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合成氨有望成為最快突破的“綠氫合成燃料”
發(fā)布時(shí)間：
2023-05-31 16:00
01 氨是一種基本化工原料與新型綠色燃料
氨（NH3）是一種具有刺激性氣味的氣態(tài)物質(zhì)，在常溫下即可加壓液化為液氨，沸點(diǎn)為-33.5℃，臨界壓力約11.2 MPa；有較弱的燃燒性，燃點(diǎn)高達(dá)651℃，燃燒產(chǎn)物有氮?dú)狻⑺⒌趸锏龋挥幸欢ǖ谋L(fēng)險(xiǎn)，爆炸極限在15%~25%；氨具有毒性，會(huì)刺激人的皮膚粘膜等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)致人死亡；氨具有環(huán)境污染性，排放到大自然中會(huì)危害自然界氮循環(huán)，從而危及生態(tài)環(huán)境與人類健康。
氨的生產(chǎn)較為簡單，工業(yè)上采用氮?dú)馀c氫氣在高溫高壓下反應(yīng)合成氨。但是在生產(chǎn)氫氣的過程中會(huì)消耗大量煤炭天然氣等資源，并產(chǎn)生大量的碳排放。根中國氣體工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2020年我國合成氨行業(yè)二氧化碳的總排放量2.19億噸，占到了化工行業(yè)排放總量的19.9%。
氨是最基礎(chǔ)的化工原料之一，在化工領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。氨既可用于尿素等農(nóng)業(yè)化肥原料（氮肥）生產(chǎn)，也可用于硝酸等化工用品生產(chǎn)。作為工業(yè)上最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的含氮原料，幾乎所有的含氮化合物的最上游都源自于氨。
氨還可以作為新型綠色燃料或氫能載體。使用綠氨燃料幾乎不會(huì)造成碳排放。而且氨易壓縮，液氨體積能量密度比液氫高35%以上，在催化條件下可以分解釋放出氫氣，是一種優(yōu)良的氫能載體。
02 合成氨供需縮緊，新需求將催生國際機(jī)遇
2.1 淘汰高碳排放落后產(chǎn)能，產(chǎn)能收縮
過去國內(nèi)合成氨面臨嚴(yán)重產(chǎn)能過剩問題。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局等機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，2017年國內(nèi)合成氨產(chǎn)能超過同年合成氨表觀消費(fèi)量約25.9%。十三五以來，工信部要求合成氨行業(yè)淘汰高碳排放的落后工藝縮減產(chǎn)能，從2016年到2021年國內(nèi)合成氨產(chǎn)能下降近700萬噸/年。
2.2 受農(nóng)業(yè)需求拉動(dòng)，合成氨表觀消費(fèi)量與產(chǎn)量快速增長，供需態(tài)勢縮緊
我國合成氨消費(fèi)中農(nóng)業(yè)消費(fèi)量（尿素等氮肥）占到了總消費(fèi)量的約七成，近年來合成氨表觀消費(fèi)量與產(chǎn)量上漲也主要受農(nóng)業(yè)需求增長拉動(dòng)。
2018年以來，我國開始調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，農(nóng)作物播種面積上漲，氮肥需求增加，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2018年至2021年氮肥產(chǎn)量年均增長率達(dá)3.2%，合成氨表觀消費(fèi)量隨之上漲，年均增長8.6%。
