清洁氨商业应用到底行不行？

2023-06-09 15:59

近期，全球范围内，围绕氨尤其是绿氨展开的研究和合作越来越多。然而，氨是否具备可持续资质仍存在较大争议。一方面，当前制氨工艺仍以化石燃料为主，商业化绿氨制备路径亟待突破。另一方面，高浓度氨存在毒性，且不受控制释放会给环境造成严重负担。

从辩证的角度出发，清洁氨可以商业应用，但存在缺陷，争议较大，仍需完善。

氨

氨，氮和氢的化合物，化学分子式为NH?，密度为0.771g/L，常温下是一种无色气体，比空气轻，有强烈的刺激气味。人类对氨的认识已有240年，氨是世界上生产及应用最广泛的化学品之一，主要用于制作硝酸、化肥、炸药以及制冷剂等。目前全球八成以上的氨用于生产化肥。目前，我国氨主要分农业（尿素与碳铵75%，硝铵与氯化铵15%）、工业（10%）、储能（新增用途）三大用途。

20世纪初，德国化学家Fritz Haber和Carl Bosch等人提出了Haber-Bosch法，在高温高压下以氮气跟氢气1：3的比例合成氨，开启了合成氨大规模的工业化进程，制成的化肥对增加全球粮食产量功不可没。目前全球氨产量约2.53亿吨，其中98%由化石能源制得，其碳排放占全球的1.8%，是全球碳排放“大户”。

由于氢气是氨的主要生产原料，因此根据制氢过程中碳排放量的不同，也可以将氨进行颜色分类。灰氨、蓝氨、蓝绿氨和绿氨。

灰氨主要由天然气蒸汽重整氢气及空气分离的氮气再通过传统哈伯法（Haber-Bosch）进行合成，传统的Haber-Bosch合成NH₃工艺包括使用蒸汽甲烷重整（SMR）生产H₂，其占全球年能耗的1-2%，导致每年约2.35亿吨CO₂排放，这些 CO₂ 排放中约80%源自H₂的生产（通过能源密集型SMR工艺与空气中的N₂反应生成形成NH₃）。由于作为SMR 直接排放CO₂，因此该工艺难以脱碳。传统的Haber-Bosch工艺已经沿用上百年，对环境造成了较大的影响；蓝氨工艺与灰氨基本相似，但会对工艺流程进行碳捕集与封存（CCS）。蓝绿氨则是在甲烷热解过程将甲烷（CH4）分解为氢和碳，使用绿电将该过程中回收到的氢气做为原料制氨。

绿色制氨（可再生氨）工艺主要指全程以可再生能源为动力开展的电解水制氢及空气分离制氮，再通过Haber-Bosch法制氨的过程，即通过绿氢制备绿氨。使用水电解制备H₂为通过低碳电源进行水的电解，制备后仅产生H₂和O₂（即H₂O→H₂+O₂），因此，用可再生能源驱动的水电解代替SMR工艺以获得用于Haber-Bosch 工艺的绿色H₂可以实现NH₂ 合成的大量脱碳。此外，绿色H₂的使用可以促进小规模、模块化的NH₃合成，这也将更有利于可再生能源进行能源的整合并提高肥料的获取和分配平衡。

绿氨技术

碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE）三种技术可根据电解槽中所使用的电解液进行区分。从技术成熟度情况来看，AWE技术最为成熟，已经实现商业化，是目前用于绿色 H₂ 生产的最常用技术，主要源于其具有高技术准备水平（TRL）以及使用较便宜的催化剂降低了成本支出（CAPEX）；PEM WE是商业规模上第二成熟的电解技术，其主要优点是使用固体聚合物电解质、高度致密、可利用间歇可再生电力进行灵活操作和高压操作；SOE在高温下良好的热力学和动力学，因此具有较高的系统效率，因此有望实现大规模绿色H₂生产。因此，以上三种类型的电解槽都可以用于绿色NH₃生产，并且在未来可能具有经济和环境可持续发展的潜力。

