绿色制氨技术进展

一、技术基本范畴

氨的制备工艺包括灰氨、蓝氨、绿氨三种工艺。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。

二、技术发展现状及态势

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1所示。

图1 Haber-Bosch改进工艺（水电解产生绿色H2生产绿色NH3）

图1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1所示。

表1 碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物电解水（SOE）生产绿色H2的技术指标对比

参考文献：

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