李十中

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

生物經(jīng)濟已成為人類社會發(fā)展的新引擎，預(yù)計到2030年，將占全球制造業(yè)產(chǎn)出的1／3，價值30萬億美元［1］。發(fā)展生物經(jīng)濟，建立本土穩(wěn)定的燃料、材料和化學(xué)品供應(yīng)鏈，推動農(nóng)業(yè)創(chuàng)新，確保糧食和能源安全，減輕氣候變化的影響，已成為國際共識［2，3］。2022年12月20日，白宮發(fā)布的國家生物經(jīng)濟與生物制造計劃征求意見文件，明確提出了美國發(fā)展生物經(jīng)濟和生物制造的目的，共4方面：1）健康：生物技術(shù)和生物制造，以實現(xiàn)醫(yī)學(xué)突破、改善健康水平或減輕疾病給大眾造成的負擔(dān)。2）氣候和能源：生物技術(shù)、生物制造、生物能源和生物基產(chǎn)品，以應(yīng)對氣候變化的根源，適應(yīng)和減輕氣候變化的影響，包括固碳和減少溫室氣體排放。3）糧食和農(nóng)業(yè)：用于糧食和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新的生物技術(shù)和生物制造，包括通過提高可持續(xù)性和土地保護；提高食品質(zhì)量和營養(yǎng)；增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量；防止動植物病蟲害；并培育替代食物來源。4）供應(yīng)鏈彈性：跨經(jīng)濟部門的生物技術(shù)和生物制造，以加強美國供應(yīng)鏈的彈性，例如解決特定的供應(yīng)鏈瓶頸和開發(fā)新型生產(chǎn)方法。由此看出醫(yī)藥只是其中一小部分，主要還是本土生產(chǎn)糧食和能源，建立國內(nèi)穩(wěn)定的產(chǎn)品供應(yīng)鏈［4］。中國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富。2022年5月，我國順應(yīng)全球生物經(jīng)濟發(fā)展的時代大勢，發(fā)布了首個國家層面的生物經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，明確提出面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生物農(nóng)業(yè)、面向綠色低碳的生物質(zhì)替代應(yīng)用等4大優(yōu)先重點發(fā)展領(lǐng)域。對此，本文從技術(shù)優(yōu)勢、生產(chǎn)技術(shù)、資源狀況及商業(yè)化挑戰(zhàn)等對生物氨發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，以期為我國發(fā)展生物氨相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用，進而推動農(nóng)業(yè)與能源綠色轉(zhuǎn)型、促進生物經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 生物氨是農(nóng)業(yè)和能源綠色轉(zhuǎn)型重要途徑之一

農(nóng)業(yè)和能源是生物經(jīng)濟的兩大核心領(lǐng)域?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)大量使用以化石資源為原料生產(chǎn)的化肥、農(nóng)藥、柴油等農(nóng)用化學(xué)石油基產(chǎn)品，使本來吸收二氧化碳（Carbon Dioxide，CO2）的綠色農(nóng)業(yè)變成排放CO2的“石油農(nóng)業(yè)”。歐盟在“Fit for 55”計劃中強調(diào)要提高土壤固碳能力［5］；美國也正考慮調(diào)整政策，發(fā)揮玉米吸收和儲存CO2的優(yōu)勢，鼓勵農(nóng)民種植玉米和生產(chǎn)乙醇，也從固碳中獲得收益［6］。如每畝玉米可吸收1872.75公斤若使用可再生氨生產(chǎn)的化肥，就促進了農(nóng)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省（METI）制定了燃料氨研發(fā)和社會實施計劃，投入688億日元開展“燃料氨供應(yīng)鏈建設(shè)”（Fuel Ammonia Supply Chain Establishment Project）項目研發(fā)［8］?！半妱踊笔乔鍧嵞茉崔D(zhuǎn)型過程一個常見的口號，但并非所有交通工具都能電動化，在難以實現(xiàn)電動化和降低碳密度的商用車、海運和航空領(lǐng)域，就只能依靠可再 生 燃 料［9］。國 際 海 事 組 織（International Maritime Organization，IMO）估計，國際航運占全球總CO2排放量的2.2%，并且隨著經(jīng)濟發(fā)展還會增加［10］。用氨做遠洋貨船燃料不排放CO2，而且還可以與極低硫燃料油雙燃料操作，能最大限度地降低燃料成本和滿足未來的排放法規(guī)要求［11，12］。意大利Fratelli公司已與我國南通中集太平洋海洋工程有限公司（Nantong CIMC Sinopacific Offshore＆Engineering Co.，Ltd，CIMC SOE）簽署協(xié)議，建造一艘氨燃料油輪［13］。因此，氨不僅是化肥和基本有機化學(xué)工業(yè)的主要原料，而且還是氫的載體和無碳燃料［14，15］，并已在火電廠做為燃料與煤共混發(fā)電［16，17］。

