生物氨推动农业和能源绿色转型
李十中
（清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084）
生物经济已成为人类社会发展的新引擎，预计到2030年，将占全球制造业产出的1／3，价值30万亿美元［1］。发展生物经济，建立本土稳定的燃料、材料和化学品供应链，推动农业创新，确保粮食和能源安全，减轻气候变化的影响，已成为国际共识［2，3］。2022年12月20日，白宫发布的国家生物经济与生物制造计划征求意见文件，明确提出了美国发展生物经济和生物制造的目的，共4方面：1）健康：生物技术和生物制造，以实现医学突破、改善健康水平或减轻疾病给大众造成的负担。2）气候和能源：生物技术、生物制造、生物能源和生物基产品，以应对气候变化的根源，适应和减轻气候变化的影响，包括固碳和减少温室气体排放。3）粮食和农业：用于粮食和农业创新的生物技术和生物制造，包括通过提高可持续性和土地保护；
提高食品质量和营养；
增加农业产量；
防止动植物病虫害；
并培育替代食物来源。4）供应链弹性：跨经济部门的生物技术和生物制造，以加强美国供应链的弹性，例如解决特定的供应链瓶颈和开发新型生产方法。由此看出医药只是其中一小部分，主要还是本土生产粮食和能源，建立国内稳定的产品供应链［4］。中国是农业大国，生物质资源丰富。2022年5月，我国顺应全球生物经济发展的时代大势，发布了首个国家层面的生物经济发展战略《“十四五”生物经济发展规划》，明确提出面向农业现代化的生物农业、面向绿色低碳的生物质替代应用等4大优先重点发展领域。对此，本文从技术优势、生产技术、资源状况及商业化挑战等对生物氨发展现状进行综述，以期为我国发展生物氨相关技术及应用，进而推动农业与能源绿色转型、促进生物经济高质量发展提供参考。
农业和能源是生物经济的两大核心领域。现代农业大量使用以化石资源为原料生产的化肥、农药、柴油等农用化学石油基产品，使本来吸收二氧化碳（Carbon Dioxide，CO2）的绿色农业变成排放CO2的“石油农业”。欧盟在“Fit for 55”计划中强调要提高土壤固碳能力［5］；
美国也正考虑调整政策，发挥玉米吸收和储存CO2的优势，鼓励农民种植玉米和生产乙醇，也从固碳中获得收益［6］。如每亩玉米可吸收1872.75公斤若使用可再生氨生产的化肥，就促进了农业的绿色转型。日本经济产业省（METI）制定了燃料氨研发和社会实施计划，投入688亿日元开展“燃料氨供应链建设”（Fuel Ammonia Supply Chain Establishment Project）项目研发［8］。“电动化”是清洁能源转型过程一个常见的口号，但并非所有交通工具都能电动化，在难以实现电动化和降低碳密度的商用车、海运和航空领域，就只能依靠可再 生 燃 料［9］。国 际 海 事 组 织（International Maritime Organization，IMO）估计，国际航运占全球总CO2排放量的2.2%，并且随着经济发展还会增加［10］。用氨做远洋货船燃料不排放CO2，而且还可以与极低硫燃料油双燃料操作，能最大限度地降低燃料成本和满足未来的排放法规要求［11，12］。意大利Fratelli公司已与我国南通中集太平洋海洋工程有限公司（Nantong CIMC Sinopacific Offshore＆Engineering Co.，Ltd，CIMC SOE）签署协议，建造一艘氨燃料油轮［13］。因此，氨不仅是化肥和基本有机化学工业的主要原料，而且还是氢的载体和无碳燃料［14，15］，并已在火电厂做为燃料与煤共混发电［16，17］。
目前，氨的生产都是以煤或天然气为原料制氢，既不可持续，又释放出大量CO2。2019年全球氨产量为1.5亿吨，消耗世界上2%的化石燃料，排放4亿吨CO2，占全球总排放量的1%；
预计到2050年氨产量将达3.5亿吨，意味着9.33亿吨的CO2排放［18］。无论是从农业还是能源的角度出发，用不产生CO2的氢气生产氨，有利于加速向碳中和的世界过渡。生产无CO2排放的清洁氨已成国际大势，到2027年全球计划建设20个基于可再生能源制氢的“绿氨”项目，产能超过1000万吨／年［19］。
