蘇更林

我們所熟悉的氨，因其具有特征性的臭味而被認為是一個不受歡迎的分子。然而，由于氨在世界糧食生產中的歷史性貢獻以及在其他方面的廣泛用途，所以即便臭點兒也具有歷久不衰的生命力。如今，人類走到了一個能源轉型的“十字路口”，零碳的臭氨能否成為未來的“能源明星”？

氫能2.0，一個氮三個氫

2022年，全國首座“氨現場制氫加氫一體站”示范項目在福州啟動，這無疑是實施“雙碳戰(zhàn)略”、推動氫能產業(yè)化的一次科學實踐，意味著我國在“在線制氫、分離純化、升壓加注一體化”方面取得了重要突破。

由于氫本身不含碳，因此被認為是化石燃料的理想零碳替代品。推廣氫能汽車、建設氫能加油站，對于構建零碳社會至關重要。我國已建成的加氫站主要以35兆帕氣態(tài)加氫站為主，氫氣運輸主要以高壓氣態(tài)長管拖車運輸為主。不難看出，儲運難和安全性差是制約氫能普及的主要“瓶頸”。

我們知道，一個氨分子包含一個氮原子和三個氫原子，是典型的零碳燃料。在“氨現場制氫加氫一體站”項目中，氨充當的角色實際是“氫載體”，即合成氨源于氫氣和氮氣，氨制氫又反向釋放出氫氣和氮氣來。

氫本身就是一種零碳燃料，那為什么還要用氨作為“氫載體”呢？原來，引入氨這個儲氫介質可以破解氫氣儲運難和安全性差的難題，是實現氫能商業(yè)化推廣的一個技術路徑。

為什么氨具有如此神功？這其實不難理解。氨的液化溫度（-33℃）要比氫的液化溫度（-253℃）高出不少，因此非常容易液化。很顯然，在儲運方面，與液氫相比，液氨具有更小的難度、更低的成本。

事實上，氫氣的液化需要消耗大量的能量，而氨只需常溫加壓至0.7兆帕就可以成為液態(tài)，能量消耗并不大。一個長管拖車的載氫量不足400千克，而一輛載氨量30噸的液氨槽罐車載氫量可高達5.29噸，液氨儲運的高效率和低成本一目了然。

氨作為儲氫介質，可以突破傳統(tǒng)的氫氣儲運“瓶頸”，為發(fā)展氨氫綠色能源體系奠定堅實基礎?，F在的合成氨技術已經十分成熟，然而用氨釋氫仍然屬于一個探索中的課題，這是因為氨分子中的N-H鍵非常強，分解制氫需要很高的溫度。

低碳海運，為何青睞氨引擎

有人說海運改變了世界，因為世界上絕大多數的貨物運輸都是由海運來完成的，但船舶引擎也面臨消耗能源、污染環(huán)境的問題。在海運成本構成中，燃油費就占到了50%～60%。船舶柴油機排放造成了巨量污染。那么，哪種燃料能夠減少污染呢？科學界的共識是氨和氫。氨中含氫17.6%，是一種典型的零碳富氫燃料。

在海運領域，燃料的體積能量密度往往決定著船舶的續(xù)航能力。因為燃料的體積能量密度越高，就意味著同等的燃料艙容積可以賦予船舶更長的續(xù)航里程。液氨的體積能量密度大約是液氫的1.5倍，且貨源充裕、儲運容易，是一種比較理想的能量載體，適合用作續(xù)航里程比較長的船舶燃料。

在海運領域逐步推廣氨氫動力體系，無疑是從海運化石燃料向零碳燃料轉型的重要環(huán)節(jié)，對于降低二氧化碳和其他污染物排放具有重要的戰(zhàn)略意義。

實現清潔能源的轉型，需要攻克氨氫動力體系中的關鍵技術，完成從基礎設施到終端應用的配套建設。氨氫燃料體系在海運領域中既可以用作發(fā)動機的燃料，又可以用作燃料電池的原料。

燃料電池作為一種將化學能直接轉換成電能的裝置，不僅高效而且環(huán)保，因此在海運動力引擎中具有巨大的吸引力。氨中氫含量很高，并且重整制氫裝置又非常簡單，因此可作為燃料電池的理想原料。

無碳燃料，真的能燃燒嗎

在我們的生活中，大凡燃燒都離不開含碳燃料，煤炭、石油、天然氣等都屬于此類燃料。

氨作為一種零碳化學品，大約有80%的產能用在了化肥工業(yè)，其余的被廣泛應用于化學工業(yè)、機械工業(yè)、電器工業(yè)、國防工業(yè)以及日用消費行業(yè)，大多與我們的生活密切相關。然而，鮮有用氨作燃料的案例。