同時(shí)，受農(nóng)業(yè)需求增長拉動(dòng)，2018年開始國內(nèi)合成氨產(chǎn)量開始迅速增長，2018年至2021年年均增長率達(dá)8.8%。
2.3 合成氨進(jìn)出口體量較小，海外綠氨市場或迎出口良機(jī)
2021年，我國合成氨進(jìn)口量約80萬噸，出口量0.22萬噸，遠(yuǎn)低于同年國內(nèi)合成氨產(chǎn)量。
一方面，發(fā)達(dá)國家合成氨質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)保要求較高，且市場受巴斯夫等巨頭把控，所以盡管國內(nèi)合成氨成本相較發(fā)達(dá)國家更低，但是仍需要更多時(shí)間進(jìn)行技術(shù)與資源積累以開拓市場。
另一方面，海內(nèi)外合成氨總體都呈現(xiàn)供過于求態(tài)勢，且國際價(jià)格利于進(jìn)口，中國合成氨出口窗口期仍未打開。而且，國內(nèi)高純度氨的生產(chǎn)能力有限，在電子、半導(dǎo)體、光電等領(lǐng)域的高純氨（經(jīng)過進(jìn)一步提純的99.999%純度氨）的需求依賴進(jìn)口。
最近，日本、韓國等國家開始將氨能源作為重點(diǎn)發(fā)展方向。
日本重點(diǎn)關(guān)注燃煤電站的摻氨燃燒以及航運(yùn)燃料領(lǐng)域，計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)20%的摻氨比例，并隨著技術(shù)發(fā)展逐漸提高到100%。而且，日本已開始陸續(xù)從沙特阿拉伯等國家進(jìn)口低碳氨。韓國同樣注重零碳氨燃燒發(fā)電，計(jì)劃到2030年將氨電比例提高到3.6%。在此背景下，日韓等國的低碳氨供應(yīng)出現(xiàn)較大缺口，進(jìn)口需求增大，或?qū)⒊蔀橹袊G氨生產(chǎn)與出口良機(jī)。
2.4 船運(yùn)行業(yè)對綠氨燃料的需求或成為合成氨新的需求增長點(diǎn)
根據(jù)國際海事組織數(shù)據(jù)，全球船舶碳排放約占全球總排放的2.2%~2.5%，具有迫切的減碳需求。綠氨、綠色甲醇、綠氫成為船舶航運(yùn)領(lǐng)域最受關(guān)注的三種綠色替代燃料。
芬蘭船運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商瓦錫蘭聲稱，其目標(biāo)實(shí)現(xiàn)船舶可利用氨滿足60%~70%的能源消耗。此外，中國江南造船、日本郵船等企業(yè)也紛紛布局探索綠氨動(dòng)力船舶的建設(shè)。
與另外兩種綠色燃料相比，綠氨燃料易壓縮儲(chǔ)運(yùn)、且能夠較低成本地實(shí)現(xiàn)全生命周期零碳排放。現(xiàn)階段綠色甲醇由于碳源的成本限制及工業(yè)來源仍無法實(shí)現(xiàn)完全零碳化，高壓氣氫由于能量密度低而不適合船上緊張的空間，液氫則生產(chǎn)能耗大成本高。因此，綠氨將成為船運(yùn)領(lǐng)域最有競爭力的綠色替代燃料之一，并為合成氨創(chuàng)造新的需求增長點(diǎn)。
03 制氫是合成氨主要的碳排放環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)較快綠氫替代
3.1 使用綠氫替代可簡化合成氨工藝，并實(shí)現(xiàn)2億噸以上碳減排
工業(yè)合成氨生產(chǎn)采用Harber-Bosch工藝，化學(xué)方程式為3H2 + N2→2NH3，相對簡單。
而氫氣來自天然氣制氫或煤制氫，工藝復(fù)雜。N2來自空氣分離，工藝簡單。
