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合成氨有望成为最快突破的“绿氢合成燃料”

发布时间:

2023-05-31 16:00

 

01 氨是一种基本化工原料与新型绿色燃料

氨(NH3)是一种具有刺激性气味的气态物质,在常温下即可加压液化为液氨,沸点为-33.5℃,临界压力约11.2 MPa;有较弱的燃烧性,燃点高达651℃,燃烧产物有氮气、水、氮氧化物等;有一定的爆炸风险,爆炸极限在15%~25%;氨具有毒性,会刺激人的皮肤粘膜等,严重时还会致人死亡;氨具有环境污染性,排放到大自然中会危害自然界氮循环,从而危及生态环境与人类健康。

氨的生产较为简单,工业上采用氮气与氢气在高温高压下反应合成氨。但是在生产氢气的过程中会消耗大量煤炭天然气等资源,并产生大量的碳排放。根中国气体工业协会数据,2020年我国合成氨行业二氧化碳的总排放量2.19亿吨,占到了化工行业排放总量的19.9%。

氨是最基础的化工原料之一,在化工领域有着广泛应用。氨既可用于尿素等农业化肥原料(氮肥)生产,也可用于硝酸等化工用品生产。作为工业上最基本、结构最简单的含氮原料,几乎所有的含氮化合物的最上游都源自于氨。

氨还可以作为新型绿色燃料或氢能载体。使用绿氨燃料几乎不会造成碳排放。而且氨易压缩,液氨体积能量密度比液氢高35%以上,在催化条件下可以分解释放出氢气,是一种优良的氢能载体。

 

02 合成氨供需缩紧,新需求将催生国际机遇

2.1 淘汰高碳排放落后产能,产能收缩

过去国内合成氨面临严重产能过剩问题。据国家统计局等机构数据,2017年国内合成氨产能超过同年合成氨表观消费量约25.9%。十三五以来,工信部要求合成氨行业淘汰高碳排放的落后工艺缩减产能,从2016年到2021年国内合成氨产能下降近700万吨/年。

2.2 受农业需求拉动,合成氨表观消费量与产量快速增长,供需态势缩紧

我国合成氨消费中农业消费量(尿素等氮肥)占到了总消费量的约七成,近年来合成氨表观消费量与产量上涨也主要受农业需求增长拉动。

2018年以来,我国开始调整种植结构,农作物播种面积上涨,氮肥需求增加,根据国家统计局数据,2018年至2021年氮肥产量年均增长率达3.2%,合成氨表观消费量随之上涨,年均增长8.6%。

同时,受农业需求增长拉动,2018年开始国内合成氨产量开始迅速增长,2018年至2021年年均增长率达8.8%。

2.3 合成氨进出口体量较小,海外绿氨市场或迎出口良机

2021年,我国合成氨进口量约80万吨,出口量0.22万吨,远低于同年国内合成氨产量。

一方面,发达国家合成氨质量标准与环保要求较高,且市场受巴斯夫等巨头把控,所以尽管国内合成氨成本相较发达国家更低,但是仍需要更多时间进行技术与资源积累以开拓市场。

另一方面,海内外合成氨总体都呈现供过于求态势,且国际价格利于进口,中国合成氨出口窗口期仍未打开。而且,国内高纯度氨的生产能力有限,在电子、半导体、光电等领域的高纯氨(经过进一步提纯的99.999%纯度氨)的需求依赖进口。

最近,日本、韩国等国家开始将氨能源作为重点发展方向。

日本重点关注燃煤电站的掺氨燃烧以及航运燃料领域,计划到2030年实现20%的掺氨比例,并随着技术发展逐渐提高到100%。而且,日本已开始陆续从沙特阿拉伯等国家进口低碳氨。韩国同样注重零碳氨燃烧发电,计划到2030年将氨电比例提高到3.6%。在此背景下,日韩等国的低碳氨供应出现较大缺口,进口需求增大,或将成为中国绿氨生产与出口良机。

 

2.4 船运行业对绿氨燃料的需求或成为合成氨新的需求增长点

根据国际海事组织数据,全球船舶碳排放约占全球总排放的2.2%~2.5%,具有迫切的减碳需求。绿氨、绿色甲醇、绿氢成为船舶航运领域最受关注的三种绿色替代燃料。

芬兰船运发动机制造商瓦锡兰声称,其目标实现船舶可利用氨满足60%~70%的能源消耗。此外,中国江南造船、日本邮船等企业也纷纷布局探索绿氨动力船舶的建设。

与另外两种绿色燃料相比,绿氨燃料易压缩储运、且能够较低成本地实现全生命周期零碳排放。现阶段绿色甲醇由于碳源的成本限制及工业来源仍无法实现完全零碳化,高压气氢由于能量密度低而不适合船上紧张的空间,液氢则生产能耗大成本高。因此,绿氨将成为船运领域最有竞争力的绿色替代燃料之一,并为合成氨创造新的需求增长点。

 

03 制氢是合成氨主要的碳排放环节,可实现较快绿氢替代

3.1 使用绿氢替代可简化合成氨工艺,并实现2亿吨以上碳减排

工业合成氨生产采用Harber-Bosch工艺,化学方程式为3H2 + N2→2NH3,相对简单。

而氢气来自天然气制氢或煤制氢,工艺复杂。N2来自空气分离,工艺简单。

煤制氢的过程可以简单描述为:

煤炭+O2 → CO + H2;CO + H2O → H2 + CO­2

以我国现在大部分的煤制氢工厂工艺数据来看,每生产1吨氢气碳排放约25.7吨。仅从原料角度计算,煤制合成氨碳排放不低于4.6吨/吨氨。

按照我国6000万吨/年的合成氨产量、70%为煤制氨(国家统计局数据)计算,煤制氨碳排放约2亿吨/年。

天然气制氢的过程可以简单描述为:

