氨的制备工艺包括灰氨、蓝氨、绿氨三种工艺。绿色制氨（可再生氨）工艺主要指全程以可再生能源为动力开展的电解水制氢及空气分离制氮再通过 Haber-Bosch 法制氨的过程，即通过绿氢制备绿氨。
灰氨主要由天然气蒸汽重整氢气及空气分离的氮气再通过传统哈伯法（Haber-Bosch）进行合成，传统的Haber-Bosch 合成 NH3 工艺包括使用蒸汽甲烷重整（SMR）生产 H2，其占全球年能耗的 1-2%，导致每年约 2.35 亿吨 CO2排放，这些 CO2 排放中约 80%源自H2 的生产（通过能源密集型 SMR 工艺与空气中的 N2 反应生成形成 NH3）。由于作为 SMR 直接排放 CO2，因此该工艺难以脱碳。传统的 Haber-Bosch 工艺已经沿用上百年，对环境造成了较大的影响；蓝氨工艺与灰氨基本相似，但会对工艺流程进行碳捕集与封存（CCS）。
绿色制氨（可再生氨）工艺主要指全程以可再生能源为动力开展的电解水制氢及空气分离制氮再通过 Haber-Bosch 法制氨的过程，即通过绿氢制备绿氨。使用水电解制备 H2 为通过低碳电源进行水的电解，制备后仅产生 H2 和 O2（即H2O→H2+O2），因此，用可再生能源驱动的水电解代替 SMR 工艺以获得用于Haber-Bosch 工艺的绿色 H2 可以实现 NH3 合成的大量脱碳。此外，绿色 H2 的使用可以促进小规模、模块化的 NH3 合成，这也将更有利于可再生能源进行能源的整合并提高肥料的获取和分配平衡。
技术的发展现状及态势
目前的绿色制氨工艺通过使用可再生能源发电来进行 Haber-Bosch 工艺改进，其中主要使用几种不同类型的水电解器进行绿色氢气的合成。通过水电解产生绿色 H2 生产绿色 NH3 的流程如图Ⅱ-15-01 所示。
图Ⅱ-15-01 中，（A）为不同水电解槽生产绿色 H2：碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE），（B）为 N2由空气分离装置生产，（C）为通过改进的 Haber-Bosch 工艺合成绿色 NH3。其中绿色 NH3 生产能力通常为 10000 吨/日，太阳能光伏发电产生的可再生电力为绿色 NH3 合成工艺提供能源（即用于绿色 H2 生产的水电解槽、用于 N2 分离的空分装置和用于绿色 NH3 生产的 Haber-Bosch 工艺）如绿色虚线所示。
碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE）三种技术可根据电解槽中所使用的电解液进行区分，从技术成熟度情况来看，AWE 技术最为成熟，已经实现商业化，是目前用于绿色 H2 生产的最常用技术，主要源于其具有高技术准备水平（TRL）以及使用较便宜的催化剂降低了成本支出（CAPEX）；PEM WE 是商业规模上第二成熟的电解技术，其主要优点是使用固体聚合物电解质、高度致密、可利用间歇可再生电力进行灵活操作和高压操作；SOE 在高温下良好的热力学和动力学，因此具有较高的系统效率，因此有望实现大规模绿色 H2 生产。因此，以上三种类型的电解槽都可以用于绿色 NH3 生产，并且在未来可能具有经济和环境可持续发展的潜力。三种工艺的技术对比如表Ⅱ-15-01 所示。
在工艺成本方面，由于 NH3 的价格很大程度上取决于 H2 的价格，具有成本竞争力的绿色 H2 生产将是加速绿色 NH3 经济所必备路径。根据所使用的每种水电解器的绿色 H2 价格的变化来评估绿色 NH3 生产可行性的进行技术经济分析（TEA）必不可少。意大利比萨大学 LigangWang、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Umberto Desideria、美国德克萨斯理工大学 Mahdi Malmali、加拿大卡尔加里大学 Md Golam Kibria、多伦多大学 Edward H. Sargent、英国牛津大学 René Bañares-Alcántara、剑桥大学 Laura Torrente-Murciano、巴斯大学 Alfred K. Hill等国外机构研究人员已经进行了相关研究以确定与传统 Haber-Bosch 工艺相比绿色 NH3 生产的可行性。
在经济性方面，耶鲁大学 Boreum Lee 等建立了研究模型进行使用主要电解技术（即 AWE、PEM WE 和 SOE）生产绿色 NH3 的经济预测和环境影响评估。据其预测，在 2050 年前，碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE）三种中的任何一种绿色 NH3 合成工艺都均将与传统 Haber-Bosch 工艺相竞争。由于绿色氨合成工艺相关的 CO2 排放量较低，因此CO2 税对绿色 NH3 生产的成本影响相对较小。此外，鉴于对与 CO2 排放相关的全球环境问题日益凸显，由于对传统 NH3 生产产生的 CO2 排放罚款、未来 CO2税的采用、货币膨胀等因素将导致绿色 NH3 合成的平价年提前，考虑到碳的价格与没有碳定价政策的情况相比，绿色 NH3 的经济平价可以提前十多年实现。
总体来看，根据科学家预测，未来在碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE）三种类型中，固体氧化物水电解（SOE）与 Haber-Bosch 工艺相结合可能成为未来大规模绿色 NH3 生产最有潜力的工艺类型。
