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（山西興新安全技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000）

引言

合成氨生產(chǎn)作為化肥的基本上游產(chǎn)品，在我國(guó)是一個(gè)非常重要的產(chǎn)業(yè)，其中，能源消耗高和水污染排放大是我國(guó)合成氨工業(yè)面臨的兩大環(huán)境問題[1-2]。如何提高能源效率和減少水污染是綜合政策設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)，不同種類植物在能源消耗水平和水污染排放水平上存在顯著差異。此外，改造現(xiàn)有工廠和擴(kuò)大新的生產(chǎn)能力有助于該部門的高度動(dòng)態(tài)性質(zhì)，這些因素使的決策成為一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。

本文介紹了自底向上的技術(shù)模型，將蒙特卡羅模擬應(yīng)用于自底向上模型的方法框架，通過蒙特卡羅模擬，探討了環(huán)境績(jī)效和不同結(jié)構(gòu)因素與清潔技術(shù)之間的相關(guān)性，結(jié)論部分討論了本文提出方法框架的一些特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 用于政策評(píng)估的自底向上技術(shù)模型

自底向上的模型被廣泛用于模擬部門或全國(guó)的能源消耗污染或溫室氣體（GHG）排放。在這些模型中，工業(yè)部門根據(jù)特定的生產(chǎn)過程、技術(shù)或設(shè)備分為若干子類。總的能源消耗和污染排放是由總的活動(dòng)水平和子類別的結(jié)構(gòu)所決定的。一些特定的篩選技術(shù)的應(yīng)用和推廣可以在同一框架內(nèi)進(jìn)行模擬。因此，除了整體活動(dòng)水平和部門結(jié)構(gòu)的變化外，技術(shù)擴(kuò)散還會(huì)影響未來每個(gè)生產(chǎn)過程的能源消耗強(qiáng)度和污染排放負(fù)荷。模型的結(jié)構(gòu)如式（1）。

1.2 將蒙特卡羅隨機(jī)模擬與傳統(tǒng)的自底向上模型相結(jié)合

自底向上技術(shù)模型的傳統(tǒng)方法對(duì)某些構(gòu)造具有特定策略含義的場(chǎng)景執(zhí)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。但是，結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)的擴(kuò)散在某種程度上是高度不確定的。當(dāng)使用有限數(shù)量的場(chǎng)景時(shí)，很多關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)特性的有用信息可能會(huì)丟失。因此，將蒙特卡羅隨機(jī)抽樣技術(shù)與該技術(shù)模型相結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)的自底向上模型進(jìn)行了重要的擴(kuò)展。其基本步驟包括兩個(gè)步驟：一是隨機(jī)生成足夠數(shù)量的合理情景；二是分析不同因素與環(huán)境績(jī)效之間的相關(guān)性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 場(chǎng)景定義

合成氨的總產(chǎn)量主要是由肥料需求驅(qū)動(dòng)的。預(yù)測(cè)化肥需求超出了本文的范圍，雖然最近的文獻(xiàn)總結(jié)了對(duì)中國(guó)未來化肥需求的預(yù)測(cè)。具體而言，預(yù)計(jì)在未來10 年～20 年，化肥需求增長(zhǎng)將逐漸放緩，年增長(zhǎng)率不超過2%。因此，目前的研究假設(shè)合成氨的總產(chǎn)量2010 年—2015 年將每年增長(zhǎng)2%，2015 年—2020 年將每年增長(zhǎng)1%。相應(yīng)的總產(chǎn)量將在2015 年為58.7 t，2020 年為61.7 t。

根據(jù)目前的部門計(jì)劃設(shè)計(jì)了各種方案。四種情景S1、S2、S3、S4 分別代表了合成氨工業(yè)的不同方面的推進(jìn)情況。S1 情景主要反映了原材料結(jié)構(gòu)變化和小工廠淘汰的情況，S2 情景代表過程一體化清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣，S3 情景代表具有高效反硝化作用的生物處理技術(shù)將被廣泛采用，S4 情景代表了結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)進(jìn)步的共同作用。

2.2 水污染排放

1）在S1、S2 和S3 情景中，S1 表示的結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水污染減少的影響更大。與2010 年相比，廢水、COD、NH4的減少，2020 年S1 中氰化物、苯酚和油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到29.0%、50.8%、41.2%、65.9%、70.5%和55.6%。

