2023中国绿氨产业研究与前景展望.pdf
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1、20232023中国绿氨产业研究与前景展望中国绿氨产业研究与前景展望2023ResearchandProspectofChinasGreenAmmoniaIndustry2023.11 SixSigma Research云点道林 Sixsigma Research为精品投资银行云道资本下属研究机构以专业的数据信息、敏锐的市场洞察和创造灼见的研究咨询服务赋能中国创业企业、产业绿色化工绿色化工|绿氨绿氨绿色化工必由之路,绿氢应用新方向,万亿级产业方兴未艾绿氨是无碳化的氨合成与生产,由绿电制取的绿氢与空气分离得到的氮经过一定的合成工艺合成为绿氨;绿氨在清洁动力燃料、清洁电力燃料(火电掺烧)、储氢载体
2、等新应用场景与市场拥有极大的应用潜力,其渗透有望不断快速攀升,2030年全球年产量有望超2000万吨万吨,2050年超5.6亿吨亿吨,成为全球新型清洁能源供应体系的重要一环。绿色化工绿色化工|绿氨绿氨绿色化工必由之路,绿氢应用新方向,万亿级产业方兴未艾氨是大宗基础化工品,具备原料、燃料双重属性,应用场景广泛、当前以生产化肥为主;合成氨属于能量密集型产业,是中国乃至全球碳排最高的化工产业,向绿色低碳转型势在必行,受资源禀赋及技术成熟度影响,各国家地区向绿氨转型技术路径有所差异向绿色低碳转型势在必行,受资源禀赋及技术成熟度影响,各国家地区向绿氨转型技术路径有所差异由氢的碳足迹决定,氨的制备可分为灰
3、氨、蓝氨、绿氨三类;绿氨绿电制绿氢 耦合 合成氨生产,实现清洁零碳排放的高效合成氨工艺,技术工艺尚未定型,比较来看,柔性的低温低压法更适应绿氨的生产工况,有望成为大规模制取绿氨的主流技术路径比较来看,柔性的低温低压法更适应绿氨的生产工况,有望成为大规模制取绿氨的主流技术路径随着绿电电价下降与电解技术的成熟,绿氨成本将持续下降;中国绿氨经济性竞争力可期,制备成本有望在随着绿电电价下降与电解技术的成熟,绿氨成本将持续下降;中国绿氨经济性竞争力可期,制备成本有望在2050前后降至前后降至240美元美元/吨;吨;细分场景来看,绿氨制备与船运燃料、氢储运等场景下,绿氨已具备一定的竞争力,火电掺烧场景短期
4、内仍需依赖政策驱动全球范围来看,各国家及地区关于绿氨的鼓励性政策持续出台,全球规划中的绿氨产能已超全球范围来看,各国家及地区关于绿氨的鼓励性政策持续出台,全球规划中的绿氨产能已超7000万吨;万吨;细分地区来看,澳洲及中东有望凭借成熟的合成氨产业基础以及丰富的风光资源成为未来全球最大的绿氨生产中心,日韩则为绿氨政策确定性最强的地区氨的简介与产业概况氨的简介与产业概况Part 氨是大宗基础化工品,具备原料、燃料双重属性,应用场景广泛、当前以生产化肥为主;合成氨属于能量密集型产业,是中国碳排最高的化工产业,向绿色低碳转型势在必行,受资源禀赋及技术成熟度的影响,各国家地区向绿氨转型的技术路径有所差异
5、2023.11 Sixsigma R氨,化学分子式为NH3,常温下是一种无色气体,易挥发、可燃、其强烈刺激性气味极具辨识度。氨目前是世界上生产及应用最广泛的基础化学氨目前是世界上生产及应用最广泛的基础化学品之一,具有原料和燃料双重属性。品之一,具有原料和燃料双重属性。目前全球80%以上的合成氨用于生产化肥。就中国而言,目前合成氨主要有农业、工业、储能(新增用途)等三大类用途。从2020年的数据来看,农业用氨占比71%,工业使用占比29%,氨作为储能介质用途尚不成熟,占比不足1%;氨的简介与产业概况氨大宗基础化工品,原料、燃料双重属性,应用场景广泛、当前以生产化肥为主原料用途原料用途燃料用途燃料
