綠氨產(chǎn)業(yè)有望推動氫能規(guī)模化發(fā)展

雷靈龍

?甲醇和氨在氫的儲運中體現(xiàn)出一系列優(yōu)勢，比較氨和甲醇作為綠色燃料的應(yīng)用前景，氨在排放等方面具有顯著優(yōu)勢

?各國開始積極探索采用氨作為船舶燃料，綠氨不但是未來航運業(yè)脫碳的主力燃料之一，還是發(fā)電領(lǐng)域碳減排的重要技術(shù)方向

?利用可再生能源電解水制取綠氫作為原料合成氨可實現(xiàn)新能源的本地化有效消納，也是化工綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑，可顯著降低化工行業(yè)的碳排放，成為當前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向

?中國氫能聯(lián)盟研究院數(shù)據(jù)顯示，全國已規(guī)劃綠氨項目產(chǎn)能880萬噸/年，預(yù)計2025年前投運產(chǎn)能規(guī)模達150萬噸/年；目前，國內(nèi)綠氨項目主要分布在西北、東北等可再生資源豐富地區(qū)

氫作為一種二次能源，在可再生能源消納及有效利用中具有良好的前景，可以與未來新型電力系統(tǒng)形成有機互補。作為最輕的元素，氫具有高能量密度，某些場景下?lián)碛袘?yīng)用優(yōu)勢。但與其他燃料相比，氫在氣態(tài)下的體積能量密度很低，更難以儲存和運輸，這也降低了氫在不能直接或常規(guī)電氣化的用例中的可行性，例如航運和航空。

相比之下，甲醇和氨在氫的儲運中體現(xiàn)出一系列的優(yōu)勢。甲醇和氨的儲存溫度壓力要求遠低于液態(tài)氫或壓縮氫，而體積能量密度則高得多。更重要的是，甲醇、氨作為基礎(chǔ)化學(xué)品，其物流、貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施已相當完備。

比較氨和甲醇作為綠色燃料的應(yīng)用前景，氨在排放等方面具有顯著優(yōu)勢。這是因為即使是綠色甲醇，其燃燒仍要排放二氧化碳，要實現(xiàn)完全的零碳排放，必須進行燃燒或利用后的二氧化碳捕集。而在船舶等移動場景，無論是燃燒前捕集還是燃燒后捕集，成本都非常高。而符合凈零排放要求的生物甲醇則可能無法充分擴大規(guī)模以滿足需求，因為只有少量的可用生物質(zhì)可以負擔得起當?shù)丶庸び糜谌剂蠎?yīng)用，而進一步擴產(chǎn)將大大增加成本。

氨有望作為未來主要的船用綠色燃料

政策層面上，國際海事組織2018年通過《船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，提出航運業(yè)在2008年基準上至2050年總排放量降低50%。與此同時，歐盟也已將航運業(yè)納入碳排放交易體系，船只需對高碳排放支付額外費用。在此背景下，各國開始積極探索采用氨作為船舶燃料。

N2和H2O在金表面通過電化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)氨的反應(yīng)過程。 雷靈龍/供圖

2023年10月16日比利時航運公司Exmar發(fā)布聲明稱，Exmar和Seapeak合資企業(yè)ExmarLPGBV將為在韓國HD現(xiàn)代集團建造的兩艘46000立方米氣體運輸船訂購氨燃料，這兩艘船將成為全球首批由氨發(fā)動機驅(qū)動的遠洋船舶。據(jù)Exmar稱，這兩艘雙燃料運輸船將于2026年交付。Exmar成立于1829年，在船舶設(shè)計方面保持著長期的聲譽，同時也擁有40多年的氨相關(guān)領(lǐng)域服務(wù)經(jīng)驗。這兩艘船將加入Exmar目前由17艘中型貨輪組成的船隊。此前，韓國船級社（KR）在2021年首次發(fā)布《氨燃料船舶指南》，為船舶安全地引進氨燃料作為動力提供了依據(jù)。

