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石油科技论坛杂志
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摘 要：
氨作为清洁能源，可为我国未来清洁低碳能源体系提供重要补充。从氨合成、氨储运、氨能利用3个方面阐述国内外氨能产业发展现状，分析氨能利用的优劣势，氨具有成为发动机替代燃料的潜力，是良好的燃料电池燃料、高效安全的氢载体，同时氨燃料也存在燃烧特性不理想、可能产生污染和安全问题等不足。对氨能利用进行技术及经济可行性分析，绿氨合成技术成熟度较高，经济性尚不理想；氨储运技术成熟，基础设施完善；氨作为氢载体应用日趋成熟，发展潜力巨大。我国氨能发展面临着合成氨碳排放量高、绿氨大规模低成本合成技术成熟度不够、氨能利用缺乏体制机制及标准支撑等问题，建议进一步加大关键核心技术研发力度，科学布局氨能全产业链，全面提升氨能开发利用水平与科技创新能力。
关键词：
氨能；氨合成；氨储运；氢载体；绿氨；燃料电池；产业发展
氨（N
H
3
）是重要的无机化工产品，在全球经济中占有重要地位。目前，氨主要用于生产氮肥，还可作为化工原料和制冷剂。氨能具有高辛烷值、燃烧不产生CO
2
、操作相对安全、可与一般材料兼容、易储运、廉价、易得等优良属性。近年来，随着全球清洁能源转型不断推进，氨能发展潜力受到高度关注，吸引多国竞相布局。
1 氨能产业发展现状
氨能利用已有近百年发展历史。柴油机之父鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel）最早开始尝试研制氨燃料发动机。1914年，比利时的阿·马克（A.Macq）将氨作为燃料成功应用于轻型到重型的各种车辆。研究发现，在汽油发动机的压缩比下使用氨燃料，需采用增压技术和废气燃料重整技术，以满足发动机的动力性能要求。20世纪60年代，美国国家航空航天局研发成功氨燃料超音速飞机，并将一些汽车改装为氨燃料驱动。
进入21世纪，美国、日本等发达国家十分重视氨能产业与技术发展。2004年起，美国每年举行一次“氨学术交流会议”，2008年会议主题为“氨——美国能源独立的关键”。2021年4月，日本发布“氨能战略”，提出“拥抱”氨能，推动2050年实现净零碳排放目标。
以下从氨合成、氨储运和氨能利用3个阶段阐述氢能产业发展现状。
制备氨主要采用Haber-Bosch法，工艺流程包括制氢、制氮、氨合成。氨合成高度依赖化石燃料，能耗高、碳排放量大。2020年，全球氨产量达1.85×
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t，通过天然气水蒸气重整、煤炭气化、石油、电解水不同技术路线的氨产量分别占比72%、26%、约1%、小于1%。2020年，全球合成氨能耗约为2.92×1
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8
t标准煤，约占全球终端能源消费总量的2%。氨是碳排放强度最高的重工业产品之一，约为2.4t CO
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/t氨，为粗钢的近2倍、水泥的4倍，2020年全球合成氨直接碳排放量达4.5×1
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t。据国际能源署（IEA）预测，按目前趋势发展（不考虑氨作为能源），2021—2100年，全球合成氨累计直接碳排放量约为280×1
0
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t，相当于全球气温升高1.5℃目标条件下全球剩余碳预算的6%。
全球合成氨工业正在加快绿色低碳转型，主要发展方向包括绿氨合成、蓝氨合成、非Haber-Bosch法制氨等。蓝氨合成是在化石燃料合成氨工艺基础上加装碳捕集装置，对捕集的C
O
2
进行利用或封存。由于化石能源合成氨能耗较高，蓝氨工艺会进一步推高能耗水平，鉴于我国严控高耗能、高排放行业产能规模，发展蓝氨产业不符合我国国情。非Haber-Bosch法制氨技术路线较多，目前均不成熟。
