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化工:氫氣作為工業原料直接消納,項目升級減碳將帶動綠氫需求

發布者: 超級管理員 來源: 本站 發布時間: 2023-10-20 已訪問: 523 次


2.1 傳統高碳排放工業新增產能受控,氫基綠色化工將成為產業轉型重要突破口

推動能耗雙控轉向碳排放雙控,高碳排放產業受控。我國逐步把碳排放總量納入考慮, 實施碳排放雙控可以有效避免能源總量控制的局限性,在控制化石能源消費的同時鼓勵 可再生能源發展,并且給予地方政府更多的綠色空間。國家發改委發布的《產業結構調 整指導目錄(2023 年本)》由鼓勵、限制和淘汰三類目錄組成,傳統方式制備的工業合 成氨、甲醇、煉化、冶金等被歸類為限制或淘汰類,其新增產能將會受到限制。

產業結構轉型背景下,傳統化工工業綠色升級改造受到積極引導。目前國內化工工業行 業仍屬于以化石燃料為主要能源基礎和原料的高耗能高碳排放行業,新型產業結構轉型 背景下,傳統高耗能、高碳排放的項目新增產能將受到擴張限制?!陡吆哪苄袠I重點領域 節能降碳改造升級實施指南(2022 年版)》,針對煉油、煤化工、合成氨等化工行業出臺 了具體的實施指南,提出引導工藝和技術綠色化水平的升級改造、相關前沿技術加強攻 關并加快淘汰不符合綠色低碳轉型要求的落后設備和技術,相關政策為以可再生氫為基 礎的清潔化工產業發展奠定了發展基礎。

氫基綠色化工將成為產業轉型的重要突破口,綠氫需求先后受替代滲透和新增項目帶動。 氫氣在化工領域被廣泛運用為原料,隨著環保、準入等政策的出臺和實施,傳統化工加 清潔能源配套項目受到積極推廣,氫基綠色化工將成為化工產業的重要轉型方向。綠氫 在化工行業驅動力來自現有替代及新增需求兩部分,包括既有傳統工藝流程的綠氫替代 和新型化工生產的綠氫利用兩種模式。由于現代化工項目工藝復雜、投資大且周期長, 綠氫作為原料在化工生產中的大規模利用需要進行較多產線的升級改造,短期內成本較 高且風險較大,因此短期內綠氫將主要在既有傳統工藝流程中發揮對傳統化石能源制氫 的替代作用,并在條件相對成熟的少部分綠氫新型化工項目中逐步開展試點應用。新型 化工路徑采取的工藝技術不同于現有傳統生產路徑,已有項目進行改造的難度大,因而 僅適用于新建項目。

合成氨、甲醇的生產在中國以煤化工為主要路徑,工廠大多采用煤氣化制氫的傳統 方式獲取氫氣。 石油煉化作為石油化工行業的主要生產環節,對氫氣的需求量大,大型煉化廠幾乎 均有場內制氫設備,采取天然氣重整或煤氣化作為主要氫氣供給方式。

2.2 合成氨產能有望迎來逐步恢復,綠氫合成氨將率先實現規?;痉稇?/strong>

合成氨供需趨緊,產能有望迎來逐步恢復。過去國內合成氨產能面臨嚴重過剩問題,從 統計數據看,2017 年國內合成氨產能超過同年合成氨表觀消費量約 25.9%,十三五以來, 工信部要求合成氨行業淘汰高碳排放的落后工藝縮減產能,從 2016 年到 2022 年國內合 成氨產能下降近 700 萬噸/年(2016 年產能 7156 萬噸)。受農業需求拉動,合成氨表觀消 費量與產量快速增長,供需態勢縮緊。我國合成氨消費中農業消費量(尿素等氮肥)占 到了總消費量的約七成,2018 年起國內開始調整種植結構,農作物播種面積上漲、氮肥 需求增加,根據國家統計局數據,2018 年至 2021 年氮肥產量年均增長率達 3.2%,合成 氨表觀消費量跟隨上漲,年均增長 8.6%。

合成氨制備過程需大量氫氣,傳統制備方式碳排放量高。氨是最基礎的化工原料之一, 在化工領域被廣泛應用,作為工業上最基本、結構最簡單的含氮原料,幾乎所有的含氮 化合物的最上游都源自于氨。氨可用于尿素等化肥農業原料(氮肥)、以及硝酸等化工用 品生產,也可用作新型綠色燃料。工業上高溫高壓下氮氣與氫氣反應合成氨,傳統的合 成氨在生產氫氣原料的過程中采用的是煤或者天然氣制氫,生產過程中產生大量碳排放。 根據中國氣體工業協會數據,2020 年我國合成氨行業二氧化碳的總排放量 2.19 億噸,占 到了化工行業排放總量的 19.9%。

制氫環節是工業合成氨主要碳排放來源,電解水制氫可實現零碳排放。合成氨工業對氫 氣來源無特殊要求,可采用綠氫替代煤制氫與天然氣制氫,替代煤制氫后減碳超 2 億噸/ 年,實現除供熱環節外的零碳排放。傳統工業合成氨生產采用 Harber—Bosch 工藝,反 應方程式為 3H2+N2→2NH3,其中的 N2來自空氣分離,工藝簡單,氫氣來自煤制氫或天然氣 制氫,工藝較為復雜。煤制氫合成氨以及天然氣制氫合成氨都是“留氫去碳”,碳排放較 為嚴重,是合成氨工業主要的碳排放來源。 電解水制氫:反應方程式為:2H2O→2H2+O2。根據電解水制氫方程式,生產氫氣不產 生碳排放。煤制氫:反應方程式為:煤炭+02→CO+H2,CO+H2O→H2+CO2。煤制氫工廠平均每生產 1 噸氫氣碳排放約 25 噸,僅從原料消耗角度看,煤制氫路線的合成氨碳排放約為 4.2 噸/噸氨,依據我國約 6000 萬噸/年的合成氨產量、70%為煤制氨計算,煤制氨碳排 放約 2 億噸/年。 天然氣制氫:反應方程式為:CH4+02→CO2+2H2。根據天然氣制氫方程式,生產 1 噸氫 氣約排放二氧化碳 10 噸,僅從原料消耗角度看,天然氣制氫路線的合成氨碳排放約 為 2 噸/噸氨。

