氢能洞察系列研究之一：绿氨掺烧—煤改新政有望打开绿氢绿氨发展空间

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 氢能洞察系列研究之一 绿氨掺烧—煤改新政有望打开绿氢绿氨发展空间 2024年10月5日 分析师：曾彪SACNO.S0740522020001Email：zengbiao@zts.com.cn 分析师：赵宇鹏SACNO.S0740522100005Email：zhaoyp02@zts.com.cn 1 中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 目录 一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘二、绿氨掺烧是节能减碳的必由之路 三、绿氨在燃料领域当前已具备成本竞争力四、绿氨掺烧显著促进合成氨需求提升 五、绿氨带动绿氢打开成长新空间六、投资建议 七、风险提示 2 氨是一种应用广泛的化学品。氨（NH3）是一种无机化合物，常温下为无色气体，其易液化、易挥发、可燃、具有较强烈刺激性气味。氨气在常温下很稳定，极易溶于水，高温时会分解成氮气和氢气；氨气是世界上生产及应用最为广泛的基础化学品之一，广泛应用于农业和工业生产中；此外，氨气在理想情况下燃烧仅产生氮气和水，具有零碳排放的特性，未来有望成为减少化石燃料使用、降低碳排放、减少环境污染的新型燃料之一。 合成氨的生产有多种途径，绿氨是未来的发展方向。合成氨是指氮气和氢气通过催化剂在高温高压下直接合成的氨气。合成氨根据氢气的来源可分为：①灰氨：使用传统化石能源（天然气和煤）制取的灰氢与氮气合成的氨气称为灰氨；②蓝氨：氢气仍由化石燃料提炼而来，但提炼过程中将二氧化碳捕获并储存，减少对气候的负面影响，此类合成氨称为蓝 氨；③绿氨：由绿电制取的绿氢合成的氨气称为绿氨。由于绿氨对环境更加友好，因此是未来主要的发展方向。 图：氨的用途 数据来源：KPMG，中泰证券研究所 图：合成氨生产途径及分类 数据来源：上海工程技术大学科普教育基地，中泰证券研究所3 中国是世界上最大的合成氨生产国和消费国。我国合成氨主要用于制造尿素肥料，我国庞大的农业产业和对粮食安全的高度重视促使国内合成氨生产能力持续扩张。2022年全球合成氨产量约为1.83亿吨，我国产量为5321万吨，占比达29%。此外，合成氨也是许多化工产品的重要原料，其产量的增加也与化工产业的发展密切相关。 我国约2/3的氨用于生产化肥，未来有望新增燃料用途。合成氨按下游应用行业主要分为农业、工业、储能三大用途。 据毕马威分析预计，2023年我国约有2/3氨用来生产农业用的化学肥料，约1/3为其他化工产品的原料；后续随着煤电低碳化改造逐步推进，氨气作为储能及燃料用途的市场空间有望打开。 图：2018-2023年中国合成氨产量（万吨） 图：合成氨在中国不同产业中的用量及预测（百万吨） 数据来源：iFind，中泰证券研究所 数据来源：毕马威、落基山研究所、中泰证券研究所 4 合成氨制备分两个工艺段，制氢部分有所差异。合成氨制备分为制氢和制氨两个工艺段，制氢过程因氢气制备来源不同工艺有所不同，我国灰氨制氢主要是用煤制氢工艺，而绿氨制氢部分则用的是电解水制氢工艺。 绿氨合成几乎无碳排放。灰氨所用的煤制氢工艺核心反应式是C+H2O→H2+CO以及CO+H2O→H2+CO2，在制取过程中会有大量的碳排放，且所用网电中的火电也会导致间接碳排放。而绿氨合成工艺制氢部分工艺路线短，主要能耗都用绿电，需要的原料为H2O，生成物为H2和O2，碳排放几乎为零。 工艺 工艺系统 能源消耗情况及碳排放情况分析 水煤气制氢 煤棒系统 主要碳排放为电能的间接排放和烘干用蒸汽的间接排放或燃煤的直接排放 造气系统 原料用煤，主要碳排放为电能的间接排放和烘干用蒸汽的间接排放 脱硫系统 主要能耗为动力设备用电，主要碳排放为电能的间接排放 变换系统 主要碳排放为电能的间接排放。