绿氨合成工艺利用可再生能源电解水制氢，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，可实现近零碳排放，发展潜力巨大。绿氨合成途径包括间接合成路线和直接合成路线两大类：直接合成路线受限于反应速率低、技术与器件不成熟等，难以大规模工业化生产；间接合成路线的工业级电解水制氢合成氨系统被普遍认可，工艺包括电解水制氢工段、化工合成氨工段、压缩缓冲工段。
（1）电解水制氢工段。该工段主要包括碱性电解（AEL）、质子交换膜（PEM）和固体氧化物电解（SOEC）三种工艺，产氢纯度均在99.8%以上，再经纯化处理可完全达到合成氨原料氢质量要求。AEL为传统工艺，技术成熟度高、成本低、使用寿命长，国内掌握程度高。已投入应用的单机功率为5~7MW（标准状况下制氢量为1000~1300
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/h），满足工业化运行要求。PEM电解槽规格规模已达兆瓦级，但技术成熟度尚不能支撑规模化应用，与AEL相比成本过高、使用寿命较短。SOEC工艺温度要求较高（600~800℃），需解决温控系统复杂、电极/密封结构热退化等问题，目前仍处于实验室研究阶段。我国发展大规模可再生能源制氢方面，AEL技术最具优势。
（2）化工合成氨工段。绿氨与传统天然气合成氨工艺的差异主要在于绿氨原料氢通过电解水制得，绿氢与空气分离所得氮气通过合成氨反应器生成氨（图1）。传统合成氨反应器温度通常为450~525℃，压力为15~32MPa。近年推广应用的低温低压合成氨工艺对氨合成温度和压力要求降低，有利于降低能耗，提高合成氨系统的环保性与经济性。由图1可知，化工合成氨工段除氨合成外，还
包含压缩、换热、分离等单元过程。这些化工单元过程的相互耦合状况和氨合成反应过程的灵活性共同决定合成氨产率的灵活性。
图1 天然气合成氨与绿氨工艺流程及温度变化范围对比
（3）压缩缓冲工段。由于电解水制得氢气压力较低（通常不超过3MPa）、合成氨对原料气压力要求较高（通常大于10MPa），电解水制氢工段负载调控速度为秒级或分钟级，而氨合成工段负载调控速度为小时级甚至日级，因此需配置压缩缓冲系统，以实现化工合成氨工段平稳供氢。
氨储运技术成熟，全球范围内基础设施较为完善。氨储存规模大于5000t 时，在常压下冷却至-33℃进行液化存储；氨储存规模小于1500t 时，可常温加压液化存储，压力仅为1.6~1.8MPa。大型氨储存设施通常位于制氨设施附近港口。
氨运输方式主要包括船舶、铁路、公路、管道等，船舶运输量相对较大；铁路、公路罐车多采用常温加压方式运输，需配备压力容器；液氨管道一般采用低温低压与常温中压两种，其中港口、储罐区及合成氨厂之间的短距离液氨管道及内部液氨流程工艺管道普遍采用低温低压输送工艺，港口与氨厂间以及两者到下游用户的长输液氨管道普遍采用常温中压输送工艺，有少数长输液氨管道采用常温高压输送工艺。
全球目前共有38座氨出口码头和88座进口码头，均配有装卸系统和储存设施；约有192艘适合运输液氨的远洋船舶，其中33艘容量超1×1
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t，最大容量达4.65×1
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t。美国现有10000多座氨储存设施，以及超过3000km的液氨管道；世界最长的液氨管道是俄罗斯至乌克兰的陶里亚蒂—敖德萨管道（Tolyatti-Odessa pipeline），全长2471km。
氨能主要利用方式包括：（1）直接燃烧，提供电力、动力、热量等；（2）燃料电池，可直接供氨，氨作燃料，也可间接供氨，氨先分解为氢，氢作燃料；（3）氢载体。21世纪以来，多国在氨能利用领域积极探索，取得一系列重要进展。
氨燃烧利用领域，2020年12月，德国开始研发中速氨燃料船用发动机，计划在2024年推出首台氨燃料二冲程发动机。2021年3月，日本成功实现了70%的液氨在2000kW级燃气轮机中稳定燃烧，并能同时抑制氮氧化物产生。
