可再生能源制绿氨经济性分析

氨作为化工领域不可或缺的关键原料，在含氮化工产品的制造过程中扮演着举足轻重的角色。它不仅是农业生产中肥料制造的重要基础，还广泛应用于造纸、硝酸及其盐类、硝酸酯与硝基化合物、炸药以及冷冻剂等多种工业产品的生产过程。此外，众多有机化合物，如胺类、酰胺类以及尿素等，均源于合成氨的转化，这使得合成氨在各类化工产品中的产量始终占据领先地位，成为衡量一个国家化工产业发展水平的重要标志。

据统计数据显示，2023年我国合成氨产量达到6765．4万t，稳居全球首位。然而，在这辉煌成就的背后，却隐藏着不容忽视的问题:我国合成氨生产主要依赖煤炭资源，煤制氨占比高达约73．7%。这一现状不仅加剧了能源消耗，还对环境造成了巨大压力。事实上，合成氨工业是全球能源消耗的大户之一，其能源消耗量约占全球总量的2%，并且每年对全球二氧化碳排放的贡献率高达约1．4%，成为温室气体排放的重要来源之一。

面对日益严峻的能源与环境挑战，推动合成氨行业的绿色低碳转型已成为当务之急。在这一背景下，绿氨作为一种创新的解决方案，逐渐崭露头角。绿氨是利用可再生能源(如太阳能、风能等)通过电解水等方式制取氢气，再与氮气合成而得到氨产品。由于其生产过程中几乎不产生碳排放，甚至可以实现零碳排放，因此绿氨被视为一种极具潜力的低碳环保产品。

绿氨技术的出现，不仅有望打破传统合成氨生产对化石能源的依赖，降低能源消耗和碳排放，还为全球能源结构的优化和环境保护提供了新的思路。当前，随着可再生能源技术的不断进步和成本的持续下降，绿氨技术的经济性也日益凸显。未来，随着技术的进一步成熟和规模化应用的推广，绿氨有望成为合成氨行业绿色低碳转型的重要推手，为全球可持续发展贡献力量。

1 绿氨的认证标准

国外对绿氨的认证标准已经相对成熟，并且不同国家和地区根据其自身的环保政策、技术水平和市场需求，制定了相应的绿氨认证标准。尚未形成统一的国家标准，但有团体标准或行业标准在探讨和实施中，如中国氮肥工业协会已正式启动《绿色合成氨分级标准》的编制工作。对国外绿氨认证标准的归纳和分析见表1。

2 绿氨生产的技术路线

绿氨生产的核心环节包括绿氢制备、氮气制备和合成氨。其中，绿氢制备主要通过电解水制得，氮气则通过空气分离设备从空气中提取。合成氨环节则采用传统的Haber－Bosch法或其他改进工艺。具体见图1。

2.1 绿氢制备技术

绿氢是指利用可再生能源(如风能、水能、太阳能等)通过电解水技术制得的氢气，这一过程中不产生二氧化碳，从源头上实现了二氧化碳的零排放。目前碱性电解水制氢(AWE)、质子交换膜电解水制氢(PEMWE)、固体氧化物电解水制氢(SOEC)是三种电解水制氢的主流工艺。技术对比见表2。

碱性电解水制氢技术(AWE)已能够实现大规模制氢应用，是全球范围内应用最广泛的电解水制氢技术之一。据中国氢能联盟研究院等机构联合发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》显示，碱性电解水制氢技术占国内绿氢项目95%以上的装机份额。国内外主要的碱性电解制氢设备制造商有加拿大Hydrogenics、法国McPhy、中国船舶重工集团公司第七一八研究所、天津市大陆制氢设备有限公司、苏州竞立制氢设备有限公司等。目前国内外电解水制氢单位能耗普遍在4．5kWh/(Nm3氢气)以上，国内可生产单槽最大出力达1300Nm3/h的电解槽。

2.2 氮气制备技术

氮气制备主要通过空气分离设备从空气中提取。空气分离技术已非常成熟，主要包括深冷分离和变压吸附两种方法。深冷分离法通过低温液化空气，利用不同组分的沸点差异进行分离;变压吸附法则利用吸附剂对空气中各组分的吸附能力差异，在压力变化下实现分离。技术对比见表3。

如上所述，空分深冷分离和变压吸附在多个方面存在显著差异。空分深冷分离适用于对气体纯度要求高、需要大规模制气或用气的场景，而变压吸附则更适用于对气体纯度要求不高、投资成本有限且需要灵活调节制气量的中小规模场景。大规模绿氨合成对氮气用量需求大，且氮气状态为液态，应选择空分深冷分离技术路线。国内外主要有德国的Linde、法国AirLiquide、杭州制氧机集团股份有限公司、林德工程(杭州)有限公司、液化空气(杭州)有限公司。国内已经自主掌握了10万Nm3/h大型空分设备生产技术。

2.3 合成氨技术

合成氨环节主要采用传统的Haber－Bosch法，该法自20世纪初问世以来，经过不断优化和改进，已成为全球合成氨生产的主流技术。其基本原理是在高温高压下，利用铁基催化剂将氮气和氢气合成氨气。原料气氮气和氢气混合气体被压缩到高压状态，目前合成氨主流工艺(中压法)的反应压力在20～30MPa。在一定温度、压力和催化剂的作用下，氮气和氢气在合成塔内发生合成反应，生成氨气。

