毕业论文《合成氨工艺设计》_合成氨工艺设计论文

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摘要

氨是重要的无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。

我国合成氨装置很多，但合成氨装置的控制水平都比较低，大部分厂家还停留在半自动化水平，靠人工控制的也不少，普遍存在的问题是：能耗大、成本高、流程长，自动控制水平低。这种生产状况下生产的产品成本高，市场竞争力差，因此大部分化肥行业处于低利润甚至处于亏损状态。为了改变这种状态，除了改变比较落后的工艺流程外，实现装置生产过程优化控制是行之有效的方法。合成氨生产装置是我国化肥生产的基础，提高整个合成氨生产装置的自动化控制水平，对目前我国化肥行业状况，只有进一步稳定生产降低能耗，才能降低成本，增加效益。而实现合成氨装置的优化是投资少、见效快的有效措施之一。合成氨装置优化控制的意义是提高整个合成氨装置的自动化水平，在现有工艺条件下，发挥优化控制的优势，使整个生产长期运行在最佳状态下，同时，优化系统的应用还能节约原材料消耗，降低能源消耗，提高产品的合格率，增强产品的市场竞争能力。

关键字 合成氨 农业 化学肥料 意义

目录

摘要.............................................................................................................................1 正文.................................................................................................................................3 一.前言............................................................................................................................3 1.1 物理性质：.........................................................................................................3 1.2化学性质.............................................................................................................3 二.合成氨工业产品的用途................................................................................................3 2.1氨气用途：..........................................................................................................3 2.2氨水用途.............................................................................................................3 三.合成氨的生产工艺.......................................................................................................4 ３．１原料气制备.....................................................................................................4 ３．１．１ 一氧化碳变换过程..........................................................................4 ３．１．２脱硫脱碳过程...................................................................................4 ３．１．３气体精制过程...................................................................................5 ３．１．４氨合成..............................................................................................5 ３．２合成氨的催化机理..........................................................................................5 ３．３催化剂的中毒.................................................................................................6 四．影响合成氨的因素：.................................................................................................6 ４.１温度对氨合成反应的影响..................................................................................6 ４.２压力对氨合成反应的影响..................................................................................7 ４.３空速对氨合成反应的影响..................................................................................7 ４.４氢氮比对氨合成反应的影响.............................................................................7 五．研究现状...................................................................................................................8 六.发展趋势.....................................................................................................................8 七.研究合成氨的意义:......................................................................................................9 ７.１、施用化肥之必然.............................................................................................9 ７.２.使用化肥的作用...............................................................................................9 ７．２．１提高粮食产量...................................................................................9 ７．２．２提高土壤肥力.................................................................................10 ７．２．３发挥良种潜力.................................................................................10 ７．２．４补偿耕地不足..................................................................................11 ７．２．５增加有机肥量..................................................................................11 ７．２．６发展绿色资源..................................................................................11 ７．３、化肥与生物能增值......................................................................................11 致谢...............................................................................................................................13 参考文献........................................................................................................................14

正文

一.前言

1.1 物理性质：

无色气体,有刺激性恶臭味。分子式NH3。分子量17.03。相对密度0.7714g/l。熔点-77.7℃。沸点-33.35℃。自燃点651.11℃。蒸气密度0.6。蒸气压1013.08kPa(25.7℃)。1.2化学性质

