本文3996字，阅读约需10分钟
摘 要：即使在低碳社会中，氨作为肥料和化学品等也是基础化学原料之一。本文通过探讨利用传统高压合成法（Haber法）和正在开发中的低压/低温法在产能为800t/d左右的大规模设备中制造氨的工艺（已实用化）、以及在产能为240t/d左右的小规模设备中制造氨的工艺，提出了高效生产无碳氨的新型工艺，并讨论了技术开发方面的课题。尤为关键的是利用低压/低温法的催化剂的开发与实证、以及小规模设备中的吸收和分离性能良好的氨吸收剂的开发与实证。
关键字：无碳氨制造技术、无碳氢、Haber法、低压法、小规模制氨设备、分布式制氨设备
氨作为氮肥、内酰胺与异氰酸酯等含氮化学品、能源载体等的基础原料，是重要的化学品。目前氨是以化石燃料为氢源，在20MPa左右的高压下合成，并且在产能为1000t/d左右的大规模设备中大量生产。
在低碳社会中，需要以无碳氢为原料生产无碳氨。制备无碳氢有三种方案：①使用化石燃料，并将副产CO2储存起来；②将生物质气化后制取；③利用可再生能源电解水。在方案①中，日本的CO2储存场所尚不明确，无碳氢的制备存在必须依赖海外的风险；在方案②中，由于生物质的处理和物流问题，无法大规模生产；在方案③中，电解水制氢的成本很高。本提案中，在从日本产的生物质中制取无碳氢，然后用于小规模制氨的情况下，考虑到对生物质的处理，探讨讨了在产能为240t/d左右（相当于生物质使用量为500t/d）的小规模设备中制氨的新型工艺方案及其成本、课题。
2.1 设想的前提等
2017财年（2017年4月~2018年3月），日本国内的氨需求量为1125kt（相当于128t/h），其中氮肥为485kt（相当于55t/h）。假设日本国内有10个左右的制氨场所承担该需求量，小规模制氨设备的生产规模为10t/h（240t/d）。
原料氢的成本对氨成本的影响最大。假设原料氢是通过生物质的气化（独立方案）制取的，生物质的价格接近当前价格，为10日元（0.57元）/kg-dry。在原料生物质处理量为2000t/d的情况（相当于143t/d的氢产量，可生产氨800t/d）下，氢价格为1.9日元（约0.11元）/MJ（229日元（约13.29元）/kg）。如果以3日元（约0.17元）/kg-dry作为将来生物质的目标价格，那么氢的目标成本为1.1日元（约0.06元）/MJ（133日元（约7.72元）/kg）。利用生物质生产无碳氢的情况下，当生物质处理量为2000t/d时，假设通过载重为10t的卡车进行运输，每天有200辆卡车只在白天运输（10h/d），相当于每小时有20辆卡车在运输。日本的山间道路状况较差，假设2000t/d的处理量几乎是最大限度，此时的氨产能为800t/d（33.5t/h）。根据生物质处理量和肥料用氨的分布式利用，假设小规模制氨设备的产能为240t/d。生物质的处理量为590t/d。如果考虑用载重10t的卡车只在白天运输的话，相当于每小时有6辆卡车在运输。
氨的制造是典型的设备产业，规模越大制造成本越低。世界上有1500t/d左右的设备规模，在本研究中假设将充分利用由处理量为2000t/d的生物质制取的氢的制氨设备作为大规模设备。氨生产规模将达到800t/d（33.5t/h）。
目前已经实用化的制氨工艺是Haber法，反应条件为20MPa、450℃，来自反应气体的氨在冷却后分离。另外，采用深冷分离法施加动力来制造N2。在小规模制氨中，优选采用低压合成且简便的分离工序。设想的小规模制氨工艺为：采用低压合成催化剂[1]，反应条件为1MPa、300℃，分离方法是使用MgCl2的吸收解吸法[2]，通过压力变动吸附法（PSA法）制造N2。
另外，为了对工艺进行比较研究，在大规模制氨中采用传统的Haber法和正在开发的低压工艺，在小规模制氨中采用低压合成法，对使用吸收解吸法进行氨分离的新型工艺进行了探讨。探讨后的各工艺条件如表1所示。
2.2 大规模设备/Haber法和低压法的比较与课题（设备规模：800t/d）
2.2.1 工艺
对于大规模设备，本文对比研究了传统的Haber法与近年来正在研究的低压工艺[1]。设想的工艺如下图所示，图1-1示出Haber法（传统方法），图1-2示出开发中的低压法。另外，将工艺工序划分为共同部分、反应工序、分离工序，计算出设备费用、制氢成本。
图1-1 高压法（Haber法/大规模）200MPa/450℃
图1-2 低压法（大规模）1MPa/340℃