世界上最大的氮肥企业挪威Yara公司计划用风电、光伏发电电解水制氢，生产50万吨“绿氨”使农业低碳化［20］，在得到挪威气候和环境部下属机构Enova的2.8325亿挪威克朗资助后，着手建设年产2万吨绿氨示范工厂［21］；
2022年6月公司实施内部重组，为雅苒清洁氨部门（Yara Clean Ammonia，YCA）在奥斯陆证券交易所潜在首次公开募股IPO做准备［22］。全球领先的催化剂制造公司丹麦Topsoe公司与Skovgaard Energy、Vestas合作，获得丹麦政府8100万丹麦克朗资助的年产5000吨“绿氨”示范项目已于2022年10月5日破土动工，该项目由50 MW太阳能电池板和12 MW涡轮风机（共62 MW）发电制氢，是世界上第一座可用生能源电解水制氢生产“绿氨”的工厂，预计2023年投入运营［23］。
日本三菱贸易公司、东洋工程公司与美国阿拉斯加天然气开发公司（Alaska Gasline Development Corporation，AGDC）、Hilcorp Alaska公司于2022年10月4日签署了一项关于生产“蓝氨”可行性研究的协议。“蓝氨”来自阿拉斯加北坡的天然气，采用碳捕获和封存技术，生产后从阿拉斯加出口到日本，用于发电和船用燃料等，以满足日本急剧上升的燃料氨需求［24］。为2050年实现碳中和，日本制定了到2030年国内燃煤发电厂氨混烧率达到20%，到2050年高于50%的目标。预计日本的燃料氨需求2030年将达到300万吨／年，2050年将增加到3000万吨／年［25］。
归纳起来，现行无CO2氢气生产技术有两种：一是使用可再生能源发电，再电解水制“绿氢”；
二是对天然气或煤炭制氢产生的CO2进行碳捕获和储存，得到“蓝氢”，如图1［26］。
图1 无CO2排放的清洁氨生产工艺图Fig．1 Diagram of A Clean Ammonia Production Process with no CO2 Emissions
绿氨的成本在很大程度上取决于绿氢的成本，氢占绿氨生产成本的90%。用风电、光伏发电制氢做为绿色合成氨的生产原料尚存在发电与生产能力的匹配，技术、工程、经济性等多方面的问题。如Topsoe在丹麦Lemvig市的年产5000吨合成氨项目配备62 MW可再生能源发电（50 MW新装太阳能光伏板，12 MW原有的V80-2.0 MW维斯塔斯风力涡轮机）系统以满足制氢需求［23］。目前，一般合成氨厂生产能力至少为年产30万吨，按Topsoe示范项目类推，需要3720 MW光伏或风电电解水制氢才能供应30万吨绿色合成氨所需的氢气。目前，用风电、光伏发电电解水制氢生产合成氨还不能实现商业化生产，在经济上与现有的化石氨相竞争尚需时日。
2022年9月28日，日本产业经济省主持召开了第2届国际燃料氨大会（ICFA2022），有9个国家的政府和工业界代表、以及国际组织共1500多人参会［27］。产经省下属Public-Private Council on Fuel Ammonia的燃料氨供应链特别工作组在会上分布了《燃料氨供应成本分析（项目中期报告）》［28］，在天然气价格205美元／吨，假设排放CO2的70%被捕集封存、CO2封存成本40美元／吨时，氨的成本加运费（Cost＆Freight，C＆F）价格为429美元／吨。现国内天然气价格6250元／吨（折合868美元／吨），如表1［29］，则氨的C＆F价格高达890美元／吨。即使按俄乌战争开始前未涨价的天然气价格2700元／吨（375美元／吨）计算，每吨氨仅原料成本就高达261美元／吨，氨的C＆F价格为547美元／吨。
表1 天然气价格（中煤鄂尔多斯）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）技术尚处于示范阶段，从已有结果看并不理想。2022年1月，Global Witness发布报告“氢背后的排放”［30］：壳牌在加拿大采用甲烷水蒸气重整制氢的Albertan Hydrogen Plant耗资10亿美元（政府补贴6.54亿美元）的碳捕集CCS项目于2015—2019五年间共排放了1246.9万吨CO2，其中捕集480万吨，排放766万吨，碳捕集率38.6%，如图2。投资10亿美元，每年仅捕集96万吨CO2，如按设备折旧期10年计算，每年捕集CO2的设备折旧费就高达104.17美元。显然，日本产经省课题组按CO2被捕集封存70%、成本40美元／吨的假设太理想化，“蓝氨”成本要远高于429美元／吨［28］。
