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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651℃，燃燒產(chǎn)物有氮氣、水、氮氧化物等；有一定的爆炸風(fēng)險，爆炸極限在15%~25%；氨具有毒性，會(huì )刺激人的皮膚粘膜等，嚴重時(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(lèi)健康。

氨的生產(chǎn)較為簡(jiǎn)單，工業(yè)上采用氮氣與氫氣在高溫高壓下反應合成氨。但是在生產(chǎn)氫氣的過(guò)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 )數據，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%。

氨是最基礎的化工原料之一，在化工領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。氨既可用于尿素等農業(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、結構最簡(jiǎn)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遇

2.1 淘汰高碳排放落后產(chǎn)能，產(chǎn)能收縮

過(guò)去國內合成氨面臨嚴重產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題。據國家統計局等機構數據，2017年國內合成氨產(chǎn)能超過(guò)同年合成氨表觀(guān)消費量約25.9%。十三五以來(lái)，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年國內合成氨產(chǎn)能下降近700萬(wàn)噸/年。

2.2 受農業(yè)需求拉動(dòng)，合成氨表觀(guān)消費量與產(chǎn)量快速增長(cháng)，供需態(tài)勢縮緊

我國合成氨消費中農業(yè)消費量（尿素等氮肥）占到了總消費量的約七成，近年來(lái)合成氨表觀(guān)消費量與產(chǎn)量上漲也主要受農業(yè)需求增長(cháng)拉動(dòng)。

2018年以來(lái)，我國開(kāi)始調整種植結構，農作物播種面積上漲，氮肥需求增加，根據國家統計局數據，2018年至2021年氮肥產(chǎn)量年均增長(cháng)率達3.2%，合成氨表觀(guān)消費量隨之上漲，年均增長(cháng)8.6%。

同時(shí)，受農業(yè)需求增長(cháng)拉動(dòng)，2018年開(kāi)始國內合成氨產(chǎn)量開(kāi)始迅速增長(cháng)，2018年至2021年年均增長(cháng)率達8.8%。

2.3 合成氨進(jìn)出口體量較小，海外綠氨市場(chǎng)或迎出口良機

2021年，我國合成氨進(jìn)口量約80萬(wàn)噸，出口量0.22萬(wàn)噸，遠低于同年國內合成氨產(chǎn)量。

一方面，發(fā)達國家合成氨質(zhì)量標準與環(huán)保要求較高，且市場(chǎng)受巴斯夫等巨頭把控，所以盡管?chē)鴥群铣砂背杀鞠噍^發(fā)達國家更低，但是仍需要更多時(shí)間進(jìn)行技術(shù)與資源積累以開(kāi)拓市場(chǎng)。

另一方面，海內外合成氨總體都呈現供過(guò)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(kāi)。而且，國內高純度氨的生產(chǎn)能力有限，在電子、半導體、光電等領(lǐng)域的高純氨（經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提純的99.999%純度氨）的需求依賴(lài)進(jìn)口。

最近，日本、韓國等國家開(kāi)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燃料領(lǐng)域，計劃到2030年實(shí)現20%的摻氨比例，并隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展逐漸提高到100%。而且，日本已開(kāi)始陸續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出現較大缺口，進(jìn)口需求增大，或將成為中國綠氨生產(chǎn)與出口良機。

 

2.4 船運行業(yè)對綠氨燃料的需求或成為合成氨新的需求增長(cháng)點(diǎn)

根據國際海事組織數據，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、綠氫成為船舶航運領(lǐng)域最受關(guān)注的三種綠色替代燃料。

芬蘭船運發(fā)動(dòng)機制造商瓦錫蘭聲稱(chēng)，其目標實(shí)現船舶可利用氨滿(mǎn)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。

與另外兩種綠色燃料相比，綠氨燃料易壓縮儲運、且能夠較低成本地實(shí)現全生命周期零碳排放?，F階段綠色甲醇由于碳源的成本限制及工業(yè)來(lái)源仍無(wú)法實(shí)現完全零碳化，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(cháng)點(diǎn)。

 

03 制氫是合成氨主要的碳排放環(huán)節，可實(shí)現較快綠氫替代

3.1 使用綠氫替代可簡(jiǎn)化合成氨工藝，并實(shí)現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(jiǎn)單。

而氫氣來(lái)自天然氣制氫或煤制氫，工藝復雜。N2來(lái)自空氣分離，工藝簡(jiǎn)單。

煤制氫的過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為：

煤炭+O2 → CO + H2；CO + H2O → H2 + CO­2

以我國現在大部分的煤制氫工廠(chǎng)工藝數據來(lái)看，每生產(chǎn)1噸氫氣碳排放約25.7噸。僅從原料角度計算，煤制合成氨碳排放不低于4.6噸/噸氨。

按照我國6000萬(wàn)噸/年的合成氨產(chǎn)量、70%為煤制氨（國家統計局數據）計算，煤制氨碳排放約2億噸/年。

天然氣制氫的過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為：

CH4 + O2 → CO2 + H2

能景研究根據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”，碳排放嚴重，是合成氨工業(yè)主要的碳排放來(lái)源。