技术发展的竞争态势
近年来，全球能源巨头争相布局并争夺绿氨市场，其中使用电解水供应绿氢的绿色 NH3 合成项目近两年已经被 Air Products、Siemens、OCP、Thyssen Krupp和 Fertiberia 等大型公司商业化。国内方面，我国国家能源集团、国电投、京能集团等也已布局多个绿氨示范项目。根据亚化咨询《中国绿氨产业链年度报告2022》数据显示，目前全球已布局超过 40 个绿氨项目，如美国能源部 REFUEL计划、丹麦商业化绿氨工厂、中东 Neom 项目、澳大利亚 AREH 项目等，全球绿氨规划总产能超过 1500 万吨/年。
国际项目中，较为典型的是美国空气产品公司在中东布局的项目，美国空气产品公司（Air Products，AP）近两年在绿色制氨方面进行了一系列超大规模的投资和布局。2020 年其与沙特国际电力和水务公司（ACWA 电力）和沙特NEOM 新城签署了全球最大的无碳氢项目，三方将共同投资 50 亿美元建造一座利用可再生能源的世界级绿色氢基氨工厂，三家企业在该项目中持有相同的股份。该项目将坐落在位于沙特阿拉伯王国西北角的以“NEOM”命名的可持续生活新城，并将生产出口到全球市场的绿色氨。该项目将包括超过 4 GW 太阳能和风能可再生能源电力的创新集成，采用蒂森克虏伯（Tthyssenkrupp）技术通过电解法日产 650 吨氢气，利用空气产品公司的技术通过空气分离法生产氮气，采用托普索公司（Haldor Topsoe）的技术年产 120 万吨绿色氨，项目定于 2025年投产。
此外，在绿氨制备和存储的产业化尝试方面，西门子也走在全球前列，其早在 2018 年便已在英国牛津哈威尔展开世界首个氨储能先导计划，该项目包括风力发电机组、氮气产生器、电解水系统、30KW 发电机与哈伯法反应炉，通过哈伯法生产氨气。该示范厂目标是将电力、水和空气无碳转化为氨气，将氨气储存在储罐后，用于燃烧发电、当作车用燃料出售，或用于工业制冷等，西门子的该示范计划储存量和发电量较小，旨在证明氨气储能系统的可行性。
国内方面，随着国内双碳政策体系的确立，2022 年 2 月四部委联合印发的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022 年版）》，国家能源局《“十四五”新型储能发展实施方案》，工信部《工业领域碳达峰实施方案》等涉及绿氨存储和应用方面的政策出台，2022 年我国绿氨的发展明显加速。根据公开资料显示，2022 年 3 月国家氢能中长期规划发布以来，国内绿氨规划并落地的年产能已超过 156 万吨，对应超 28 万吨/年的绿氢需求。
国内项目中，多数项目集中在内蒙古、甘肃、青海等西北地区。其中较为典型的有如下项目：
① 2022 年远景科技与内蒙古赤峰市人民政府合作在赤峰市建设风光制绿氢绿氨一体化示范项目，总投资约达 400 亿元，该项目预计 2028年前建成投产，计划总投资约为 400 亿元，预计 2028 年前建成投产。
② 北京能源国际控股有限公司与内蒙古锡林郭勒盟多伦县合作签署风光储氢制绿氨项目协议，该项目预计电解制氢规模日产 300 吨，年产绿氨规模达 60 万吨。
③ 中国氢能有限公司与盈德集团合作在鄂尔多斯市达拉特旗投资建设绿氢、绿氨项目，签约项目年产能包括 0.93 万吨绿氢和 5 万吨绿氨。
④ 国家能源集团投资23 亿元在内蒙古新建年产 30 万吨绿氨。
⑤ 兰州新区政府将投资 30 亿元建设年产 2 万吨制氢能力和 10 万标方储氢能力的绿氢供应基地，以年产 6 万吨绿氨和氢能交通应用为核心的示范应用中心。
总体来看，我国绿氨的生产项目主要集中在西北地区，而产业链下游的应用项目覆盖全国。
技术产业化的前景
市场前景方面，根据全球著名市场研究和咨询公司 Future Market Insights 发表的绿色氨市场报告表明，未来十年，全球绿色氨市场预计将以惊人的 90%的速度发展，在 2030 年前将达到 54 亿美元。到 2028 年底前，欧洲绿色氨市场预计将拥有全球最大的市场份额，产生 5.5803 亿美元的收入，高于 2019 年的 749万美元，这得益于 2022～2032 年预测期间的 65.37%的估计复合年增长率。亚太地区预计将占据全球第二大市场份额，收入潜力为 1.9069 亿美元。就单个国家而言，荷兰可能到 2028 年拥有最大的市场收入，达到 2.712 亿美元，而德国市场收入预计在预测期间将以最快的速度增长 86.35%。
产业化瓶颈方面，资本密集型性质是绿色制氨产业化的主要障碍，主要源于通过可再生能源和电解槽等路径制备绿氨的成本高于传统工艺，因此除非成本进一步下降，否则多数合成氨制造商将较难从传统的合成氨生产转向绿色合成氨生产。就目前来看，中国、日本的大型化工企业仍继续采用天然气蒸汽甲烷化的传统技术，近两年投资建厂的绿氨项目主要以全球巨头、我国大型企业和政府支持项目为主。
总体来看，在碳减排的全球化背景下，部分国家加强碳税收政策、我国政府资金支持低碳项目，国际巨头及我国大型企业积极响应政策号召，带头布局绿氨能源并提前布局市场，未来十年内，在政企的联合推动下，绿氨产业将飞速发展。
来源：流程工业
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