氨也能燃燒嗎？答案是肯定的。因為不含碳元素，所以氨完全燃燒時只產生清潔環(huán)保的水和氮氣。這就是氨作為零碳燃料的魅力所在。

氨在燃燒時的空燃比（混合氣中空氣和燃料的質量比）較低，在同等空氣進氣量條件下能提供更多的能量，因此是一種高功率的清潔燃料。盡管氨的熱值較汽油低許多，但其辛烷值較高，可通過壓縮比的增大來提高氨的熱效率。

不過，氨的直接燃燒還是存在一些需要解決的問題，如不容易點燃、燃燒速度很慢等。氨直接燃燒的穩(wěn)定性以及污染物處理也是制約其大規(guī)模應用的重要因素。這些都需要通過相關技術來解決。實驗表明，在氨中摻氫的做法可以改善氨的燃燒性能，達到比較理想的狀態(tài)。這說明，氨在內燃機內的燃燒需要借助其他易燃燃料的“引燃”。據悉，氨的直接燃燒或者與其他常規(guī)燃料混燃還可應用于發(fā)電領域，這對于構建清潔電力系統(tǒng)是至關重要的。

終端無碳，真的就清潔嗎

都說氨是一種零碳燃料，其實強調的只是其“終端無碳排放”，至于它清不清潔，光看“現實表現”是不夠的。它來自哪里？路徑如何？有沒有碳足跡？都是需要理清的。從清潔生產的視角來審視傳統(tǒng)的合成氨技術，其實它并不符合綠色環(huán)保的理念。按照哈伯-博世工藝，合成氨需要在高溫（大約500℃）、高壓（20～40兆帕）以及鐵基催化劑的條件下付諸實施。

就其原料來源來講，氮源于空氣，氫主要源于化石原料。就其路徑而言，氮氣需借助空分工藝獲取，需要消耗化石能源；氫氣需要借助蒸汽重整工藝從煤炭或天然氣等原料中獲取，自然就被打上了化石基的烙印。

合成氨工業(yè)作為一個能量密集型產業(yè)，能源消耗大約占到了全球能源消耗的2%。合成氨工業(yè)每年二氧化碳排放量高達3億噸，約占全球二氧化碳排放量的1%，其中化石基氫氣環(huán)節(jié)就占據了大約90%的份額。

基于巨量的化石原料和能源消耗，傳統(tǒng)的合成氨工藝注定存在“環(huán)境欠賬”。減碳路上，我們呼喚的是“綠氨”，即沒有“環(huán)境欠賬”的零碳能源。

減碳路上，“綠氨”不能缺席

根據原料中氫氣的碳足跡，我們通常把合成氨分為“灰氨”“藍氨”和“綠氨”。在“灰氨”中，氫氣來源于煤炭或者天然氣，采用傳統(tǒng)的高溫高壓工藝合成，二氧化碳排放量大?！八{氨”的碳足跡要比“灰氨”少許多，“藍氨”是在“灰氨”生產的基礎上對二氧化碳進行捕獲和儲存。所謂“綠氨”，就是全程無碳的可再生氨，其實現路徑：全程以可再生原料和能源進行生產，改化石基氫氣為電解水制氫，改化石基能源為可再生能源（如風能、太陽能等），再用“綠氫”和空氣中的氮合成氨。

由于歷史原因，目前合成氨工業(yè)幾乎全部采用傳統(tǒng)工藝，綠色轉型存在巨大的壓力。然而，“雙碳戰(zhàn)略”的實施為“綠氨”產業(yè)的發(fā)展指明了方向。未來，“綠氨”合成將成為一個十分活躍的研究領域，并在低碳合成的道路上不斷取得新突破。這其中既包括對傳統(tǒng)合成氨工藝的改造，也包括探索新的合成氨生產工藝，以降低反應過程的能耗，提高“綠氨”的規(guī)?；a能力。

在“雙碳戰(zhàn)略”愿景下，構建包括氨能在內的新型能源體系，對于建設低碳社會無疑具有十分重要的意義。呼之欲出的“綠氨”，必將成為未來能源轉型的一個“零碳明星”，并有望在氫能載體、能量儲存以及零碳燃料等方面發(fā)揮重要作用。

【責任編輯】蒲 暉