碳中和目标下绿氨终端站储运技术发展现状及趋势.docx
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1、碳中和目标下绿氨终端站储运技术发展现状及趋势摘要:【目的】绿氨作为氢能的优质载体,生产工艺无碳化的优势使其成为实现碳中和目标的备选能源之一,因此绿氨终端站的布局与建设对促进氢能产业链的快速发展具有重要作用,有利于推动社会能源结构的绿色转型。【方法】概述了氨的性质:氨作为高效的储能与储氢介质,具有高能量密度、易储运、终端站无碳排放、安全性高等特点,能够显著降低储氢、运氢、用氢的成本,并可提高能源安全性。分析了氨用于储氢与储能介质具有的能量密度高、安全、长时储能等优势,调研了全球多国的氨氢项目发展与贸易情况,论述了全球快速增长的绿氨产能及需求,总结了目前氨能的贸易现状与终端站建设情况;对比目前成熟
2、的LNG接收站相关工艺技术,详细介绍了绿氨终端站的关键工艺及技术,包括终端站绿氨存储工艺系统、液氨蒸发气处理工艺系统、终端站加注及卸载工艺系统。【结果】提出绿氨终端站的安全性问题,深入剖析了终端站液氨泄漏导致的毒性、燃烧爆炸性等危害,并给出了预防及防护措施。【结论】从化肥行业到能源领域,绿氨终端站技术的研究与发展对促进绿色能源氢能的利用具有重要意义,未来绿氨终端站的数量与规模将持续增加以适应新时代的需求,同时可以考虑改造LNG接收站等大宗能源及化工品储运设施以降低成本。关键词:碳中和;绿氢;绿氨;绿色能源;接收终端;接收工艺;液氨泄漏;储氢载体在双碳战略目标下,氢能是推动社会绿色发展与能源结构
3、转型的关键产业。近年来,世界各国相继制定了氢能发展路线及相关政策,中国发布的十四五能源领域科技创新规划也提出攻克氢能设备关键技术、推动氢能与可再生能源融合发展的目标。然而,氢的低体积能量密度、易燃易爆等特性制约了氢能储运技术的发展,以液氨作为绿色储氢载体的氨氢技术路线有望破解当前氢能储运的难题。氨作为高效的储能与储氢介质,具有高能量密度、易储运、终端站无碳排放、安全性高等特点,能够显著降低储氢、运氢、用氢成本并提高安全性。此外,氨的总能量效率较高,并可直接利用,其应用场景包括且不限于内燃机、锅炉、燃气轮机及燃料电池等。因此,在可持续发展方案中,预计未来几十年内,绿氢与绿氨的需求量、产量均将呈现
4、数百倍增长,以满足当前市场脱碳及未来零碳能源需求。近年来,澳大利亚、中东、南亚、东南亚等国家及地区丰富的可再生能源资源优势促成了蓝氨与绿氨合作项目,而日本、韩国、德国等国家的大量需求将使全球氨能海运体系得到飞速发展。这意味着未来需要大量的绿氨终端站进出口液氨,推动全球氨贸易,因此绿氨终端站的建设发展极为关键,但目前中国关于绿氨终端站的相关研究较少。为此,阐述了氨作为高效储能储氢介质的优势,综述了绿氨终端站的主要工作流程,梳理了绿氨终端站的储存、进口、加注、安全等关键技术,并展望了未来绿氨终端站的发展趋势。一、绿氨性质与作用氢是未来重要的燃料之一,目前最常用的储氢方式分别为高压气态储氢与低温液态
5、储氢,但两种方式均存在一定局限性。高压气态储氢方式的储氢密度低(在69MPa时为42.2kgm3),达不到目前大规模储氢的要求,且高压储氢瓶易发生氢脆问题。低温液态储氢技术储氢密度高,但其储存容器要求严格,要求其耐超低温,容器成本昂贵且安全隐患多。常温常压下的氨是一种无色透明的气体,沸点为一33,凝点为-78o在2MPa、20。C环境中,液氨密度为616.12kg?,黏度为143.76Paso25C时液氨的相对密度为0.603,液氨气化时体积膨胀约766倍;气氨的相对密度为0.588。氨具有明显的刺鼻气味,嗅阈仅有0.0005%,发生泄漏易于察觉。氨的燃点高达651C,通常情况下视为不可燃烧的