目前，氨的生產(chǎn)都是以煤或天然氣為原料制氫，既不可持續(xù)，又釋放出大量CO2。2019年全球氨產(chǎn)量為1.5億噸，消耗世界上2%的化石燃料，排放4億噸CO2，占全球總排放量的1%；預(yù)計到2050年氨產(chǎn)量將達3.5億噸，意味著9.33億噸的CO2排放［18］。無論是從農(nóng)業(yè)還是能源的角度出發(fā)，用不產(chǎn)生CO2的氫氣生產(chǎn)氨，有利于加速向碳中和的世界過渡。生產(chǎn)無CO2排放的清潔氨已成國際大勢，到2027年全球計劃建設(shè)20個基于可再生能源制氫的“綠氨”項目，產(chǎn)能超過1000萬噸／年［19］。

2 現(xiàn)行清潔氨生產(chǎn)技術(shù)

世界上最大的氮肥企業(yè)挪威Yara公司計劃用風(fēng)電、光伏發(fā)電電解水制氫，生產(chǎn)50萬噸“綠氨”使農(nóng)業(yè)低碳化［20］，在得到挪威氣候和環(huán)境部下屬機構(gòu)Enova的2.8325億挪威克朗資助后，著手建設(shè)年產(chǎn)2萬噸綠氨示范工廠［21］；2022年6月公司實施內(nèi)部重組，為雅苒清潔氨部門（Yara Clean Ammonia，YCA）在奧斯陸證券交易所潛在首次公開募股IPO做準(zhǔn)備［22］。全球領(lǐng)先的催化劑制造公司丹麥Topsoe公司與Skovgaard Energy、Vestas合作，獲得丹麥政府8100萬丹麥克朗資助的年產(chǎn)5000噸“綠氨”示范項目已于2022年10月5日破土動工，該項目由50 MW太陽能電池板和12 MW渦輪風(fēng)機（共62 MW）發(fā)電制氫，是世界上第一座可用生能源電解水制氫生產(chǎn)“綠氨”的工廠，預(yù)計2023年投入運營［23］。

日本三菱貿(mào)易公司、東洋工程公司與美國阿拉斯加天然氣開發(fā)公司（Alaska Gasline Development Corporation，AGDC）、Hilcorp Alaska公司于2022年10月4日簽署了一項關(guān)于生產(chǎn)“藍氨”可行性研究的協(xié)議?！八{氨”來自阿拉斯加北坡的天然氣，采用碳捕獲和封存技術(shù)，生產(chǎn)后從阿拉斯加出口到日本，用于發(fā)電和船用燃料等，以滿足日本急劇上升的燃料氨需求［24］。為2050年實現(xiàn)碳中和，日本制定了到2030年國內(nèi)燃煤發(fā)電廠氨混燒率達到20%，到2050年高于50%的目標(biāo)。預(yù)計日本的燃料氨需求2030年將達到300萬噸／年，2050年將增加到3000萬噸／年［25］。