煤制氫的過程可以簡單描述為：
煤炭+O2 → CO + H2；CO + H2O → H2 + CO2
以我國現(xiàn)在大部分的煤制氫工廠工藝數(shù)據(jù)來看，每生產(chǎn)1噸氫氣碳排放約25.7噸。僅從原料角度計(jì)算，煤制合成氨碳排放不低于4.6噸/噸氨。
按照我國6000萬噸/年的合成氨產(chǎn)量、70%為煤制氨（國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)）計(jì)算，煤制氨碳排放約2億噸/年。
天然氣制氫的過程可以簡單描述為：
CH4 + O2 → CO2 + H2
能景研究根據(jù)天然氣制氫方程式推算，生產(chǎn)1噸氫氣至少排放二氧化碳10噸，僅從原料角度計(jì)算，按照每噸合成氨需要0.18噸氫氣，天然氣制合成氨碳排放不低于1.8噸/噸氨。
煤制氫制氨與天然氣制氫制氨都是“留氫去碳”，碳排放嚴(yán)重，是合成氨工業(yè)主要的碳排放來源。
由于合成氨對氫氣來源沒有特殊需求，完全可以使用綠氫替代工藝復(fù)雜的煤炭與天然氣制氫，同時(shí)近乎實(shí)現(xiàn)零碳排放。
若采用綠氫替代煤制氫與天然氣制氫步驟，可實(shí)現(xiàn)幾乎除供熱環(huán)節(jié)外的零碳排放。相應(yīng)的，使用綠氫替代煤制氫可減少至少2億噸/年以上的碳排放。
3.2 國內(nèi)外碳價(jià)加持，氫制綠氨成本有望比煤制氨更低
煤制氫制氨工藝成本由煤炭價(jià)格決定，綠氫制氨成本由綠電價(jià)格決定。
綠氫生產(chǎn)成本逐漸降低，而國內(nèi)碳交易覆蓋范圍逐步擴(kuò)大、煤炭價(jià)格頻繁向高位波動(dòng)，綠氫替代煤制氨的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢初顯。
尤其納入碳交易覆蓋范圍后，能景研究估算，在國內(nèi)50元/噸碳交易價(jià)格加持下，國內(nèi)氨生產(chǎn)成本約上升10%左右，歐洲600元/噸碳交易價(jià)格加持下國內(nèi)氨生產(chǎn)成本約上升100%，綠氫制氨具有明顯成本優(yōu)勢。
能景研究估算分析過程如下：
現(xiàn)有合成氨工廠的產(chǎn)能量級(jí)多在10萬噸/年左右，每年需要?dú)錃饧s1.76萬噸。
若采用煤制氫，我國某廠制氫時(shí)原料煤（不包含燃料）耗近似為7 t原料煤/t氫氣，則10萬噸/年合成氨需要原料煤12.32萬噸/年，對應(yīng)碳排放約45萬噸/年。
若按1700元/噸無煙煤價(jià)，制氫總成本約2.09億元。如果按照碳交易價(jià)格50元/噸，制氫成本上升約0.23億元；按600元/噸，制氫成本上升約2.7億元。
若采用可再生能源電解水制氫，每天工作8小時(shí)，則10萬噸/年的合成氨工廠需要約75臺(tái)1000 Nm3/h的堿性電解槽。當(dāng)可再生能源電價(jià)為0.2 元/kwh時(shí)，制氫成本約15.3元/kg氫氣，制氫總成本約2.70億元。
若有50元/噸的碳交易價(jià)格加持，綠電價(jià)格僅需降低到0.15 元/kwh綠氨便具備較大成本優(yōu)勢，而0.15 元/kwh的綠電價(jià)格已初步具有可行性。
3.3 綠氨生產(chǎn)碳源依賴低，工藝簡單，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模上的優(yōu)先匹配
當(dāng)前我國甲醇、合成氨產(chǎn)地分布具有明顯的圍繞煤炭資源產(chǎn)地分布的特點(diǎn)。