6、用途71%农业用氨农业用氨29%工业用氨工业用氨船舶动力固定式发电污水处理炸药冷冻剂化肥中国合成氨的主要用途中国合成氨的主要用途2023.11 Sixsigma R氨的简介与产业概况全球范围看,氨产能十分集中,贸易属性强,中国合成氨长期处于贸易逆差地位目前,氨的生产目前主要是基于拥有一百多年历史的哈伯-博世法,该方法以煤炭、天然气等化石能源为原料,适用于连续、集中化、大体量连续、集中化、大体量的合成氨生产;基于这一成熟的工艺,全球每年合成氨产量为全球每年合成氨产量为2.5亿吨左右,亿吨左右,且产能分布主要受化石能源禀赋的影响,主要产自中国、印度、俄罗主要产自中国、印度、俄罗斯和美国四个国家;斯
7、和美国四个国家;中国与印度虽然是合成氨产能大国,但由于农业化肥、工业消耗量大等原因,同时也是氨的主要进口国;俄罗斯则是全球主要的净出口国;全球范围来看约 70%的合成氨用于进出口及国际贸易。美国美国俄罗斯俄罗斯中国中国印度印度全球合成氨主要产能区域全球合成氨主要产能区域050100150200250300350400450500进口出口合成氨进出口量(万吨)合成氨进出口量(万吨)数据来源:国家统计局、国际可再生能源署(IRENA)氨装载(出口)设施氨卸载(进口)设施2023.11 Sixsigma R氨的简介与产业概况国内范围看,氨能的供给侧产能结构调整效果显著,产能集中且稳定,但仍需进口01
8、0002000300040005000600070002003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022总体上,中国是世界上最大的合成氨生产国和消费国,合成氨产业遍布全国,具有良好的产业基础。总体上,中国是世界上最大的合成氨生产国和消费国,合成氨产业遍布全国,具有良好的产业基础。自20世纪50年代来,中国合成氨工业不断发展壮大并已成为世界上最大的生产国,产量约占全球的30%;但2010年以来中国合成氨产能过剩率已超30%。2016年工信部印发石化和
9、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。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,同时伴随着相关工艺的改良与成熟,产能有效利用率也在不断上升,因此近年来整体上中国合成氨产业呈现产能逐年减少、产量总体稳定、仍需进口填补缺口的局面。因此近年来整体上中国合成氨产业呈现产能逐年减少、产量总体稳定、仍需进口填补缺口的局面。中国合成氨产量(万吨)中国合成氨产量(万吨)中国合成氨进口情况中国合成氨进口情况7
10、1.993.9105.5115.480.9222123377931355355154023602040608010012014005000100001500020000250003000035000400004500020172018201920202021进口量(万吨)进口金额(万美元)数据来源:国家统计局2023.11 Sixsigma R氨的简介与产业概况合成氨属于能量密集型产业,是碳排最高的化工产业门类,向绿色低碳转型势在必行合成氨工业属于能量密集型 产业,近些年合成氨的能源消耗约占全占全球能源消耗的球能源消耗的2%(最高时近(最高时近10%)。)。另外,合成氨生产过程中每年约有每年约
