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綠氨將迎爆發(fā)期！
發(fā)布時(shí)間：
2023-10-26 09:09
傳統(tǒng)氨合成工藝以煤或天然氣等化石能源為原料，屬于高能耗、高排放項(xiàng)目。綠氨指通過(guò)新能源發(fā)電后電解水制氫再合成氨，使原料輕質(zhì)化，此路線可以實(shí)現(xiàn)氨生產(chǎn)過(guò)程的低碳或無(wú)碳化。傳統(tǒng)合成氨的生產(chǎn)成本相對(duì)較低，電解水制氫由于需要電量較大，成本較高。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)新能源電價(jià)進(jìn)一步降低或者利用棄光電風(fēng)電來(lái)合成氨可提高綠氨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略的實(shí)施，各國(guó)都在布局建設(shè)綠氨示范性項(xiàng)目，將促進(jìn)氮肥原料的低碳化，同時(shí)合理利用新能源電力助力綠氨發(fā)展，并耦合氨發(fā)動(dòng)機(jī)、氨燃料電池等技術(shù)的進(jìn)步，綠氨在能源市場(chǎng)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。
氫元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中，而氫能作為一種二次能源，需要通過(guò)制氫技術(shù)進(jìn)行“提取”。我國(guó)目前氫氣來(lái)源主要以化石燃料制氫為主，這類方式生產(chǎn)的氫氣被稱之為灰氫或藍(lán)氫。相比之下，綠氫指的是使用可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能等）制取的氫氣，它可以做到全生產(chǎn)過(guò)程無(wú)碳排放，對(duì)溫室氣體的減排具有重要意義。
氨目前主要用于制造氮肥和復(fù)合肥料，傳統(tǒng)的氨合成工藝用煤或天然氣作為原料和動(dòng)力來(lái)源，會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)氨產(chǎn)量在5117萬(wàn)t左右，按照每1噸合成氨能耗基準(zhǔn)平均值1405 kg標(biāo)煤，中國(guó)合成氨每年二氧化碳排放量約18692萬(wàn)噸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“3060”碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施，綠氨在能源領(lǐng)域?qū)l(fā)揮極為重要的作用，這就要求氨是由清潔能源和清潔原料生產(chǎn)獲得，利用綠氫作為合成氨的原料將實(shí)現(xiàn)合成氨的低碳綠色生產(chǎn)。
一、綠氨的減排分析
我國(guó)傳統(tǒng)合成氨主要以煤為原料，典型流程是通過(guò)造氣爐制得半水煤氣后依次經(jīng)過(guò)脫硫、變換、脫碳、醇烴化工序等得到凈化氣，再在高溫、高壓下經(jīng)催化合成氨，氨經(jīng)冷凍系統(tǒng)液化后儲(chǔ)存。工藝系統(tǒng)主要包括造氣系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、變換系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、脫碳系統(tǒng)、合成系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)等，傳統(tǒng)合成氨工藝流程框圖如圖1所示，工藝系統(tǒng)能耗及碳排放情況分析見(jiàn)表1。
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圖1 傳統(tǒng)合成氨工藝流程框圖
1.2 綠氫合成氨工藝及排放分析
采用電解水制綠氫及哈伯-博世法工藝合成氨的技術(shù)路徑最為成熟，被認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)綠氨產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線。綠氫制備系統(tǒng)可選擇“新能源電+儲(chǔ)電系統(tǒng)”或者“新能源電+網(wǎng)點(diǎn)”作為電源系統(tǒng)，采用堿性水電解制氫工藝。堿性水電解制氫工藝，工藝系統(tǒng)主要包括：電解槽系統(tǒng)、堿液循環(huán)系統(tǒng)等單元；氨合成系統(tǒng)是以氨合成塔為中心，包括“空分系統(tǒng)”“壓縮系統(tǒng)”“合成系統(tǒng)”“冷凍系統(tǒng)”“液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)”等，綠氫合成氨工藝流程框圖如圖2所示，工藝系統(tǒng)能耗及碳排放情況分析見(jiàn)表2。
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圖2 綠氫合成氨工藝流程框圖
對(duì)比表1和表2定性分析，傳統(tǒng)合成氨工藝路線長(zhǎng)，需要的原料為化石能源，碳排放大。綠氫合成氨工藝路線短，若主要能耗都用綠電，需要的原料為水，則碳排放小。
傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)工藝在不斷的優(yōu)化，如水煤漿氣化工藝、等溫變換工藝等綠色工藝和高溫煤氣余熱廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)等余熱余壓利用。介于不同合成氨生產(chǎn)廠家的原料、工藝的差異，在此根據(jù)《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2021年版）》對(duì)合成氨標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平分別估算碳排放情況，詳見(jiàn)表3。
根據(jù)電解水制氫用電情況和液氨生產(chǎn)用電情況估算綠氫合成氨碳排放情況，電解水制氫總電耗按照不同電解方式平均直流電耗4.17kwh/Nm3加其他電耗0.5kwh/Nm3計(jì)算，液氨生產(chǎn)能耗按照工廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取910kwh/噸估算。電耗按照《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》（環(huán)辦氣候〔2021〕9號(hào)）核算碳排放，排放因子為0.5810噸CO2/MWh，綠氫合成氨電耗和碳排放量估算值詳見(jiàn)表4。
表4 綠氫合成氨電耗和碳排放
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對(duì)比表3和表4可知，傳統(tǒng)合成氨每1噸碳排放最高為4030kg、最低為1966kg，而電解水制氫合成氨的碳排放量為6135kg，如果不采用綠電制綠氫為原料，此線路的碳排放高于傳統(tǒng)合成氨碳排放。合成氨裝置是連續(xù)性生產(chǎn)裝置，而光電或風(fēng)電等新能源電存在不連續(xù)性，需要采用儲(chǔ)能設(shè)施或采用綠電和網(wǎng)電。若采用綠電和網(wǎng)電相匹配的方式，則需要協(xié)調(diào)網(wǎng)電和綠電的配比保證更低碳，即綠電占比70%以上才能比天然氣制氫合成氨更低碳；綠電占比50%以上才能比煤制氫合成氨更低碳。
二、綠氫合成氨的競(jìng)爭(zhēng)力分析
2022年以來(lái)，合成氨的市場(chǎng)價(jià)格一直處于高位。2017—2021年，市場(chǎng)均價(jià)在2768～3470元/噸，進(jìn)入2022年后市場(chǎng)均價(jià)范圍在3758～5110元/噸之間，以煤或天然氣為原料的合成氨利潤(rùn)在800～2000元/t之間，具有很好的利潤(rùn)空間。綠氫合成氨的成本主要在于電價(jià)，在此選取幾個(gè)不同的市場(chǎng)價(jià)格，考慮一定的其他原料成本和人工等成本，在不計(jì)算碳稅、以中國(guó)目前市場(chǎng)上碳排放成本50元/噸計(jì)算和以國(guó)外市場(chǎng)上碳排放成本50美元/噸計(jì)算的3種情景下，根據(jù)耗電量估算能承受電價(jià)見(jiàn)表5。
表5 綠氫合成氨能承受電價(jià)元/（kw?h）
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由表5可知在合成氨市場(chǎng)價(jià)格2700～5000元/t，能承受的電價(jià)在0.22～0.42元/kWh之間。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委《關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知》，光伏發(fā)電最低上網(wǎng)價(jià)格為0.35元/kWh，根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委《關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》2020年最低指導(dǎo)價(jià)為0.29元/kWh。對(duì)比能承受電價(jià)可知，利用風(fēng)電電解水制氫的成本優(yōu)勢(shì)更大，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。在考慮碳排放成本之后，能承受的電價(jià)都相應(yīng)提高，但目前國(guó)內(nèi)碳交易價(jià)格相對(duì)較低，對(duì)承受價(jià)格提高幅度相對(duì)較小，而隨著碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略的深入實(shí)施，碳排放成本會(huì)逐步增大，跟國(guó)際水平相匹配時(shí)，綠氫合成氨能承受的電價(jià)可提高0.1元/kWh，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將大幅提高。此外，為了提高綠氨的競(jìng)爭(zhēng)力，最好的方式是利用棄風(fēng)電光電制氫，可以變廢為寶。
三、綠氨的市場(chǎng)分析