反应温度通常在400～500℃。催化剂通常采用铁基催化剂，如铁触媒。铁触媒在高温下具有良好的催化活性，能够促进氮气和氢气的合成反应。合成反应后的气体混合物中含有氨气、未反应的氮气和氢气。通过冷凝器将氨气冷却并液化，从而实现氨气的初步分离。分离出的氨气可能含有少量的未反应气体和杂质，需要进一步通过精馏塔进行提纯处理。精馏塔利用氨气与未反应气体沸点的差异，将氨气提纯至所需纯度。

此外，还有一些新兴的合成氨技术，如电化学法、低温低压法等，但尚处于实验研发阶段，距离工业化尚有时日。

3 绿氨生产的经济性分析

3.1 投资估算

国内新建或改造的合成氨生产能力以15～30万t/a的规模较多，据统计目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万t/a。本文以20万t/a合成绿氨为计算依据，建设主体及投资规模如下。

电解水制氢规模为60000Nm3/h，设备配置方案为:电解槽单台1000Nm3/h，气液分离单套2000Nm3/h，纯化系统单套2000Nm3/h。即30台电解槽配套15套气液分离系统和15套纯化系统。氮气提纯装置规模为20000Nm3/h，采用变压吸附气体分离技术，N2浓度≥99%，主要设备包括:空气过滤器、空气压缩机、空气冷却器、分子筛吸附器、精馏塔等设备。氨合成采用哈伯－博世铁基催化剂技术路线，液氨品质满足国标(GB536)要求，主要设备包括压缩机、合成塔、冷却器、精馏塔、循环机等化工常规设备。绿氨主要设备及投资估算见表4。

3.2 总成本估算

绿氨合成全过程的总消耗见表5。

生产运行的假定条件如下:可再生能源电价0．3元/(kW·h);工业用电价格0．5元/(kW·h);铁基催化剂价格40元/kg;除盐水价格6元/t;循环冷却水价格0．1元/t;蒸汽价格120元/t;定员90人，年人均工资150000元;内部收益率6%，产品增值税率13%。工程消耗单价可得的生产成本如表6所示。

从表6可知，可再生能源电价0．3元/(kW·h)时，绿氨的总年费用为81222万元，绿氨的单位成本为4061元，其中可再生能源电价是可变成本的主要因素，占据73．87%，年费用高达60000万元，单位成本为3000元/t。这反映了可再生能源电价在绿氨生产中的关键地位，也表明降低可再生能源电价成本是降低绿氨生产成本的重要途径。其他条件不变，可再生能源电价成本在0．1～0．5元时，绿氨售价为2469～7260元/t，可再生能源电价成本占比在49%～82%。

4 绿氨减碳效益分析

国内传统合成灰氨价格受煤炭价格及市场供需影响较大，2024年液氨出厂价格在2950～3066元/t波动。可再生能源电价为0．15元/(kW·h)水平时，绿氨售价约为3068元/t，与现有市场灰氨价格持平。若考虑减碳效益，绿氨较煤制氨的吨产品减少碳排放量约为4．2t，按2024年10月全国碳市场碳配额交易价格碳价100元/t计算，灰氨的价格为3420，可再生能源电价为0．2元/(kW·h)水平时，绿氨售价约3666元/t，可以接近灰氨价格。若以欧盟碳市场(EUETS)碳价为65．03欧元/t计算，灰氨售价约5163元/t，可再生能源电价控制在0．35元/(kW·h)以下便可以实现盈利。

2024年7月11日，阿布扎比化肥生产商Fertiglobe中标德国氢衍生物进口计划下的首个绿色氨合同，可再生氨价格为811欧元/t(约合人民币6428元/t，不包括运输成本)。目前，全球绿氨市场尚未建立起成熟的定价体系，而此次竞标活动为可再生氨的交易市场确立了一个价格基准。若以此为基础价格，我国可再生能源电价控制在0．45元/(kW·h)以下便可以实现盈利。因此可以推断，绿氨作为煤制合成氨的替代方案，其成本降低的关键在于可再生能源电价的下降，同时结合其显著的减碳优势，使得绿氨在与灰氨的竞争中展现出较强的竞争力，并且从长远视角来看，绿氨也蕴含着可观的市场经济效益。

5 总结与建议

（1）绿氨生产的经济性高度依赖于可再生能源电价，可再生能源电价占合成氨成本的50%～80%，绿氨的经济竞争力主要取决于降低新能源电力成本。

（2）研发合成氨高效催化剂，优化生产工艺，降低能耗，提高氨的转化效率和回收率，以节约原料和降低投资成本。项目地点应选择原有化工园区或者大能源基地，不仅可以减少工业用电，工业蒸汽、产品储存和输运成本，同时还能降低产品生产过程中的碳排放强度。

（3）通过征收碳税或提高碳排放权价格，鼓励企业生产绿氨，增加其经济效益。建立针对绿氨等绿色产品的专门市场，提高其市场消纳能力，并通过差异化策略避免与常规技术路线产品的直接竞争。

（4）绿氨认证标准的制定和完善将成为推动我国绿氨产业健康、可持续发展的重要保障。

未来，国内应加快绿氨认证标准的制定工作，借鉴国外先进经验和技术成果，结合国内实际情况和需求，制定符合国际标准的绿氨认证标准，争取早日获得国际认可并进入国际市场。