11、有5亿多吨的二氧化碳排放亿多吨的二氧化碳排放,约占全球碳排放总量的1-2%、占化工行业CO2排放的15%-20%。通常每生产1 吨氨,释放将近2 吨的二氧化碳,合成氨行业的节能减排压力巨大,亟需进行绿色转型。中国合成氨主要是煤制合成氨,约占总产能的 75.5%,其余主要为天然气原料,约占总产能的 21.4%。碳排量巨大,目前合成氨行业已成碳排量巨大,目前合成氨行业已成为中国碳排最高的化工行业;为中国碳排最高的化工行业;目前中国的国家政策也在大力鼓励绿色低碳技术生产合成氨,到2025年,合成氨行业能效产能比例将从2020年的7%提高到15%。未来随着行业技术的发展,我国合成氨将新增更多的绿色节能
12、生产装置,行业产量也将不断增长。0510152025煤制乙二醇碳酸钠对二甲苯苛性碱乙烯煤气/煤液化碳化钙甲醇炼油氨中国化工产业不同行业年碳排放量中国化工产业不同行业年碳排放量(千万吨千万吨)中国范围来看中国范围来看全球范围来看全球范围来看2023.11 Sixsigma R010203040506070809010020202050-S2050-D20202050-S2050-D20202050-S2050-D中国中国中东中东欧洲欧洲010203040506070809010020202050-S2050-D20202050-S2050-D20202050-S2050-D20202050-S2
13、050-D印度印度北美北美非洲非洲中南美中南美煤炭配套碳捕捉存储的煤炭天然气配套碳捕捉存储的天然气配套碳捕捉利用的化石能源尿素热解石油电解各氨主产区的工艺路线和清洁生产方案各氨主产区的工艺路线和清洁生产方案氨的简介与产业概况全球各氨主产区受资源禀赋、技术成熟度等影响,向清洁制氨转型技术路径各有差异注:纵轴为百分比(%);2050S:既定政策条件;2050D:可持续发展条件(温控目标)数据来源:国际能源署(IEA)绿氨的定义绿氨的定义Part 2绿氨是无碳化的氨合成与生产,由绿电制取的绿氢与空气分离得到的氮经过一定的合成工艺合成为绿氨;根据最新的政策文件,完全绿氨的全链条所用网电不得超过1%-3
14、%2023.11 Sixsigma R绿氨的定义绿氨无碳化的氨合成与生产,完全绿氨的全链条所用网电不得超过1%-3%绿氨,与传统氨的主要区别在于生产过程的无碳性质。绿氨,与传统氨的主要区别在于生产过程的无碳性质。从原料输入的角度来看,绿氨由两个核心输入组成:氮气、氢气;可以拆分成:水、空气、可再生电力三个要素;首先,氢气由水经可再生电力电解产生,即绿氢;而氮气是从空气中分离出来得到;绿氢与氮通过哈伯-博世等合成氨工艺结合成氨。在整个绿氨的生产过程中,所有过程均由可再生电力(绿电)驱动,无二氧化碳的排放,满足此标准的生产过程生产出的氨为“绿氨”。传统合成氨生产过程中每年约有5亿多吨的二氧化碳排放
15、,约占全球碳排放总量的1-2%,也是中国碳排量最高的化工行业,将灰氨转成绿氨生产,是绿色化工转型、落地双碳政策的必由路径。根据2023年10月国家生态环境部最新发布的“关于做好“关于做好20232025年部分重点行业企业年部分重点行业企业温室气体排放报告与核查工作的通知”温室气体排放报告与核查工作的通知”内容,氨所在的化工行业是中国接下来减排降碳的重点行业,并且文件中界定了中国电网的“网电”基本不属于“绿电”范畴的概念。中国电网的“网电”基本不属于“绿电”范畴的概念。这就使得真正完全绿氨的生产过程中的所用电力必须为风光离网电(按欧盟碳税的标准这就使得真正完全绿氨的生产过程中的所用电力必须为风光
