工業(yè)中,氨是極為重要的無機化工產品之一,在國民經濟里占據著舉足輕重的地位。世界上的氨,除了少量從焦爐氣中回收作為副產之外,絕大部分都是通過合成的方式制得。從物質形態(tài)上劃分,氨在常溫常壓下是一種具有強烈刺激性氣味的無色氣體,極易溶于水,其水溶液被稱為氨水。在降溫加壓的條件下,氨氣能夠液化形成液氨,液氨具有較高的汽化潛熱,常用作制冷劑。?

按照合成原料氫氣的碳排放情況來分類,合成氨可分為灰氨、藍氨和綠氨。灰氨的原料氫氣來源于化石燃料,并且在生產氫氣的過程中沒有對產生的二氧化碳進行捕集,其碳排放強度最高。藍氨的氫氣同樣來源于化石燃料,不過在生產過程中采用了碳捕捉與封存技術(CCS),能夠減少部分碳排放 。綠氨則是以可再生能源為動力進行電解水制氫,再與氮通過熱催化或電催化等技術合成,也就是以綠氫制備綠氨,其碳排放幾乎為零,具有顯著的環(huán)境效益。隨著全球對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的關注度不斷提高,綠氨作為一種低碳甚至零碳的合成氨方式,受到了越來越多的關注和研究,有望在未來的合成氨市場中占據重要地位。?

二、合成氨產業(yè)鏈結構?

合成氨產業(yè)鏈涵蓋了上游原材料供應、中游合成氨生產以及下游產品應用等多個環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)相互關聯(lián)、相互影響,共同構成了一個龐大而復雜的產業(yè)體系。產業(yè)鏈上游主要是原材料供應商,包括天然氣、煤炭、石腦油、重質油等化石能源,以及用于制氫的水和各類催化劑。其中,天然氣是合成氨生產的優(yōu)質原料,具有氫碳比高、雜質少等優(yōu)點,全球約 70% 以上的合成氨生產以天然氣為原料。在中國,由于煤炭資源相對豐富,煤制合成氨產能占比較高,2023 年煤制合成氨產能占比約為 79% 左右。除了化石能源,可再生能源如太陽能、風能、水能等也逐漸在合成氨生產中得到應用,主要用于電解水制氫,為綠氨的生產提供原料。在催化劑方面,鐵基催化劑是目前合成氨生產中應用最為廣泛的催化劑,此外,還有釕基催化劑等新型催化劑也在不斷研發(fā)和應用推廣中,它們能夠提高合成氨反應的效率和選擇性,降低反應條件,減少能源消耗。?

中游是合成氨的生產環(huán)節(jié),這是產業(yè)鏈的核心部分。合成氨生產企業(yè)通過一系列復雜的工藝流程,將上游的原材料轉化為氨產品。生產過程通常包括造氣、脫硫、變換、脫碳、精煉、壓縮和氨合成等步驟。不同的原料和生產工藝會對合成氨的生產成本、產品質量和環(huán)境影響產生顯著差異。以天然氣制氨為例,其工藝流程相對簡單,能耗較低,產品純度較高,但對天然氣供應的穩(wěn)定性要求較高。而煤制合成氨雖然原料成本相對較低,但生產過程復雜,能耗高,污染物排放量大,需要配套完善的環(huán)保設施。目前,全球合成氨生產企業(yè)眾多,市場集中度相對較低,但一些大型企業(yè)憑借其先進的技術、規(guī)模優(yōu)勢和完善的產業(yè)鏈布局,在市場競爭中占據了有利地位。如中國石油化工集團、湖北三寧化工股份有限公司、瀘天化股份有限公司等,它們在技術研發(fā)、生產管理、市場拓展等方面具有較強的實力,引領著行業(yè)的發(fā)展方向。?

下游是合成氨的應用領域,主要包括農業(yè)和工業(yè)兩大板塊。在農業(yè)領域,合成氨主要用于生產氮肥和復合肥,如尿素、硝酸銨、磷酸銨等,是農作物生長不可或缺的營養(yǎng)來源。全球約 80% 的氨用于生產各類化學肥料,對提高農作物產量和質量起著關鍵作用。隨著農業(yè)現代化的推進和對糧食安全的重視,對氮肥和復合肥的需求將持續(xù)穩(wěn)定增長,從而帶動合成氨市場的發(fā)展。在工業(yè)領域,合成氨是眾多化工產品的基礎原料,廣泛應用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成塑料以及含氮無機鹽等行業(yè)。在制藥行業(yè),氨參與了多種藥物的合成過程;在煉油工業(yè)中,氨用于脫硫等關鍵環(huán)節(jié),提高油品質量;在合成纖維和合成塑料行業(yè),氨是生產原料之一,用于制造腈綸、錦綸、聚氨酯等產品。合成氨還被用作制冷劑,在冷庫設備、冷鏈物流等領域發(fā)揮著重要作用。下游行業(yè)的發(fā)展狀況和需求變化直接影響著合成氨的市場需求和價格走勢,推動著合成氨行業(yè)不斷進行技術創(chuàng)新和產品升級,以滿足不同行業(yè)的需求。

三、合成氨的應用領域與重要性?

