綠氨產業有望推動氫能規模化發展

雷靈龍

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

?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脫碳的主力燃料之一，還是發電領域碳減排的重要技術方向

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

?中國氫能聯盟研究院數據顯示，全國已規劃綠氨項目產能880萬噸/年，預計2025年前投運產能規模達150萬噸/年；目前，國內綠氨項目主要分布在西北、東北等可再生資源豐富地區

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，某些場景下擁有應用優勢。但與其他燃料相比，氫在氣態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出一系列的優勢。甲醇和氨的儲存溫度壓力要求遠低于液態氫或壓縮氫，而體積能量密度則高得多。更重要的是，甲醇、氨作為基礎化學品，其物流、貿易網絡等基礎設施已相當完備。

比較氨和甲醇作為綠色燃料的應用前景，氨在排放等方面具有顯著優勢。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模以滿足需求，因為只有少量的可用生物質可以負擔得起當地加工用于燃料應用，而進一步擴產將大大增加成本。

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略》，提出航運業在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反應生產氨的反應過程。 雷靈龍/供圖

2023年10月16日比利時航運公司Exmar發布聲明稱，Exmar和Seapeak合資企業ExmarLPGBV將為在韓國HD現代集團建造的兩艘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動機驅動的遠洋船舶。據Exmar稱，這兩艘雙燃料運輸船將于2026年交付。Exmar成立于1829年，在船舶設計方面保持著長期的聲譽，同時也擁有40多年的氨相關領域服務經驗。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。

在中國，2019年，中國船舶重工集團和德國曼恩集團聯合設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，上海船舶研究設計院自主研發設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，中國船級社發布《船舶應用氨燃料指南》2022版。2022年10月，上海船舶研究設計院研發的5萬噸氨雙燃料動力MR型油船/化學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，該院研發的全球首創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綠色低碳發展。

氨在電力脫碳等領域也具有廣泛應用

綠氨不但是未來航運業脫碳的主力燃料之一，還可以用于發電、火電及燃氣輪機機組摻燒氨或純氨等低碳燃料，是發電領域碳減排的重要技術方向。2021年三菱發電公司開發一種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，作為其開發用于熱電發電鍋爐的氨利用技術的一部分。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完全穩定燃燒，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布“燃煤鍋爐混氨燃燒技術”。其自主開發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600兆瓦燃煤發電機組上實施了高負荷發電工況下煤炭摻氨燃燒試驗，這是當前國內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混燃燒技術，實現了500兆瓦、300兆瓦等多個負荷工況下燃煤鍋爐摻氨燃燒平穩運行。國家能源集團稱實驗中鍋爐運行參數正常，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的我國首臺中速大功率氨燃料發動機在大連點火成功，發動機單缸功率可達208千瓦，氨能最大占比可達85%，相比于傳統的柴油發動機，可降低碳排放80%。

綠色合成氨產業方興未艾

當前，氨的生產仍主要依賴化石原料。氨作為一種基本的工業化學品，是最便宜的化合氮形式，也是75%以上含氮產品使用的原料。其主要用于生產肥料，如尿素和硝酸銨。除此以外，氨還是無機和有機化學工業的重要基礎原料。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，傳統制氫主要依靠煤和天然氣等碳基化石能源，產生了大量碳排放。利用可再生能源電解水制取綠氫作為原料合成氨可實現新能源的本地化有效消納，也是化工綠色轉型的重要途徑，可顯著降低化工行業的碳排放，成為當前氫能產業發展的重要方向。

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。當前合成氨工業的氫氣來源絕大多數來自煤或天然氣制氫，在雙碳戰略背景下，未來綠氫替代灰氫，將成為合成氨行業的主流趨勢。

綠氨合成技術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、微生物反應等方式直接合成綠氨。然而，當前直接合成路線受限于反應速率低、器件不成熟等技術障礙，大多尚處于實驗室階段，難以大規模工業化生產。

而間接合成路線則仍基于經典的哈伯—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。間接合成路線也是當前技術最成熟、最具可行性的發展方向。然而，合成氨行業的綠色轉型并不是綠氫替代這么簡單，大規模可再生能源電解水制氫合成氨的設計與運行依然存在諸多挑戰。綠氨與傳統合成氨工藝在供能、反應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化與調控、大規模電解水制氫平穩運行、制氫負荷參與電網調控和全系統技術經濟性等方面展開研究。

傳統合成氨工藝與綠氫合成氨工藝流程及溫度差異對比

中國氫能聯盟研究院數據顯示，全國已規劃綠氨項目產能880萬噸/年，預計2025年前投運產能規模達150萬噸/年。目前，國內綠氨項目主要分布在西北、東北等可再生資源豐富地區。例如，今年正式開工建設的大安風光制綠氫合成氨一體化示范項目就是目前國內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，聚合風力發電、光伏發電、儲能、氫能等多種清潔能源，應用了風光耦合制氫、質子交換膜（PEM）電解制氫系統、綠氫合成氨等新技術，被國家發展改革委評為清潔低碳氫能創新應用工程。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可再生能源消納，推動了當地能源和化工領域綠色轉型。

一種綠電驅動的從N2和H2O可持續合成氨的鋰循環過程。 雷靈龍/供圖

而國際可再生能源署（IRENA）統計的全球（不含中國）投入運營/規劃中的綠氨項目統計清單（2022年）中，現有運行項目產能約2萬噸/年，到2030年前規劃產能約1500萬噸/年，總計超過7000萬噸/年。綠氨在全球能源低碳轉型的大背景下，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，導致綠氨成本較高，沒有政策支持難以與傳統合成氨競爭。其次，傳統合成氨工藝均為連續穩定生產，直接用于生產綠氨，并不能良好地適應可再生能源的波動性，相關設備及工藝需要進行針對性優化。最后，與常規的碳氫燃料相比，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，目前船用氨發動機還在開發中，尚未完全商業應用。其與天然氣燃燒特性的差異也導致純氨燃氣輪機需要大量的研發工作方有望最終實現商業化。

綠氨產業在我國方興未艾，只有在針對性的產業政策扶持和持續的研發投入下，方能健康發展。但其具有綠色低碳的特點，必將在我國綠色產業未來發展中發揮重要作用。