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化工:氢气作为工业原料直接消纳,项目升级减碳将带动绿氢需求

发布者: 超级管理员 来源: 本站 发布时间: 2023-10-20 已访问: 367 次


2.1 传统高碳排放工业新增产能受控,氢基绿色化工将成为产业转型重要突破口

推动能耗双控转向碳排放双控,高碳排放产业受控。我国逐步把碳排放总量纳入考虑, 实施碳排放双控可以有效避免能源总量控制的局限性,在控制化石能源消费的同时鼓励 可再生能源发展,并且给予地方政府更多的绿色空间。国家发改委发布的《产业结构调 整指导目录(2023 年本)》由鼓励、限制和淘汰三类目录组成,传统方式制备的工业合 成氨、甲醇、炼化、冶金等被归类为限制或淘汰类,其新增产能将会受到限制。

产业结构转型背景下,传统化工工业绿色升级改造受到积极引导。目前国内化工工业行 业仍属于以化石燃料为主要能源基础和原料的高耗能高碳排放行业,新型产业结构转型 背景下,传统高耗能、高碳排放的项目新增产能将受到扩张限制。《高耗能行业重点领域 节能降碳改造升级实施指南(2022 年版)》,针对炼油、煤化工、合成氨等化工行业出台 了具体的实施指南,提出引导工艺和技术绿色化水平的升级改造、相关前沿技术加强攻 关并加快淘汰不符合绿色低碳转型要求的落后设备和技术,相关政策为以可再生氢为基 础的清洁化工产业发展奠定了发展基础。

氢基绿色化工将成为产业转型的重要突破口,绿氢需求先后受替代渗透和新增项目带动。 氢气在化工领域被广泛运用为原料,随着环保、准入等政策的出台和实施,传统化工加 清洁能源配套项目受到积极推广,氢基绿色化工将成为化工产业的重要转型方向。绿氢 在化工行业驱动力来自现有替代及新增需求两部分,包括既有传统工艺流程的绿氢替代 和新型化工生产的绿氢利用两种模式。由于现代化工项目工艺复杂、投资大且周期长, 绿氢作为原料在化工生产中的大规模利用需要进行较多产线的升级改造,短期内成本较 高且风险较大,因此短期内绿氢将主要在既有传统工艺流程中发挥对传统化石能源制氢 的替代作用,并在条件相对成熟的少部分绿氢新型化工项目中逐步开展试点应用。新型 化工路径采取的工艺技术不同于现有传统生产路径,已有项目进行改造的难度大,因而 仅适用于新建项目。

合成氨、甲醇的生产在中国以煤化工为主要路径,工厂大多采用煤气化制氢的传统 方式获取氢气。 石油炼化作为石油化工行业的主要生产环节,对氢气的需求量大,大型炼化厂几乎 均有场内制氢设备,采取天然气重整或煤气化作为主要氢气供给方式。

2.2 合成氨产能有望迎来逐步恢复,绿氢合成氨将率先实现规模化示范应用

合成氨供需趋紧,产能有望迎来逐步恢复。过去国内合成氨产能面临严重过剩问题,从 统计数据看,2017 年国内合成氨产能超过同年合成氨表观消费量约 25.9%,十三五以来, 工信部要求合成氨行业淘汰高碳排放的落后工艺缩减产能,从 2016 年到 2022 年国内合 成氨产能下降近 700 万吨/年(2016 年产能 7156 万吨)。受农业需求拉动,合成氨表观消 费量与产量快速增长,供需态势缩紧。我国合成氨消费中农业消费量(尿素等氮肥)占 到了总消费量的约七成,2018 年起国内开始调整种植结构,农作物播种面积上涨、氮肥 需求增加,根据国家统计局数据,2018 年至 2021 年氮肥产量年均增长率达 3.2%,合成 氨表观消费量跟随上涨,年均增长 8.6%。

合成氨制备过程需大量氢气,传统制备方式碳排放量高。氨是最基础的化工原料之一, 在化工领域被广泛应用,作为工业上最基本、结构最简单的含氮原料,几乎所有的含氮 化合物的最上游都源自于氨。氨可用于尿素等化肥农业原料(氮肥)、以及硝酸等化工用 品生产,也可用作新型绿色燃料。工业上高温高压下氮气与氢气反应合成氨,传统的合 成氨在生产氢气原料的过程中采用的是煤或者天然气制氢,生产过程中产生大量碳排放。 根据中国气体工业协会数据,2020 年我国合成氨行业二氧化碳的总排放量 2.19 亿吨,占 到了化工行业排放总量的 19.9%。

制氢环节是工业合成氨主要碳排放来源,电解水制氢可实现零碳排放。合成氨工业对氢 气来源无特殊要求,可采用绿氢替代煤制氢与天然气制氢,替代煤制氢后减碳超 2 亿吨/ 年,实现除供热环节外的零碳排放。传统工业合成氨生产采用 Harber—Bosch 工艺,反 应方程式为 3H2+N2→2NH3,其中的 N2来自空气分离,工艺简单,氢气来自煤制氢或天然气 制氢,工艺较为复杂。煤制氢合成氨以及天然气制氢合成氨都是“留氢去碳”,碳排放较 为严重,是合成氨工业主要的碳排放来源。 电解水制氢:反应方程式为:2H2O→2H2+O2。根据电解水制氢方程式,生产氢气不产 生碳排放。煤制氢:反应方程式为:煤炭+02→CO+H2,CO+H2O→H2+CO2。煤制氢工厂平均每生产 1 吨氢气碳排放约 25 吨,仅从原料消耗角度看,煤制氢路线的合成氨碳排放约为 4.2 吨/吨氨,依据我国约 6000 万吨/年的合成氨产量、70%为煤制氨计算,煤制氨碳排 放约 2 亿吨/年。 天然气制氢:反应方程式为:CH4+02→CO2+2H2。根据天然气制氢方程式,生产 1 吨氢 气约排放二氧化碳 10 吨,仅从原料消耗角度看,天然气制氢路线的合成氨碳排放约 为 2 吨/吨氨。

