Аммиак өндірісі: тарихы, әдістері және экологиялық аспектілер

Кіріспе

Аммиак тарихы мен өндіріс әдістеріне шолу

Аммиак өндірісі бүкіл әлемде, көбінесе жылына 183 миллион метрикалық тонна аммиак өндіретін ірі өндіріс орындарында жүзеге асырылады (2021 жылғы деректер). Басты өндірушілер: Қытай (31,9%), Ресей (8,7%), Үндістан (7,5%) және АҚШ (7,1%). Аммиактың 80% немесе одан да көп бөлігі тыңайтқыш ретінде қолданылады. Аммиак сонымен қатар пластик, талшық, жарылғыш заттар, азот қышқылы (Оствальд процесі арқылы) және бояулар мен фармацевтикалық өнімдерге қажет аралық заттарды өндіру үшін де пайдаланылады. Бұл сала жаһандық өндірістің 1-2%-ын құрайды. Жыл сайын 18-20 миллион тонна газ әлемдік нарыққа тасымалданады.

Құрғақ дәмдеуіш

Бірінші дүниежүзілік соғыс басталғанға дейін аммиактың көп бөлігі азотты органикалық өсімдік және жануар қалдықтарын құрғақ дистилляциялау арқылы; азот қышқылы мен нитриттерді сутегімен тотығуын төмендету арқылы; сондай-ақ аммоний тұздарын сілтілік гидроксидтермен немесе гауһар (өңделген әкпен) ыдырату арқылы алынды, ең көп қолданылатын тұз – хлорид (амония тұзы) болды.

Біркеланд-Эйд процесі

Аммиак өндіру әдісі емес болғанымен, азотты (оттегімен) электр ұшқыны арқылы өткізу арқылы бекітуге болады.

Нитридтер

Магний сияқты металдарды таза азот атмосферасында қыздырғанда нитрид түзіледі, ал оны сумен біріктіргенде металл гидроксиді мен аммиак пайда болады.

Қоршаған ортаға әсері

Аммиак өндірісінің сенімді энергиямен қамтылуына байланысты, көбінесе табиғи отын қолданылады, олар жану кезінде климаттың өзгеруіне себеп болады және парниктік газдар шығарады. Аммиак өндірісі сонымен қатар азотты Жердің азот айналымына енгізеді, бұл тепе-теңдіксіздіктерге алып келіп, балдыр гүлдеуі сияқты қоршаған орта мәселелеріне ықпал етеді. Жаңартылатын немесе ядролық энергиямен жұмыс істейтін кейбір өндіріс әдістері қоршаған ортаға аз әсер ететіні дәлелденді. Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers компаниясы осы мақсатта сілтілі су электролизі бойынша жылдық өндіріс қуатын 1 гигаватт электролизер қуатына дейін кеңейтті. Сутек экономикасында сутек өндірісінің бір бөлігі шикізат ретінде пайдаланылуы мүмкін. Мысалы, 2002 жылы Исландия гидроэлектр станцияларынан артық қуатты пайдаланып, электролиз арқылы 2000 тонна сутек газын өндірді, негіздерінен тыңайтқыш өндіруге бағытталды. Норвегиядағы Веморк гидроэлектр станциясы 1911 жылдан 1971 жылға дейін артық электр қуатын жаңартылатын азот қышқылын өндіру үшін пайдаланды, бұл үшін азот қышқылының 1 тоннасына 15 мВт/сағат қажет болды. Осы реакция табиғатта найзағай арқылы жүзеге асырылады, бұл ерітілген нитраттардың табиғи көзін қамтамасыз етеді. Табиғи газ әлі де ең төмен құнға ие әдіс болып табылады. Кәрі су көбінесе аммиакқа толы болады. Аммиакты аммиакқа толы суды қоршаған ортаға шығару теңіз жануарларына зиян келтіретіндіктен, аммиакты жою үшін көбінесе нитрификация қажет. Оның көп мөлшеріне байланысты, бұл аммиактың тұрақты көзі болуы мүмкін. Балама ретінде, кәрі судан алынған аммиакты жаңартылатын энергия көздерінде жұмыс істейтін аммиак электролизеріне (аммиак электролизі) жіберуге болады, бұл сутек пен таза су өндіруге мүмкіндік береді. Аммиак электролизі су электролизіне қарағанда әлдеқайда аз термодинамикалық энергия талап етеді (сілкілі ортада тек 0,06 В). Кәрі судан аммиакты қалпына келтірудің тағы бір әдісі – аммиак-судың жылулық сіңіру циклының механизмдерін пайдалану. Осылайша, аммиакты сұйық немесе аммоний гидроксиді түрінде қалпына келтіруге болады. Біріншісінің артықшылығы – оны басқару және тасымалдау оңай, ал екіншісі 30 пайыздық концентрациядағы ерітіндіде коммерциялық құндылыққа ие.

