绿氨产业有望推动氢能规模化发展

雷灵龙

➤甲醇和氨在氢的储运中体现出一系列优势，比较氨和甲醇作为绿色燃料的应用前景，氨在排放等方面具有显著优势

➤各国开始积极探索采用氨作为船舶燃料，绿氨不但是未来航运业脱碳的主力燃料之一，还是发电领域碳减排的重要技术方向

➤利用可再生能源电解水制取绿氢作为原料合成氨可实现新能源的本地化有效消纳，也是化工绿色转型的重要途径，可显著降低化工行业的碳排放，成为当前氢能产业发展的重要方向

➤中国氢能联盟研究院数据显示，全国已规划绿氨项目产能880万吨/年，预计2025年前投运产能规模达150万吨/年；目前，国内绿氨项目主要分布在西北、东北等可再生资源丰富地区

氢作为一种二次能源，在可再生能源消纳及有效利用中具有良好的前景，可以与未来新型电力系统形成有机互补。作为最轻的元素，氢具有高能量密度，某些场景下拥有应用优势。但与其他燃料相比，氢在气态下的体积能量密度很低，更难以储存和运输，这也降低了氢在不能直接或常规电气化的用例中的可行性，例如航运和航空。

相比之下，甲醇和氨在氢的储运中体现出一系列的优势。甲醇和氨的储存温度压力要求远低于液态氢或压缩氢，而体积能量密度则高得多。更重要的是，甲醇、氨作为基础化学品，其物流、贸易网络等基础设施已相当完备。

比较氨和甲醇作为绿色燃料的应用前景，氨在排放等方面具有显著优势。这是因为即使是绿色甲醇，其燃烧仍要排放二氧化碳，要实现完全的零碳排放，必须进行燃烧或利用后的二氧化碳捕集。而在船舶等移动场景，无论是燃烧前捕集还是燃烧后捕集，成本都非常高。而符合净零排放要求的生物甲醇则可能无法充分扩大规模以满足需求，因为只有少量的可用生物质可以负担得起当地加工用于燃料应用，而进一步扩产将大大增加成本。

氨有望作为未来主要的船用绿色燃料

政策层面上，国际海事组织2018年通过《船舶温室气体减排初步战略》，提出航运业在2008年基准上至2050年总排放量降低50%。与此同时，欧盟也已将航运业纳入碳排放交易体系，船只需对高碳排放支付额外费用。在此背景下，各国开始积极探索采用氨作为船舶燃料。

N2和H2O在金表面通过电化学反应生产氨的反应过程。 雷灵龙/供图

2023年10月16日比利时航运公司Exmar发布声明称，Exmar和Seapeak合资企业ExmarLPGBV将为在韩国HD现代集团建造的两艘46000立方米气体运输船订购氨燃料，这两艘船将成为全球首批由氨发动机驱动的远洋船舶。据Exmar称，这两艘双燃料运输船将于2026年交付。Exmar成立于1829年，在船舶设计方面保持着长期的声誉，同时也拥有40多年的氨相关领域服务经验。这两艘船将加入Exmar目前由17艘中型货轮组成的船队。此前，韩国船级社（KR）在2021年首次发布《氨燃料船舶指南》，为船舶安全地引进氨燃料作为动力提供了依据。

在中国，2019年，中国船舶重工集团和德国曼恩集团联合设计的氨动力超大型集装箱船方案通过船级社原则性批准；2022年，上海船舶研究设计院自主研发设计的中国首款氨燃料动力7000车位汽车运输船获DNV认可。同年6月，中国船级社发布《船舶应用氨燃料指南》2022版。2022年10月，上海船舶研究设计院研发的5万吨氨双燃料动力MR型油船/化学品船获颁意大利船级社（RINA）授予的原则性认可（AIP）证书；2023年2月，该院研发的全球首创8.5万载重吨氨双燃料动力散货船获得中国船级社的AIP证书。此外，除绿氨外，多个国家及地区也在同步积极开展以纯氢及基于绿氢的绿色甲醇作为各类船舶燃料的研究和示范试点，共同推动全球航运业绿色低碳发展。

氨在电力脱碳等领域也具有广泛应用

绿氨不但是未来航运业脱碳的主力燃料之一，还可以用于发电、火电及燃气轮机机组掺烧氨或纯氨等低碳燃料，是发电领域碳减排的重要技术方向。2021年三菱发电公司开发一种40兆瓦的燃气轮机，将可以使用100%的含氨燃料。2023年11月28日，三菱重工业株式会社（MHI）宣布其已成功完成氨单一燃料燃烧器的燃烧测试，作为其开发用于热电发电锅炉的氨利用技术的一部分。其利用每小时0.5吨燃料消耗的燃烧测试炉进行氨燃烧器的单一燃料燃烧测试，以及与煤一起进行的高比例氨共燃测试。在两种情况下，测试证实氨可以实现完全稳定燃烧，且与煤燃烧相比，氮氧化物排放显著减少。

