Производство аммиака: история, методы и экологические аспекты

Введение

Обзор истории и методов производства NH3

Производство аммиака осуществляется по всему миру, преимущественно на крупных производственных предприятиях, которые ежегодно производят 183 миллиона метрических тонн аммиака (2021 год). Ведущими производителями являются Китай (31,9%), Россия (8,7%), Индия (7,5%) и Соединенные Штаты (7,1%). 80% и более аммиака используется в качестве удобрений. Аммиак также применяется для производства пластмасс, волокон, взрывчатых веществ, азотной кислоты (методом Оствальда) и промежуточных продуктов для красителей и фармацевтических препаратов. Отрасль вносит вклад в 1–2% глобальных выбросов. Между 18 и 20 миллионами тонн газа транспортируется по всему миру ежегодно.

Сухая дистилляция

До начала Первой мировой войны большая часть аммиака получалась путем сухой перегонки азотистых растительных и животных продуктов, восстановлением азотистой кислоты и нитритов водородом, а также разложением солей аммония щелочными гидроксидами или негашеной известью, при этом наиболее часто использовался хлорид (нашатырь).

Процесс Биркеланд-Эйд

Хотя это и не является способом получения аммиака, азот можно фиксировать, пропуская его (вместе с кислородом) через электрическую искру.

Нитриды

Нагревание металлов, таких как магний, в атмосфере чистого азота приводит к образованию нитрида, который при взаимодействии с водой образует гидроксид металла и аммиак.

Влияние на окружающую среду

Поскольку производство аммиака зависит от надежного энергоснабжения, часто используются ископаемые виды топлива, которые при сжигании способствуют изменению климата и образованию парниковых газов. Производство аммиака также вносит азот в круговорот азота в биосфере, вызывая дисбаланс, который усугубляет экологические проблемы, такие как цветение водорослей. Некоторые методы производства оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, например, те, которые используют возобновляемые источники энергии или ядерную энергию. Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers расширила свою годовую производственную мощность щелочного электролиза воды до 1 гигаватта электролизной мощности для этих целей. В водородной экономике часть производимого водорода может быть направлена на использование в качестве сырья. Например, в 2002 году Исландия произвела 2000 тонн водорода путем электролиза, используя избыточную мощность своих гидроэлектростанций, главным образом для производства удобрений. Гидроэлектростанция Веморк в Норвегии использовала избыточную электроэнергию для производства возобновляемой азотной кислоты с 1911 по 1971 год, что требовало 15 МВтч на тонну азотной кислоты. Та же реакция происходит во время грозы, обеспечивая естественный источник растворимых нитратов. Природный газ остается самым экономичным методом. Сточные воды часто содержат большое количество аммиака. Поскольку сброс воды, содержащей аммиак, в окружающую среду наносит ущерб морским организмам, для удаления аммиака часто необходима нитрификация. Это может стать потенциально устойчивым источником аммиака, учитывая его распространенность. В качестве альтернативы аммиак из сточных вод может быть направлен в аммиачный электролизер (электролиз аммиака), работающий на возобновляемых источниках энергии, для производства водорода и чистой воды. Электролизу аммиака может потребоваться значительно меньше термодинамической энергии, чем электролизу воды (всего 0,06 В в щелочной среде). Другой способ извлечения аммиака из сточных вод – использование принципов теплового абсорбционного цикла аммиак-вода. Таким образом, аммиак может быть извлечен либо в жидком виде, либо в виде гидроксида аммония. Преимущество первого заключается в его более удобной обработке и транспортировке, в то время как второй имеет коммерческую ценность при концентрации 30% в растворе.

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.

Уголь

Производство аммиака из угля в основном практикуется в Китае, где это основной источник.

Маломасштабные установки на месте

В апреле 2017 года японская компания Tsubame BHB внедрила метод синтеза аммиака, который может позволить экономически эффективное производство в масштабах на 1-2 порядка величины меньше, чем на обычных заводах, с использованием электрохимического катализатора.

Зеленый аммиак

В 2024 году BBC сообщила, что множество компаний пытаются снизить 2% глобальных выбросов углерода, вызванные производством и использованием аммиака, путем его синтеза в лабораторных условиях. Эта отрасль получила название "зеленый аммиак".

Побочные продукты и дефицит из-за закрытия

Одним из основных промышленных побочных продуктов производства аммиака является CO2. В 2018 году высокие цены на нефть привели к длительному летнему простою европейских аммиачных заводов, что вызвало коммерческий дефицит CO2 и, как следствие, ограничило производство продуктов, использующих CO2, таких как пиво и безалкогольные напитки. Подобная ситуация повторилась в сентябре 2021 года из-за увеличения оптовой цены на природный газ на 250–400% в течение года.