“零碳明星”，臭氨要变“香”

苏更林

我们所熟悉的氨，因其具有特征性的臭味而被认为是一个不受欢迎的分子。然而，由于氨在世界粮食生产中的历史性贡献以及在其他方面的广泛用途，所以即便臭点儿也具有历久不衰的生命力。如今，人类走到了一个能源转型的“十字路口”，零碳的臭氨能否成为未来的“能源明星”？

氢能2.0，一个氮三个氢

2022年，全国首座“氨现场制氢加氢一体站”示范项目在福州启动，这无疑是实施“双碳战略”、推动氢能产业化的一次科学实践，意味着我国在“在线制氢、分离纯化、升压加注一体化”方面取得了重要突破。

由于氢本身不含碳，因此被认为是化石燃料的理想零碳替代品。推广氢能汽车、建设氢能加油站，对于构建零碳社会至关重要。我国已建成的加氢站主要以35兆帕气态加氢站为主，氢气运输主要以高压气态长管拖车运输为主。不难看出，储运难和安全性差是制约氢能普及的主要“瓶颈”。

我们知道，一个氨分子包含一个氮原子和三个氢原子，是典型的零碳燃料。在“氨现场制氢加氢一体站”项目中，氨充当的角色实际是“氢载体”，即合成氨源于氢气和氮气，氨制氢又反向释放出氢气和氮气来。

氢本身就是一种零碳燃料，那为什么还要用氨作为“氢载体”呢？原来，引入氨这个储氢介质可以破解氢气储运难和安全性差的难题，是实现氢能商业化推广的一个技术路径。

为什么氨具有如此神功？这其实不难理解。氨的液化温度（-33℃）要比氢的液化温度（-253℃）高出不少，因此非常容易液化。很显然，在储运方面，与液氢相比，液氨具有更小的难度、更低的成本。

事实上，氢气的液化需要消耗大量的能量，而氨只需常温加压至0.7兆帕就可以成为液态，能量消耗并不大。一个长管拖车的载氢量不足400千克，而一辆载氨量30吨的液氨槽罐车载氢量可高达5.29吨，液氨储运的高效率和低成本一目了然。

氨作为储氢介质，可以突破传统的氢气储运“瓶颈”，为发展氨氢绿色能源体系奠定坚实基础。现在的合成氨技术已经十分成熟，然而用氨释氢仍然属于一个探索中的课题，这是因为氨分子中的N-H键非常强，分解制氢需要很高的温度。

低碳海运，为何青睐氨引擎

有人说海运改变了世界，因为世界上绝大多数的货物运输都是由海运来完成的，但船舶引擎也面临消耗能源、污染环境的问题。在海运成本构成中，燃油费就占到了50%～60%。船舶柴油机排放造成了巨量污染。那么，哪种燃料能够减少污染呢？科学界的共识是氨和氢。氨中含氢17.6%，是一种典型的零碳富氢燃料。

在海运领域，燃料的体积能量密度往往决定着船舶的续航能力。因为燃料的体积能量密度越高，就意味着同等的燃料舱容积可以赋予船舶更长的续航里程。液氨的体积能量密度大约是液氢的1.5倍，且货源充裕、储运容易，是一种比较理想的能量载体，适合用作续航里程比较长的船舶燃料。

在海运领域逐步推广氨氢动力体系，无疑是从海运化石燃料向零碳燃料转型的重要环节，对于降低二氧化碳和其他污染物排放具有重要的战略意义。

实现清洁能源的转型，需要攻克氨氢动力体系中的关键技术，完成从基础设施到终端应用的配套建设。氨氢燃料体系在海运领域中既可以用作发动机的燃料，又可以用作燃料电池的原料。

燃料电池作为一种将化学能直接转换成电能的装置，不仅高效而且环保，因此在海运动力引擎中具有巨大的吸引力。氨中氢含量很高，并且重整制氢装置又非常简单，因此可作为燃料电池的理想原料。

