中國儲能網訊：氨作為化工領域不可或缺的關鍵原料，在含氮化工產品的制造過程中扮演著舉足輕重的角色。它不僅是農業(yè)生產中肥料制造的重要基礎，還廣泛應用于造紙、硝酸及其鹽類、硝酸酯與硝基化合物、炸藥以及冷凍劑等多種工業(yè)產品的生產過程。此外，眾多有機化合物，如胺類、酰胺類以及尿素等，均源于合成氨的轉化，這使得合成氨在各類化工產品中的產量始終占據領先地位，成為衡量一個國家化工產業(yè)發(fā)展水平的重要標志。
據統(tǒng)計數(shù)據顯示，2023年我國合成氨產量達到6765．4萬t，穩(wěn)居全球首位。然而，在這輝煌成就的背后，卻隱藏著不容忽視的問題:我國合成氨生產主要依賴煤炭資源，煤制氨占比高達約73．7%。這一現(xiàn)狀不僅加劇了能源消耗，還對環(huán)境造成了巨大壓力。事實上，合成氨工業(yè)是全球能源消耗的大戶之一，其能源消耗量約占全球總量的2%，并且每年對全球二氧化碳排放的貢獻率高達約1．4%，成為溫室氣體排放的重要來源之一。
面對日益嚴峻的能源與環(huán)境挑戰(zhàn)，推動合成氨行業(yè)的綠色低碳轉型已成為當務之急。在這一背景下，綠氨作為一種創(chuàng)新的解決方案，逐漸嶄露頭角。綠氨是利用可再生能源(如太陽能、風能等)通過電解水等方式制取氫氣，再與氮氣合成而得到氨產品。由于其生產過程中幾乎不產生碳排放，甚至可以實現(xiàn)零碳排放，因此綠氨被視為一種極具潛力的低碳環(huán)保產品。
綠氨技術的出現(xiàn)，不僅有望打破傳統(tǒng)合成氨生產對化石能源的依賴，降低能源消耗和碳排放，還為全球能源結構的優(yōu)化和環(huán)境保護提供了新的思路。當前，隨著可再生能源技術的不斷進步和成本的持續(xù)下降，綠氨技術的經濟性也日益凸顯。未來，隨著技術的進一步成熟和規(guī)?；瘧玫耐茝V，綠氨有望成為合成氨行業(yè)綠色低碳轉型的重要推手，為全球可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。
1 綠氨的認證標準
國外對綠氨的認證標準已經相對成熟，并且不同國家和地區(qū)根據其自身的環(huán)保政策、技術水平和市場需求，制定了相應的綠氨認證標準。尚未形成統(tǒng)一的國家標準，但有團體標準或行業(yè)標準在探討和實施中，如中國氮肥工業(yè)協(xié)會已正式啟動《綠色合成氨分級標準》的編制工作。對國外綠氨認證標準的歸納和分析見表1。
2 綠氨生產的技術路線
綠氨生產的核心環(huán)節(jié)包括綠氫制備、氮氣制備和合成氨。其中，綠氫制備主要通過電解水制得，氮氣則通過空氣分離設備從空氣中提取。合成氨環(huán)節(jié)則采用傳統(tǒng)的Haber－Bosch法或其他改進工藝。具體見圖1。
2.1 綠氫制備技術
綠氫是指利用可再生能源(如風能、水能、太陽能等)通過電解水技術制得的氫氣，這一過程中不產生二氧化碳，從源頭上實現(xiàn)了二氧化碳的零排放。目前堿性電解水制氫(AWE)、質子交換膜電解水制氫(PEMWE)、固體氧化物電解水制氫(SOEC)是三種電解水制氫的主流工藝。技術對比見表2。
