4月17日,德克薩斯州西部一家化肥混合設施發生的毀滅性爆炸,引起了人們對氨基化肥生產和儲存風險的關注。美國職業安全與健康管理局在1984年至2006年期間報告了美國各地氨廠發生的224起事故,導致50人死亡,而且氨基化肥和炸藥還涉及各種蓄意襲擊事件,包括1995年俄克拉荷馬城爆炸案。現在,化肥行業的另一種繁榮(不需要炸藥)也可能預示著麻煩。
在美國,超過20年沒有新的氨廠(生產全球90%的化肥)破土動工。但在未來三到五年內,這種情況將發生改變。如今,美國提出了多達14個氨廠的建設計劃,新增產能近1200萬噸,預計投資100億美元。一些較舊的工廠也在重新投產和升級。路易斯安那州、艾奧瓦州、北達科他州、得克薩斯州和印第安納州是擬議的廠址之一。這種由廉價天然氣(氨生產的主要原料)推動的繁榮,將推動該行業已經相當可觀的碳足跡的相應激增。
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火熱的市場,火熱的氣候?
全球對化肥的需求正在不斷上升。中國、印度和世界各地的發展中國家正在加大谷物和牲畜的農業產量,商品作物價格處於歷史高位,鼓勵農民大量施肥以尋求更高的產量。隨著化肥需求的增長,供應也在增加以滿足需求,而美國有望抓住大部分增長,這在很大程度上歸因於過去四年美國天然氣行業的快速擴張。
但與許多利用廉價天然氣的行業不同,氨生產商並不是主要將其用作燃料。他們將其用作原料——一種豐富且易於獲取的氫來源。
相對而言,氨的生產相當簡單。其投入物是氮、氫以及用於刺激所有化學系學生都瞭解的反應的能量
N2 + 3H2 => 2NH3
該過程中使用的氮取自空氣,但氫來源因氨生產的時間和地點而異。當氨廠在20世紀40年代首次上線時,大多數使用水作為氫源;高能耗的電解作用使氫和氧分離。加入催化劑、一點壓力、一陣空氣,然後冷卻,你就得到了氨,還有一點額外的氧氣。但是電解作用成本很高,而如今的氨廠有更便宜的氫來源:碳氫化合物。
在中國,大多數氨是由氣化煤製成的,但在世界其他地方,這主要意味著天然氣。大量的天然氣:氨廠消耗約佔全球能源的1%。然而,其中大部分用作原料,而不是燃料。
在過去的60年裡,工藝技術穩步提高,自20世紀70年代(當時大多數現有設施建成)以來,每噸氨(作為原料和燃料)的能源消耗量減少了約30%。大多數美國工廠都跟上了技術發展的步伐,隨著更高效的技術問世,進行了升級和改造,但改進正在減少;國際肥料工業協會報告稱,新的設計正在達到能源消耗的理論最小值。問題不是能源效率,而是原料。
當以煤和天然氣為原料的工廠生產氨時,它們會產生兩種主要的副產品:熱量和二氧化碳 (CO2)。
釋放的熱量取決於所使用的具體工藝;其中大部分被捕獲並在轉化過程中重複利用,從而減少了工廠所需的燃料能源量。但即使是高效氨廠也是二氧化碳排放大戶:每生產一噸氨就會釋放兩噸二氧化碳。一部分二氧化碳被捕獲並用於生產尿素 (CH4N2O),這是全球使用最廣泛的氮肥。但氨廠還會生產無水氨、硝酸銨(導致上週德克薩斯州爆炸的化合物)、硫酸銨、UAN(尿素硝酸銨溶液)以及農業和工業應用中使用的其他形式的氨,這些氨都不使用剩餘的二氧化碳。其餘的則直接排放到大氣中。
溫室氣體影響
2011年,美國氨生產設施排放了2500萬噸溫室氣體(幾乎全部是二氧化碳),略低於化工製造業碳足跡總量的14%(約佔美國排放總量的0.1%)。據一些行業人士稱,在全球範圍內,氨的生產佔碳排放量的3%到5%。這還沒有考慮天然氣生產的供應鏈、生產過程中的能源相關排放、化肥施用(和誤用)或尿素和其他氨產品在工業上的應用。
許多人擔心這種更大的碳足跡,尤其是隨著該行業的擴張。NPK化肥諮詢服務公司(美國化肥巨頭CF工業公司前首席經濟學家)的行業顧問格倫·巴克利估計,擬議的美國產能中只有約600萬噸將實際獲得資金並建成,儘管如此,這仍是全國氨總產能的50%以上的增長。目前,美國僅佔全球氨產量的6%,而大部分新工廠都在這裡或加拿大上線,加拿大也受益於天然氣的繁榮。
這種增長將伴隨著溫室氣體的直接比例上升。隨著新增600萬噸氨的生產,美國境內的排放量將至少增加到3700萬噸。如果更多擬議中的工廠建成,總排放量可能高達5000萬噸。據一些訊息來源稱,在全球範圍內,氨的生產已經佔到碳排放總量的3-5%。同樣,這還不包括供應鏈上游或下游的排放量。
正是這些擔憂,讓一些觀察人士開始關注未來。
在上游方面,排放問題可能會透過加強監管來減緩供應或推高成本,特別是如果美國環境保護署對生產領域燃燒的大量天然氣提出異議。“環保署是一個主要的未知數,”巴克利說。
但下游也可能發揮作用。加州 SynGest 公司董事長兼執行長傑克·奧斯瓦爾德表示,消費品公司越來越關注其供應鏈中的碳含量。SynGest 公司建議在其氨生產廠中使用生物質氣化工藝,而不是天然氣。
奧斯瓦爾德的支持者中有森林產品和包裝食品公司,它們開始關注其產品的碳足跡。他舉例說明了他在美國南部與橙汁製造商的對話:“運輸原來只是一小部分。他們大約 30% 到 33% 的碳排放完全與氮肥有關。”
轉向國內生產的天然氣化肥將從這些供應鏈中去除一些碳——今天使用的大部分化肥來自中國的燃煤工廠。但 SynGest 的目標是更進一步。奧斯瓦爾德說,由於它使用的是新的生物質,而不是長期埋藏的碳氫化合物,SynGest 的工藝具有淨零碳足跡,因為“我們不會向空氣中排放新的碳”。儘管該公司尚未破土動工,但奧斯瓦爾德指出,該公司有望在未來三年內在美東南地區擁有一家商業規模的工廠,每年生產 87,000 噸氨。
儘管 SynGest 的價格尚不具備與天然氣氨競爭的優勢,但奧斯瓦爾德認為,對低碳來源的氨基化肥有大量需求:“廉價天然氣解決不了這個問題。”