该方式更容易实现大规模绿氨生产

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介绍

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绿氨

     绿氨是无碳化的氨合成，由绿电制取的绿氢与空气分离得到的氮经过一定的合成工艺合成为绿氨；

     根据2023年10月国家生态环境部最新发布的“关于做好2023—2025年部分重点行业企业温室气体排放报告与核查工作的通知”内容，氨所在的化工行业是中国接下来减排降碳的重点行业，并且文件中界定了中国电网的“网电”基本不属于“绿电”范畴的概念。这就使得真正完全绿氨的生产过程中的所用电力必须为风光离网电（按欧盟碳税的标准碳排折算，绿氨全生产链条的网电占比不超过1%-3%）。

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绿氨制备工艺

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    根据原料中氢气的碳足迹，合成氨被分为灰氨、蓝氨和绿氨。灰氨中的氢气来源于天然气或者煤炭，由传统的 Haber-Bosch 高温催化工艺制备而成；蓝氨则是将灰氨生产过程中的二氧化碳进行捕集；绿氨是基于可再生能源提供能量来源的前提下，以水为原料提供绿氢，然后与氮气混合通过热催化或者电催化等新型低碳技术制备而成。

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当前，绿氨核心的合成工艺主要可分为以下三大类路径:

1.基于传统的哈伯-博世法（热催化+高温高压）耦合绿氢;

2.热催化+低温低压法耦合绿氢；

3.光催化/等离子体/电化学等耦合绿氢；

哈伯-博世法应用最为成熟，原理为：反应压力20～50MPa，反应温度350～500 ℃，在铁基催化剂作用下，绿氢和氮气合成绿氨。受制于传统的哈伯-博世工艺限制，当前的合成氨工厂规模非常大，目前合成氨工厂平均每天产能就高达500-1500吨氨，超大型工厂产能已超过3500吨/天。高温高压的哈伯法能耗巨大，假如一个中小型合成氨工厂用绿氢取代500吨/天的传统灰氢原料，将需要35~50万千瓦的可再生电力消耗和类似大规模的电解设备系统与配套的储氢输氢设施等。而目前就全国范围来看，目前单个风光离网绿电项目不超过200MW，对于不能上网的绿电绿氢来说，难以满足集中化、大型化的合成绿氨的绿电消耗需求。此外，受制于可再生能源的供应规模，该方法目前还是对合成氨部分传统产能的绿色化改造，其全生产过程的碳排放并非为零，并不是完全的绿氨生产工艺，该模式下产出的氨难以认证为真正的绿氨。

热催化+低温低压法耦合绿氢，该工艺主要通过对催化剂及流程工艺的革新，使得合成氨装置在较低的温度（400℃以下）下和较低的压力下（10MPa以下）仍能实现高效的氨合成过程，有效降低了能耗；该工艺通过降低工作温度与压力的限制将合成氨装置的小型化、灵活化变为可能，从技术和流程角度看，该方式更容易实现大规模绿氨生产。

光催化/等离子体/电化学等耦合绿氢等新型工艺尚处实验室研究迭代阶段、相关的催化剂材料与工艺流程尚不成熟，距产业化还有比较大的距离。

绿氨的应用场景

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合成氨传统应用市场主要集中在传统的农业与工业方面。农业领域，氨主要作为尿素、复合肥的原料。工业领域，氨则用于生产车用尿素和烟气脱硝等，其中近些年己内酰胺、丙烯腈、硝酸、烟气脱硝等细分工业应用市场对合成氨的需求均有较大增幅势头。但总体上，伴随着双碳背景下各项节能减排政策的驱动、传统的能源供应与使用体系重构下，氨的消费属性正逐渐变化，氨的能源属性和储能属性使其在清洁动力燃料、清洁电力和储氢载体等新市场及应用领域中具有极大的发展潜力，尤其是由可再生能源制取的绿氨。预计2030年，全球绿氨年产量将超过2000万吨，2050年将超5.6亿吨，占全球氨产量的80%以上。

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在交通领域，压燃式内燃机在重型卡车、船舶等交通运输领域和发电领域的年装机容量巨大，目前以燃油为主，产生的二氧化碳排放量占全球的 3%~4%，碳减排需求显著。而氨作为清洁能源的一种，辛烷值高，抗震爆性好，可以通过更高的压缩比提高输出功率。此外，氨用作内燃机燃料时热效率高达 50％，甚至近60％；应用至内燃机领域作为无碳燃料使用，有利于解决交通运输、发电等领域的碳排放问题。氨燃料的高体积能量密度属性可以提高船体空间利用率，并且仅需要对常规内燃机进行微小改动，改变压缩比和更换耐腐蚀的管线即可。因此，氨被认为是一种适合应用于远洋船舶的清洁燃料，是未来航运业脱碳的主力燃料之一。

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在发电领域，一般采用掺氨燃烧技术降低碳排放。其原理是利用可燃的氨气替代一定比例的煤粉，掺混后进入锅炉共同燃烧，并通过控制火焰的轴向温度和空燃比，抑制火焰内氮氧化物的生成。但氨掺烧技术尚未十分成熟，其不充分燃烧带来的氮氧化物排放与处理是当前该路径副作用的体现，需过燃烧分级、燃烧组织优化等方式进行调控；总体上，燃煤掺烧氨尚处于小规模的示范阶段，扩大到实际燃煤机组容量规模的应用效果还有待进一步工业示范验证。目前皖能集团、合肥能源研究院以及国家能源集团已经开展了相关的工业验证。

在储氢领域，氢气制取成本高、储存及运输困难等问题是制约氢能产业发展的“瓶颈”，而氨被认为是比较理想的储运氢的有机液态载体，氢氨产业融合发展是解决氢能产业发展颈、助力氨产业由灰转绿的有效途径。

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绿氨的制备成本

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绿氨由电解水制取的绿氢与空分装置捕获的氮气经合成工艺而得，绿氨的成本主要取决于绿氢的成本，占氨生产成本80%~90%。氨生产过程中的氮气分离与净化以及其它相关的合成工艺，只占目前总成本结构的一小部分。

从国内的示范项目来看，就目前技术条件下合成氨耗氢量176kg/t，耗电量约 1000kW·h/t。氢成本每降低1元/kg,绿氨成本可降低约176元/t。合成氨需要稳定电源，一般采用网电或配储绿电并配比网电（但难以认证为完全绿氨），电价每差异0.1元/kW·h，影响氨成本约100元/t。

中国的传统合成灰氨价格受煤炭石油大宗价格及市场供需影响较大，2017-2021年市场均价在2768-3470元/t，2022年上半年市场均价飙升至在3758-5110元/t之间，至2023年10月合成氨价格围绕2500-3500元/吨区间震荡。而在绿电电价0.3元/kW·h水平时，国内绿氨成本约为4500-5000元/t；电价为0.2元/kW·h水平时，绿氨成本约为3500元/t，在碳税、政策端的压力下宏观经济趋势解读，绿氨与灰氨相比已拥有一定的竞争力。