氨燃料电池领域，2017年7月，日本宣布研发的直接供氨式固体氧化物燃料电池实现1000h稳定连续发电。2022年5月，世界首台间接供氨式燃料电池拖拉机在美国纽约州立大学石溪分校高级能源中心成功运行。
氨作为氢载体领域，2020年4月，东京工业大学科学家向常见脱水剂氢化钙中添加氟化物，研发出低温合成氨催化剂（工作温度可低于50℃）。同年8月，韩国公布一项利用氨制备高纯度氢的新技术，研发装置具有分解氨和分离纯氢功能，可持续产生高纯度氢。
全球氨能利用目前呈现3方面特点：（1）主要作为氢载体应用。据伍德麦肯锡（Wood Mackenzie）咨询公司报告，截至2022年1月，在澳大利亚、中东、拉丁美洲、非洲等地区100多个已宣布实施的低碳氢供应项目中，大部分涉及氢出口（氨作为载体）。阿格斯能源分析公司（Argus）提出，氢理论上是目前最清洁的燃料，氨是最具稳定性的氢载体，氨能利用与产业发展备受能源公司和能源消费者关注。（2）氨作为燃料应用目前仍不成熟，直接供氨式燃料电池研究尚处于起步阶段。（3）间接供氨式燃料电池已小范围投入应用。
氨能作为一种清洁能源，可通过可再生能源电力制氢后获得（即绿氨），或通过特殊的微生物从生物质废物中产生。
氨作为发动机替代燃料具有一定优势：（1）液氨密度接近汽油，其热值约为汽油的一半，但辛烷值远高于汽油，抗爆性能优良，可在提高发动机输出功率的同时节约燃料；（2）使用氨燃料无需对发动机构造进行大幅调整；（3）与传统化石燃料相比，氨燃料燃烧尾气处理不需要考虑碳化氢、烟尘微粒（PM）、二氧化硫和一氧化碳污染物的脱除，处理过程简单、费用低；（4）现有加油站基础设施可满足液氨加注需求；（5）发动机材料基本为铸铁和钢，无需担心氨腐蚀问题。
氨含氢量高，不含碳；完全反应仅产生水和
N
2
，不产生污染物和可能造成燃料电池中毒的CO
2
；在加热或催化剂作用下极易分解成H
2
和N
2
；易液化（常压下温度-33℃或常温下加压至0.9MPa）、易储存和运输。氨具有轻微毒性和强烈的刺激性气味，当空气中氨浓度达到对人体产生致命危害的千分之一时会因其刺激性气味而被察觉。氨极易溶于水，密度小于空气，发生泄漏后易处理，泄漏到空气中的少量氨可以被植物吸收。
氢易泄漏、易燃、易爆、难储存，对金属物质具有一定腐蚀性，如何实现安全、高效、低成本的中长期储氢是行业亟待解决的难题。氢的临界温度极低，多数情况下不能以液态方式转运（主要使用高压气体钢瓶），且气态氢单位体积的能量密度很低，运输经济性不理想。与氢相比，氨易液化（常压下，氨、氢的液化温度分别为-33℃、-253℃），含氢量高（同体积液氨比液氢多至少60%的氢），储运方便，工艺技术成熟，基础设施完善，安全性
高，成本低（氨储罐成本约为氢的1/50），氢—氨转换技术成熟。牛津能源研究所（Oxford Institute for Energy Studies）提出，液氨是最具竞争力的氢载体，可实现大规模、长期储氢。
（1）燃烧特性不理想。氨热值低，不易燃烧，燃烧速度慢且不稳定，作为车用燃料通常需要添加助燃剂。（2）氨燃烧可能产生污染。氨在完全燃烧的情况下只生成氮气和水，实际燃烧过程中由于许多不可控因素，往往难以避免氮氧化物（N
O
x
）产生，其中
N
2
O是导致臭氧空洞的有害物质之一，必须重视氨燃料燃烧尾气捕集、处理技术的研发。（3）氨存在燃烧爆炸危险。氨和空气混合，当氨浓度达11%~14%时即可点燃，达16%~25%时遇明火、高温会起爆，如有油类或其他可燃物存在，危险性更高。（4）储氨容器遇高热，内压增大，有开裂和爆炸危险。氨能利用安全问题及解决方式详见表1。
表1 氨能利用安全问题及解决方式
使用传统化石能源（天然气和煤）生产的灰氨，碳排放量大、能耗高；蓝氨生产需加装CCS装置，进一步推高生产能耗，两者均不符合我国工业“降能耗、降碳排”总体要求。这里重点讨论绿氨利用的技术、经济可行性及市场需求。
绿氨合成技术成熟度较高，据国际能源署报告，可再生能源电解制氢—合成氨路线技术成熟度（TRL）为8级，预期2025年实现商业化应用。据英国皇家学会估计，绿氨合成技术成熟度为5~9级。1~8级属于技术开发阶段，9~11级属于市场开发阶段，9级表示技术解决方案市场有售，需要持续改进以保持竞争力。