在中國，2019年，中國船舶重工集團和德國曼恩集團聯(lián)合設(shè)計的氨動力超大型集裝箱船方案通過船級社原則性批準；2022年，上海船舶研究設(shè)計院自主研發(fā)設(shè)計的中國首款氨燃料動力7000車位汽車運輸船獲DNV認可。同年6月，中國船級社發(fā)布《船舶應(yīng)用氨燃料指南》2022版。2022年10月，上海船舶研究設(shè)計院研發(fā)的5萬噸氨雙燃料動力MR型油船/化學(xué)品船獲頒意大利船級社（RINA）授予的原則性認可（AIP）證書；2023年2月，該院研發(fā)的全球首創(chuàng)8.5萬載重噸氨雙燃料動力散貨船獲得中國船級社的AIP證書。此外，除綠氨外，多個國家及地區(qū)也在同步積極開展以純氫及基于綠氫的綠色甲醇作為各類船舶燃料的研究和示范試點，共同推動全球航運業(yè)綠色低碳發(fā)展。

氨在電力脫碳等領(lǐng)域也具有廣泛應(yīng)用

綠氨不但是未來航運業(yè)脫碳的主力燃料之一，還可以用于發(fā)電、火電及燃氣輪機機組摻燒氨或純氨等低碳燃料，是發(fā)電領(lǐng)域碳減排的重要技術(shù)方向。2021年三菱發(fā)電公司開發(fā)一種40兆瓦的燃氣輪機，將可以使用100%的含氨燃料。2023年11月28日，三菱重工業(yè)株式會社（MHI）宣布其已成功完成氨單一燃料燃燒器的燃燒測試，作為其開發(fā)用于熱電發(fā)電鍋爐的氨利用技術(shù)的一部分。其利用每小時0.5噸燃料消耗的燃燒測試爐進行氨燃燒器的單一燃料燃燒測試，以及與煤一起進行的高比例氨共燃測試。在兩種情況下，測試證實氨可以實現(xiàn)完全穩(wěn)定燃燒，且與煤燃燒相比，氮氧化物排放顯著減少。

2022年1月24日，國家能源集團正式發(fā)布“燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)”。其自主開發(fā)的第一代混氨低氮煤粉燃燒器，在燃燒試驗平臺上進行了全尺度混氨燃燒試驗，氨燃盡率99.99%，混氨燃燒比例最高達35%，同時實現(xiàn)氮氧化物有效控制。此后在2023年11月底，國家能源集團宣布其在中國神華廣東臺山電廠600兆瓦燃煤發(fā)電機組上實施了高負荷發(fā)電工況下煤炭摻氨燃燒試驗，這是當前國內(nèi)外完成摻氨燃燒試驗驗證的容量最大機組。試驗主要采用氨煤預(yù)混燃燒技術(shù)，實現(xiàn)了500兆瓦、300兆瓦等多個負荷工況下燃煤鍋爐摻氨燃燒平穩(wěn)運行。國家能源集團稱實驗中鍋爐運行參數(shù)正常，氨燃盡率達到99.99%，脫硝裝置前的氮氧化物濃度與燃煤工況相當，煙氣污染物排放濃度無變化。

2023年11月30日下午，中車大連公司宣布由其自主研發(fā)的我國首臺中速大功率氨燃料發(fā)動機在大連點火成功，發(fā)動機單缸功率可達208千瓦，氨能最大占比可達85%，相比于傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機，可降低碳排放80%。

綠色合成氨產(chǎn)業(yè)方興未艾

當前，氨的生產(chǎn)仍主要依賴化石原料。氨作為一種基本的工業(yè)化學(xué)品，是最便宜的化合氮形式，也是75%以上含氮產(chǎn)品使用的原料。其主要用于生產(chǎn)肥料，如尿素和硝酸銨。除此以外，氨還是無機和有機化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料。截至2020年，我國氫氣消費需求為3342萬噸，其中，66%作為原料用于化工合成，其中37%用于合成氨、19%用于合成甲醇。然而，傳統(tǒng)制氫主要依靠煤和天然氣等碳基化石能源，產(chǎn)生了大量碳排放。利用可再生能源電解水制取綠氫作為原料合成氨可實現(xiàn)新能源的本地化有效消納，也是化工綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑，可顯著降低化工行業(yè)的碳排放，成為當前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

不同原料的合成氨工藝路線略有差異，不過目前主流的合成氨工藝均基于哈伯—博世（Haber-Bosch）工藝，即氮氣和氫氣在高溫高壓和鐵基催化劑存在下直接合成氨。除制氫原料不同外，大部分合成氨工藝都主要包括原料氣制備、原料氣凈化、一氧化碳變換、氨合成、尾氣回收等工序。其能耗主要由原料氣消耗、燃料氣消耗、煤炭消耗、蒸汽消耗和電力消耗組成。當前合成氨工業(yè)的氫氣來源絕大多數(shù)來自煤或天然氣制氫，在雙碳戰(zhàn)略背景下，未來綠氫替代灰氫，將成為合成氨行業(yè)的主流趨勢。

