合成アンモニア

1.化学的および物理的特性

• 化学名: アンモニア
• 化学式: NH₃
• 分子量: 17.031 g/mol
• 外観: 特徴的な鋭く刺激的で窒息する臭いを持つ無色のガス。
• 沸点: -33.34°C (-28.01°F)。これにより、加圧液体として容易に保存および輸送することができます。
• 融点: -77.73°C (-107.91°F)。
• 溶解度: 水に非常に溶けやすく、弱い塩基性の水酸化アンモニウム（NH₄OH）溶液を形成します。
• その他の特性: 可燃性ガスですが、点火温度が高く、可燃性範囲が狭いです。毒性および腐食性のため危険物として分類されています。

2.生産技術

2.1 ハーバー・ボッシュプロセス

• コア反応: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) （発熱反応、ΔH ≈ -92.2 kJ/mol）
• 主要条件:
  • 圧力: 150–350 bar（時にはそれ以上）の高圧が使用され、平衡を生成物側（アンモニア）にシフトさせます。
  • 温度: 400–500°Cの妥協温度が使用されます。高温は反応速度を速めますが平衡には不利であり、低温は平衡を有利にしますが反応が遅すぎます。
  • 触媒: 鉄系触媒（通常はマグネタイト、Fe₃O₄、カリウム、カルシウム、アルミニウムの酸化物で促進される）が反応速度を加速させるために使用されます。
• プロセスフロー: 反応器を通過する際の転化率が低いため（通常15-25%）、反応しなかった窒素と水素は、アンモニアが凝縮によって分離された後、合成ループに再循環されます。

2.2 原材料（フィードストック）

• 窒素（N₂）：空気から供給され、通常は低温空気分離または圧力スイング吸着によって行われます。
• 水素 (H₂): これは最も複雑で高価な成分です。水素の生産方法は、アンモニアの「色」や炭素強度を定義します。
  • 「グレー」アンモニア (従来型): 今日のアンモニアの大部分は「グレー」です。水素は主に天然ガス (CH₄) のスチームメタン改質 (SMR) によって化石燃料から生成されます。このプロセスは非常にCO₂集約型です。
  • 「ブルー」アンモニア: これはSMRプロセス中に生成されるCO₂が捕集され、地下に貯蔵される (炭素捕集・貯蔵 - CCS) か、利用される (CCU) グレーアンモニアです。これは低炭素ですが、ゼロカーボンではない解決策です。
  • 「グリーン」アンモニア: これはゼロカーボンの道筋です。水 (H₂O → H₂ + O₂) の電気分解によって水素が生成され、風力、太陽光、または水力などの再生可能エネルギー源から生成された電力を使用します。

3.用途

• 肥料:
  • 直接適用: 無水アンモニアが土壌に直接注入されます。
  • 尿素 (CO(NH₂)₂): 世界で最も一般的な窒素肥料で、アンモニアと二酸化炭素を反応させて作られます。
  • 硝酸アンモニウム (NH₄NO₃): もう一つの主要な肥料で、爆薬にも使用されます。
  • 硫酸アンモニウム ((NH₄)₂SO₄) およびリン酸アンモニウム。
• 工業化学物質:
  • 硝酸 (HNO₃): アンモニアは硝酸を生産するためのオストワルドプロセスの原料であり、爆薬 (TNT、ニトログリセリン)、ポリマー (ナイロン) およびポリウレタンの前駆体です。
  • プラスチックと繊維: ナイロン、アクリロニトリル (アクリル繊維およびABSプラスチック用)、およびカプロラクタムの生産に使用されます。
  • その他の用途: アミン、シアン化物、およびさまざまな他の窒素含有化合物の生産。
• 冷凍:
  • 無水アンモニア（R-717と指定）は、ゼロの温暖化潜在能力（GWP）を持つ非常に効率的な冷媒です。これは、食品加工工場や冷蔵倉庫などの大規模な産業冷却システムで広く使用されています。
• 新たな応用：エネルギーキャリアと燃料：
  • アンモニアは、カーボンフリーのエネルギーキャリアとして大規模に研究されています。これは、純粋な水素自体よりも水素をより簡単に保存および輸送できます（-33°Cで液化し、H₂は-253°Cで液化します）。
  • 使用点で窒素と水素に「クラッキング」することができ、または改良された内燃機関やガスタービンで直接燃焼させることができ、海運業界の脱炭素化や発電のための有望な燃料となっています。

4.市場と生産の概要

• グローバル規模：
  • アンモニアは、年間約1億8000万〜2億メトリックトン生産される、最も大量合成化学物質の一つです。
• 主要生産者：
  • 生産は、安価な天然ガスにアクセスできる国に集中しています。主要な生産国には中国、ロシア、インド、アメリカ合衆国が含まれます。主要なグローバル企業にはCF Industries、Yara International、Nutrienがあります。
• 市場の動態：
  • ドライバー：より多くの食料を必要とする成長する世界人口（肥料需要を促進）と、クリーンエネルギーキャリアとしてのアンモニアの新たな需要。
  • 課題：高く不安定な天然ガス価格、新しいプラントのための高い資本コスト、そしてその巨大なカーボンフットプリントのために生産プロセスの脱炭素化に対する巨大な圧力。

5.上流と下流の連携

5.1 上流（原料）

• グレーアンモニア：
  • 天然ガス（または石炭）、水、空気、大量のエネルギー。
• グリーンアンモニア：
  • 再生可能電力、水、空気。

5.2 下流（出力）

• 肥料産業（最大の消費者）。
• 爆薬産業。
• プラスチックとポリマー産業。
• 製薬産業。
• 新興のクリーンエネルギーセクター（海運、発電）。