蒸气与空气混合物爆炸极限16～25%(最易引燃浓度17%)。

氨在20℃水中溶解度34%,25℃时,在无水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。

水溶液呈碱性,0.1N水溶液PH值为11.1。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。

遇热、明火,难以点燃而危险性较低;但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性更高。

与硫酸或其它强无机酸反应放热,混合物可达到沸腾。

不能与下列物质共存:乙醛、丙烯醛、硼、卤素、环氧乙烷、次氯酸、硝酸、汞、氯化银、硫、锑、双氧水等。

二.合成氨工业产品的用途

2.1氨气用途：

a：工业上用氨气来通过氧化制造硝酸，而硝酸是重要的化工原料。b：制造化肥。2.2氨水用途：

a.氨水是实验室重要的试剂

b.军事上作为一种碱性消毒剂，用于消毒沙林类毒剂。常用的是10%浓度的稀氨水（密度0.960），冬季使用浓度则为20%。c.无机工业用于制选各种铁盐。

d.毛纺、丝绸、印染等工业用于洗涤羊毛、呢绒、坯布，溶解和调整酸碱度，并作为助染剂等。

e.有机工业用作胺化剂，生产热固性酚醛树脂的催化剂。

f.医药上用稀氨水对呼吸和循环起反射性刺激，医治晕倒和昏厥，并作皮肤刺激药和消毒药。

g.也用作洗涤剂、中和剂、生物碱浸出剂。还用于制药工业，纱罩业，晒图等。

三.合成氨的生产工艺

３．１原料气制备

将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。

净化，对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

３．１．１ 一氧化碳变换过程

在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%~40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下：

CO+H2OH→2+CO2 =-41.2kJ/mol 0298HΔ

由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

３．１．２脱硫脱碳过程

各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。

３．１．３气体精制过程

经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(

３．１．４氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下： N2+3H2→2NH3(g)=-92.4kJ/mol ３．２合成氨的催化机理

热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。上述反应途径可简单地表示为：xFe + N2→FexN FexN +〔H〕吸→FexNH FexNH +〔H〕吸→FexNH2 FexNH2 ＋〔H〕吸FexNH3xFe+NH3 在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335 kJ/mol。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126 kJ/mol～167 kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13 kJ/mol。由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。

３．３催化剂的中毒

催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一旦制成一批催化剂之后，便可以永远使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着，催化剂活性在一段时间里保持稳定，然后再下降，一直到衰老而不能再使用。活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。

催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂的中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性中毒。相反，含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。

四．影响合成氨的因素：

４.１温度对氨合成反应的影响

氨合成反应是一个可逆放热反应。当反应温度升高时，平衡向着氨的分解方向移动；温度降低反应向着氨的生成方向移动。因此，从平衡观点来看，要使氨的平衡产率高，应该采取较低的反应温度。

但是从化学反应速度的观点来看，提高温度总能使反应的速度加快，这是因为温度升高分子的运动加快，分子间碰撞的机率增加，同时又使化合时分子克服

[1]阻力的能力加大，从而增加分子有效结合的机率。总之，温度低时，反应有利于向合成氨的方向进行，但是氨合成的反应速度较低；提高温度不利于向氨的合成方向移动，但反应速度可以增加。在实际生产中反应温度的选择主要决定于氨合成催化剂的性能。４.２压力对氨合成反应的影响

氨的合成反应是一个分子的氮与三个分子的氢结合生成两个分子的氨，即氨合成反应是分子数目减少、体积缩小的反应，提高压力，可使反应向着生成氨的方向进行。对于氨合成反应来说，提高压力就是提高反应气体的浓度，从而增加反应分子间碰撞的机会，加快了反应的速率。

总之，增加压力对氨的合成反应是有利的，既能增大平衡转化率，又能加快反应速率。但压力也不宜过高，否则，不仅增加动力的消耗，而且对设备和材料的要求也较高。根据我国具体情况，目前在小型合成氨厂，设计压力一般为31.4MPa[2]。

４.３空速对氨合成反应的影响

气体与催化剂接触时间的长短，通常用空速来表示。它的物理意义是：在标准状况下，单位时间内在1m3的催化剂上所通过的气体体积。其单位为m3(标)气体/（m3催化剂·h）,或简写为h-1。在一定的合成条件下，空速增加，气体与催化剂接触时间减少，出合成塔气体氨含量降低。

例如：在29.4MPa、475℃下反应，空速由10000h-1增加到20000h-

1、40000h-1,出塔气体氨含量由25%降至21.5%、16.2%。这看来对生产不利，但由于空速的提高，单位时间内通过催化剂的气体增加，则氨的实际产量增加。在一定条件下，空速由10000h-1 增加到20000h-

1、30000h-

1、40000h-1，催化剂生产能力由1950kgNH3/(h·m3)增加到3340、4280、5040 kgNH3/(h·m3)。

由此看出，增加空间速度可以提高氨的产量。但由于空间速度的增加，每生产一吨氨所需的循环气量，输送气体所需克服的阻力等都要增大，因而消耗的能量也随之加大。尤其是空间速度过大，从合成塔出来的气体带出的热量增多，会使催化剂床层的温度难以控制，并使循环气中氨不易冷凝。在小型合成氨中，一般将空速控制在15000-25000 h-1。４.４氢氮比对氨合成反应的影响

