碳中和对传统合成氨产业的挑战与转型路径

1 碳中和目标下传统合成氨产业面临的挑战

1.1 碳排放压力

合成氨产业的高碳排放特性与碳中和目标严重相悖。我国合成氨年耗能超7000 万吨标准煤，排放二氧化碳约2 亿吨，在化工行业碳排放总量中占比约 19.9% ，位居首位。随着碳中和目标的推进，各国纷纷出台严格的碳排放政策和法规，对高碳排放行业施加压力。例如，欧盟已实施碳边境调节机制，未来可能对进口的高碳产品征收碳关税。我国也在不断完善碳排放交易市场，将更多行业纳入碳交易体系。在这种形势下，传统合成氨企业若不采取有效减排措施，将面临高额的碳成本，包括碳税缴纳、购买碳排放配额等，这将大幅压缩企业利润空间，甚至危及企业生存。

1.2 能源结构与成本问题

传统合成氨产业对化石能源的高度依赖在碳中和背景下成为突出问题。一方面，化石能源属于不可再生资源，其储量有限且价格波动较大，这给合成氨企业的生产成本控制带来极大困难。另一方面，以化石能源为基础的生产模式难以实现低碳排放目标。为了降低碳排放，企业需要转向清洁能源，但目前清洁能源在供应稳定性、成本等方面存在不足。例如，绿电（可再生能源发电）受自然条件（如光照、风力）影响较大，供应不稳定，且绿电价格相对较高，使得企业使用绿电进行生产的成本大幅增加。若使用绿氢（可再生能源电解水制氢）替代传统化石能源制氢用于合成氨生产，由于绿氢生产成本居高不下，现阶段绿氢制取成本约为传统化石能源制氢的 2\~3 倍，这将使合成氨生产成本大幅上升，削弱企业在市场中的竞争力[1]。

1.3 技术创新压力

实现碳中和目标，传统合成氨产业迫切需要进行技术创新，以降低能耗和碳排放。然而，目前在高效催化剂研发、新型合成工艺开发等关键技术领域，仍面临诸多挑战。传统铁基催化剂需要在高温高压下才能保持较高活性，这限制了反应条件的优化和能耗的降低。虽然贵金属催化剂（如钌催化剂）具有更高的活性和选择性，可在相对温和的条件下进行反应，但成本高昂，难以大规模应用。在新型合成工艺方面，如低温低压氨合成技术、电催化氮还原反应技术等，虽然在实验室研究中取得了一定进展，但距离工业化应用仍有很长的路要走，需要进一步解决技术稳定性、放大生产等一系列问题。

2 传统合成氨产业的转型路径

2.1 绿色技术创新

（1）新型催化剂研发

研发新型高效、低成本的催化剂是合成氨技术创新的关键方向之一。近年来，科研人员在探索新型催化剂方面取得了一些积极进展。例如，一些基于过渡金属氮化物、碳化物的催化剂展现出良好的催化性能。这些催化剂能够在相对较低的温度和压力下，促进氮气和氢气的反应，从而降低反应能耗。同时，通过优化催化剂的结构和组成，提高其稳定性和抗中毒能力，延长催化剂使用寿命，降低生产成本。此外，利用人工智能和机器学习技术筛选和设计催化剂，能够加速新型催化剂的研发进程，提高研发效率[2]。

（2）低碳合成工艺探索

除了催化剂研发，探索低碳合成工艺也是实现合成氨产业转型的重要途径。其中，电催化氮还原反应（NRR）作为一种新兴的合成氨工艺备受关注。该工艺利用电能将氮气和水在常温常压下转化为氨，反应过程无需高温高压条件，且可利用可再生能源产生的电能，从而实现近乎零碳排放。目前，电催化NRR 工艺还面临着诸多挑战，如反应效率低、选择性不高、催化剂稳定性差等。但随着材料科学、电化学等领域的不断发展，这些问题有望逐步得到解决。另外，光催化合成氨技术也在研究探索阶段，该技术利用太阳能驱动氮气和氢气反应生成氨，具有清洁、可持续的优势，为合成氨工艺创新提供了新的思路。