目前，绿氨生产经济性尚不理想。阿格斯能源分析公司认为，绿氨生产成本是常规技术路线（高碳排放强度）合成氨成本的2倍以上。美国化学学会（American Chemical Society）旗下《化学与工程新闻》（Chemical & Engineering News）指出，大多数研究表明，绿氨生产成本是常规路线合成氨的2~4倍，政府和市场需慎重考虑发展绿氨。随着技术成熟度不断提高，绿氨生产成本有望降低。
氨属于全球大宗化学品，储运具有经济可行性。氨只需加压至1.0MPa即可以液态形式储运，一辆液氨槽罐车载氨量可达30t，运氨成本仅约为0.001元/（kg·km）。
由于氨直接燃烧、氨燃料电池技术尚未成熟，本文不做讨论。氨作为氢载体（达到应用级别）具有显著经济性。据初步估算，如果采用氨分解制氢、现场供氢，可将加氢站的加氢成本降至35元/kg以下（表2）。若开发间接氨燃料电池技术，实现用户终端“氨变电”，发电成本约为1元/（kW·h），乘用车燃料成本约为25元/100km，可使现有氢燃料电池车续航能力提升近1倍。若采用氨作为车用燃料，加油站仅需稍加改造即可用于加氨，预计加氨站的改建成本比加氢站的建设成本可降低1个数量级。依照2050年中国建成1万座加氢站的目标，可节约近千亿元的基础设施建设投资。
表2 氢燃料车、汽油车、电动车的燃料成本/充电成本对比（2020年）
根据国际能源署《全球氢能回顾2021》（Global Hydrogen Review 2021）、我国《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》等报告统计，2021年，全球氢气产量约为9000×1
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t，我国产量为3300×1
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t（图2）；全球氨需求量为5100×1
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t，我国氨需求量为1870×1
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t。
目前氨主要作为氢载体应用，本研究保守假设10%的氢气采用氨作为载体，计算氨需求量。IEA预测2030年全球氢气需求量可达1.15×1
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~ 1.3×1
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t（6517×104~7400×1
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t氨）。据彭博新能源报告预测，2050年全球氢气需求量将达到6×108~8×1
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t/a（3.4×1
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~4.5×1
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t氨/a）。据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》预测，2030年，我国氢气需求量将达3715×1
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t（2105×1
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t氨），终端能源消费占比约为5%；2060年将增至约1.3×1
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t（7400×1
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t氨），终端能源消费占比约为20%。