事故发生率高

氨气是我国危化品事故发生率较多的危化品之一，具强腐蚀性，对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，氨气中毒后喉咙、口腔感觉明显刺激，氨气吸入人体，容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难等，严重者可发生肺水肿。空气中氨气浓度达500—700mg/m³时，可能出现“闪电式”死亡，吸入氨气过多，导致血液中氨浓度过高，将引起心脏停搏和呼吸停止，危及生命。

当氨气泄漏时，会由液态迅速汽化，变为气态，体积迅速扩大，随风扩散，形成大面积染毒区，造成大范围的空气污染，对人畜产生危害。如果液氨大量泄漏流到河流、湖泊、水库等水域，则造成水污染，严重时该水域的水未经处理不能使用。同时，氨气又是一种可燃气体，在空气中的含量达11-14%时，遇明火即可燃烧，其火焰呈黄绿色，有油类存在时，更增加燃烧危险；当空气中氨的含量达15.7%-27.4%时，遇火源就会引起爆炸，最易引燃浓度17%，产生最大爆炸压力0.58Mpa。

经济性显著，应用场景多样

受国家双碳战略和供给侧改革的影响，传统合成氨向绿氨过渡已是必然趋势。2022年2月，国家发改委等四部委联合发文《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，提出逐步引导原本高耗能的传统合成氨优化原料结构和生产技术、淘汰落后低效产能，向绿氨发展。在已知氨气事故发生率较多的前提下，国家为何仍推动绿氨的发展？绿氨有何魔力？

首先，绿氨经济性显著，具备成本优势，市场发展前景好。绿氨作为储运氢的载体，具有显著经济性，根据毕马威《绿氨行业概览与展望》预测，储能用氨将在2030年后进入快速发展期，2050年应用占比将达到50%。氨比氢气更易液化，且同体积液氨含氢量比液氢多至少60%，储运基础设施方面氨具备管道、船舶等运输方式，更加完善。据《绿氨行业概览与展望》，预计2030年将达到54.8亿美元，年均复合增长率高达 74.8%，市场发展前景广阔。此外，运输成本方面，液氨运输一千克氢的远洋运输成本为0.1-0.2美元，低于氢运输渠道，具有经济性优势。未来绿氨作为氢载体，有助于实现氢的低成本远洋长输，并推动绿氢产销量的大幅度增长，随着未来全球碳排放交易体系落地和完善，高国际碳关税和碳成本将倒逼绿氨具有成本优势。

其次，绿氨作为清洁能源，未来应用场景多种多样，除了传统的农业和工业用途外，还主要包括掺混发电、航运燃料、固碳、储氢等领域。

固碳载体：绿氨生产过程接近“零碳”，耦合CCS技术固定二氧化碳，有助于实现“双碳”目标；

氢的载体：绿氨作为储运氢的载体，可实现氢的低成本远洋运输；

无碳燃料：绿氨是未来航运业脱碳的主力燃料之一；

掺混发电：减少燃煤发电厂碳排放。

多国多企业积极布局绿氨赛道

中国合成氨市场规模为千万吨级，规模位居全球第一。根统计，2022年全国合成氨产能6354万吨。

日本《第六次能源基本计划》中已明确提出在2030年前实现燃煤掺烧20%氨的目标，要实现该目标未来需要大量进口绿氨或蓝氨。

为推动氢气氨气混合发电技术发展，韩国加强电力国企和民企合作，韩政府计划从2022年1月起开展无碳环保氨气发电技术联合研发，斗山重工、现代重工和乐天精密化学等企业将参与合作。

随着全球对碳减排的重视和绿色可持续发展的推进，在过去三年中，已经有60多家企业宣布建立可再生氨工厂，以及多家化肥公司对现有的化石合成氨工厂进行改造，项目集中投产时间在2026年左右。预计到 2025 年以后，可再生氨将主导氨的新增产能。海外可再生氨工厂的设立主要分布在风光等可再生资源丰富和对“零碳”承诺响应程度较高的国家，例如欧盟、澳大利亚和智利等。