由于合成氨對氫氣來(lái)源沒(méi)有特殊需求，完全可以使用綠氫替代工藝復雜的煤炭與天然氣制氫，同時(shí)近乎實(shí)現零碳排放。

若采用綠氫替代煤制氫與天然氣制氫步驟，可實(shí)現幾乎除供熱環(huán)節外的零碳排放。相應的，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?jì)r(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，而國內碳交易覆蓋范圍逐步擴大、煤炭?jì)r(jià)格頻繁向高位波動(dòng)，綠氫替代煤制氨的經(jīng)濟優(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50元/噸碳交易價(jià)格加持下，國內氨生產(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(guò)程如下：

現有合成氨工廠(chǎng)的產(chǎn)能量級多在10萬(wàn)噸/年左右，每年需要氫氣約1.76萬(wàn)噸。

若采用煤制氫，我國某廠(chǎng)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(wàn)噸/年合成氨需要原料煤12.32萬(wàn)噸/年，對應碳排放約45萬(wàn)噸/年。

若按1700元/噸無(wú)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(wàn)噸/年的合成氨工廠(chǎng)需要約75臺1000 Nm3/h的堿性電解槽。當可再生能源電價(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(lài)低，工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現規模上的優(yōu)先匹配

當前我國甲醇、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(lài)，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（現階段空氣捕捉二氧化碳成本過(guò)高），綠氨的生產(chǎn)原料只需要綠氫與來(lái)自空氣的低成本氮氣，不再需要大量的煤炭。因此綠氨的生產(chǎn)完全可以離開(kāi)煤炭基地，轉而圍繞綠氫產(chǎn)能中心展開(kāi)。

而且，綠氨生產(chǎn)的工藝更加簡(jiǎn)單，有利于綠氫的就地消納。除去復雜的煤制氫與天然氣制氫工藝后，綠氨生產(chǎn)主要包含氮氣空分與氮氫反應等環(huán)節，裝置簡(jiǎn)單，占地空間小， 可搭配電解水制氫基地建設，實(shí)現分布式制氫制氨，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。

因此， 合成氨生產(chǎn)有希望比甲醇更快實(shí)現綠氫化生產(chǎn)。

 

04 綠氨生產(chǎn)仍有一些制約問(wèn)題

4.1 分布式制氫制氨的生產(chǎn)模式仍待探索

目前國內合成氨工廠(chǎng)產(chǎn)能多超過(guò)10萬(wàn)噸/年，高者可達100萬(wàn)噸/年，且大多采用廠(chǎng)內制氫的模式以節約運輸等成本。若采用綠氫制氨， 10萬(wàn)噸/年合成氨工廠(chǎng)對電解槽規模要求至少可達到300MW以上，而現有可再生能源制氫項目鮮少達到此規模。

在此背景下， 采用廠(chǎng)內制氫模式建設小規模分布式制氫制氨工廠(chǎng)，或是采用多項目集中供氫模式建設大規模綠氨工廠(chǎng)，需要在成本、技術(shù)等方面進(jìn)行更多的探索。同時(shí)， 更加高效節能的小型化制氨工藝也值得關(guān)注。

 

4.2 國內外碳價(jià)與認證不統一

國內碳交易價(jià)格在50元/噸左右，相對歐洲600元/噸左右仍處于較低水準。隨著(zhù)歐洲免費碳配額的削減， 在較大碳差價(jià)下，中國向歐洲出口傳統合成氨將形成巨大利潤空間，刺激傳統合成氨生產(chǎn)，導致國內綠氨生產(chǎn)推動(dòng)力下降。

其次，綠氨作為一種新興的清潔能源，在國際上缺乏統一的認證標準和認證機構。 不同認證機構之間標準差異較大，認證價(jià)格也不相同，導致難以判斷綠氨的真實(shí)降碳效果，進(jìn)而影響綠氨的銷(xiāo)售和推廣。

 

4.3 國內綠氨消納場(chǎng)景仍處于探索階段

相對于較易實(shí)現的綠氨生產(chǎn)， 國內對綠氨下游消納場(chǎng)景的探索仍然相對有限，體現在氨能利用技術(shù)不成熟與應用面狹窄兩方面。

技術(shù)方面， 氨燃機、氨燃料電池等的技術(shù)仍不成熟，相關(guān)示范應用很少；而且氨燃料直接利用或作為氫能載體的技術(shù)路線(xiàn)不確定，限制了綠氨應用的推廣。

應用方面，盡管?chē)鴥纫延兄袊凹瘓F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(chē)等綠氨利用的探索，但是總體上集中在船舶航運領(lǐng)域，汽車(chē)、重卡等領(lǐng)域尚未見(jiàn)探索， 難以形成更加普適化的綠氨能源模式。

來(lái)源：小兵資訊看新聞

 

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