无碳燃料，真的能燃烧吗

在我们的生活中，大凡燃烧都离不开含碳燃料，煤炭、石油、天然气等都属于此类燃料。

氨作为一种零碳化学品，大约有80%的产能用在了化肥工业，其余的被广泛应用于化学工业、机械工业、电器工业、国防工业以及日用消费行业，大多与我们的生活密切相关。然而，鲜有用氨作燃料的案例。

氨也能燃烧吗？答案是肯定的。因为不含碳元素，所以氨完全燃烧时只产生清洁环保的水和氮气。这就是氨作为零碳燃料的魅力所在。

氨在燃烧时的空燃比（混合气中空气和燃料的质量比）较低，在同等空气进气量条件下能提供更多的能量，因此是一种高功率的清洁燃料。尽管氨的热值较汽油低许多，但其辛烷值较高，可通过压缩比的增大来提高氨的热效率。

不过，氨的直接燃烧还是存在一些需要解决的问题，如不容易点燃、燃烧速度很慢等。氨直接燃烧的稳定性以及污染物处理也是制约其大规模应用的重要因素。这些都需要通过相关技术来解决。实验表明，在氨中掺氢的做法可以改善氨的燃烧性能，达到比较理想的状态。这说明，氨在内燃机内的燃烧需要借助其他易燃燃料的“引燃”。据悉，氨的直接燃烧或者与其他常规燃料混燃还可应用于发电领域，这对于构建清洁电力系统是至关重要的。

终端无碳，真的就清洁吗

都说氨是一种零碳燃料，其实强调的只是其“终端无碳排放”，至于它清不清洁，光看“现实表现”是不够的。它来自哪里？路径如何？有没有碳足迹？都是需要理清的。从清洁生产的视角来审视传统的合成氨技术，其实它并不符合绿色环保的理念。按照哈伯-博世工艺，合成氨需要在高温（大约500℃）、高压（20～40兆帕）以及铁基催化剂的条件下付诸实施。

就其原料来源来讲，氮源于空气，氢主要源于化石原料。就其路径而言，氮气需借助空分工艺获取，需要消耗化石能源；氢气需要借助蒸汽重整工艺从煤炭或天然气等原料中获取，自然就被打上了化石基的烙印。

合成氨工业作为一个能量密集型产业，能源消耗大约占到了全球能源消耗的2%。合成氨工业每年二氧化碳排放量高达3亿吨，约占全球二氧化碳排放量的1%，其中化石基氢气环节就占据了大约90%的份额。

基于巨量的化石原料和能源消耗，传统的合成氨工艺注定存在“环境欠账”。减碳路上，我们呼唤的是“绿氨”，即没有“环境欠账”的零碳能源。

减碳路上，“绿氨”不能缺席

根据原料中氢气的碳足迹，我们通常把合成氨分为“灰氨”“蓝氨”和“绿氨”。在“灰氨”中，氢气来源于煤炭或者天然气，采用传统的高温高压工艺合成，二氧化碳排放量大。“蓝氨”的碳足迹要比“灰氨”少许多，“蓝氨”是在“灰氨”生产的基础上对二氧化碳进行捕获和储存。所谓“绿氨”，就是全程无碳的可再生氨，其实现路径：全程以可再生原料和能源进行生产，改化石基氢气为电解水制氢，改化石基能源为可再生能源（如风能、太阳能等），再用“绿氢”和空气中的氮合成氨。

由于历史原因，目前合成氨工业几乎全部采用传统工艺，绿色转型存在巨大的压力。然而，“双碳战略”的实施为“绿氨”产业的发展指明了方向。未来，“绿氨”合成将成为一个十分活跃的研究领域，并在低碳合成的道路上不断取得新突破。这其中既包括对传统合成氨工艺的改造，也包括探索新的合成氨生产工艺，以降低反应过程的能耗，提高“绿氨”的规模化生产能力。

在“双碳战略”愿景下，构建包括氨能在内的新型能源体系，对于建设低碳社会无疑具有十分重要的意义。呼之欲出的“绿氨”，必将成为未来能源转型的一个“零碳明星”，并有望在氢能载体、能量储存以及零碳燃料等方面發挥重要作用。

【责任编辑】蒲 晖