Because ammonia production depends on a reliable supply of energy, fossil fuels are often used, contributing to climate change when they are combusted and create greenhouse gasses. Ammonia production also introduces nitrogen into the Earth's nitrogen cycle, causing imbalances that contribute to environmental issues such as algae blooms. Certain production methods prove to have less of an environmental impact, such as those powered by renewable or nuclear energy. Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers expanded its annual production capacity for alkaline water electrolysis to 1 gigawatt of electrolyzer capacity for this purpose. In a hydrogen economy some hydrogen production could be diverted to feedstock use. For example, in 2002, Iceland produced 2,000 tons of hydrogen gas by electrolysis, using excess power from its hydroelectric plants, primarily for fertilizer. The Vemork hydroelectric plant in Norway used its surplus electricity output to generate renewable nitric acid from 1911 to 1971, requiring 15 mWh/ton of nitric acid. The same reaction is carried out by lightning, providing a natural source of soluble nitrates. Natural gas remains the lowest cost method. Wastewater is often high in ammonia. Because discharging ammonia laden water into the environment damages marine life, nitrification is often necessary to remove the ammonia. This may become a potentially sustainable source of ammonia given its abundance. Alternatively, ammonia from wastewater can be sent into an ammonia electrolyzer (ammonia electrolysis) operating with renewable energy sources to produce hydrogen and clean water. Ammonia electrolysis may require much less thermodynamic energy than water electrolysis (only 0.06 V in alkaline media). Another option for recovering ammonia from wastewater is to use the mechanics of the ammonia water thermal absorption cycle. Ammonia can thus be recovered either as a liquid or as ammonium hydroxide. The advantage of the former is that it is much easier to handle and transport, whereas the latter has commercial value at concentrations of 30 percent in solution.

Көмір

Көмірден аммиак жасау негізінен Қытайда жүзеге асырылады, онда ол басты көзі болып табылады.

Шағын көлемді жергілікті зауыттар

2017 жылдың сәуірінде жапондық Tsubame BHB компаниясы электрохимиялық катализаторды қолдана отырып, қалыпты өндіріс орналастырылған зауыттардан 1-2 есеге артық төмен масштабта аммиак синтездеудің экономикалық тиімді әдісін енгізді.

Жасыл аммиак

2024 жылы BBC көптеген компаниялар аммиакты пайдалану мен өндіруден болатын жаһандық көміртегі шығарындыларының 2 пайызын азайту үшін оны зертханаларда өндіруге тырысып жатқанын хабарлады. Бұл өнеркәсіп "жасыл аммиак" деп белгілі болды.

Қосалқы өнімдер мен өндірісті тоқтатудан туындаған жетіспеушіліктер

Аммиак өндірісінің негізгі өндірістік қосалқы өнімдерінің бірі – CO2. 2018 жылы мұнай бағасының жоғарылауы Еуропадағы аммиак зауыттарының жазғы маусымда ұзақ мерзімге тоқтауына себеп болды, бұл коммерциялық CO2 тапшылығын тудырып, сыра және газдалған сусындар сияқты CO2 негізіндегі өнімдердің өндірісін шектеді. Жыл барысында табиғи газдың көтерме бағасы 250-400% өскендіктен, осы жағдай 2021 жылдың қыркүйек айында қайталанды.