歸納起來，現(xiàn)行無CO2氫氣生產(chǎn)技術(shù)有兩種：一是使用可再生能源發(fā)電，再電解水制“綠氫”；二是對天然氣或煤炭制氫產(chǎn)生的CO2進行碳捕獲和儲存，得到“藍氫”，如圖1［26］。

圖1 無CO2排放的清潔氨生產(chǎn)工藝圖Fig．1 Diagram of A Clean Ammonia Production Process with no CO2 Emissions

3 現(xiàn)行清潔氨生產(chǎn)技術(shù)面臨商業(yè)化挑戰(zhàn)

綠氨的成本在很大程度上取決于綠氫的成本，氫占綠氨生產(chǎn)成本的90%。用風(fēng)電、光伏發(fā)電制氫做為綠色合成氨的生產(chǎn)原料尚存在發(fā)電與生產(chǎn)能力的匹配，技術(shù)、工程、經(jīng)濟性等多方面的問題。如Topsoe在丹麥Lemvig市的年產(chǎn)5000噸合成氨項目配備62 MW可再生能源發(fā)電（50 MW新裝太陽能光伏板，12 MW原有的V80-2.0 MW維斯塔斯風(fēng)力渦輪機）系統(tǒng)以滿足制氫需求［23］。目前，一般合成氨廠生產(chǎn)能力至少為年產(chǎn)30萬噸，按Topsoe示范項目類推，需要3720 MW光伏或風(fēng)電電解水制氫才能供應(yīng)30萬噸綠色合成氨所需的氫氣。目前，用風(fēng)電、光伏發(fā)電電解水制氫生產(chǎn)合成氨還不能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，在經(jīng)濟上與現(xiàn)有的化石氨相競爭尚需時日。

2022年9月28日，日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟省主持召開了第2屆國際燃料氨大會（ICFA2022），有9個國家的政府和工業(yè)界代表、以及國際組織共1500多人參會［27］。產(chǎn)經(jīng)省下屬Public-Private Council on Fuel Ammonia的燃料氨供應(yīng)鏈特別工作組在會上分布了《燃料氨供應(yīng)成本分析（項目中期報告）》［28］，在天然氣價格205美元／噸，假設(shè)排放CO2的70%被捕集封存、CO2封存成本40美元／噸時，氨的成本加運費（Cost＆Freight，C＆F）價格為429美元／噸?，F(xiàn)國內(nèi)天然氣價格6250元／噸（折合868美元／噸），如表1［29］，則氨的C＆F價格高達890美元／噸。即使按俄烏戰(zhàn)爭開始前未漲價的天然氣價格2700元／噸（375美元／噸）計算，每噸氨僅原料成本就高達261美元／噸，氨的C＆F價格為547美元／噸。

表1 天然氣價格（中煤鄂爾多斯）Tab.1 Natural Gas Prices（China Coal Erdos）

另外，CO2捕集封存或利用（Carbon Capture and Storage，CCS或Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)尚處于示范階段，從已有結(jié)果看并不理想。2022年1月，Global Witness發(fā)布報告“氫背后的排放”［30］：殼牌在加拿大采用甲烷水蒸氣重整制氫的Albertan Hydrogen Plant耗資10億美元（政府補貼6.54億美元）的碳捕集CCS項目于2015—2019五年間共排放了1246.9萬噸CO2，其中捕集480萬噸，排放766萬噸，碳捕集率38.6%，如圖2。投資10億美元，每年僅捕集96萬噸CO2，如按設(shè)備折舊期10年計算，每年捕集CO2的設(shè)備折舊費就高達104.17美元。顯然，日本產(chǎn)經(jīng)省課題組按CO2被捕集封存70%、成本40美元／噸的假設(shè)太理想化，“藍氨”成本要遠高于429美元／噸［28］。