绿氨规划已超 800 万吨,有望率先实现规模化示范,将带动百万吨氢气增量。根据当前 绿氨各项目规划统计,规划量级已超 800 万吨,项目地点多集中于内蒙古、河北、甘肃、 辽宁等地区,根据合成氨工艺流程,每吨合成氨需氢约 0.18 吨,800 万吨绿氨规划对应 约 144 万吨氢气增量。

2.3 甲醇产能整合升级,绿色甲醇有望成为甲醇新增产能突破口

目前国内甲醇产业整体供过于求且各区域差异大,原料结构对煤炭的依赖度高,易受国 外低成本甲醇的冲击。未来预计甲醇下游消费增长将以 MTO/MTP(甲醇制烯烃)、甲醇燃 料等新兴下游带动,政策引导下优胜劣汰产能整合升级以提高竞争力。

碳排放双控下,绿色甲醇有望成为甲醇新增产能突破口。考虑碳排放双控下煤制甲醇新 项目难以获批,采用绿氢制备的绿色甲醇将成为未来增加甲醇产能的突破口,相关项目 逐渐在西北、西南等地区开展,例如“液态阳光”等新型工艺示范项目。根据甲醇合成 工艺流程,每吨绿色甲醇需氢约 0.19 吨,450 万吨绿色甲醇规划对应约 86 万吨氢气增 量。

船舶转型绿色燃料技术路线,带动甲醇新增需求。国际海事组织(IMO)公布的数据显示, 船舶行业每年的碳排放量约为 10.76 亿吨,占全球二氧化碳排放总量的 2.89%,并呈继续 增加的趋势。近期,MEPC8 会议、欧盟 Fit for 55 等计划加速推进航运领域脱碳进程, 同时国际海运温室气体年度排放总量标准规划出台,规定 2030/2040 年较 2008 年至少降 低 20%/70%、力争降低 30%/80%。脱碳目标将推动船舶向清洁能源转型,即 LNG 动力、甲 醇动力、氨动力、氢动力等船舶在未来船舶新增的比例里将进一步提升。甲醇作为其中 最受关注的可替代燃料之一,需求将受益于船舶绿色化转型带动。

2.4 高端化、绿色化发展成为新趋势,绿氢炼化将成为石化工业碳中和的关键

“十四五”期间,化工产品高端化、绿色化发展成为新趋势。目前炼厂加氢装置对氢气 的需求主要靠重整氢,重整氢气是炼厂最重要的廉价氢气资源,重整的氢气产率为进料 2.5%—3.5%,每吨进料可提供 300—500Nm3副产氢,但原油中 65—165℃馏分加上加氢裂 化装置的石脑油,重整原料约占原油的 15%,因此重整副产氢最多只占原油产量的 0.5%, 而全厂用氢量一般占原油的 0.8%—1.4%。随着加氢装置的陆续建成,重整氢已不能满足 对氢气日益增大的需求。炼化新工艺的发展意味着工艺环节的精细化,对加氢的数量和 质量提出了更高的要求。随着大量炼化一体化园区的投产,预计在中短期内,炼化会成 为氢气大规模应用的下游领域,根据中国石油经济研究院的数据,目前每年全国大约有 6 亿吨的原油加工量规模,对应的氢气需求量约为 900 万吨。

绿氢炼化的标志性项目已投产:中石化 6 月 30 日新疆库车绿氢示范项目顺利产氢, 产出的氢气通过管道输送到中国石化塔河炼化,替代现有天然气化石能源制氢。该 项目实现了绿氢生产到利用全流程贯通,也标志着我国首次实现万吨级绿氢炼化项 目全产业链贯通。

石化工业减碳已成趋势,绿氢炼化将成为石化工业实现碳中和的必由之路。绿氢炼化已 列入《“十四五”全国清洁生产推行方案》中,文件明确提出石化化工行业实施绿氢炼化 降碳工程,炼厂绿氢渗透率将有望稳步提升。受到上游原料供应来源、工业基础以及下 游消费市场等因素影响,目前炼厂的区域布局以东部沿海地区为主。随着“双碳”和相 关行业政策的推进,石化产品市场总需求虽然增长显著度不高,但未来大型炼化一体化 装置的投产仍然将增长部分产能,同时部分规模较小的独立炼厂将面临淘汰或兼并重组, 炼厂总产量预计与目前水平持平。尽管目前炼油厂采用绿氢的成本高于化石燃料制氢的成本,但随着中国整体石化行业升级转型和愈发明确的政策信号,考虑产能替换减碳、 重大项目落地和绿氢成本下降加速等因素,未来西南、西北、东北等地区炼厂绿氢渗透 率将稳步提升。