这一系统一般有热量回收系统副产蒸汽，可以降低能耗和碳排放 变换气脱硫系统 主要能耗为动力设备用电，主要碳排放为电能的间接排放 脱碳系统 主要碳排放为原料气中的二氧化碳被吸收后解吸排放，次要排放为电能的间接排放。部分企业在这一系统回收液体二氧化碳 工艺 工艺系统 能源消耗情况及碳排放情况分析 电解水制氢 电解槽系统 主要能耗为动力设备用电和电解用电，几乎无碳排放。 碱液循环系统 主要能耗为动力设备用电，几乎无碳排放。 氢氧气分离洗涤系统 主要能耗为动力设备用电，几乎无碳排放。 氢气纯化系统 主要能耗为动力设备用电，几乎无碳排放。 图：传统合成氨制氢部分工艺系统能耗及碳排放情况分析图：绿氢合成氨制氢部分工艺系统能耗及碳排放情况分析 数据来源：《双碳背景下合成氨的发展研究》，中泰证券研究所数据来源：《双碳背景下合成氨的发展研究》，中泰证券研究所5 绿氨和灰氨在制氨部分工艺相同。传统灰氨制备在制氨环节采用哈伯-博世法工艺；绿氨制备在制氢段主要利用可再生能源电力电解水生产绿氢，在制氨段采用和灰氨制备同样的哈伯-博世法工艺，且所用设备和灰氨制氨部分所用设备几乎一致，生产设备改造成本较低。 传统哈伯-博世法（热催化+高温高压）耦合氢技术成熟。哈伯-博世法是指反应压力在150-200bar，反应温度在400-500℃，在铁基催化剂作用下，氢气和氮气合成氨。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。 图：哈伯-博世法（热催化+高温高压）耦合氨 数据来源：KPMG，中泰证券研究所 目前的绿氨生产工艺仍有优化空间。现在的哈伯-博世生产工艺是按照化石燃料原料生产要求进行优化的，运行灵活性有限，难以适应分布式的风光绿氢绿电场景。该工艺如要适配具有波动性、间接性和不确定性的可再生能源，须配套一定量的储能设施、并对装置的工艺方案加以改造，最大限度的保证绿电绿氢的稳定供应，面对未来大规模制取绿氨的需 求，还需探索新技术。 图：潜在的无碳排放合成氨路径 新型绿色合成氨技术仍处于探索阶段。目前新兴的绿色的合成氨技术持续研发中，包括热催化+低温低压法耦合绿氢、光催化合成氨、电催化合成氨、生物酶固氮合成氨、等离子驱动合成氨等，其中光催化与电催化合成氨的关注度较高，新型的合成氨方法其核心是可以实现在温和条件下（常温常压）有效活化氮氮三键，大幅度降低合成氨所需的能耗但这些新型合成氨技术还处于实验室研发阶段，仍需要克服反应选择性差、反应速率低等难题，尽管近年来取得较大的进展，但离商业化仍 有距离。 数据来源：《双碳背景下绿色氨能的应用场景及展望》，中泰证券研究所 中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 目录 一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘二、绿氨掺烧是节能减碳的必由之路 三、绿氨在燃料领域当前已具备成本竞争力四、绿氨掺烧显著促进合成氨需求提升 五、绿氨带动绿氢打开成长新空间六、投资建议 七、风险提示 8 绿氨掺烧是煤电低碳化三大改造和建设方式之一。2024年7月，国家发展改革委与国家能源局联合发布了《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027年)》，其中提到未来将通过生物质掺烧、绿氨掺烧、碳捕集利用与封存进行煤电低碳化改造。其中明确要求改造建设后煤电机组应具备掺烧10%以上绿氨能力。 如何选择技术路线的关键在于因地制宜。①生物质掺烧项目所在地应具备长期稳定可获得的农林废弃物、沙生植物、能源植物等生物质资源。②绿氨掺烧方面，所在地应具备可靠的绿氨来源，并具有丰富的可再生能源资源以满足绿氨制备需要。③碳捕集利用与封存的项目所在地及周边应具备二氧化碳资源化利用场景，或具有长期稳定地质封存条件。 图：改造和建设方式 方式 内容 生物质掺烧 利用农林废弃物、沙生植物、能源植物等生物质资源，综合考虑生物质资源供应、煤电机组运行安全要求、灵活性调节需要、运行效率保障和经济可行性等因素，实施煤电机组耦合生物质发电。 