氢能行业洞察系列研究之一：绿氨掺烧—煤改新政有望打开绿氢绿氨发展空间

1中 泰 证 券 研 究 所专 业 ｜ 领 先 ｜ 深 度 ｜ 诚 信｜证券研究报告｜2024年10月5日绿氨掺烧—煤改新政有望打开绿氢绿氨发展空间氢能洞察系列研究之一分析师：曾 彪 SAC NO. S0740522020001 Email：zengbiao@zts.com.cn 分析师：赵宇鹏 SAC NO. S0740522100005 Email：zhaoyp02@zts.com.cn 2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3一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘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4一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘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）数据来源：毕马威、落基山研究所、中泰证券研究所数据来源：iFind，中泰证券研究所图：合成氨在中国不同产业中的用量及预测（百万吨）5一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘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。图：传统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》，中泰证券研究所图：绿氢合成氨制氢部分工艺系统能耗及碳排放情况分析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。6一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘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7一、氨气的绿色燃料属性亟待发掘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。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。8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9二、绿氨掺烧是节能减碳的必由之路绿氨掺烧是煤电低碳化三大改造和建设方式之一。2024年7