CH4 + O2 → CO2 + H2

能景研究根据天然气制氢方程式推算,生产1吨氢气至少排放二氧化碳10吨,仅从原料角度计算,按照每吨合成氨需要0.18吨氢气,天然气制合成氨碳排放不低于1.8吨/吨氨。

煤制氢制氨与天然气制氢制氨都是“留氢去碳”,碳排放严重,是合成氨工业主要的碳排放来源。

由于合成氨对氢气来源没有特殊需求,完全可以使用绿氢替代工艺复杂的煤炭与天然气制氢,同时近乎实现零碳排放。

若采用绿氢替代煤制氢与天然气制氢步骤,可实现几乎除供热环节外的零碳排放。相应的,使用绿氢替代煤制氢可减少至少2亿吨/年以上的碳排放。

 

3.2 国内外碳价加持,氢制绿氨成本有望比煤制氨更低

煤制氢制氨工艺成本由煤炭价格决定,绿氢制氨成本由绿电价格决定。

绿氢生产成本逐渐降低,而国内碳交易覆盖范围逐步扩大、煤炭价格频繁向高位波动,绿氢替代煤制氨的经济优势初显。

尤其纳入碳交易覆盖范围后,能景研究估算,在国内50元/吨碳交易价格加持下,国内氨生产成本约上升10%左右,欧洲600元/吨碳交易价格加持下国内氨生产成本约上升100%,绿氢制氨具有明显成本优势。

能景研究估算分析过程如下:

现有合成氨工厂的产能量级多在10万吨/年左右,每年需要氢气约1.76万吨。

若采用煤制氢,我国某厂制氢时原料煤(不包含燃料)耗近似为7 t原料煤/t氢气,则10万吨/年合成氨需要原料煤12.32万吨/年,对应碳排放约45万吨/年。

若按1700元/吨无烟煤价,制氢总成本约2.09亿元。如果按照碳交易价格50元/吨,制氢成本上升约0.23亿元;按600元/吨,制氢成本上升约2.7亿元。

若采用可再生能源电解水制氢,每天工作8小时,则10万吨/年的合成氨工厂需要约75台1000 Nm3/h的碱性电解槽。当可再生能源电价为0.2 元/kwh时,制氢成本约15.3元/kg氢气,制氢总成本约2.70亿元。

若有50元/吨的碳交易价格加持,绿电价格仅需降低到0.15 元/kwh绿氨便具备较大成本优势,而0.15 元/kwh的绿电价格已初步具有可行性。

3.3 绿氨生产碳源依赖低,工艺简单,可实现规模上的优先匹配

当前我国甲醇、合成氨产地分布具有明显的围绕煤炭资源产地分布的特点。

绿氨生产可以做到摆脱对煤炭产地的依赖,向绿氢产能中心聚集。与绿色甲醇生产依然需要煤炭做碳源不同(现阶段空气捕捉二氧化碳成本过高),绿氨的生产原料只需要绿氢与来自空气的低成本氮气,不再需要大量的煤炭。因此绿氨的生产完全可以离开煤炭基地,转而围绕绿氢产能中心展开。

而且,绿氨生产的工艺更加简单,有利于绿氢的就地消纳。除去复杂的煤制氢与天然气制氢工艺后,绿氨生产主要包含氮气空分与氮氢反应等环节,装置简单,占地空间小, 可搭配电解水制氢基地建设,实现分布式制氢制氨,做到绿氢实时消纳。而绿色甲醇还需要复杂的CO生产或碳捕捉装置,不利于随制氢基地分布式建设。

因此, 合成氨生产有希望比甲醇更快实现绿氢化生产。

 

04 绿氨生产仍有一些制约问题

4.1 分布式制氢制氨的生产模式仍待探索

目前国内合成氨工厂产能多超过10万吨/年,高者可达100万吨/年,且大多采用厂内制氢的模式以节约运输等成本。若采用绿氢制氨, 10万吨/年合成氨工厂对电解槽规模要求至少可达到300MW以上,而现有可再生能源制氢项目鲜少达到此规模。

在此背景下, 采用厂内制氢模式建设小规模分布式制氢制氨工厂,或是采用多项目集中供氢模式建设大规模绿氨工厂,需要在成本、技术等方面进行更多的探索。同时, 更加高效节能的小型化制氨工艺也值得关注

 

4.2 国内外碳价与认证不统一

国内碳交易价格在50元/吨左右,相对欧洲600元/吨左右仍处于较低水准。随着欧洲免费碳配额的削减, 在较大碳差价下,中国向欧洲出口传统合成氨将形成巨大利润空间,刺激传统合成氨生产,导致国内绿氨生产推动力下降。

其次,绿氨作为一种新兴的清洁能源,在国际上缺乏统一的认证标准和认证机构。 不同认证机构之间标准差异较大,认证价格也不相同,导致难以判断绿氨的真实降碳效果,进而影响绿氨的销售和推广。

 

4.3 国内绿氨消纳场景仍处于探索阶段

相对于较易实现的绿氨生产, 国内对绿氨下游消纳场景的探索仍然相对有限,体现在氨能利用技术不成熟与应用面狭窄两方面。

技术方面, 氨燃机、氨燃料电池等的技术仍不成熟,相关示范应用很少;而且氨燃料直接利用或作为氢能载体的技术路线不确定,限制了绿氨应用的推广。

应用方面,尽管国内已有中国船舶集团研发氨燃料动力船舶、富大紫金研发氢氨燃料电池客车等绿氨利用的探索,但是总体上集中在船舶航运领域,汽车、重卡等领域尚未见探索, 难以形成更加普适化的绿氨能源模式。

来源:小兵资讯看新闻

 

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