“零碳明星”，臭氨要變“香”

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“雙碳戰略”、推動氫能產業化的一次科學實踐，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35兆帕氣態加氫站為主，氫氣運輸主要以高壓氣態長管拖車運輸為主。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，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，可以突破傳統的氫氣儲運“瓶頸”，為發展氨氫綠色能源體系奠定堅實基礎。現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節，對于降低二氧化碳和其他污染物排放具有重要的戰略意義。

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，其余的被廣泛應用于化學工業、機械工業、電器工業、國防工業以及日用消費行業，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。氨直接燃燒的穩定性以及污染物處理也是制約其大規模應用的重要因素。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。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燃料混燃還可應用于發電領域，這對于構建清潔電力系統是至關重要的。

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的合成氨技術，其實它并不符合綠色環保的理念。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。

合成氨工業作為一個能量密集型產業，能源消耗大約占到了全球能源消耗的2%。合成氨工業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%，其中化石基氫氣環節就占據了大約90%的份額。

基于巨量的化石原料和能源消耗，傳統的合成氨工藝注定存在“環境欠賬”。減碳路上，我們呼喚的是“綠氨”，即沒有“環境欠賬”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，采用傳統的高溫高壓工藝合成，二氧化碳排放量大。“藍氨”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，目前合成氨工業幾乎全部采用傳統工藝，綠色轉型存在巨大的壓力。然而，“雙碳戰略”的實施為“綠氨”產業的發展指明了方向。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”的規模化生產能力。

在“雙碳戰略”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揮重要作用。

【責任編輯】蒲 暉