2024年中国绿氨行业概览新型应用能否带动绿氨替代？

研究目的&摘要 摘要 研究目的 —— 绿氨制备的技术路线：当前，绿氨核心的合成工艺主要可以分为传统工艺（即基于传统的哈伯-博世热催化+高温高压法耦合绿氨）、柔性工艺（即热催化+低温低压法耦合绿氨）及新型工艺（即光催化/等离子/电化学等）三大路径。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的技术路线，但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，使用于传统中大型的合成灰氨工厂，作为绿氨合成的工艺，该方法尚存在以下几点难以解决的弊端，我们判断只能作为中短期灰氨过渡的有益尝试。 本报告为中国绿氨行业概览，本篇将深度梳理中国绿氨气体的制备工艺、产业链、合成氨供需与下游领域的具体应用。 研究区域范围：中国地区 研究对象：绿氨行业 合成氨市场规模：受下游旺盛的市场需求及国产化制氨技术发展的积极影响，中国合成氨产量在近年来保持着稳定增长的趋势，从2017年的4946.26万吨增长至2022年的5884.0万吨，年均复合增长率为3.5%。伴随着合成氨行业市场集中度提高、产能置换工作完成、中国农产品价格上涨拉动下游市场需求回暖等影响，预计未来五年内该行业规模的CAGR会稳定在5%左右的平稳发展趋势，在2027年会到达该行业产量的峰值，即7509.7万吨，届时中国合成氨市场规模将达到2402.9亿元。我们预计合成氨行业的增量、落后产能的逐步淘汰与绿氢技术发展逐步实现平价，让绿氨产能建成落地后能较为平滑的进入市场。同时，氨能在储氢、燃料储能等领域的应用拓展也在提升下游对氨的需求量。 此研究将会回答的关键问题： ①绿氨制备的技术路线发展情况如何？ ②合成氨市场规模如何？ ③绿氨项目发展情况如何？ 绿氨项目发展情况：从绿氨项目的业主单位来看，已公开的绿氨项目中，业主单位可主要分为电力及装备类企业与能源化工类企业两大类。电力及装备类企业主要从事发电运营和清洁能源装备制造等业务，相对较少涉及煤化工和炼化等工业项目。能源化工企业涵盖煤化工、石油炼化等多种用氢场景。在选择绿氢消纳场景时，能源化工类企业更倾向于进行低碳升级。 400400--072072--55885588 行业定义 氨（NH）是由氮和氢元素组成的无机化合物，是气体状态下的碱性分子；根据制氢过程中碳排放量的不同，也可以将氨进行颜色分类为灰氨、蓝氨、蓝绿氨和绿氨 氨定义介绍 氨的颜色分类 由于氢气是氨的主要生产原料，因此根据制氢过程中碳排放量的不同，也可以将氨进行颜色分类为灰氨、蓝氨、蓝绿氨和绿氨。 氨（NH）是由氮和氢元素组成的无机化合物，是气体状态下的碱性分子。 物理性质：氨是无色、无臭的气体，但在高浓度下有刺激性气味，它的熔点为-77.73摄氏度，沸点为-33.34摄氏度。在标准大气压下，氨是一种气体，但在低温或高压条件下可以液化。 灰氨合成工艺指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合成氨，该工艺已沿用上百年，但其高温高压条件造成巨大能耗，且伴随大量 CO2 温室气体排放。 灰氨 化学性质：氨是一种碱性物质，能够与酸反应形成盐，它是一种亲电物质，在化学反应中可以提供带负电的氮离子。氨在氧气存在下可以发生燃烧，产生氮气和水。 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。 中国化工产业不同行业年碳排放量 蓝氨合成工艺与灰氨基本相似，生产原料氢由化石燃料提炼而来，但会对工艺流程进行碳捕集与封存。但目前SMR和ATR碳补集技术的二氧化碳捕获率低于95% 蓝氨 单位：[千万吨] 蓝绿氨是通过甲烷热解过程将甲烷（ CH4 ）分解为氢气和碳，然后利用绿色电力将所回收的氢气作为原料制取氨的过程。 蓝绿氨 氨 炼油 甲醇 碳化钙煤液化 乙烯 苛性碱 对二苯甲 碳酸钠煤制乙二醇 中国的合成氨主要通过煤制合成氨，约占总产能的75.5%；而其余则主要采用天然气作为原料，占总产能的21.4%。