2022年1月24日，国家能源集团正式发布“燃煤锅炉混氨燃烧技术”。其自主开发的第一代混氨低氮煤粉燃烧器，在燃烧试验平台上进行了全尺度混氨燃烧试验，氨燃尽率99.99%，混氨燃烧比例最高达35%，同时实现氮氧化物有效控制。此后在2023年11月底，国家能源集团宣布其在中国神华广东台山电厂600兆瓦燃煤发电机组上实施了高负荷发电工况下煤炭掺氨燃烧试验，这是当前国内外完成掺氨燃烧试验验证的容量最大机组。试验主要采用氨煤预混燃烧技术，实现了500兆瓦、300兆瓦等多个负荷工况下燃煤锅炉掺氨燃烧平稳运行。国家能源集团称实验中锅炉运行参数正常，氨燃尽率达到99.99%，脱硝装置前的氮氧化物浓度与燃煤工况相当，烟气污染物排放浓度无变化。

2023年11月30日下午，中车大连公司宣布由其自主研发的我国首台中速大功率氨燃料发动机在大连点火成功，发动机单缸功率可达208千瓦，氨能最大占比可达85%，相比于传统的柴油发动机，可降低碳排放80%。

绿色合成氨产业方兴未艾

当前，氨的生产仍主要依赖化石原料。氨作为一种基本的工业化学品，是最便宜的化合氮形式，也是75%以上含氮产品使用的原料。其主要用于生产肥料，如尿素和硝酸铵。除此以外，氨还是无机和有机化学工业的重要基础原料。截至2020年，我国氢气消费需求为3342万吨，其中，66%作为原料用于化工合成，其中37%用于合成氨、19%用于合成甲醇。然而，传统制氢主要依靠煤和天然气等碳基化石能源，产生了大量碳排放。利用可再生能源电解水制取绿氢作为原料合成氨可实现新能源的本地化有效消纳，也是化工绿色转型的重要途径，可显著降低化工行业的碳排放，成为当前氢能产业发展的重要方向。

不同原料的合成氨工艺路线略有差异，不过目前主流的合成氨工艺均基于哈伯—博世（Haber-Bosch）工艺，即氮气和氢气在高温高压和铁基催化剂存在下直接合成氨。除制氢原料不同外，大部分合成氨工艺都主要包括原料气制备、原料气净化、一氧化碳变换、氨合成、尾气回收等工序。其能耗主要由原料气消耗、燃料气消耗、煤炭消耗、蒸汽消耗和电力消耗组成。当前合成氨工业的氢气来源绝大多数来自煤或天然气制氢，在双碳战略背景下，未来绿氢替代灰氢，将成为合成氨行业的主流趋势。

绿氨合成技术分为间接合成路线和直接合成路线两大类。直接合成路线即以氮气和水为原料，通过电解、光催化、微生物反应等方式直接合成绿氨。然而，当前直接合成路线受限于反应速率低、器件不成熟等技术障碍，大多尚处于实验室阶段，难以大规模工业化生产。

而间接合成路线则仍基于经典的哈伯—博世工艺，只不过氢气由绿电制取，氮气分离过程也使用绿电进行生产。间接合成路线也是当前技术最成熟、最具可行性的发展方向。然而，合成氨行业的绿色转型并不是绿氢替代这么简单，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战。绿氨与传统合成氨工艺在供能、反应温度等方面均有较大差异。因此，仍需要在合成氨工艺柔性优化与调控、大规模电解水制氢平稳运行、制氢负荷参与电网调控和全系统技术经济性等方面展开研究。

传统合成氨工艺与绿氢合成氨工艺流程及温度差异对比

中国氢能联盟研究院数据显示，全国已规划绿氨项目产能880万吨/年，预计2025年前投运产能规模达150万吨/年。目前，国内绿氨项目主要分布在西北、东北等可再生资源丰富地区。例如，今年正式开工建设的大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目就是目前国内最大的一体化绿氨合成示范项目。其作为大安千万千瓦新能源制氢基地组成部分，聚合风力发电、光伏发电、储能、氢能等多种清洁能源，应用了风光耦合制氢、质子交换膜（PEM）电解制氢系统、绿氢合成氨等新技术，被国家发展改革委评为清洁低碳氢能创新应用工程。项目新能源装机80万千瓦，可年制绿氢3.2万吨、年制绿氨18万吨，极大地促进了大安地区可再生能源消纳，推动了当地能源和化工领域绿色转型。

一种绿电驱动的从N2和H2O可持续合成氨的锂循环过程。 雷灵龙/供图

而国际可再生能源署（IRENA）统计的全球（不含中国）投入运营/规划中的绿氨项目统计清单（2022年）中，现有运行项目产能约2万吨/年，到2030年前规划产能约1500万吨/年，总计超过7000万吨/年。绿氨在全球能源低碳转型的大背景下，有着光明的前景。

然而，氨作为绿色燃料，当前仍有很多问题有待解决。首先，当前绿氢成本电费占比高，导致绿氨成本较高，没有政策支持难以与传统合成氨竞争。其次，传统合成氨工艺均为连续稳定生产，直接用于生产绿氨，并不能良好地适应可再生能源的波动性，相关设备及工艺需要进行针对性优化。最后，与常规的碳氢燃料相比，纯氨的层流燃烧速度和热值均比较低，而且点火所需要的能量较高，可燃性极限范围较窄，使得纯氨的燃烧更加困难。因此，目前船用氨发动机还在开发中，尚未完全商业应用。其与天然气燃烧特性的差异也导致纯氨燃气轮机需要大量的研发工作方有望最终实现商业化。

绿氨产业在我国方兴未艾，只有在针对性的产业政策扶持和持续的研发投入下，方能健康发展。但其具有绿色低碳的特点，必将在我国绿色产业未来发展中发挥重要作用。