传统氨合成工艺以煤或天然气等化石能源为原料，属于高能耗、高排放项目。绿氨指通过新能源发电后电解水制氢再合成氨，使原料轻质化，此路线可以实现氨生产过程的低碳或无碳化。传统合成氨的生产成本相对较低，电解水制氢由于需要电量较大，成本较高。研究发现，当新能源电价进一步降低或者利用弃光电风电来合成氨可提高绿氨的市场竞争力。随着“碳达峰碳中和”战略的实施，各国都在布局建设绿氨示范性项目，将促进氮肥原料的低碳化，同时合理利用新能源电力助力绿氨发展，并耦合氨发动机、氨燃料电池等技术的进步，绿氨在能源市场将迎来新的发展机遇。

氢元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中，而氢能作为一种二次能源，需要通过制氢技术进行“提取”。我国目前氢气来源主要以化石燃料制氢为主，这类方式生产的氢气被称之为灰氢或蓝氢。相比之下，绿氢指的是使用可再生能源（如太阳能、风能、潮汐能、生物质能等）制取的氢气，它可以做到全生产过程无碳排放，对温室气体的减排具有重要意义。

氨目前主要用于制造氮肥和复合肥料，传统的氨合成工艺用煤或天然气作为原料和动力来源，会产生大量的温室气体。根据国家统计局网站数据，2020年中国氨产量在5117万t左右，按照每1吨合成氨能耗基准平均值1405 kg标煤，中国合成氨每年二氧化碳排放量约18692万吨。随着科学技术的发展，“3060”碳达峰碳中和战略的实施，绿氨在能源领域将发挥极为重要的作用，这就要求氨是由清洁能源和清洁原料生产获得，利用绿氢作为合成氨的原料将实现合成氨的低碳绿色生产。

一、绿氨的减排分析

1.1传统合成氨工艺及排放分析

我国传统合成氨主要以煤为原料，典型流程是通过造气炉制得半水煤气后依次经过脱硫、变换、脱碳、醇烃化工序等得到净化气，再在高温、高压下经催化合成氨，氨经冷冻系统液化后储存。工艺系统主要包括造气系统、脱硫系统、变换系统、压缩系统、脱碳系统、合成系统、冷冻系统等，传统合成氨工艺流程框图如图1所示，工艺系统能耗及碳排放情况分析见表1。

图  1   传统合成氨工艺流程框图

表  1  传统合成氨工艺系统能耗及碳排放情况分析

1.2绿氢合成氨工艺及排放分析

采用电解水制绿氢及哈伯-博世法工艺合成氨的技术路径最为成熟，被认为是最有可能率先实现绿氨产业化的技术路线。绿氢制备系统可选择“新能源电+储电系统”或者“新能源电+网点”作为电源系统，采用碱性水电解制氢工艺。碱性水电解制氢工艺，工艺系统主要包括：电解槽系统、碱液循环系统等单元；氨合成系统是以氨合成塔为中心，包括“空分系统”“压缩系统”“合成系统”“冷冻系统”“液氨储存系统”等，绿氢合成氨工艺流程框图如图2所示，工艺系统能耗及碳排放情况分析见表2。

图  2   绿氢合成氨工艺流程框图

表  2   绿氢合成氨工艺系统能耗及碳排放情况分析

1.3碳排放对比分析

对比表1和表2定性分析，传统合成氨工艺路线长，需要的原料为化石能源，碳排放大。绿氢合成氨工艺路线短，若主要能耗都用绿电，需要的原料为水，则碳排放小。

传统合成氨生产工艺在不断的优化，如水煤浆气化工艺、等温变换工艺等绿色工艺和高温煤气余热废热锅炉副产蒸汽系统等余热余压利用。介于不同合成氨生产厂家的原料、工艺的差异，在此根据《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021年版）》对合成氨标杆水平和基准水平分别估算碳排放情况，详见表3。

表  3   传统合成氨能耗和碳排放

根据电解水制氢用电情况和液氨生产用电情况估算绿氢合成氨碳排放情况，电解水制氢总电耗按照不同电解方式平均直流电耗4.17kwh/Nm₃加其他电耗0.5kwh/Nm₃计算，液氨生产能耗按照工厂生产经验取910kwh/吨估算。电耗按照《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》（环办气候〔2021〕9号）核算碳排放，排放因子为0.5810吨CO²/MWh，绿氢合成氨电耗和碳排放量估算值详见表4。

表  4   绿氢合成氨电耗和碳排放

对比表3和表4可知，传统合成氨每1吨碳排放最高为4030kg、最低为1966kg，而电解水制氢合成氨的碳排放量为6135kg，如果不采用绿电制绿氢为原料，此线路的碳排放高于传统合成氨碳排放。合成氨装置是连续性生产装置，而光电或风电等新能源电存在不连续性，需要采用储能设施或采用绿电和网电。若采用绿电和网电相匹配的方式，则需要协调网电和绿电的配比保证更低碳，即绿电占比70%以上才能比天然气制氢合成氨更低碳；绿电占比50%以上才能比煤制氢合成氨更低碳。