由于碳排放量庞大，目前合成氨行业已成为中国碳排放最高的化工行业。在国家政策的推动下，中国正大力鼓励采用绿色低碳技术生产合成氨。 绿色制氨（可再生氨）工艺主要指全程以可再生能源为动力（如风能、太阳能）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 绿氨 制备工艺（1/2） 绿氨的三大合成工艺成熟程度不同，传统的“哈伯-博世法”是目前绿氨的主流工艺，但该工艺具有一定弊端，只能作为中短期内的过渡工艺；低温低压法更有可能成为未来主流工艺 绿氨制备工艺 当前，绿氨核心的合成工艺主要可以分为传统工艺（即基于传统的哈伯-博世热催化+高温高压法耦合绿氨）、柔性工艺（即热催化+低温低压法耦合绿氨）及新型工艺（即光催化/等离子/电化学等）三大路径。 基于传统的哈伯-博世法（热催化+高温高压）耦合绿氨 反应压力20-50MPa，反应温度350-500℃，在铁基催化剂作用下，绿氢和氮气合成绿氨。 高温高压 绿氢 NH合成 液氨储罐 冷却 分离 氮气 铁基催化剂 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，装有颗粒状的铁基催化剂，下面部分是热交换器；氮气和氢气的混合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。从接触室里出来的氨气温度较高，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NH和 H2 ，循环进入合成塔。 该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。 基于传统的哈伯-博世法（热催化+高温高压）耦合绿氨 该工艺主要针对可再生能源具有“间歇性、波动性”的特点以及氢气储运的挑战。在这一创新工艺中，氨气可被发展成为一种储氢介质，促使氢氨的协同发展。 通过对催化剂和流程工艺的不断革新，实现了在相对较低的温度（不超过400℃）和较低的压力下依然能够高效进行氨的合成，有效地减少了能耗。 这一工艺的独特之处在于，通过削减工作温度和压力的限制，使得合成氨装置变得更加小型化和灵活化。从技术和工艺流程的角度来看，这种方法更容易实现大规模绿氨生产。这一创新不仅能够应对能源的不稳定性，还在氢气储运方面提供了更为可行的解决方案。 制备工艺（2/2） 绿氨的三大合成工艺成熟程度不同，传统的“哈伯-博世法”是目前绿氨的主流工艺，但该工艺具有一定弊端，只能作为中短期内的过渡工艺；低温低压法更有可能成为未来主流工艺 绿氨制备工艺 基于传统的哈伯-博世法（热催化+高温高压）耦合绿氨 包括电催化、光催化、生物催化、电磁催化合成氨等，其中，电催化分为液态与固态电解质等不同路线，核心的难点是需要攻克高效可靠的催化剂，光催化合成氨是利用可见光下的空气与水发生氧化还原反应生成氨，同样面临更需要开发高效稳定的催化剂的问题；而生物催化合成氨技术依赖于生物质原料暂时不适用于规模化工业路径、电磁催化也尚未有工业化趋势的迹象。 总体上各类新型工艺尚处于实验室研究迭代阶段，相关的催化剂材料与工艺流程并不成熟，距离产业化还有一段距离。 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的技术路线，但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，使用于传统中大型的合成灰氨工厂，作为绿氨合成的工艺，该方法尚存在以下几点难以解决的弊端，我们判断只能作为中短期灰氨过渡的有益尝试。 受制于传统的哈伯-博世工艺限制，目前的合成氨工厂规模非常大，当前的合成氨工厂平均每天生产的产能达到500-1500吨氨，超大型工厂产能已经超过3500吨/天；高温高压的爆发能耗巨大，加入一个中小型合成氨工厂用绿氢取代500吨/天的传统灰氢原料，将需要35-50万千瓦的可再生电力消耗和类似大规模的电解设备系统与配套的储氢输氢设施等。 