16、离网电(按欧盟碳税的标准碳排折算,绿氨全生产链条的网电占比不超过碳排折算,绿氨全生产链条的网电占比不超过1%-3%)。)。最新政策动向最新政策动向绿氨的制备工艺绿氨的制备工艺Part 3由氢的碳足迹决定,氨的制备可分为灰氨、蓝氨、绿氨三类;绿氨绿电制绿氢 耦合 合成氨生产,实现清洁零碳排放的高效合成氨工艺,技术工艺尚未定型,比较来看,柔性的低温低压法更适应绿氨的生产工况,有望成为大规模制取绿氨的主流技术路径2023.11 Sixsigma R绿氨的制备工艺氨制备的工艺划分灰氨、蓝氨、绿氨,由氢的碳足迹决定20世纪初,德国化学家Fritz Haber和Carl Bosch等人提出了Haber-B
17、osch(哈伯-博世)法,在高温高压的条件下以氮气跟氢气1:3的比例合成氨,从而开启了合成氨大规模的工业化进程,为全球农业、工业的发展提供了稳定的原料供应。目前全球氨年产量约目前全球氨年产量约2.5亿吨,其中亿吨,其中98%由化石能源由化石能源制得,其碳排放占全球的制得,其碳排放占全球的2%,是全球碳排放“大户”。,是全球碳排放“大户”。随着全球气候变暖、各国加快降碳减排步伐,合成氨行业也出现了由“灰”向“绿”的转型趋势;与氢类似,根据原料中氢气的碳足迹,合成 氨被分为灰氨、蓝氨和绿氨。灰氨中的氢气来源于天然气或者煤炭,由传统的灰氨中的氢气来源于天然气或者煤炭,由传统的 Haber-Bosch
18、 高温催化工艺制备而成;蓝氨则是将灰氨生产过程高温催化工艺制备而成;蓝氨则是将灰氨生产过程中的二氧化碳进行捕集;绿氨是基于可再生能源提中的二氧化碳进行捕集;绿氨是基于可再生能源提 供能量来源的前提下,以水为原料提供绿氢,然后与氮气混合通过热催化或者电催化等新型供能量来源的前提下,以水为原料提供绿氢,然后与氮气混合通过热催化或者电催化等新型低碳技术制备而成。低碳技术制备而成。H2N2NH3 合成冷却分离液氨储罐热催化或电催化农业工业储能*空分装置灰氢:化石燃料制氢蓝氢:工业副产氢绿氢:电解水制氢-应用场景-合成氨生产链路示意合成氨生产链路示意灰氨灰氨/蓝氨蓝氨/绿氨的主要划分由氢的来源决定绿氨的
19、主要划分由氢的来源决定2023.11 Sixsigma R绿氨的制备工艺灰氨/蓝氨工艺成熟、优化空间有限,中国以煤制合成氨为主,绿氨产能近乎为零1913年9月,世界上第一座合成氨装置投产,其采用哈伯法发明的催化合成氨技术,被认为是 20 世纪催化技术对人类最伟大的贡献之一。经过 百余年的发展,合成氨工业已经取得了巨大的进步,其反应压力持续降低,能耗随着降低。单套生产装置的规模已由当初的日产合成氨 5t 发展到目前的年产百万吨级,反应压力已由100MPa 降到了1015MPa,能耗也已接近理论能耗极限,未来哈伯法优化的空间较小。蓝氨则是在灰氨的生产过程中耦合进碳捕捉(CCUS)技术及设施,作为灰
20、氨的减排降碳措施。中国合成氨中国合成氨-灰氨生产的现状灰氨生产的现状技术工艺技术工艺产能结构产能结构产能分布产能分布8.022.0MPa 中低压合成技术为主10 万 Nm3/h 大型空分装置成熟大型煤气化技术成熟掌握30万吨/年 以上大型合成氨装置技术煤制合成灰氨煤制合成灰氨-约占总产能约占总产能 75.5%天然气合成灰氨-约占总产能 21.4%完全绿氨产能几乎为完全绿氨产能几乎为 0 山东 山西 河南湖北 四川 等地2023.11 Sixsigma R绿氨的制备工艺绿氨绿电制绿氢 耦合 合成氨生产,实现清洁零碳排放的高效合成氨工艺绿氨(可再生氨)的生产工艺主要是指全程以风力、光伏发电等可再生