堿性電解水制氫技術(AWE)已能夠實現(xiàn)大規(guī)模制氫應用，是全球范圍內應用最廣泛的電解水制氫技術之一。據中國氫能聯(lián)盟研究院等機構聯(lián)合發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產業(yè)白皮書》顯示，堿性電解水制氫技術占國內綠氫項目95%以上的裝機份額。國內外主要的堿性電解制氫設備制造商有加拿大Hydrogenics、法國McPhy、中國船舶重工集團公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設備有限公司、蘇州競立制氫設備有限公司等。目前國內外電解水制氫單位能耗普遍在4．5kWh/(Nm3氫氣)以上，國內可生產單槽最大出力達1300Nm3/h的電解槽。
2.2 氮氣制備技術
氮氣制備主要通過空氣分離設備從空氣中提取?？諝夥蛛x技術已非常成熟，主要包括深冷分離和變壓吸附兩種方法。深冷分離法通過低溫液化空氣，利用不同組分的沸點差異進行分離;變壓吸附法則利用吸附劑對空氣中各組分的吸附能力差異，在壓力變化下實現(xiàn)分離。技術對比見表3。
如上所述，空分深冷分離和變壓吸附在多個方面存在顯著差異?？辗稚罾浞蛛x適用于對氣體純度要求高、需要大規(guī)模制氣或用氣的場景，而變壓吸附則更適用于對氣體純度要求不高、投資成本有限且需要靈活調節(jié)制氣量的中小規(guī)模場景。大規(guī)模綠氨合成對氮氣用量需求大，且氮氣狀態(tài)為液態(tài)，應選擇空分深冷分離技術路線。國內外主要有德國的Linde、法國AirLiquide、杭州制氧機集團股份有限公司、林德工程(杭州)有限公司、液化空氣(杭州)有限公司。國內已經自主掌握了10萬Nm3/h大型空分設備生產技術。
2.3 合成氨技術
合成氨環(huán)節(jié)主要采用傳統(tǒng)的Haber－Bosch法，該法自20世紀初問世以來，經過不斷優(yōu)化和改進，已成為全球合成氨生產的主流技術。其基本原理是在高溫高壓下，利用鐵基催化劑將氮氣和氫氣合成氨氣。原料氣氮氣和氫氣混合氣體被壓縮到高壓狀態(tài)，目前合成氨主流工藝(中壓法)的反應壓力在20～30MPa。在一定溫度、壓力和催化劑的作用下，氮氣和氫氣在合成塔內發(fā)生合成反應，生成氨氣。
反應溫度通常在400～500℃。催化劑通常采用鐵基催化劑，如鐵觸媒。鐵觸媒在高溫下具有良好的催化活性，能夠促進氮氣和氫氣的合成反應。合成反應后的氣體混合物中含有氨氣、未反應的氮氣和氫氣。通過冷凝器將氨氣冷卻并液化，從而實現(xiàn)氨氣的初步分離。分離出的氨氣可能含有少量的未反應氣體和雜質，需要進一步通過精餾塔進行提純處理。精餾塔利用氨氣與未反應氣體沸點的差異，將氨氣提純至所需純度。
此外，還有一些新興的合成氨技術，如電化學法、低溫低壓法等，但尚處于實驗研發(fā)階段，距離工業(yè)化尚有時日。
3 綠氨生產的經濟性分析
3.1 投資估算
國內新建或改造的合成氨生產能力以15～30萬t/a的規(guī)模較多，據統(tǒng)計目前有中型合成氨裝置55套，生產能力約為500萬t/a。本文以20萬t/a合成綠氨為計算依據，建設主體及投資規(guī)模如下。
電解水制氫規(guī)模為60000Nm3/h，設備配置方案為:電解槽單臺1000Nm3/h，氣液分離單套2000Nm3/h，純化系統(tǒng)單套2000Nm3/h。即30臺電解槽配套15套氣液分離系統(tǒng)和15套純化系統(tǒng)。氮氣提純裝置規(guī)模為20000Nm3/h，采用變壓吸附氣體分離技術，N2濃度≥99%，主要設備包括:空氣過濾器、空氣壓縮機、空氣冷卻器、分子篩吸附器、精餾塔等設備。氨合成采用哈伯－博世鐵基催化劑技術路線，液氨品質滿足國標(GB536)要求，主要設備包括壓縮機、合成塔、冷卻器、精餾塔、循環(huán)機等化工常規(guī)設備。綠氨主要設備及投資估算見表4。