綠氨合成技術(shù)分為間接合成路線和直接合成路線兩大類。直接合成路線即以氮氣和水為原料，通過電解、光催化、微生物反應(yīng)等方式直接合成綠氨。然而，當前直接合成路線受限于反應(yīng)速率低、器件不成熟等技術(shù)障礙，大多尚處于實驗室階段，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

而間接合成路線則仍基于經(jīng)典的哈伯—博世工藝，只不過氫氣由綠電制取，氮氣分離過程也使用綠電進行生產(chǎn)。間接合成路線也是當前技術(shù)最成熟、最具可行性的發(fā)展方向。然而，合成氨行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型并不是綠氫替代這么簡單，大規(guī)模可再生能源電解水制氫合成氨的設(shè)計與運行依然存在諸多挑戰(zhàn)。綠氨與傳統(tǒng)合成氨工藝在供能、反應(yīng)溫度等方面均有較大差異。因此，仍需要在合成氨工藝柔性優(yōu)化與調(diào)控、大規(guī)模電解水制氫平穩(wěn)運行、制氫負荷參與電網(wǎng)調(diào)控和全系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性等方面展開研究。

傳統(tǒng)合成氨工藝與綠氫合成氨工藝流程及溫度差異對比

中國氫能聯(lián)盟研究院數(shù)據(jù)顯示，全國已規(guī)劃綠氨項目產(chǎn)能880萬噸/年，預(yù)計2025年前投運產(chǎn)能規(guī)模達150萬噸/年。目前，國內(nèi)綠氨項目主要分布在西北、東北等可再生資源豐富地區(qū)。例如，今年正式開工建設(shè)的大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項目就是目前國內(nèi)最大的一體化綠氨合成示范項目。其作為大安千萬千瓦新能源制氫基地組成部分，聚合風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能、氫能等多種清潔能源，應(yīng)用了風(fēng)光耦合制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）電解制氫系統(tǒng)、綠氫合成氨等新技術(shù)，被國家發(fā)展改革委評為清潔低碳氫能創(chuàng)新應(yīng)用工程。項目新能源裝機80萬千瓦，可年制綠氫3.2萬噸、年制綠氨18萬噸，極大地促進了大安地區(qū)可再生能源消納，推動了當?shù)啬茉春突ゎI(lǐng)域綠色轉(zhuǎn)型。

一種綠電驅(qū)動的從N2和H2O可持續(xù)合成氨的鋰循環(huán)過程。 雷靈龍/供圖

而國際可再生能源署（IRENA）統(tǒng)計的全球（不含中國）投入運營/規(guī)劃中的綠氨項目統(tǒng)計清單（2022年）中，現(xiàn)有運行項目產(chǎn)能約2萬噸/年，到2030年前規(guī)劃產(chǎn)能約1500萬噸/年，總計超過7000萬噸/年。綠氨在全球能源低碳轉(zhuǎn)型的大背景下，有著光明的前景。

然而，氨作為綠色燃料，當前仍有很多問題有待解決。首先，當前綠氫成本電費占比高，導(dǎo)致綠氨成本較高，沒有政策支持難以與傳統(tǒng)合成氨競爭。其次，傳統(tǒng)合成氨工藝均為連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，直接用于生產(chǎn)綠氨，并不能良好地適應(yīng)可再生能源的波動性，相關(guān)設(shè)備及工藝需要進行針對性優(yōu)化。最后，與常規(guī)的碳氫燃料相比，純氨的層流燃燒速度和熱值均比較低，而且點火所需要的能量較高，可燃性極限范圍較窄，使得純氨的燃燒更加困難。因此，目前船用氨發(fā)動機還在開發(fā)中，尚未完全商業(yè)應(yīng)用。其與天然氣燃燒特性的差異也導(dǎo)致純氨燃氣輪機需要大量的研發(fā)工作方有望最終實現(xiàn)商業(yè)化。

綠氨產(chǎn)業(yè)在我國方興未艾，只有在針對性的產(chǎn)業(yè)政策扶持和持續(xù)的研發(fā)投入下，方能健康發(fā)展。但其具有綠色低碳的特點，必將在我國綠色產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展中發(fā)揮重要作用。