绿氨掺烧 利用风电、太阳能发电等可再生能源富余电力，通过电解水制绿氢并合成绿氨，实施燃煤机组掺烧绿氨发电，替代部分燃煤。 碳捕集利用与封存 采用化学法、吸附法、膜法等技术，分离捕集燃煤锅炉烟气中的二氧化碳，通过压力、温度调节等方式实现二氧化碳再生并提纯压缩。推广应用二氧化碳高效驱油等地质利用技术、二氧化碳加氢制甲醇等化工利用技术。因地制宜实施二氧化碳地质封存。 绿氨掺烧作为碳中和进程的过渡具有多项优势。氨作为零碳燃料和氢能的高效载体，可经由绿电、绿氢产生绿氨，生产过程实现零碳排放。2023年，我国燃煤发电产生的碳排放约占总碳排放的40%，然而我国的火力发电占总发电量的70%，短时间内仍为主力的电源形式。使用绿氨部分替代煤炭可以作为碳中和进程的过渡具有多项优势：①避免了火电资产的浪费；②不需要新建、改造电网，可以充分利用好源网荷储的各个设备设施；③氨作为燃料的燃烧，不仅可以应用到火电，随着技术的成熟和迭代升级，还可以扩展到其他的燃煤工业中。 图：2018-2023年全国火电装机容量（GW） 图：2023年全国碳排放占比图：2023年全国发电量来源占比 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1390 1246 1297 1333 1144 1190 201820192020202120222023 60% 燃煤发电其他 40% 5%3% 9% 13% 70% 火电水电风电核电太阳能 绿氨掺烧可以有效降低碳排放。由于氨气分子结构中不含碳元素，燃烧生产物为氮气和水，因此在火力发电中掺一定比例的氨可降低CO和CO2排放。日本化学家石原等人用化学反应模型结合计算机和详细的化学反应机理模拟了1000MW电站锅炉的排放情况，模拟结果显示，当掺氨比例上升，CO和CO2排放逐渐降低。 氨燃烧还有高能量密度，燃烧效率高等特性。氨燃烧相较传统燃料还有如下优势：1）高能量密度：氨的体积能量密度较高，与化石燃料相当，能够提供与传统燃料类似的能量输出。2）高燃烧效率：氨燃烧的绝热火焰温度较低，传热损失小，有助于提高内燃机的燃烧效率。3）抗爆震性能：氨的辛烷值较高，抗爆震性能好，可以在内燃机中实现更高的压缩比，提高热效率等优势。 图：不同掺氨比例相对于纯煤燃烧的𝑪𝑶�排放比值 数据来源：《氨燃料经济性分析及煤氨混燃研究进展》，中泰证券研究所 图：不同掺氨比例相对于纯煤燃烧的CO排放比值 数据来源：《氨燃料经济性分析及煤氨混燃研究进展》，中泰证券研究所 掺氨燃烧仍面临一定挑战。在实际工作中，除储运所面临的问题之外，氨燃烧相较煤燃烧仍有以下挑战：1）点火与火焰稳定性：氨的点火能量需求高且燃烧速度慢，需更高压缩比或更强的点火系统；2）燃烧效率与污染物控制：掺氨燃烧过程中，需要确保氨与煤的充分混合和均匀燃烧，以提高燃烧效率并减少污染物（NOX）的生成和未充分燃烧氨气的逃逸；3）材料选择与研发：由于氨在高温下具有腐蚀性，传统的锅炉材料可能无法满足掺氨燃烧的需求。 我国掺氨燃烧已具备成熟的技术基础。2023年，皖能铜陵发电有限公司实现300MW燃煤机组掺氨燃烧试验实现最高掺氨35%的平稳运行，氨燃尽率达到99.99%，氨逃逸率低于每立方米2毫克，排烟氮氧化物(NOx)浓度可控可降，锅炉效率与燃煤工况相当；同年国家能源集团继续在600MW燃煤机组上成功实施了掺氨燃烧试验，攻克600MW锅炉燃烧不稳，排烟氮 氧化物生成量大等关键技术难题指日可待。 图：掺氨燃烧面临的主要问题与解决方案 主要挑战 主要问题 优化方式 点火与火焰稳定性 氨的点火能量需求较高，且燃烧速度较慢，这可能导致燃烧过程中的火焰稳定性较差。为了克服这一难题，需要采用先进的点火技术和火焰稳定装置 需要采用先进的点火技术和火焰稳定装置，如预混合燃烧技术、多级点火系统等，以提高氨气的点火成功率和火焰稳定性。 污染物控制 在掺氨燃烧过程中，如果氨未能完全燃烧，可能会以氨气的形式逃逸到大气中，造成二次污染。