图2 CCS项目2015—2019年的CO2捕集与排放量（单位：万吨）Fig．2 CO2 Capture and Emission of CCS Project in 2015-2019（Units：Millions of Tonnes）
因此，现行的“绿氢”和“蓝氢”两种技术路线目前都难以实现商业化生产，需要开发经济可行的“绿氢”生产合成氨技术。
目前，合成氨工业所采用的Haber-Bosch工艺，是在450℃～500℃、200个标准大气压条件下，通过催化剂（Fe）作用使N2与H2反应生成NH3。氨生产过程中所需要的N2从空气中分离得到，H2则是以煤或天然气为原料生产，会排放大量CO2。煤制氢、氨合成反应式如下：
从合成氨反应过程可以看出，如果炭来自生物质，则合成氨过程的CO2净排放为“零”。这是因为生物质是由CO2和H2O经光合作用生成的，吸收了空气中的CO2。秸秆、林业剩余物等生物质采用专有技术加工后得到生物炭和其他产品；
生物炭在制氢过程置换出水中的氢得到氢气，并与氧结合以CO2的形式排出。所以，采用生物炭生产合成氨的CO2净排放为“零”，如图3。因此，稳定、可靠、价格适宜的生物炭原料是实现可再生绿氨商业化生产的关键。我国在农林废弃物加工利用方面有2项生物炼制技术取得重要突破，使生物炭生产可再生绿氨成为现实。
图3 生物炭的碳循环过程Fig．3 Carbon Cycle Process of Biochar
一是以“物质”利用为主的生物质精炼技术（Biomass Refining，BR），将秸秆、林业剩余物等生物质加工转化为原纸（含纸浆）、糠醛或木糖、乙酸、生物炭以及钾盐等产品。技术核心是利用生物溶剂对生物质（如玉米秸秆）进行有选择性地物理溶解和分离，得到木质素、半纤维素和纤维素组分，进而分别生产高值化、用途广泛的生物基产品。在工艺过程中使用的生物溶剂和水，通过蒸发、蒸馏等手段，全部循环回收利用，生产过程无污染排放。根据年处理50万吨玉米秸秆项目的试生产结果，每吨秸秆可产416公斤优质纸浆（纤维素）、80公斤木糖、30公斤醋酸、360公斤生物炭。由于秸秆被炼制成多种高价值产品，所以生物炭能以无烟煤同样的价格供应化肥厂，并且生物炭中的固定炭含量为65%，与煤头化肥厂原料无烟煤相同，但质量高，杂质少、几乎不含硫，有利于合成氨生产。
二是以“能源”利用为主的生物质干馏技术（Biomass Thermal Fractionation，BTF），在高（中）温无氧条件下，物秸秆、林业剩余物等生物质在旋转回路转鼓反应器（Rotary Circuit Drum Reactor，RCDR）内被分馏成生物质燃气（Biosyngas）、生 物 原 油（Bio-crude）和 生 物 炭（Biochar），以及生物农药（Bio-insecticides）等不同组分，实现生物质的高值利用。技术核心是通过调节反应温度在可控的连续干馏过程高效得到不同品质的生物炭产品；
热值高的干馏气与生物原油一起就地直接利用，做为干馏热源，克服了传统生物质气化工艺焦油堵塞难题；
还可从干馏气冷凝液中分离提取农药产品。采用BTF技术能生产不同级别的生物炭，如炭含量90%的冶金焦级生物炭，或炭含量60%～70%替代无烟煤生产合成氨的生物炭。根据年处理10万吨林业剩余物等木质生物质装置运行结果，每吨生物质可产炭含量65%的生物炭450公斤、400 Nm3热值为4500 Kcl／Nm3干馏煤气，如对干馏气进行分离纯化，还能得到10 kg生物农药。
以煤为原料的化肥厂用生物质生产合成氨，无需改造任何设备，只是更换原料，所以转型生产绿氨的成本最低。用生物炭生产合成氨与无烟煤一样，吨氨消耗1.4吨生物炭。当前全国无烟煤（各种规格）均价为2025元／吨，最高报价2200元／吨，最低报价1850元／吨，如表2。如生物炭按无烟煤均价2025元／吨计，每吨绿氨原料成本为2835元。一般煤头工艺生产合成氨加工费为500元／吨左右［33］；