圖2 CCS項目2015—2019年的CO2捕集與排放量（單位：萬噸）Fig．2 CO2 Capture and Emission of CCS Project in 2015-2019（Units：Millions of Tonnes）

因此，現(xiàn)行的“綠氫”和“藍氫”兩種技術(shù)路線目前都難以實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，需要開發(fā)經(jīng)濟可行的“綠氫”生產(chǎn)合成氨技術(shù)。

4 用生物質(zhì)生產(chǎn)綠氨

目前，合成氨工業(yè)所采用的Haber-Bosch工藝，是在450℃～500℃、200個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，通過催化劑（Fe）作用使N2與H2反應(yīng)生成NH3。氨生產(chǎn)過程中所需要的N2從空氣中分離得到，H2則是以煤或天然氣為原料生產(chǎn)，會排放大量CO2。煤制氫、氨合成反應(yīng)式如下：

從合成氨反應(yīng)過程可以看出，如果炭來自生物質(zhì)，則合成氨過程的CO2凈排放為“零”。這是因為生物質(zhì)是由CO2和H2O經(jīng)光合作用生成的，吸收了空氣中的CO2。秸稈、林業(yè)剩余物等生物質(zhì)采用專有技術(shù)加工后得到生物炭和其他產(chǎn)品；生物炭在制氫過程置換出水中的氫得到氫氣，并與氧結(jié)合以CO2的形式排出。所以，采用生物炭生產(chǎn)合成氨的CO2凈排放為“零”，如圖3。因此，穩(wěn)定、可靠、價格適宜的生物炭原料是實現(xiàn)可再生綠氨商業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。我國在農(nóng)林廢棄物加工利用方面有2項生物煉制技術(shù)取得重要突破，使生物炭生產(chǎn)可再生綠氨成為現(xiàn)實。

圖3 生物炭的碳循環(huán)過程Fig．3 Carbon Cycle Process of Biochar

一是以“物質(zhì)”利用為主的生物質(zhì)精煉技術(shù)（Biomass Refining，BR），將秸稈、林業(yè)剩余物等生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化為原紙（含紙漿）、糠醛或木糖、乙酸、生物炭以及鉀鹽等產(chǎn)品。技術(shù)核心是利用生物溶劑對生物質(zhì)（如玉米秸稈）進行有選擇性地物理溶解和分離，得到木質(zhì)素、半纖維素和纖維素組分，進而分別生產(chǎn)高值化、用途廣泛的生物基產(chǎn)品。在工藝過程中使用的生物溶劑和水，通過蒸發(fā)、蒸餾等手段，全部循環(huán)回收利用，生產(chǎn)過程無污染排放。根據(jù)年處理50萬噸玉米秸稈項目的試生產(chǎn)結(jié)果，每噸秸稈可產(chǎn)416公斤優(yōu)質(zhì)紙漿（纖維素）、80公斤木糖、30公斤醋酸、360公斤生物炭。由于秸稈被煉制成多種高價值產(chǎn)品，所以生物炭能以無煙煤同樣的價格供應(yīng)化肥廠，并且生物炭中的固定炭含量為65%，與煤頭化肥廠原料無煙煤相同，但質(zhì)量高，雜質(zhì)少、幾乎不含硫，有利于合成氨生產(chǎn)。

