合成氨分类、技术路线、碳排放及成本分析

合成氨是能源和排放密集型的全球性产业，节能减排需求紧迫。

在双碳目标驱动下绿氨产业正在崛起。氨是全球性的重要大宗化学品，现有生产技术几乎完全依赖煤炭和天然气，具有能耗高和碳排强度大的特点，发展低能耗及低碳排的技术路线是必然趋势，且具有一定紧迫性，随着新能源进入平价发展阶段，绿氢成本不断下降，绿氨产业应运而生。

绿氨是指基于清洁电力通过电解水制氢及驱动空气分离装置制氮气，然后利用氢气和氮气反应得到的氨，其生产过程碳排放强度几乎为零。绿氨的储运通常以液体的形式进行，其中运输目前主要通过铁路、公路和水路，未来管道运输可能得到大力发展。 绿氨可以取代传统合成氨用于化肥合成和工业原料，同时新增能源应用如煤电掺烧和航运燃料，因此发展绿氨产业是实现双碳目标的重要途径之一。

根据技术路线及碳排放强度，合成氨可以分为灰氨、蓝氨和绿氨。灰氨是指原料氢气源于化石燃料，且未捕集生产氢气过程当中产生的二氧化碳。蓝氨是制用化石燃料制氢时对产生的二氧化碳进行捕集、利用与封存，减少生产过程中的碳排放，或者使用工业过程中的副产氢进行氨合成。与灰氨相比，蓝氨的生产过程碳排放量有所降低，但是生产原料仍是化石能源，且捕获二氧化碳会增加氨合成过程的能耗。 绿氨的定义：利用风电/光伏产生的绿电电解水制氢,应用可再生能源电力驱动空气分离装置(制氮)及氨合成装置制备的氨被称为绿氨。绿氨生产过程可实现近零碳排放。相比灰氨和蓝氨，绿氨合成的全流程碳排放强度大幅减少，因此具有广阔的发展前景。

传统的合成氨工艺主要采用哈伯-博世法，目前原料以煤（我国）和天然气（海外）为主。合成氨的工艺主要有哈伯-博世法（Haber-Bosch）、电化学法和低温低压法，不同技术路线的区别在于氢气的制取，目前多依赖煤炭和天然气。哈伯-博世法是最为成熟和普遍的技术路线，电化学合成氨及低温低压合成氨还处于实验研发阶段，短期内难以应用于工业生产。目前工业上合成氨普遍采用哈伯-博世法，摩尔比为 3:1 的氢气和氮气在高温高压和铁基催化剂的作用下反应得到氨，其中氮气是由空气分离得到的。

煤合成氨的工艺流程包括原料气的制取（制氢和制氮），原料气的净化和原料气的压缩及合成。制备氨的原料气包括氢气和氮气，氢气源于煤炭的燃烧，氮气源于液态空气的分馏，最终得到含有氮气、氢气和一氧化碳的粗原料气。混合气体的温度升高，随后进入放有铁基催化剂的接触室。在接触室，一部分氮气和氢气发生反应得到氨。我国大型合成氨厂均采用 8-22MPa 低压合成技术，已经自主掌握 10 万 Nm3/h 大型空气分离装置和大型煤气化技术及装置等。

天然气合成氨需要先对天然气进行脱硫处理，然后通过两段转化制取粗合成气，其中第一段转化为蒸汽转化，反应温度为 790-820℃，二段转化为不完全燃烧转化，反应温度大于 1000℃，随后对包含有氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等的粗合成气进行一氧化碳变换、二氧化碳脱除和甲烷化以制备氢氮摩尔比为3:1的纯净合成气，之后的流程与煤合成氨一致，即两种技术路线的主要区别在于合成气的制备。

全球范围内合成氨 72%采用天然气制备，煤合成氨占比26%，其余少量为油制和通过电解制备等。由于我国“富煤贫油少气”的能源结构，我国合成氨主要依赖于煤炭，占比达到 81%，天然气合成氨占比为 17%，另有2%依赖油和电解等。

电解水制氢合成氨的氢气是由绿电制备的，绿氢和从空气中分离得到的氮气以3:1 的比例混合并压缩后导入合成塔，传统合成氨反应器温度通常为450-525℃，压力高达 15-32 MPa，近年来推广应用的低温低压合成氨工艺对合成温度和压力要求降低，从而也有利于降低能耗。

合成氨是能源和排放密集型的全球性产业，节能减排需求紧迫。氨是碳排放强度最高的重工业产品之一，每吨氨的合成需排放约 2.4 吨二氧化碳，是粗钢的近两倍，水泥的四倍。目前全球 98%的氨由化石能源制备，碳排放占全球的1.8%，属于能源和排放密集型的全球性大型产业。我国 2020 年合成氨行业碳排放量达2.2亿吨/年，位居首位，略高于炼油行业。国际能源署（IEA）预测，按照目前趋势发展，到 2100 年全球合成氨累计直接碳排放量将达到280 亿吨，相当于全球气温升高 1.5℃的目标条件下全球剩余碳预算的 6%。

合成氨还是高能耗的产业，目前全球合成氨中的化学能只占生产过程中能源消耗总量的 2%，输入能量的约 40%用于原料制备，即合成氢气和分离空气得到氮气，其余能量在工艺流程中被消耗，主要用于产生热量。据IEA 统计，目前全球合成氨产业需消耗 1700 亿立方米的天然气（占工业天然气需求的20%）和7500万吨标煤（占工业煤炭需求的 5%）。 我国是全球最大的氨生产国，政策积极推动合成氨产业绿色转型。目前全球氨产量约 1.82 亿吨/年，中国是全球最大的氨生产国，约占总产量的30%（二氧化碳排放量的 45%），美国、欧盟、印度、俄罗斯和中东各占8-10%。自2000年后，我国合成氨的产量总体呈现上升趋势，2012 年后产量逐步稳定伴随波动。由于 2010 年-2016 年我国快速扩张的合成氨产业造成产能过剩的局面，2016年工信部印发的《石化和化学工业发展规划(2016 年-2020 年)》明确原则上不再新建以无烟块煤和天然气为原料的合成氨装置,且行业主要以去产能为主基调。“十三五”期间,工业和信息化部要求合成氨行业淘汰落后以及过剩产能不得少于1000万吨,同时对相关工艺进行改良。各种政策的出台表明我国正在推动合成氨产业的绿色转型。

煤合成氨的成本与煤炭价格高度联动，介于 1500 元-3000 元/吨。煤合成氨的成本由煤炭、装置用电、设备折旧费和人工费组成。根据实际生产数据，合成氨的煤耗在 1.1-1.9 吨/吨之间，取中间值 1.5 吨/吨进行成本测算。煤合成氨的成本价格显著受煤炭价格影响，不同时间和不同地区的煤炭价格有较大差异。当煤价格为 500 元/吨时合成氨成本为 1450 元/吨，煤炭价格为1500 元/吨时合成氨的成本为 2950 元/吨。 根据国家统计局公布的流通领域煤炭市场价格变动情况，我国2024 年7 月无烟煤的价格为 1153/吨。在该煤炭价格下，煤合成氨的成本约为2400 元/吨，其中原料成本占 71%，设备折旧及维修占比 19%，装置用电占比7%，人工占比3%。