一个根据平衡移动原理，如果改变平衡体系的浓度，平衡就向减弱这个改变的方向移动[3]。氨合成反应的进行，是按H2/N2=3：1的比例消耗的，因此提高氢气、氮气的分压，维持H2/N2=3：1可以提高平衡氨含量。从氨合成反应速度可知，在非平衡的状态下，适当增加氮的分压对催化剂吸附氮的速度有利，因为氮的活性吸附是氨合成反应过程的控制步骤。在一般的生产条件下，氨产率只能达到平衡值的50%～70%，因此，在生产中应适当提高氮的比例，一般控制循环气中氢氮比在2.2～2.8之间较为适宜。五．研究现状

解放前中国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而2009年达到7021.9万吨，成为世界上产量最高的国家。中国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。中国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。

化学模拟生物固氮的重要研究课题之一，是固氮酶活性中心结构的研究。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成[4]。铁蛋白主要起着电子传递输送的作用，而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2或其他反应物（底物）分子，并进行反应的活性中心所在之处。关于活性中心的结构有多种看法，目前尚无定论。从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看，含双钼核的活性中心较为合理。中国有两个研究组于1973—1974年间，不约而同地提出了含钼铁的三核、四核活性中心模型，能较好地解释固氮酶的一系列性能，但其结构细节还有待根据新的实验结果精确化。

国际上有关的研究成果认为，温和条件下的固氮作用一般包含以下三个环节：

①络合过程。它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N2，使它的化学键削弱；

②还原过程。它是用化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N2，来拆开N2中的N—N键；

③加氢过程。它是提供H+来和负价的N结合，生成NH3。

化学模拟生物固氮工作的一个主要困难是，N2络合了但基本上没有活化，或络合活化了，但活化得很不够。所以，稳定的双氮基络合物一般在温和条件下通过化学还原剂的作用只能析出N2，从不稳定的双氮络合物还原制出的NH3的量相当微少。因此迫切需要从理论上深入分析，以便找出突破的途径。

固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展，这必将有力地推动络合催化的研究，特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂，将是一个有力的促进。

六.发展趋势

①原料路线的变化方向。从世界燃料储量来看，煤的储量约为石油、天然气总和的10倍，自从70年代中东石油涨价后,从煤制氨路线重新受到重视,但因以天然气为原料的合成氨装置投资低、能耗低、成本低的缘故,预计到20世纪末,世界大多数合成氨厂仍将以气体燃料为主要原料。②节能和降耗。合成氨成本中能源费用占较大比重，合成氨生产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要方向是研制性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等。现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新流程多种，每吨液氨的设计能耗可降低到约29.3GJ。③与其他产品联合生产。合成氨生产中副产大量的二氧化碳，不仅可用于冷冻、饮料、灭火，也是生产尿素、纯碱、碳酸氢铵的原料。如果在合成氨原料气脱除二氧化碳过程中能联合生产这些产品，则可以简化流程、减少能耗、降低成本。中国开发的用氨水脱除二氧化碳直接制碳酸氢铵新工艺，以及中国、意大利等国开发的变换气气提法联合生产尿素工艺，都有明显的优点。

七.研究合成氨的意义:

７.１、施用化肥之必然

生产和使用化肥，是农业生产和科学研究发展到一定阶段的必然产物。农业生产的不同历史阶段，有不同的主要肥源。20世纪初，由于大规模合成氨方法的问世，化肥工业获得迅速发展，并已成为发达国家传统的工业基础之一。当今一座年产30万吨合成氨或50万吨尿素的化肥厂，一年能生产的氮素，大约相当于种植80万公顷豆科绿肥或饲养3000万头猪的猪厩肥所能提供的氮素。更为重要的是，化肥作为一种新肥源，突破了农业（废）副产品还田和农业物质自然（有机）循环的局限。它可以完全不依赖于土地及作物本身，不受气候和其他自然条件的影响，采用现代工业生产的方法，大量提供作物必需的养分，从而在现代农业中大放异彩。农业发展的统计结果认为，粮食产量主要与这些化学指数（单位面积N+P2O5+K2O施用量）呈密切相关。人口密度高的国家，化学化发展越快，化学化指数越高。-这已为一个多世纪来不同国家的农业现代化实践所证明，那些耕地潜力有限的国家，如西欧各国和日本，农业现代都从增施化肥起步。即在一个时期内，主要以化肥形式对农业增加投入，以提高作物单产为首要目标，进而实现农业机械化。从20世纪70年代以后，发展中国家如中国、印度和一些亚洲国家，其化肥使用水平提高很快，这也是其农业生产快速发展的主要原因。