二是以“能源”利用為主的生物質(zhì)干餾技術(shù)（Biomass Thermal Fractionation，BTF），在高（中）溫?zé)o氧條件下，物秸稈、林業(yè)剩余物等生物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)回路轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器（Rotary Circuit Drum Reactor，RCDR）內(nèi)被分餾成生物質(zhì)燃氣（Biosyngas）、生 物 原 油（Bio-crude）和 生 物 炭（Biochar），以及生物農(nóng)藥（Bio-insecticides）等不同組分，實現(xiàn)生物質(zhì)的高值利用。技術(shù)核心是通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度在可控的連續(xù)干餾過程高效得到不同品質(zhì)的生物炭產(chǎn)品；熱值高的干餾氣與生物原油一起就地直接利用，做為干餾熱源，克服了傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化工藝焦油堵塞難題；還可從干餾氣冷凝液中分離提取農(nóng)藥產(chǎn)品。采用BTF技術(shù)能生產(chǎn)不同級別的生物炭，如炭含量90%的冶金焦級生物炭，或炭含量60%～70%替代無煙煤生產(chǎn)合成氨的生物炭。根據(jù)年處理10萬噸林業(yè)剩余物等木質(zhì)生物質(zhì)裝置運行結(jié)果，每噸生物質(zhì)可產(chǎn)炭含量65%的生物炭450公斤、400 Nm3熱值為4500 Kcl／Nm3干餾煤氣，如對干餾氣進行分離純化，還能得到10 kg生物農(nóng)藥。

以煤為原料的化肥廠用生物質(zhì)生產(chǎn)合成氨，無需改造任何設(shè)備，只是更換原料，所以轉(zhuǎn)型生產(chǎn)綠氨的成本最低。用生物炭生產(chǎn)合成氨與無煙煤一樣，噸氨消耗1.4噸生物炭。當(dāng)前全國無煙煤（各種規(guī)格）均價為2025元／噸，最高報價2200元／噸，最低報價1850元／噸，如表2。如生物炭按無煙煤均價2025元／噸計，每噸綠氨原料成本為2835元。一般煤頭工藝生產(chǎn)合成氨加工費為500元／噸左右［33］；日本產(chǎn)經(jīng)省下屬課題組《燃料氨供應(yīng)成本分析（項目中期報告）》中給出的氣頭工藝生產(chǎn)合成氨加工費為64.4美元（464元）／噸［28］，則用生物炭生產(chǎn)綠氨的成本在3300元／噸左右，可以和傳統(tǒng)的化石氨競爭。目前市場合成氨價格在4000元／噸以上，如表2，綠氨的利潤空間很大；即使與2021年我國進口合成氨的全年均價498美元／噸［33］比較，生產(chǎn)生物氨也有利潤。

表2 全國無煙煤／液氨價格最新行情各個機構(gòu)報價統(tǒng)計表［31，32］Tab.2 The Latest Price Quotes of National Anthracite Coal／Liquid Ammonia from Various Institutions Statistics［31，32］

如果生物炭按2025元／噸出售，將為生物質(zhì)加工企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟收益：生物質(zhì)精煉廠每噸秸稈聯(lián)產(chǎn)360公斤生物炭，價值729元；生物質(zhì)干餾工廠每噸秸稈聯(lián)產(chǎn)450公斤生物炭，價值911元。工廠可把秸稈收購價格提高至500～600元／噸，調(diào)動農(nóng)民積極性，確保原料供應(yīng)。

5 生物氨產(chǎn)業(yè)存在的問題與應(yīng)對策略

根據(jù)《3060零碳生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿λ{皮書》數(shù)據(jù)，我國秸稈可收集資源量約6.94億噸，林業(yè)剩余物可利用量為3.5億噸［34］，共計10.44億噸做為生物氨的原料資源保障。

然而，盡管技術(shù)可行、原料供給充足、行業(yè)轉(zhuǎn)型成本最低，但生物氨尚未起步。究其原因，首先是合成氨行業(yè)尚未把綠色轉(zhuǎn)型做為戰(zhàn)略重點，沒有認識到可再生氨生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)、能源領(lǐng)域綠色轉(zhuǎn)型的重要性。其次，用秸稈等農(nóng)林廢棄物做為工業(yè)原料，尚未建立起成熟的供應(yīng)系統(tǒng)，組織收購秸稈、確保質(zhì)量（防止摻假）和滿足供應(yīng)等方面都需要不斷完善。再次，生物質(zhì)能量密度低，運輸距離短，宜采用分散與集中相結(jié)合的措施就地建廠加以利用，并且加工技術(shù)先進，不存在環(huán)保問題。但目前的政策要求工廠必須進化工園區(qū)，生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化工廠用地審批困難，制約了技術(shù)推廣。最后，持有技術(shù)的公司單獨推廣技術(shù)在資金方面不能滿足大面積建廠需求，很難形成產(chǎn)業(yè)，要有央企、基金、財政介入。針對上述問題，提出如下解決建議。