氨作为能量载体，可用作发电燃料、船用燃料。国际能源署对氨能需求做了3种情景预测：（1）“声明政策”情景。全球合成氨行业按目前趋势发展，虽然技术、政策等方面有所改进，但远未达到可持续发展要求。（2）可持续发展情景。全球合成氨行业采用各种技术、政策，达到《巴黎协定》要求。（3）2050年前实现净零碳排放情景，属于更加激进的转型情况。
在可持续发展情景下，预计2050年全球船运燃料消费总量中，氨燃料占比约为25%，全球煤电厂氨煤混烧发电用氨量（简称混烧发电用氨量）将达6000×1
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t/a，对应混烧发电量为140×1
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kW·h。在2050年前实现净零碳排放情景下，氨燃料占比达45%，混烧发电用氨量将达8500×1
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t/a（图3）。
图3 可持续发展和2050年前实现净零碳排放情景下氨作为能量载体用途预测
氨作为氢载体的技术和经济可行性强，未来市场规模巨大，极具发展潜力。目前，多国正在对绿氨合成、氨能利用领域瓶颈问题开展持续攻关，以期早日实现绿氨低成本规模化制备、氨直接燃烧/氨燃料电池规模化应用。
目前，我国合成氨产能基本满足国内需求，但总体能耗水平、企业规模效益与世界先进水平仍有差距，存在产能过剩、碳排放量偏高等问题。
我国已掌握以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃等多种原料生产合成氨的技术及工艺，形成了以煤为主（80%以上）、天然气为辅的原料格局；形成了大、中、小生产规模并存，以中小型企业为主体、大型企业为辅，大型化、集团化明显的企业布局；形成了先进、落后工艺技术并存，先进工艺技术加速发展的合成氨生产技术布局。绿氨合成近年加速发展，试点项目多，参与企业多。例如，明拓集团有限公司、华陆工程科技有限责任公司、水木明拓 ( 包头 ) 能源管理有限公司2022年4月签约，将建设我国首台套氢电催化合成技术的120×1
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t绿氨化工项目。
我国氨储运体系成熟完善，正在向低碳化、无碳化方向发展。2021年，我国液氨公路运费约为0.7元/（t·km），跨国运输多采用船运。国内目前建有4条液氨管道，总长度不超过200km。2021年底，江南造船（集团）有限公司联合中国船舶工业贸易有限公司与Js & Co公司签署了2+2艘9.3×1
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超大型绿氨运输船（VLAC）合作备忘录，共同打造全球最大的氨动力绿氨运输船。
我国氨能利用起步较晚但发展很快。近年在氨—煤混烧/纯氨燃烧发电、氨燃料电池、氨燃料车用发动机、氨动力船舶等领域取得积极进展。2019—2020年，上海船舶研究设计院、江南造船厂提出的3种大型氨燃料动力船设计方案均获得英国劳式船级社（LR）颁发的认可证书。2021年9月，氨能利用发电项目启动，计划在皖能铜陵发电有限公司300MW机组进行掺氨1%实验，在此基础上逐步提高掺氨比例，探索打造“矿坑水面光伏—绿氢—绿氨—临近火电厂掺氨发电”绿色产业链。2022年1月，国家能源集团发布烟台龙源电力技术股份有限公司自主研发的燃煤锅炉混氨燃烧技术，40MW燃煤锅炉燃烧35%比例混氨燃料，运行平稳，效率高于同等负荷下的纯燃煤工况，锅炉尾部N
O
x
浓度低于纯燃煤工况，NH
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燃尽率达99.99%。与纯煤燃料相比，氨煤混合燃烧碳减排幅度超过35%。同年2月，福大紫金氢能科技股份有限公司开发的3kW级间接供氨式燃料电池发电站成功发电，运行稳定。3月，由东风商用车技术中心与清华大学联合研发的国内首台氨柴车用重型发动机成功点火。4月，由合肥综合性国家科学中心能源研究院与安徽省能源集团合作研制的8.3MW纯氨燃烧器，在皖能铜陵发电有限公司30×1