2.2 能源结构调整

（1）增加绿电绿氢使用

在碳中和目标下，传统合成氨企业应积极调整能源结构，增加绿电和绿氢的使用比例。绿电方面，企业可以通过与风电、光伏等可再生能源发电企业合作，直接采购绿电用于生产。例如，一些位于风能或太阳能资源丰富地区的合成氨企业，可以建设配套的风电场或光伏电站，实现自发自用，减少对传统电网的依赖，降低碳排放。在绿氢应用方面，企业可以采用可再生能源电解水制氢技术，获取绿氢用于合成氨生产。目前，国内已经有部分企业开始试点建设绿氢合成氨项目。如某大型能源企业在西部地区建设了绿氢合成氨示范项目，利用当地丰富的太阳能资源电解水制氢，再与氮气合成氨，初步实现了合成氨生产过程的低碳化。

（2）探索能源耦合利用模式

除了单纯增加绿电绿氢使用，探索能源耦合利用模式也是优化能源结构的有效手段。例如，将合成氨生产与其他工业过程进行能源协同优化。在一些化工园区内，合成氨企业可以与炼油、钢铁等企业合作，实现能源的梯级利用。炼油企业产生的排放气中含有大量氢气，可作为合成氨的原料，减少合成氨生产中氢气的制取能耗；合成氨企业产生的余热可以供应给其他企业使用，提高能源利用效率。此外，还可以探索将合成氨生产与储能系统相结合的模式。利用低谷电价时段进行电解水制氢，并将氢气储存起来，在用电高峰或合成氨生产需求增加时，将储存的氢气用于合成氨生产或发电，实现能源的高效利用和削峰填谷[3]。

2.3 产业政策与市场机制引导

（1）政策支持与引导

政府在推动传统合成氨产业转型过程中发挥着至关重要的作用。首先，政府应继续完善碳排放政策，加大对合成氨行业的碳排放管控力度。例如，进一步细化合成氨行业的碳排放核算标准，提高碳排放配额分配的科学性和合理性，对碳排放不达标的企业实施严厉的惩罚措施，倒逼企业进行减排改造。其次，出台针对合成氨产业绿色转型的扶持政策。在财政方面，设立专项基金，对采用绿色技术、进行节能降碳改造的企业给予资金补贴；在税收方面，对绿色合成氨企业实施税收优惠政策，如减免企业所得税、增值税等。

（2）碳交易市场的作用

碳交易市场作为一种市场化的减排机制，对传统合成氨产业转型具有重要推动作用。随着我国碳排放交易市场的不断完善，合成氨企业被纳入碳交易体系后，企业的碳排放将被量化为经济成本。碳排放较低的企业可以通过出售多余的碳排放配额获取收益，而碳排放超标的企业则需要购买配额，这促使企业积极采取节能减排措施，降低碳排放。例如，某合成氨企业通过实施节能降碳改造，提高了能源利用效率，减少了碳排放，在碳交易市场上出售配额获得了可观的经济收益，进一步激励企业加大在绿色发展方面的投入。

3 结束语

碳中和目标为传统合成氨产业带来巨大挑战，碳排放压力、能源结构困境与技术创新难题亟待破解。通过绿色技术革新、能源结构优化及政策市场协同引导，产业转型虽困难重重，但这是实现可持续发展的必然选择。唯有加速转型，合成氨产业才能在低碳经济浪潮中立足，为全球碳中和目标的达成注入强劲动力。

参考文献：

[1]苗乃乾,黎妍,张家斌.碳中和背景下化工行业绿色发展的策略[J].化工管理,2023,(32):68-71.

[2]向翩翩.碳中和目标下中国合成氨脱碳路径及应用潜力和布局分析研究[D].北京工业大学,2023.

[3] 李建华, 黄二梅. 双碳背景下合成氨的发展研究[J]. 现代化工,2023,43(09):16-19+23.