21、能源为动力开展的电解水制氢及空气分离制氮再通过一定的合成工艺生产绿氨的过程,即通过绿电、绿氢制备绿氨。太阳能风能电网电解空气分离装置氨合成氨合成氢气储存氨-海运氨-储存氨-裂解燃料电池车及其他工农业绿色原料燃气轮机动力供给电网平衡服务船舶航运燃料发电掺烧绿氨产业链示意绿氨产业链示意2023.11 Sixsigma R绿氨的制备工艺绿氨远期需求将达亿吨级,目前已进入示范工程阶段,但技术工艺尚未定型西门子在英国卢瑟福阿普尔顿实验室设计并建造了世界上第一个可逆世界上第一个可逆绿氨示范工厂,绿氨示范工厂,该示范项目证明了使用绿电电解水制取绿氢、从空气中分离氮通过现有的灰氨主流生产工艺:哈伯哈伯-博世合
22、成技术,博世合成技术,生产绿氨在技术上是可以实现的,商业化的绿氨生产就此拉开序幕。绿氢替代灰氢生产绿氨是化工行业的碳减排技术路径之一。根据国际可再生能源署(International Renewable Energy Agency,IRENA)估算,为了满足巴黎协定中全球气温上升控制在 1.5 摄氏度()以内的目标,到到2050年全球将新产生亿吨级的绿氨需求量。年全球将新产生亿吨级的绿氨需求量。从全球范围来看,中国、中东、日韩等可再生能源体系发达、氨能需求大的国家及地区均已布局了绿氨的示范工程,但绿氨的主要技术工艺尚从全球范围来看,中国、中东、日韩等可再生能源体系发达、氨能需求大的国家及地区均
23、已布局了绿氨的示范工程,但绿氨的主要技术工艺尚未完全定型,当前的绿氨制备工艺主要是基于传统的哈伯法进行改良。未完全定型,当前的绿氨制备工艺主要是基于传统的哈伯法进行改良。全球开展绿氨示范的国家与地区全球开展绿氨示范的国家与地区2023.11 Sixsigma R绿氨的制备工艺绿氨三大合成工艺成熟程度不同,传统的“哈伯-博世法”是目前绿氨示范的主流当前,绿氨核心的合成工艺主要可分为以下三大类路径,其中传统工艺哈伯博世法应用最为成熟 传统工艺传统工艺-基于传统的哈伯基于传统的哈伯-博世法(热催化博世法(热催化+高温高压)高温高压)耦合绿氢耦合绿氢 柔性工艺柔性工艺-热催化热催化+低温低压法低温低压
24、法 耦合绿氢耦合绿氢 新型工艺新型工艺-光催化光催化/等离子体等离子体/电化学等电化学等 耦合绿氢耦合绿氢哈伯法的合成氨装置一般由两部分组成,上面部分是接触室,装有粒状的铁基催化剂;下面部分为热交换器;氮气和氢气的混和气体先进入热交换器预热,然后进入接触室经过热催化反应生成氨。从接触室里出来的 NH3的温度较高,进入冷却器使氨液化;再将分离后的液氨进入储罐,未被液化的 NH3和H2,循环进入合成塔。本路线可基于现有的合成氨装置,新建可再生能源发电(风电或光伏)和电解水制氢单元,配套一定的储能设施,生产绿色合成氨产品。绿H2N2NH3 合成冷却分离液氨储罐高温高压铁基催化剂 传统工艺传统工艺-基
25、于传统哈伯基于传统哈伯-博世法(热催化博世法(热催化+高温高压)高温高压)耦合绿氢:耦合绿氢:反应压力2050MPa,反应温度350500,在铁基催化剂作用下,绿氢和氮气合成绿氨数据来源:国能、中海油石化、云道资本自行整理2023.11 Sixsigma R绿氨的制备工艺绿氨传统的哈伯-博世工艺弊端重重,只能作为中短期内向绿氨过渡有益尝试传统的哈伯法是传统灰氨生产的主流成熟工艺,已有百余年的应用历史,从技术成熟度的角度来看,该工艺被认为是最有可能率先实现绿氨产业化技术路线。但该工艺是按照化石燃料稳定持续的原料供应该工艺是按照化石燃料稳定持续的原料供应+连续生产要求进行优化迭代的,适用于传统中大
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