二、绿氢合成氨的竞争力分析

2022年以来，合成氨的市场价格一直处于高位。2017—2021年，市场均价在2768～3470元/吨，进入2022年后市场均价范围在3758～5110元/吨之间，以煤或天然气为原料的合成氨利润在800～2000元/t之间，具有很好的利润空间。绿氢合成氨的成本主要在于电价，在此选取几个不同的市场价格，考虑一定的其他原料成本和人工等成本，在不计算碳税、以中国目前市场上碳排放成本50元/吨计算和以国外市场上碳排放成本50美元/吨计算的3种情景下，根据耗电量估算能承受电价见表5。

表  5   绿氢合成氨能承受电价元/（kw・h）

由表5可知在合成氨市场价格2700～5000元/t，能承受的电价在0.22～0.42元/kWh之间。根据国家发展改革委《关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知》，光伏发电最低上网价格为0.35元/kWh，根据国家发展改革委《关于完善风电上网电价政策的通知》2020年最低指导价为0.29元/kWh。对比能承受电价可知，利用风电电解水制氢的成本优势更大，更具有竞争力。在考虑碳排放成本之后，能承受的电价都相应提高，但目前国内碳交易价格相对较低，对承受价格提高幅度相对较小，而随着碳达峰碳中和战略的深入实施，碳排放成本会逐步增大，跟国际水平相匹配时，绿氢合成氨能承受的电价可提高0.1元/kWh，市场竞争力将大幅提高。此外，为了提高绿氨的竞争力，最好的方式是利用弃风电光电制氢，可以变废为宝。

三、绿氨的市场分析

3.1传统市场

氨的传统市场主要作为肥料原料和化工原料。氨本身是最重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大都是先合成氨，再加工成尿素或各种氨盐肥料，氨的应用氮肥行业占比70%以上。同时氨也是重要的化工原料，用于生产胺类、染料、炸药、合成纤维、合成树脂的原料。“十三五”以来，我国氮肥行业总量控制成效显著，累计退出和置换合成氨产能1979万吨，2020年我国合成氨产能为6676万吨。在“十四五”期间，煤炭依然是我国的能源主体，也是氮肥的主要生产原料，行业通过积极研发推广节能降耗、新工艺新设备、通过数字化和智能化手段降低行业的排放水平。而绿氨在近几年的发展将趋于一个从示范性装置到工业化的过程，随着技术进步和新能源电力的产能进一步增大，绿氨将逐步增加对传统市场的供应占比。

3.2能源市场

绿氨作为零碳液体燃料，虽然燃烧热值只有4130kcal/kg，约为同质量汽油的三分之一，同质量氢气的八分之一，但其不同于汽油等化石燃料一样含碳，又比氢气易储存和运输，目前已被认为是世界气候变化解决方案的一部分。早在二战时期，由于燃料来源被切断，比利时政府将NH3和煤油作为燃料为城市公共汽车提供动力。

然而，绿氨作为燃料还有几个问题需要解决：第一是氨有毒，不能泄露；第二是氨难燃且燃烧速度慢；第三是氨发动机会产生氮氧化物，也是一种温室气体。这3个问题都可以通过氨发动机研发制造来解决，比如实现发动机燃烧系统密闭无泄漏，氨燃烧完全；将氨与氢或其他燃料一起混合燃烧；研发新的催化系统将氨催化转化避免产生氮氧化合物。日数谷进等发明了一种氨发动机系统，以氨作为燃料，配备了氨裂解装置，可以将一部分氨裂解后得到氢气跟氨混合后再进入发动机。纪常伟等发明了一种掺氢的缸内直喷氨发动机及其控制方法，同样是将氨与氢混合燃烧，并设置NOx浓度传感器等监控排气浓度。

氨燃料电池是绿氨能源转换的另一种形式，美国、瑞典等上个世纪60年代开始研究氨燃料电池；日本京都大学在2014年研发氨燃料电池；佛山索弗克氢能源有限公司在2017年研发了一种包含燃烧室、分气室、环形多孔陶瓷结构的氨燃料电池，可以实现燃烧效率高，不产生含碳、硫气体，可减少污染气体排放。此外，燃煤电厂掺烧氨能够实现源头降碳，为煤电低碳化转型提供了一条可供选择的路径，也为绿氨的发展提供了更多的市场。

国内外对绿氨的研究越来越热，包括日本、澳大利亚、荷兰和英国在内的国家都有使用绿氨储存和出口盈余可再生能源的计划。澳大利亚墨尔本蒙纳士大学化学家道格拉斯·麦克法兰预计，未来几十年，氨产量可能增加100倍。我国已在内蒙古、新疆、甘肃等西部省市布局绿氨的示范性装置，绿氨的发展将为我国的碳达峰碳中和发挥重要作用。

四、结论

1.采用化石原料的传统合成氨是高能耗、高排放项目；而采用电解水制氢合成氨，只有使用的电为绿电的情况下，才具有低碳的绝对优势。

2.目前，化石原料合成氨的生产成本具有明显优势；绿氢合成氨的成本主要取决于电价；随着绿电的价格降低和趋于平稳，以及碳排放成本的增加，绿氨的竞争力会越来越强。

3.我国现有的合成氨产能经过产业结构调整，已趋于稳定，绿氨在化肥等传统市场的替代需要一定的时间。绿氨的主要市场是作为燃料，替代化石能源。随着绿氨技术的发展、成本的降低以及氨发动机等系统的开发成熟，在接下来的几十年，绿氨在能源系统的应用将迎来爆发期。