７.２.使用化肥的作用

７．２．１提高粮食产量

据联合国粮食组织（FAO）统计，在1950-1970的20年中，世界粮食总产增加近1倍，其中因谷物播种面积增加10600万公顷，所增加的产量占22％；由于单位面积产量提高所增加的产量占78％。而在各项增产因素中，西方及日本科学家一致认为，增加化肥要起到40％-65％的作用。据全国化肥试验网1981-1983年在29个省（区）18种作物上完成的6000个田间试验结果，其中对粮食作物（水稻、小麦、玉米），每千克化肥养分平均可增产粮食9.4kg（每千克N、P2O5和K2O分别增产10.8、7.3和3.4kg，其投入比例为1：0.4：0.1（加数平均）。进入20世纪90年后，由于化肥平均施用量的提高和肥效报酬递减等原因，氮、磷养分的增产作用有所降低，钾素养分的增产效果有所提高。按1986-1995年部分试验资料统计，平均肥效降低约20％，即每千克化肥养分平均可增产粮食7.5kg。这与鲁如坤（1998）据FAO在世界不同地区的试验结果相似。由于近半个世纪以来，在世界不同地区不同作物上的肥效试验结果颇为一致，故世界各国对化肥增产作用的评价也基本相同。大致而言，化肥在粮食增产中的作用，包括当季肥效和后效，可占到50％左右。据张世贤统计（1996），我国从1952-1995年，粮食产量与化肥投入量同步增长，密切相关。20世纪末，我国年生产粮食约5亿吨，年投入化肥约4200万吨。化肥中如按75％投放于粮食作物，并按我国近期千克化肥养分平均增产粮食7.5kg计，则由化肥增产的粮食每年为2.363亿吨，占年粮食总产的47.3％。

７．２．２提高土壤肥力

国内外10年以上的长期肥效试验结果证明，连续的、系统的施用化肥都将对土壤肥力产生积极的影响。什么是土壤肥力？笔者认为，土壤肥力可以明确地认为就是“土壤生产力”。威廉斯对土壤肥力基本描述“土壤能同时地，最大限度地满足作物对水分和养分需求的能力。”化肥如何影响土壤肥力？每年每季投入农田的化肥，一方面直接提高土壤的供肥水平。供应作物的养分；另一方面，在当季作物收获后，将有相当比例养分残留于土壤（N约30％，P约70％，K约40％），尽管其残留部分（如N）可能会经由不同途径继续损失，但其大部分仍留在土壤中，或被土壤吸持，或参与土壤有机质和微生物体的组成，进而均可被第2季、第2年以及往后种植的作物持续利用。这就是易被人们忽视的化肥后效。连续多年合理施用化肥，土壤有效养分持续增加，作物单产不断提高的一个重要证据，对一个地区不同阶段的同一种作物，在当季不施肥条件下，其单产呈现不断增加的趋势。这是土壤肥力（土壤生产力）持续提高的标志。可以认为，所谓培肥土壤或提高土壤肥力，说到底是提高土壤在无肥条件下的生产力，而连续和系统的施用化肥和有机肥，则是提高土壤肥力或生产力的最有效的方式。正确认识化肥对土壤肥力的影响的一个核心问题，就是化肥是否会单向消耗土壤有机质，使土壤有机质含量不断下降甚至消耗殆尽？土壤有机质是由土壤生产的有机物，以不同方式（根茬、秸秆或有机废弃物等）残留和归还土壤并长期积累的。作物产量越高，单位面积收获的农产品越多，自然残留和归还土壤的有机物也越多。当化肥施入土后被土壤微生物利用可转化为微生物体，也可直接参与土壤中有机物的降解和有机中间产物的再合成（如形成腐殖物质），也都能增加土壤有机质含量和促进有机物的代谢更新。另一方面，以多种方式施用和归还农田的有机废弃物（秸秆、有机肥等）也是补偿和增加土壤有机质的重要途径。增施化肥恰恰是通过作物生产以提高有机物的生产总量，增加根茬留量和有机物还田量的最基本手段。国外连续数十年至百年的长期试验结果表明，在化肥区的作物产量略高于有机肥区，无肥区产量仅为化肥或有机肥区35％-40％的水平，连续施用NPK的化肥区，其保持的土壤有机碳含量虽比有机肥区明显为少，但仍比无肥区高。英国、前苏联、丹麦、日本等7国平均经连续47年的长期试验结果为：无肥区、化肥区和有机肥区土壤有机碳的含量为1.12％（100％）；1.27％（114％）和1.75（156％）。由中国农科院土肥所主持，在我国不同轮作区完成的连续10年的肥效定位试验，获得相似结果。