6、气体,但氨蒸气在高浓度(空气中的体积分数为15%28%)下是可燃的。氨的可燃范围较宽,但自燃温度、最小点火能量均较高。因此,相比其他燃料,氨具有较高的安全性。与氢相比,氨具有以下特点:氨的能量密度大,其体积能量密度约为氢的3倍为易液化,氨在25oC0.99MPa或在一33.4倍0.1MPa条件下可液化;此外,氨易储运。氨的自燃点较氢(520)高,氨的RF(RangeofFlammabilityCharacteristic)指数(可视为火灾或爆炸危险的总预期,较高的RF指数表示较高的火灾与爆炸危险)仅为氢的1.7%,因此氨具有较低的火灾或爆炸危险,可通过管道、罐车及油轮长距离运输。同时,氨也是一
7、种良好的储能介质。在碳中和目标下,以风光发电为代表的间歇性可再生能源需求骤增,亟需配套大规模长时储能系统。虽然目前已发展了电池储能、抽水蓄能等长时储能工程,但电池储能具有高成本、环境污染问题,同时抽水蓄能工程受地域及地质条件限制严重。相比其他长时储能方式,氨储能在以周(或更长时间)为周期的情况下,其生产、存储、运输及转换的成本更低,具有更加良好的长时储能性能。因此,氨作为氢载体的应用潜力巨大,未来发展前景广阔。二、绿氨需求与贸易发展情况2.1快速增长的绿氨产能及需求绿氢是绿氨生产的关键组成部分,生产绿氢的最常见方法是电解水。目前,电解水制绿氢技术分为碱性水电解制氢技术、质子交换膜制氢技术及固体
8、氧化物水电解制氢技术。其中,碱性水电解制氢技术、质子交换膜制氢技术已规模化应用于国内外市场,但固体氧化物水电解制氢技术仍处于实验室研究阶段。2020年,欧盟绿氢产能超140MW,同期中国、美国绿氢产能分别为23.5MW、17MW,三者总量约占全球氢产能的50%110L20202021年,中国新增绿氢项目44个;2022年前3个季度统计的已建或在建的电解水制氢项目15个,而处于建设前期阶段的项目还有31个。可见,绿氢产业处于高速发展态势口。内。绿氢的大规模建设投产促进了全球绿氨产业的快速发展。绿氨的生产规模较小,但增长迅速【划。自2020年以来,澳大利亚、西亚、非洲、美洲等国家及地区充分发挥自身
9、清洁能源充足优势,以太阳能、风能、水能等为主要可再生电力来源,实现了优质价廉绿氨项目由-33的规划与开发(表1)O如果这些绿氨项目全面投产,全球绿氨年产能将增加约3000x10”。表12020年至今全球绿氨开发项目统计表Table1Statisticsofglobalgreenammoniadevelopmentprojectssince2020年的国*地点(ltlNSIAXMC皮尔布特YktiuENGIEK.02(01摩洛团&巴结阿布扎比RJmiAtniIMiaImIVrtIldiu*Imiivlry20jO2021欧a罗11IIoIivmSA.Ihr(MWcmtiimlrf(umsao20
10、22牡*制Salle.ACME(120020214加利讹内斯ToUdErm4KLO2023加It大RIfK尔角EvcrWindoao2020沙特阿拉伯红寿籍岸irProdurtMACWAPwcrNEDM12a02021里塔尼亚北CWPGWMl1000.02022西班牙受拉贡CccnhAXPtangcwmmcnmitcs3oao2022中国内蒙古国窠屯投.清隼海蟆研究陂等18002023Tamm,DMCC.大M也能源柒碌JHOWtndoao2023摩洛哥南修中国使建IN际建iaUfl.Pft鼠第公司等IIOjO2020搏威彼什格伦YnmNELllydrlJTISoq20於大利塔斯丹尼也巩尔湾Or
11、iKinE*ry42j0水电三MCItftSranMjiiKEnNlmVfInXl-C1a11M11IH)SarVMkFCnlnQVnMTvrl(MimtCoqxjrnlMinMS杓南川岸IIy2gTr/InKllntItnd(“eIuimeItdnuirMrwrrirtrwv2UVtatoItXMJtTtwlGIrl)OrIm2.2绿氨贸易发展情况全球约80%的氨作为化肥使用(全球约50%的粮食种植依赖氨肥),约10%的氨应用于生产合成纤维,仅有1%的氨应用于能源领域划。目前,氨作为能源载体的应用正处于迅速发展阶段,如氨燃料电池、氨燃气轮机、氨内燃机、氨工业锅炉M等。同时生物能源、生物燃料生