綠氨規劃已超 800 萬噸,有望率先實現規?;痉?,將帶動百萬噸氫氣增量。根據當前 綠氨各項目規劃統計,規劃量級已超 800 萬噸,項目地點多集中于內蒙古、河北、甘肅、 遼寧等地區,根據合成氨工藝流程,每噸合成氨需氫約 0.18 噸,800 萬噸綠氨規劃對應 約 144 萬噸氫氣增量。

2.3 甲醇產能整合升級,綠色甲醇有望成為甲醇新增產能突破口

目前國內甲醇產業整體供過于求且各區域差異大,原料結構對煤炭的依賴度高,易受國 外低成本甲醇的沖擊。未來預計甲醇下游消費增長將以 MTO/MTP(甲醇制烯烴)、甲醇燃 料等新興下游帶動,政策引導下優勝劣汰產能整合升級以提高競爭力。

碳排放雙控下,綠色甲醇有望成為甲醇新增產能突破口??紤]碳排放雙控下煤制甲醇新 項目難以獲批,采用綠氫制備的綠色甲醇將成為未來增加甲醇產能的突破口,相關項目 逐漸在西北、西南等地區開展,例如“液態陽光”等新型工藝示范項目。根據甲醇合成 工藝流程,每噸綠色甲醇需氫約 0.19 噸,450 萬噸綠色甲醇規劃對應約 86 萬噸氫氣增 量。

船舶轉型綠色燃料技術路線,帶動甲醇新增需求。國際海事組織(IMO)公布的數據顯示, 船舶行業每年的碳排放量約為 10.76 億噸,占全球二氧化碳排放總量的 2.89%,并呈繼續 增加的趨勢。近期,MEPC8 會議、歐盟 Fit for 55 等計劃加速推進航運領域脫碳進程, 同時國際海運溫室氣體年度排放總量標準規劃出臺,規定 2030/2040 年較 2008 年至少降 低 20%/70%、力爭降低 30%/80%。脫碳目標將推動船舶向清潔能源轉型,即 LNG 動力、甲 醇動力、氨動力、氫動力等船舶在未來船舶新增的比例里將進一步提升。甲醇作為其中 最受關注的可替代燃料之一,需求將受益于船舶綠色化轉型帶動。

2.4 高端化、綠色化發展成為新趨勢,綠氫煉化將成為石化工業碳中和的關鍵

“十四五”期間,化工產品高端化、綠色化發展成為新趨勢。目前煉廠加氫裝置對氫氣 的需求主要靠重整氫,重整氫氣是煉廠最重要的廉價氫氣資源,重整的氫氣產率為進料 2.5%—3.5%,每噸進料可提供 300—500Nm3副產氫,但原油中 65—165℃餾分加上加氫裂 化裝置的石腦油,重整原料約占原油的 15%,因此重整副產氫最多只占原油產量的 0.5%, 而全廠用氫量一般占原油的 0.8%—1.4%。隨著加氫裝置的陸續建成,重整氫已不能滿足 對氫氣日益增大的需求。煉化新工藝的發展意味著工藝環節的精細化,對加氫的數量和 質量提出了更高的要求。隨著大量煉化一體化園區的投產,預計在中短期內,煉化會成 為氫氣大規模應用的下游領域,根據中國石油經濟研究院的數據,目前每年全國大約有 6 億噸的原油加工量規模,對應的氫氣需求量約為 900 萬噸。

綠氫煉化的標志性項目已投產:中石化 6 月 30 日新疆庫車綠氫示范項目順利產氫, 產出的氫氣通過管道輸送到中國石化塔河煉化,替代現有天然氣化石能源制氫。該 項目實現了綠氫生產到利用全流程貫通,也標志著我國首次實現萬噸級綠氫煉化項 目全產業鏈貫通。

石化工業減碳已成趨勢,綠氫煉化將成為石化工業實現碳中和的必由之路。綠氫煉化已 列入《“十四五”全國清潔生產推行方案》中,文件明確提出石化化工行業實施綠氫煉化 降碳工程,煉廠綠氫滲透率將有望穩步提升。受到上游原料供應來源、工業基礎以及下 游消費市場等因素影響,目前煉廠的區域布局以東部沿海地區為主。隨著“雙碳”和相 關行業政策的推進,石化產品市場總需求雖然增長顯著度不高,但未來大型煉化一體化 裝置的投產仍然將增長部分產能,同時部分規模較小的獨立煉廠將面臨淘汰或兼并重組, 煉廠總產量預計與目前水平持平。盡管目前煉油廠采用綠氫的成本高于化石燃料制氫的成本,但隨著中國整體石化行業升級轉型和愈發明確的政策信號,考慮產能替換減碳、 重大項目落地和綠氫成本下降加速等因素,未來西南、西北、東北等地區煉廠綠氫滲透 率將穩步提升。


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