７．２．３发挥良种潜力

现代作物育种的一个基本目标是培育能吸收和利用更多肥料养分的作物新种，以增加产量，改善品质。因此，高产品种可以认为是对肥料具有高效益的品种。例如，以德国和印度各自的小麦良种与地方种相比，每100kg产量所吸收的养分量基本相同，但良种的单位面积养分吸收量是地方种的2.0-2.8倍，单产是地方种的2.14-2.73倍。小麦育种专家N.E.Borlaug一再强调，肥料对于以品种改良为突破口的“绿色革命”具有决定性意义。我国杂交稻的推广也与肥料投入量密切相关。据湖南农科院土肥所报告（1980），常规种晚稻随施肥量增加其单产增加不明显，而杂交晚稻（威优6号）则随施肥杂交晚稻较常规晚稻多吸收N21-54kg，P2O51.5-15kg、K2O19.5-67.5kg。因此，肥料投入水平成为良种良法栽培的一项核心措施。

７．２．４补偿耕地不足

对农业增施化肥，实质上与扩大耕地面积的效果相似。例如，按我国近几年化肥平均肥效，每吨养分增产粮食7.5t计，若每公顷耕地的平均粮食单产也是7.5t，则每增施化肥养分1t，即相当于扩大耕地面积1hm2。因此，那些人多地少的国家，无一不是借助增加投肥量一谋求提高作物单产，弥补其耕地的不足。日本、荷兰通过增加化肥投入量，使其耕地面积相对增加60-227％。

７．２．５增加有机肥量

化肥投入量的增加，与作物产量的提高和畜牧业的发展有关。统计表明，德国从1850-1965年的115年间，化肥从无到有，直至平均使用量增至300kg/hm2,随着粮食产量和畜牧业发展，施用于农田的有机肥也从1.8-2.0t/hm2增加到8-9t/hm2，增长达4.5倍。我国从1965-1990年，投入农田的化肥量增加14.7倍，有机肥实际投入量则增加1倍，而以秸秆和根茬等形式增加的有机质总量则更多。由此可见，农牧产品的生物循环必然将相当数量的化肥养分保存在有机肥中。有机肥成为化肥养分能不断再利用的载体。因此，充分利用有机肥源，不仅可发挥有机肥的多种肥田作用，也是充分发挥化肥作用，使化肥养分持续再利用的重要途径。

７．２．６发展绿色资源

化肥作为一种基本肥源，是发展经济作物、森林和草原等绿色资源的重要物质基础。据统计，我国在较充足的施用化肥，实现连年粮食丰收，人民温饱的条件下，经济作物也获得大幅度发展。1995年前的10年中，糖料、油料、橡胶、茶叶等作物增加50％-80％，瓜，菜增150％-170％，水果增加250％，极大地丰富了我国城乡市场和增进了农产品的出口能力。粮食和多种农副产品的丰足，也促进了退耕还林、还草的大面积实施和城乡的大规模绿化，为在宏观上治理水土流失，保护和改善生态环境提供了可靠的基础。我国有1.42亿公顷森林（FAO，1990）长期在雨养的自然条件下生长，如能有重点地施用肥料（尤其对那些次生林），即可加速成材和扩展覆盖率；我国有3.18亿公顷草原（FAO，1990），长期缺水少肥，载蓄率极低，有的每公顷年产肉量不到15kg，如能对有一定水源的草原适量施肥，可较快地提高生草量和载蓄率。一些发达国家，因其有相当数量化肥用于林业和草地，用于发展多种经济作物和实施城乡大规模绿化。使其农牧产品丰富，而且因其能充分开发和利用绿色资源而使其能保持优美的生态环境。