1）工業(yè)領(lǐng)域碳達峰主管部門工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部要強調(diào)可再生氨對農(nóng)業(yè)、能源綠色轉(zhuǎn)型的重要性，在《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》中明確提出到2030年CO2排放比2020年降低30%或以上的指標(biāo)。

2）引入工業(yè)化市場化理念振興鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)，建議請國資委組織動員涉農(nóng)、涉能、涉化的國資央企和地方國企，以及部分民營企業(yè)等，將推廣秸稈制炭創(chuàng)新技術(shù)作為企業(yè)參與鄉(xiāng)村振興的有效舉措，鼓勵國資央企選擇糧食主產(chǎn)區(qū)投資建設(shè)秸稈加工廠，把生產(chǎn)車間前移、把生產(chǎn)基地下沉推動鄉(xiāng)村一二三產(chǎn)業(yè)高度融合。

3）建議農(nóng)業(yè)、國土、財稅等相關(guān)管理部門針對新產(chǎn)業(yè)，制定新政策、新措施。如秸稈加工制炭企業(yè)可就近建廠，解決低能量密度的生物質(zhì)儲運問題，不強制進化工園區(qū)；工廠用地按設(shè)施農(nóng)業(yè)用地處理；用電按農(nóng)業(yè)用電電價收費；稅收按農(nóng)業(yè)企業(yè)對待，予以減免。

4）先行試點試驗，培育生物氨產(chǎn)業(yè)鏈。在關(guān)中平原和黃淮海地區(qū)，每年夏秋糧收種轉(zhuǎn)換期時間短、任務(wù)急，為不誤農(nóng)時，農(nóng)民需盡快處理大量作物秸稈。為此，建議地方政府商請農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等相關(guān)部門，建設(shè)秸稈制炭、生物氨示范工程，并在現(xiàn)有政策中對資金、稅收等方面給予扶持。比如農(nóng)發(fā)行的政策性資金也可用一部分來收購農(nóng)民的秸稈，開發(fā)銀行的開發(fā)性資金也可用于示范工程建設(shè)；對工程建設(shè)在稅收上予以優(yōu)惠減免；在生態(tài)環(huán)境政策上優(yōu)先予以考慮。

6 展望

用生物資源替代化石資源生產(chǎn)可再生的綠氨，是發(fā)展生物經(jīng)濟實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效措施，既經(jīng)濟可行、滿足市場需求，又推動農(nóng)業(yè)和能源綠色轉(zhuǎn)型。2021年，我國合成氨產(chǎn)量為5909萬噸，進口80.86萬噸，出口0.22萬噸，合成氨表觀需求量為5989.64萬噸［33］，僅2億噸秸稈即可保障用可再生綠氨替代化石氨的原料供應(yīng)。2021年全國有4億噸秸稈還田［35］，如果通過施用源自生物質(zhì)中的木質(zhì)素或褐煤生產(chǎn)的腐殖酸類有機肥替代秸稈還田，既改良土壤效果好，又經(jīng)濟，還能把生產(chǎn)生物氨所需的2億噸秸稈原料置換出來，增加農(nóng)民收入。到2030年實現(xiàn)綠色合成氨生產(chǎn)，不但每年使農(nóng)民年凈增收1200億元，而且可以生產(chǎn)6000萬噸綠氨、2684萬噸紙漿替代進口、1000萬噸PEF聚酯、5000萬噸纖維素乙醇，創(chuàng)造10000億元產(chǎn)值、2000億元利稅，減排2億噸CO2。