3.2 總成本估算
綠氨合成全過程的總消耗見表5。
生產運行的假定條件如下:可再生能源電價0．3元/(kW·h);工業(yè)用電價格0．5元/(kW·h);鐵基催化劑價格40元/kg;除鹽水價格6元/t;循環(huán)冷卻水價格0．1元/t;蒸汽價格120元/t;定員90人，年人均工資150000元;內部收益率6%，產品增值稅率13%。工程消耗單價可得的生產成本如表6所示。
從表6可知，可再生能源電價0．3元/(kW·h)時，綠氨的總年費用為81222萬元，綠氨的單位成本為4061元，其中可再生能源電價是可變成本的主要因素，占據73．87%，年費用高達60000萬元，單位成本為3000元/t。這反映了可再生能源電價在綠氨生產中的關鍵地位，也表明降低可再生能源電價成本是降低綠氨生產成本的重要途徑。其他條件不變，可再生能源電價成本在0．1～0．5元時，綠氨售價為2469～7260元/t，可再生能源電價成本占比在49%～82%。
4 綠氨減碳效益分析
國內傳統(tǒng)合成灰氨價格受煤炭價格及市場供需影響較大，2024年液氨出廠價格在2950～3066元/t波動?？稍偕茉措妰r為0．15元/(kW·h)水平時，綠氨售價約為3068元/t，與現(xiàn)有市場灰氨價格持平。若考慮減碳效益，綠氨較煤制氨的噸產品減少碳排放量約為4．2t，按2024年10月全國碳市場碳配額交易價格碳價100元/t計算，灰氨的價格為3420，可再生能源電價為0．2元/(kW·h)水平時，綠氨售價約3666元/t，可以接近灰氨價格。若以歐盟碳市場(EUETS)碳價為65．03歐元/t計算，灰氨售價約5163元/t，可再生能源電價控制在0．35元/(kW·h)以下便可以實現(xiàn)盈利。
2024年7月11日，阿布扎比化肥生產商Fertiglobe中標德國氫衍生物進口計劃下的首個綠色氨合同，可再生氨價格為811歐元/t(約合人民幣6428元/t，不包括運輸成本)。目前，全球綠氨市場尚未建立起成熟的定價體系，而此次競標活動為可再生氨的交易市場確立了一個價格基準。若以此為基礎價格，我國可再生能源電價控制在0．45元/(kW·h)以下便可以實現(xiàn)盈利。因此可以推斷，綠氨作為煤制合成氨的替代方案，其成本降低的關鍵在于可再生能源電價的下降，同時結合其顯著的減碳優(yōu)勢，使得綠氨在與灰氨的競爭中展現(xiàn)出較強的競爭力，并且從長遠視角來看，綠氨也蘊含著可觀的市場經濟效益。
5 總結與建議
（1）綠氨生產的經濟性高度依賴于可再生能源電價，可再生能源電價占合成氨成本的50%～80%，綠氨的經濟競爭力主要取決于降低新能源電力成本。
（2）研發(fā)合成氨高效催化劑，優(yōu)化生產工藝，降低能耗，提高氨的轉化效率和回收率，以節(jié)約原料和降低投資成本。項目地點應選擇原有化工園區(qū)或者大能源基地，不僅可以減少工業(yè)用電，工業(yè)蒸汽、產品儲存和輸運成本，同時還能降低產品生產過程中的碳排放強度。
（3）通過征收碳稅或提高碳排放權價格，鼓勵企業(yè)生產綠氨，增加其經濟效益。建立針對綠氨等綠色產品的專門市場，提高其市場消納能力，并通過差異化策略避免與常規(guī)技術路線產品的直接競爭。
（4）綠氨認證標準的制定和完善將成為推動我國綠氨產業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展的重要保障。
未來，國內應加快綠氨認證標準的制定工作，借鑒國外先進經驗和技術成果，結合國內實際情況和需求，制定符合國際標準的綠氨認證標準，爭取早日獲得國際認可并進入國際市場。