７．３、化肥与生物能增值农作物生产的本质，就是利用绿色植物所含叶绿素的光合作用，将太阳能转化为作物贮藏的物能，进而将贮藏生物能的农产品供人类和动物利用。由于适量施用化肥，作物生长旺盛，叶面积扩展快，叶绿素含量高，单位时间内光合作用产物和转化贮藏的太阳能就多。随着化肥施用，作物产量及贮藏的生物能也将不断增值。据笔者计算，1964-1975年11年间，上海郊区化肥施用量（N）从115kg/hm2增加到287kg/hm2，相应的粮食产量由7.2t/hm2提高到10.1t/hm2，秸秆也随之增加，而每公顷农田收获得生物能总量也由278.8GJ（100％）提高到300.6GJ（140％）。美国20世纪70年代以玉米计算的资料表明，每投入4.1868KJ化学形式的矿物能，可从玉米籽粒中回收6-8倍即25.4-33.5KJ的生物能，其能量的投入产出比为1：6-8。如果计算化肥的连续后效，化肥增值生物能的效益将更高。由此可见，平衡和合理地施用化肥，实质上是一种利用矿物能以转化和增值生物能的有效手段，是发展现代农业的基本途径。因此，不同的肥源发展阶段，具有不同的农业物质与能量的循环方式，具有不断发展的循环量。很明显，在有机农业阶段，作物的单产主要受制于耕地土壤的自然肥力和有机物和还田量。因而，每年粪肥、绿肥等有机肥的使用量就是特别重要。当有机肥量不足时，只能采用轮休或轮作豆科植物，赖以恢复和保持地力。而当发展到无机-有机农业阶段，随着化肥投入农田量的增加，有机肥供肥（养分）作物将不断为化肥所代替，作物产量不断提高，农业物质循环量迅速增大，直至相对稳定在较高的循环量水平，即在一定的作物品种、气候及水利等生产条件下能达到的较高水平。无机-有机物质及其中能量的不断循环，也使化肥和有机肥的作用得到统一。这两种肥料都须通过土壤而为作物利用，都能促进作物增产，并随物质和能量的循环，相互发生形态的转化。前一年施入的化肥，增产了粮食（籽粒和秸秆），通过人和畜禽的利用，产生的有机废弃物（粪便、垫料等），将有相当部分变成下一年的有机肥。因此，施用化肥既是当季作物的直接肥源和增产手段，又可为下一季作物增加有机肥源。这也是我国农民通俗的称之为“无机”换“有机”的途径，或另一种形式的“肥（化肥）多粮多——粮多猪多——猪多肥（有机肥）多”的良性循环。由此可见，有机肥和化肥虽然形态不一，各具特点，但都是农业物质和能量循环中两种本肥料形态。在循环过程中对立而统一，殊途而同归，共同促进农作物的持续增产和土壤的不断提高。总之，化肥与世界上任何其他事物一样，也决不是完美无缺的。它同样具有值得人们充分重视的另一个侧面。大量连续地施用化肥，特别是在不平衡与不合理施用的状况下，化肥的一些负面影响或副作用，会日益显现出来。如对水体的富营养化，增加环境中硝态氮含量；对某些土壤物理性质（如结构性）的影响；对若干蔬菜、水果的口感质影响等，都是现实存在地问题。由此需要促进人们对平衡施肥概念的认识和发展，对有废弃物再循环和还田的高度重视，以及力求全面提高化肥在经济、社会和生态方面的综合效益。

致谢

参考文献

[1] 姜圣阶主编.《合成氨工艺学》第二卷，石油化学工业出版社，1996 [2] 赵玉祥.《合成氨工艺》.北京.化学工业出版社，1985 [3] 郭凯、唐小恒、周绪美编，《合成氨反应机理》，化学工业出版社，2005 [4] 陈华癸．土壤微生物学．北京：高等教育出版社，1997