合成氨在農業(yè)領域的應用是其最為重要的用途之一,對保障全球糧食安全起著基礎性作用。氨是生產氮肥和復合肥的核心原料,氮肥是農作物生長所需氮元素的主要來源。氮元素在植物的光合作用、蛋白質合成、細胞分裂等生理過程中發(fā)揮著關鍵作用,能夠促進植物的莖葉生長,提高農作物的產量和品質。常見的氮肥如尿素CO(NH2)2、硝酸銨NH4NO3、硫酸銨?(NH4?)2SO4?等,都是以合成氨為原料生產而成。尿素是目前應用最廣泛的氮肥之一,含氮量高,肥效持久,適用于各種土壤和農作物。它不僅可以直接作為肥料施用,還可以作為生產復合肥的重要原料。復合肥則是將氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素按照一定比例混合而成,能夠同時滿足農作物對多種養(yǎng)分的需求,提高肥料利用率,減少施肥次數,降低勞動成本。隨著全球人口的持續(xù)增長,對糧食的需求不斷攀升,農業(yè)生產對氮肥和復合肥的依賴程度也越來越高。據統(tǒng)計,全球約 80% 的氨用于生產各類化學肥料,合成氨的穩(wěn)定供應對于保障全球糧食產量的穩(wěn)定增長至關重要。如果合成氨供應不足或價格大幅上漲,將直接影響氮肥和復合肥的生產,進而威脅到全球糧食安全。?

在工業(yè)領域,合成氨同樣具有廣泛的應用和不可替代的重要性。在制藥行業(yè),氨是合成許多藥物的關鍵原料。例如,磺胺類藥物是一類重要的抗菌藥物,其合成過程中需要氨作為氮源。氨還參與了維生素、氨基酸等藥物的合成,對人類的健康和醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。在煉油工業(yè)中,氨主要用于脫硫工藝。原油中含有大量的硫化物,在煉制過程中會產生二氧化硫等有害氣體,對環(huán)境造成嚴重污染。通過在煉油過程中加入液氨,與硫化物反應生成硫酸銨等鹽類,從而脫除原油中的硫,提高油品質量,減少污染物排放。在純堿生產中,氨堿法是一種重要的生產工藝。該方法以食鹽、氨和二氧化碳為原料,通過一系列化學反應生成純堿(碳酸鈉)和氯化銨。氨在這個過程中起到了媒介和催化劑的作用,促進了反應的進行,提高了純堿的生產效率和質量。合成氨還是合成纖維、合成塑料以及含氮無機鹽等行業(yè)的重要原料。在合成纖維領域,氨用于生產腈綸、錦綸等合成纖維,這些纖維具有強度高、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點,廣泛應用于紡織、服裝、工業(yè)等領域。在合成塑料行業(yè),氨參與了聚氨酯、聚酰胺等塑料的合成,這些塑料具有優(yōu)異的性能,如高強度、高韌性、耐化學腐蝕等,被廣泛應用于建筑、汽車、電子等行業(yè)。含氮無機鹽如硝酸鉀、亞硝酸鈉等,在化工、食品、醫(yī)藥等領域也有著重要的應用,它們的生產離不開合成氨。?

在能源領域,合成氨也逐漸展現出其獨特的價值和重要性。隨著全球對清潔能源的需求不斷增加,氨作為一種潛在的能源載體和儲能介質,受到了越來越多的關注。一方面,氨可以作為氫的載體。氫氣是一種清潔高效的能源,但由于其儲存和運輸困難,限制了其大規(guī)模應用。氨的含氫量高達 17.6%,且在常溫常壓下是液態(tài),便于儲存和運輸。通過將氫氣轉化為氨,可以實現氫氣的高效儲存和運輸,降低成本和風險。在需要使用氫氣時,再通過裂解氨釋放出氫氣,為燃料電池、氫內燃機等提供燃料。另一方面,氨還可以直接作為燃料使用。氨燃燒時只產生氮氣和水,不產生二氧化碳等溫室氣體,是一種低碳甚至零碳的燃料。目前,氨在船舶、發(fā)電等領域的應用研究正在積極開展。在船舶領域,氨燃料發(fā)動機的研發(fā)取得了一定進展,有望成為未來船舶動力的一種選擇,實現船舶的低碳排放。在發(fā)電領域,氨可以與天然氣混合燃燒發(fā)電,或者通過燃料電池技術將氨的化學能直接轉化為電能,為能源供應提供了新的途徑。此外,合成氨生產過程中會產生大量的余熱,這些余熱可以通過余熱回收技術進行利用,用于供暖、發(fā)電等,提高能源利用效率,減少能源浪費。隨著能源技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新,合成氨在能源領域的應用前景將更加廣闊,有望為全球能源轉型和可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。

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