綠氨生產(chǎn)可以做到擺脫對煤炭產(chǎn)地的依賴，向綠氫產(chǎn)能中心聚集。與綠色甲醇生產(chǎn)依然需要煤炭做碳源不同（現(xiàn)階段空氣捕捉二氧化碳成本過高），綠氨的生產(chǎn)原料只需要綠氫與來自空氣的低成本氮?dú)猓辉傩枰罅康拿禾俊Ｒ虼司G氨的生產(chǎn)完全可以離開煤炭基地，轉(zhuǎn)而圍繞綠氫產(chǎn)能中心展開。
而且，綠氨生產(chǎn)的工藝更加簡單，有利于綠氫的就地消納。除去復(fù)雜的煤制氫與天然氣制氫工藝后，綠氨生產(chǎn)主要包含氮?dú)饪辗峙c氮?dú)浞磻?yīng)等環(huán)節(jié)，裝置簡單，占地空間小， 可搭配電解水制氫基地建設(shè)，實(shí)現(xiàn)分布式制氫制氨，做到綠氫實(shí)時(shí)消納。而綠色甲醇還需要復(fù)雜的CO生產(chǎn)或碳捕捉裝置，不利于隨制氫基地分布式建設(shè)。
因此， 合成氨生產(chǎn)有希望比甲醇更快實(shí)現(xiàn)綠氫化生產(chǎn)。
04 綠氨生產(chǎn)仍有一些制約問題
4.1 分布式制氫制氨的生產(chǎn)模式仍待探索
目前國內(nèi)合成氨工廠產(chǎn)能多超過10萬噸/年，高者可達(dá)100萬噸/年，且大多采用廠內(nèi)制氫的模式以節(jié)約運(yùn)輸?shù)瘸杀尽Ｈ舨捎镁G氫制氨， 10萬噸/年合成氨工廠對電解槽規(guī)模要求至少可達(dá)到300MW以上，而現(xiàn)有可再生能源制氫項(xiàng)目鮮少達(dá)到此規(guī)模。
在此背景下， 采用廠內(nèi)制氫模式建設(shè)小規(guī)模分布式制氫制氨工廠，或是采用多項(xiàng)目集中供氫模式建設(shè)大規(guī)模綠氨工廠，需要在成本、技術(shù)等方面進(jìn)行更多的探索。同時(shí)， 更加高效節(jié)能的小型化制氨工藝也值得關(guān)注。
4.2 國內(nèi)外碳價(jià)與認(rèn)證不統(tǒng)一
國內(nèi)碳交易價(jià)格在50元/噸左右，相對歐洲600元/噸左右仍處于較低水準(zhǔn)。隨著歐洲免費(fèi)碳配額的削減， 在較大碳差價(jià)下，中國向歐洲出口傳統(tǒng)合成氨將形成巨大利潤空間，刺激傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)，導(dǎo)致國內(nèi)綠氨生產(chǎn)推動(dòng)力下降。
其次，綠氨作為一種新興的清潔能源，在國際上缺乏統(tǒng)一的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。 不同認(rèn)證機(jī)構(gòu)之間標(biāo)準(zhǔn)差異較大，認(rèn)證價(jià)格也不相同，導(dǎo)致難以判斷綠氨的真實(shí)降碳效果，進(jìn)而影響綠氨的銷售和推廣。
4.3 國內(nèi)綠氨消納場景仍處于探索階段
相對于較易實(shí)現(xiàn)的綠氨生產(chǎn)， 國內(nèi)對綠氨下游消納場景的探索仍然相對有限，體現(xiàn)在氨能利用技術(shù)不成熟與應(yīng)用面狹窄兩方面。
技術(shù)方面， 氨燃機(jī)、氨燃料電池等的技術(shù)仍不成熟，相關(guān)示范應(yīng)用很少；而且氨燃料直接利用或作為氫能載體的技術(shù)路線不確定，限制了綠氨應(yīng)用的推廣。
應(yīng)用方面，盡管國內(nèi)已有中國船舶集團(tuán)研發(fā)氨燃料動(dòng)力船舶、富大紫金研發(fā)氫氨燃料電池客車等綠氨利用的探索，但是總體上集中在船舶航運(yùn)領(lǐng)域，汽車、重卡等領(lǐng)域尚未見探索， 難以形成更加普適化的綠氨能源模式。
來源：小兵資訊看新聞
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