日本产经省下属课题组《燃料氨供应成本分析（项目中期报告）》中给出的气头工艺生产合成氨加工费为64.4美元（464元）／吨［28］，则用生物炭生产绿氨的成本在3300元／吨左右，可以和传统的化石氨竞争。目前市场合成氨价格在4000元／吨以上，如表2，绿氨的利润空间很大；
即使与2021年我国进口合成氨的全年均价498美元／吨［33］比较，生产生物氨也有利润。
表2 全国无烟煤／液氨价格最新行情各个机构报价统计表［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／吨出售，将为生物质加工企业带来良好的经济收益：生物质精炼厂每吨秸秆联产360公斤生物炭，价值729元；
生物质干馏工厂每吨秸秆联产450公斤生物炭，价值911元。工厂可把秸秆收购价格提高至500～600元／吨，调动农民积极性，确保原料供应。
根据《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书》数据，我国秸秆可收集资源量约6.94亿吨，林业剩余物可利用量为3.5亿吨［34］，共计10.44亿吨做为生物氨的原料资源保障。
然而，尽管技术可行、原料供给充足、行业转型成本最低，但生物氨尚未起步。究其原因，首先是合成氨行业尚未把绿色转型做为战略重点，没有认识到可再生氨生产对农业、能源领域绿色转型的重要性。其次，用秸秆等农林废弃物做为工业原料，尚未建立起成熟的供应系统，组织收购秸秆、确保质量（防止掺假）和满足供应等方面都需要不断完善。再次，生物质能量密度低，运输距离短，宜采用分散与集中相结合的措施就地建厂加以利用，并且加工技术先进，不存在环保问题。但目前的政策要求工厂必须进化工园区，生物质加工转化工厂用地审批困难，制约了技术推广。最后，持有技术的公司单独推广技术在资金方面不能满足大面积建厂需求，很难形成产业，要有央企、基金、财政介入。针对上述问题，提出如下解决建议。
1）工业领域碳达峰主管部门工业和信息化部、国家发展改革委、生态环境部要强调可再生氨对农业、能源绿色转型的重要性，在《工业领域碳达峰实施方案》中明确提出到2030年CO2排放比2020年降低30%或以上的指标。
2）引入工业化市场化理念振兴乡村产业，建议请国资委组织动员涉农、涉能、涉化的国资央企和地方国企，以及部分民营企业等，将推广秸秆制炭创新技术作为企业参与乡村振兴的有效举措，鼓励国资央企选择粮食主产区投资建设秸秆加工厂，把生产车间前移、把生产基地下沉推动乡村一二三产业高度融合。
3）建议农业、国土、财税等相关管理部门针对新产业，制定新政策、新措施。如秸秆加工制炭企业可就近建厂，解决低能量密度的生物质储运问题，不强制进化工园区；
工厂用地按设施农业用地处理；
用电按农业用电电价收费；
税收按农业企业对待，予以减免。
4）先行试点试验，培育生物氨产业链。在关中平原和黄淮海地区，每年夏秋粮收种转换期时间短、任务急，为不误农时，农民需尽快处理大量作物秸秆。为此，建议地方政府商请农业农村部等相关部门，建设秸秆制炭、生物氨示范工程，并在现有政策中对资金、税收等方面给予扶持。比如农发行的政策性资金也可用一部分来收购农民的秸秆，开发银行的开发性资金也可用于示范工程建设；
对工程建设在税收上予以优惠减免；
在生态环境政策上优先予以考虑。
用生物资源替代化石资源生产可再生的绿氨，是发展生物经济实现碳中和目标的有效措施，既经济可行、满足市场需求，又推动农业和能源绿色转型。2021年，我国合成氨产量为5909万吨，进口80.86万吨，出口0.22万吨，合成氨表观需求量为5989.64万吨［33］，仅2亿吨秸秆即可保障用可再生绿氨替代化石氨的原料供应。2021年全国有4亿吨秸秆还田［35］，如果通过施用源自生物质中的木质素或褐煤生产的腐殖酸类有机肥替代秸秆还田，既改良土壤效果好，又经济，还能把生产生物氨所需的2亿吨秸秆原料置换出来，增加农民收入。到2030年实现绿色合成氨生产，不但每年使农民年净增收1200亿元，而且可以生产6000万吨绿氨、2684万吨纸浆替代进口、1000万吨PEF聚酯、5000万吨纤维素乙醇，创造10000亿元产值、2000亿元利税，减排2亿吨CO2。
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