受制于可再生能源的供应规模，哈伯-博世工艺目前还是对合成氨部分传统产能的绿色化改造，其全生产过程的碳排放并非为零，并不是完全的绿氨生产工艺，该工艺下产出的氨难以认证为真正的“绿氨”。 完全的绿氨生产面临的最大挑战是适应太阳能和风能等波动性可再生能源所需的生产工艺灵活性。现在的哈伯-博世生产工艺是按照化石燃料原料连续生产要求进行优化的，因此运行灵活性有限，难以适应分布式的风光绿氢绿电场景。该工艺如果要适配具有波动性、间接性和不确定性的可再生能源，需配套一定量的储能设备，并对装置的工艺方案加以改造，且最大限度的保证绿电绿氢的稳定供应，一旦介入网电调峰支撑，则产出的氨不会被认定为“绿氨”。 而目前就全国范围来看，单个风光离网绿电项目不超过200MW，对于不能上网的绿电绿氢来说，难以满足集中化、大型化的合成绿氨绿电消耗。 结合各技术路线的实现方式、特点以及成熟度，我们认为对传统的哈伯法灰氨合成工艺加以改良仅能作为短期内灰氨向绿氨过渡的尝试，其无法满足大规模的绿氨供应； 灵活性更高的低温低压法有望成为未来大规模制取绿氨的主流技术路径来源：国能、中海油石化、云道、头豹研究院 市场规模 预计2027年中国合成氨市场规模将达到2,402.9亿元，合成氨行业的增量、落后产能的逐步淘汰与绿氢技术发展逐步实现平价，让绿氨产能建成落地后能较为平滑的进入市场 中国合成氨行业市场规模，2019-2027E 单位：[亿元人民币] 中国合成氨行业作为化工领域五大行业之一，具有较高的发展前景和消费潜力。受合成氨下游旺盛的市场需求以及国产化制氨技术发展的积极影响，中国合成氨产量在近年来保持着稳定增长的趋势，从2017年的4946.26万吨增长至2022年的5884.0万吨，年均复合增长率为3.5%。 CAGR 19-22 19.3% 23E-27E 3.4% 中国合成氨行业市场规模与国民经济发展、农业生产情况高度关联。过去五年间，受下游氮肥需求量持续增长以及农业用氨和工业用氨需求规模持续扩大的原因，中国合成氨行业产量有较大提升。但与此同时，合成氨行业出现产能过剩情况，因此国家制定了相关政策，随着国家去产能政策的实施，加上退城进园等部分政策的影响，在一定程度上放缓了其产量规模的扩大速度，其中仅2020年11月份以来就淘汰落后合成氨产能200万吨以上。 +3.4% 2,402.9 2,372.8 2,288.7 +19.3% 1,990.9 2,179.7 2,105.3 2,075.9 2021H1，受益于中国春耕备肥需求的增加、内蒙地区能耗双控政策、短时液氨企业集中检修、煤炭价格上涨以及国际货源量紧、价格上涨等多重利好因素的支撑，至2021年10月中旬，液氨现货价格达到峰值4,950元/吨,2022年合成氨市场规模达到2372.8亿元人民币，随后伴随价格下跌在2023年降至2105.3亿元人民币。 1,397.4 1,360.4 伴随着合成氨行业市场集中度提高、产能置换工作完成、中国农产品价格上涨拉动下游市场需求回暖等影响，预计未来五年内该行业规模的CAGR会稳定在5%左右的平稳发展趋势，在2027年会到达该行业产量的峰值，即7509.7万吨，届时中国合成氨市场规模将达到2402.9亿元。 我们预计合成氨行业的增量、落后产能的逐步淘汰与绿氢技术发展逐步实现平价，让绿氨产能建成落地后能较为平滑的进入市场。同时，氨能在储氢、燃料储能等领域的应用拓展也在提升下游对氨的需求量。 2019 2020 2021 2022 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 竞争情况 当前大部分绿氨项目规模规划或在建的绿氨产能较小，多为10万吨/年以下，10万吨/年以上的项目；业主单位可主要分为电力及装备类企业与能源化工类企业两大类 中国部分十万吨以上绿氨项目，截至2023年12月 从绿氨项目的业主单位来看，已公