12、产的氨需求量分别占全球能源需求的10%、1.5%因】。可见,随着碳价上涨,氨的供需市场将迅速扩大,必须提高氨产能及供应能力。除了更多的绿氨合成项目,还需更加成熟的氨供应链,也意味着氨进出口终端站需求的增加。目前,氨航运贸易供应链已基本成熟,氨在液化气体海上贸易市场中仅次于液化天然气与液化石油气阴。2020年,全球氨出口贸易总额为63.3x108美元,沙特阿拉伯出口氨约占全球总量的33%,是当前最大的氨出口国。2021年,全球氨出口贸易总额为104x108美元,俄罗斯、沙特阿拉伯等3个国家出口氨占全球总量的50%B5(图)。其中,绿氨在全球市场中尚处于起步阶段,2021年绿氨市场规模约为0.36
13、x108美元,预计2030年将达到54.8l()8美元的市场份额明。图12021年主要氨出口国占比图Fig.lProportionofmainammoniaexportingcountriesin2021三、绿氨终端站工艺系统及相关技术目前,全球约有217个氨加注终端站13旬,主要分布于地中海、墨西哥湾、东南亚及东亚海域沿岸。随着全球绿氨需求的进一步增加,绿氨运输与储存的需求也在不断增大,近期各国正在陆续投资建设大规模绿氨终端站项目卬网(表2)。此外,天然气作为最清洁的化石燃料能源,已具有成熟的全球LNG储存与运输基础设施,将这些基础设施改建为绿氨终端站或LNG-液氨混合终端站以减少建设成本将
14、是一种可行方案。表22022年全球大规模绿氨终端站建设计划表Table2Globallarge-scalegreenammoniaterminalconstructionplanin2022国家所在地点储存规模/(IO8t,ael)开发商荷兰弗利辛恩市100Uniper*Vesta德国布伦斯比特尔港30RWE比利时安特卫普布鲁日港250Fluxys荷兰鹿特丹港120OClN.V.绿氨终端站分为氨接收站与氨加注站两类:氨接收站是氨的进口场站,负责对海船运来的氨进行接收、储存;氨加注站是氨的出口场站,主要对海船的氨进行加注操作。目前,氨作为化工与化肥行业的大宗商品,其储存、处理、装卸及运输已制定了
15、全面的法规、标准、指南。氨终端站工艺系统主要由加注及卸载系统、存储工艺系统、再气化系统以及BOG处理系统等构成。3.1存储工艺系统氨通常采用压缩、制冷或两者结合的液氨形式进行存储。氨会腐蚀铜、锌及其合金,因此氨储罐常用材料为碳钢。氨用储罐材料必须耐低温与抗应力腐蚀开裂(StreSSCorrosionCraCking,SCC)。氧(空气)、残余应力的存在可能引起SCC,导致储罐产生裂纹。较低的氧含量有助于降低碳钢腐蚀速率因此防止SCC的措施包括使用不锈钢设备、氮气吹扫以及向氨中添加至少02%(取决于氨中的氧浓度)的水。此外,应避免使用高屈服强度钢,这是由于其应力腐蚀敏感性较高阳L目前氨储罐主要有
16、半冷罐、全压罐、全冷罐3种类型,适用于不同的操作压力与温度环境。全压罐、半冷罐用于储存小规模液氨;全冷罐的温度为-33、压力为0.1MPa,主要用于储存大规模液氨。半冷罐允许从周围环境获得热量,但需要注意其蒸发问题。全压罐储存的优点是无需额外的能量来使氨保持液态,与其他两种储罐相比,全压罐运营成本最低但投资成本最高。全冷罐通常包括单壁与双壁两种形式,单壁储罐由低温碳钢制成,外部有保温层且要求密封,以防止空气中的湿气形成冰晶破坏保温材料;双壁储罐内壁为低温碳钢、外壁为普通碳钢、中间层填充保温材料,双壁储罐的投资成本高于单壁储罐,但运营成本更低。此外,全冷液氨罐运行时需注意发生翻滚现象(图2)。存
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