2）推廣清潔技術(shù)，除廢水外，具有類似的減排潛力。促進(jìn)清潔技術(shù)的效果小于結(jié)構(gòu)調(diào)整。廢水、COD、NH4的去除率分別為5.1%、18.5%、16.6%，2020 年S2中氰化物、苯酚、油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.9%、34.9%和5.9%。

3）僅通過管道末端處理是不可能顯著減少水污染的。特別是2020 年S3 的廢水排放量將增加10.4%。這是因?yàn)槔吓f和較小的設(shè)施要應(yīng)用先進(jìn)的處理技術(shù)將面臨許多技術(shù)和財(cái)政障礙。

4）如S4 所示，這些措施的聯(lián)合效果是相當(dāng)積極的。在這樣一個(gè)樂觀的前景下，廢水、COD、NH4、氰化物、苯酚和油的還原率分別為42.7%、63.2%、63.9%、83.5%、87.8%和73.8%，氰化物和苯酚的還原潛力比其他污染物高。

S4 的COD 排放組成結(jié)構(gòu)變化如圖1 所示。其他污染物的組成變化趨勢(shì)與COD 非常相似。從總的COD 排放量從2010 年的77.1%減少到2020 年的53.5%可以看出，固定床氣化工藝具有最大的減排潛力。

圖1 S4：COD 排放結(jié)構(gòu)的變化

2.3 能源消耗

降低總能耗是一項(xiàng)更加困難的任務(wù)，結(jié)構(gòu)變革不會(huì)帶來實(shí)質(zhì)性的能源節(jié)約。在S1 情景下，2015 年能源消耗總量將增長(zhǎng)7.7%，2020 年將增長(zhǎng)9.5%。值得注意的是，按照推斷，2015 年合成氨總產(chǎn)量將增長(zhǎng)10.4%，2020 年將增長(zhǎng)16%。雖然天然氣氨氣比煤氨氣更節(jié)能，但并不認(rèn)為在任何情況下，原料都可以轉(zhuǎn)換為天然氣。因此，近年來我國(guó)沒有新建天然氣基氨生產(chǎn)能力。相對(duì)而言，推廣節(jié)能技術(shù)比結(jié)構(gòu)性改革更有效。在情景S2 下，2015 年能源消耗總量增長(zhǎng)率為5.1%，2020 年僅為3.1%。2010 年氨產(chǎn)品單位綜合能耗平均為1.703 tce/t；在S4 情景下，2015 年可改善至1.588 tce/t（或減少6.8%），2020 年可改善至1.475 tce/t（或減少13.4%）。應(yīng)當(dāng)指出的是，S3 方案代表改善了污水的管道末端處理，對(duì)節(jié)約能源沒有影響。

從圖2 中可以看出，除了夾帶床氣化過程替代固定床氣化過程所占比例增加外，能耗組成較為穩(wěn)定。

圖2 S4：能源消耗結(jié)構(gòu)的變化

3.4 替代因素的隨機(jī)模擬與相關(guān)分析

圖3 顯示了原料類型與污染排放和能源消耗之間的關(guān)系。正相關(guān)系數(shù)表明，某些參數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致污染排放總量或能源消耗的增加，反之亦然，煤基氨是減排和節(jié)能都有負(fù)面影響的元素?？傊?，原料類型對(duì)能源消耗的影響遠(yuǎn)大于對(duì)污染排放的影響。

圖3 原料類型與污染排放總量或能源消耗之間的相關(guān)性

4 結(jié)論

本文提出了一種面向我國(guó)合成氨工業(yè)的自下而上的技術(shù)模式，在系統(tǒng)模型框架中，描述了氨工業(yè)的結(jié)構(gòu)特征和減少污染與節(jié)能的技術(shù)機(jī)遇。模型應(yīng)用分為兩個(gè)部分，首先，構(gòu)建了代表不同政策措施的若干發(fā)展情景，并模擬了未來污染排放和能源消耗的趨勢(shì)。其次，蒙特卡羅隨機(jī)模擬被用來產(chǎn)生足夠多的可能場(chǎng)景，然后將這些場(chǎng)景關(guān)聯(lián)起來，以探索不同因素對(duì)結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，所提出的蒙特卡羅模擬方法可以識(shí)別出特定政策目標(biāo)的敏感和重要因素。