氨的傳統(tǒng)市場(chǎng)主要作為肥料原料和化工原料。氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各種氨鹽肥料，氨的應(yīng)用氮肥行業(yè)占比70%以上。同時(shí)氨也是重要的化工原料，用于生產(chǎn)胺類、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂的原料。“十三五”以來(lái)，我國(guó)氮肥行業(yè)總量控制成效顯著，累計(jì)退出和置換合成氨產(chǎn)能1979萬(wàn)噸，2020年我國(guó)合成氨產(chǎn)能為6676萬(wàn)噸。在“十四五”期間，煤炭依然是我國(guó)的能源主體，也是氮肥的主要生產(chǎn)原料，行業(yè)通過(guò)積極研發(fā)推廣節(jié)能降耗、新工藝新設(shè)備、通過(guò)數(shù)字化和智能化手段降低行業(yè)的排放水平。而綠氨在近幾年的發(fā)展將趨于一個(gè)從示范性裝置到工業(yè)化的過(guò)程，隨著技術(shù)進(jìn)步和新能源電力的產(chǎn)能進(jìn)一步增大，綠氨將逐步增加對(duì)傳統(tǒng)市場(chǎng)的供應(yīng)占比。
綠氨作為零碳液體燃料，雖然燃燒熱值只有4130kcal/kg，約為同質(zhì)量汽油的三分之一，同質(zhì)量氫氣的八分之一，但其不同于汽油等化石燃料一樣含碳，又比氫氣易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，目前已被認(rèn)為是世界氣候變化解決方案的一部分。早在二戰(zhàn)時(shí)期，由于燃料來(lái)源被切斷，比利時(shí)政府將NH3和煤油作為燃料為城市公共汽車提供動(dòng)力。
然而，綠氨作為燃料還有幾個(gè)問(wèn)題需要解決：第一是氨有毒，不能泄露；第二是氨難燃且燃燒速度慢；第三是氨發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，也是一種溫室氣體。這3個(gè)問(wèn)題都可以通過(guò)氨發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)制造來(lái)解決，比如實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)密閉無(wú)泄漏，氨燃燒完全；將氨與氫或其他燃料一起混合燃燒；研發(fā)新的催化系統(tǒng)將氨催化轉(zhuǎn)化避免產(chǎn)生氮氧化合物。日數(shù)谷進(jìn)等發(fā)明了一種氨發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以氨作為燃料，配備了氨裂解裝置，可以將一部分氨裂解后得到氫氣跟氨混合后再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。紀(jì)常偉等發(fā)明了一種摻氫的缸內(nèi)直噴氨發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制方法，同樣是將氨與氫混合燃燒，并設(shè)置NOx濃度傳感器等監(jiān)控排氣濃度。
氨燃料電池是綠氨能源轉(zhuǎn)換的另一種形式，美國(guó)、瑞典等上個(gè)世紀(jì)60年代開始研究氨燃料電池；日本京都大學(xué)在2014年研發(fā)氨燃料電池；佛山索弗克氫能源有限公司在2017年研發(fā)了一種包含燃燒室、分氣室、環(huán)形多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的氨燃料電池，可以實(shí)現(xiàn)燃燒效率高，不產(chǎn)生含碳、硫氣體，可減少污染氣體排放。此外，燃煤電廠摻燒氨能夠?qū)崿F(xiàn)源頭降碳，為煤電低碳化轉(zhuǎn)型提供了一條可供選擇的路徑，也為綠氨的發(fā)展提供了更多的市場(chǎng)。
國(guó)內(nèi)外對(duì)綠氨的研究越來(lái)越熱，包括日本、澳大利亞、荷蘭和英國(guó)在內(nèi)的國(guó)家都有使用綠氨儲(chǔ)存和出口盈余可再生能源的計(jì)劃。澳大利亞墨爾本蒙納士大學(xué)化學(xué)家道格拉斯·麥克法蘭預(yù)計(jì)，未來(lái)幾十年，氨產(chǎn)量可能增加100倍。我國(guó)已在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅等西部省市布局綠氨的示范性裝置，綠氨的發(fā)展將為我國(guó)的碳達(dá)峰碳中和發(fā)揮重要作用。
四、結(jié)論
1.采用化石原料的傳統(tǒng)合成氨是高能耗、高排放項(xiàng)目，而采用電解水制氫合成氨，只有使用的電為綠電的情況下，才具有低碳的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
2.目前，化石原料合成氣的生產(chǎn)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)，綠氫合成氨的成本主要取決于電價(jià);隨著綠電的價(jià)格降低和趨于平穩(wěn)，以及碳排放成本的增加，綠氨的競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)越來(lái)越強(qiáng)
3.我國(guó)現(xiàn)有的合成氣產(chǎn)能經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，已趨于穩(wěn)定，綠氨在化肥等傳統(tǒng)市場(chǎng)的替代需要一定的時(shí)間。綠氨的主要市場(chǎng)是作為燃料，替代化石能源。隨著綠氨技術(shù)的發(fā)展、成本的降低以及氨發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)的開發(fā)成熟，在接下來(lái)的幾十年，綠氨在能源系統(tǒng)的應(yīng)用將迎來(lái)爆發(fā)期。
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