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kW煤电机组一次性点火成功，并稳定运行超2h。
我国合成氨年产量超5000×1
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t，如果按2020年合成氨单位产品平均综合能耗水平（1264kg标准煤/t）计算，合成氨年生产能耗在6320×1
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t标准煤以上；碳排放量每年约为2×1
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t。在应对全球气候变暖和“双碳”目标下，基于化石燃料的传统合成氨工业难以持续。低碳氨生产工艺研发亟需解决技术性与经济性问题：绿氨制取需解决电解制氢装置运行不稳定、可再生能源电力波动性大、制氢设备能效较低、投资成本偏高等问题，目前尚无法与传统制氨竞争；大多数近零碳排放氨生产技术未达到商用水平，与常规技术路线相比，每吨氨生产成本要高10%~100%。我国现有合成氨资产服役年限短、搁置成本高，大量产能面临“关、转、停”，氨生产设备平均运行年限仅为12年。
工业、发电、交通领域各种应用场景下的氨燃料发动机技术、氨燃料电池技术是氨能实现大规模应用的关键，需加大科技攻关力度，强化体制机制与标准支撑。例如，我国现有部分产学研机构联合创新研究氨能，但缺乏统一协调、富有活力的系统性创新体制机制；氨能产业发展缺少特大型企业实体支撑，合成氨工厂、氨研究机构分布在多个行业，亟须各方形成合力；我国化石能源合成氨、氨储运技术成熟，已建立相应技术标准体系，但氨低碳生产与氨能应用领域尚无相关标准。
（1）加大关键核心技术研发力度，为氨能大规模替代化石燃料做好技术储备。生产、消费两端持续发力，对氨合成、氨能应用重点领域组织实施一批重大科技项目，集中科研力量攻关。近期重点关注化石能源低碳低成本合成氨、绿氨高效低成本合成、氨燃烧利用及尾气处理、间接供氨式燃料电池等领域。“双碳”目标下，将可再生能源与氢能产业相结合，以氨为储能或储氢载体，全力发展“清洁高效合成氨、经济安全氨能储运、无碳高效氨氢利用”的零碳循环技术路线。
（2）科学布局氨能全产业链，上游低碳布局，中游配套布局，下游提前布局。目前我国以煤制氨路线为主，应尽快完成现有氨产能节能降耗与CCUS/CCS改造，尤其是碳排放强度高、面临关停的工厂，减少资产报废/搁置损失。确保新建化石能源合成氨工厂符合碳排放要求，同时在风光资源丰富的西北地区建立大型绿氨生产基地。根据氨现有产能基础、产能扩建规划和氨能需求预测，配套建设氨储运体系，实现氨生产端与利用端的有效衔接。氨作为船运燃料技术相对成熟，应由能源公司和海运集团牵头，提前布局港口氨燃料加注业务，打造全产业链示范工程。
（3）多措并举，全面提升氨能开发利用水平与科技创新能力。加强顶层设计与战略规划布局，确定氨能发展战略方向、分阶段目标和实现路径；以国家级氨能研究机构为中心，先进企业、科研院所为两翼，成立氨能战略联盟，打造一流的创新联合体，优势互补、协同发展；加快推进氨能示范项目，以产业发展带动科技创新；完善体制机制和创新政策体系，加大激励扶持力度，支撑氨能产业健康发展；建立专业化机构，加强国际合作与学术交流，培养高素质专业人才队伍。
杜东,王小林,张国生,唐玮.氨能产业发展现状及展望[J].石油科技论坛,2023,42(2):96-104.
Du Dong,Wang Xiaolin,Zhan Guosheng,Tang Wei.Present Conditions and Prospects of Ammonia Energy Industrial Development[J].Petroleum Science and Technology Forum,2023,42(2):96-104.
作者：
杜 东 王小林 张国生 唐 玮 （
中国石油勘探开发研究院
）
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