绿氨 update ~ 23.04.21
基本概念Review氨是富氢化合物，重量载氢能力高达17.6%，体积载氢效率是氢气的150%。相比于氢气在常压下的极低液化温度（-283℃），氨在-33
基本概念Review
氨是富氢化合物，重量载氢能力高达17.6%，体积载氢效率是氢气的150%。相比于氢气在常压下的极低液化温度（-283℃），氨在-33℃就能够被液化（或者在常温下，9个大气压）。在成本上，同质量的液氨储罐是液氢储罐的0.2%~1%，且液氨的单位体积重量密度是液氢的8.5倍。相比于氢气，氨的爆炸极限范围（16%~25%）更窄，沸点更高，发生火灾和爆炸的可能性更低。同时，氨具有刺激性气味，人体嗅觉即可检测到仅为危险水平5%以下的浓度，泄漏容易被发现，更加安全可靠。
日本在国际上首次提出了氨能概念，即在氢能大规模使用之前，将合成氨视为承担绿电转化为零碳燃料的有效手段。（昨天和一个朋友聊天，提到为啥日本会提出氨能，要考虑他们的能源禀赋，也是一个新的角度）。从能源角度看，氨的完全燃烧产物只有氮气和水，既可替代部分煤炭为电力系统提供清洁燃料，也可替代部分化石能源为发动机提供清洁燃料。
氨作为一种无碳化合物，可由空气中的氮和水中的氢合成，完全燃烧时的产物纯净无碳，因此，作为一种具有战略价值的可再生能源，氨能够直接燃烧实现清洁供能。氨燃烧时的空燃比较低，在同等进气量（空气）条件下能提供更多的能量，是一种高功率的清洁燃料。同时，氨燃烧的热损失比远低于氢气、汽油和柴油等燃料，尾气带走的热损失小。虽然氨燃烧时产生的热值低，但是其辛烷值高，抗爆性好，可以通过提供更高压缩比来提高动力系统的输出功率。在直接燃氨加注情况下，运营商可以将现有加油站升级改造成加氨站，改造成本比新建加氢站的投资成本低一个数量级。
压燃式内燃机在重型卡车、船舶等交通运输领域和发电领域的年装机容量巨大，目前以燃油为主，产生的二氧化碳排放量占全球的3%~4%，碳减排需求显着。国际海事组织制定了航运业碳减排目标，指出到2050年，二氧化碳排放量应比2008年下降至少70%。因此，到2050年，至少15%的长途船舶应使用氨或氢作为燃料。氨燃料的高体积能量密度属性可以提高船体空间利用率，并且仅需要对常规内燃机进行微小改动，改变压缩比和更换耐腐蚀的管线即可。因此，氨被认为是一种适合应用于远洋船舶的清洁燃料。
氨作为燃料使用时也存在一些明显的燃烧缺陷。相对于汽油、柴油等燃料，氨燃烧时最小点火能量和层流燃烧速度均较低。因此，通常将氨与燃烧性能较好的燃料掺混来改善其燃烧特性。此外，在实际过程中，由于燃烧不充分和氧化发生，容易导致氨燃料所含的氮元素转化成温室效应更强的NOx气体排放。因此，燃烧和尾气处理的定向控制策略对于降低NOx排放至关重要。根据氨燃烧机理，温度和压力对NOx的生成有明显影响，控制温度在热脱硝温度范围内，并尽可能地提高压力是制约NOx生成的两种常规手段，后一种通常用于内燃机系统中。除此之外，还可以在燃烧尾气末端使用选择性催化还原（SCR）系统或燃料过量、废气再循环的策略减少NOx生成。
氨的应用
在我国，氨的生产、储运、供给等环节已成体系，拥有良好的合成氨及氨利用基础条件。100km内液氨的储运成本为150元/t，500km内液氨的储运成本为350元/t，仅为液氢储运成本的1.7%，使用氨现场制氢加氢一体站可以将氢气成本降低至35元/kg以下。
2022年3月，由中国船舶集团设计建造的氨和液化天然气双燃料运输船已成功实现下水。预计到2035年，氨动力船的经济性将与传统燃油动力船持平。目前对于不同工况下氨的燃烧热力学特性，如燃烧速度、火焰稳定性、点火特性、NOx生成特性及未燃尽氨排放等关键参数研究还未形成体系。对于氨的燃烧动力学模型也处于不断验证与完善阶段。
相较于内燃机应用，燃气轮机通常燃烧气体燃料，且燃烧室体积不受限，与氨燃料更为匹配。但是，氨燃烧时的缺陷仍然存在，燃烧稳定性和污染物处理仍是大规模应用需要突破的重点。近期，三菱电机株式会社宣布开始研发世界首个氨气40兆瓦级燃气轮机系统，该系统以纯氨为燃料，目标在2025年左右实现商业化。美国已与IHI公司合作，共同制定燃气轮机路线图。就目前来讲，国内的相关研究较少，偏向于理论研究和基础研究。
短期内，由于绿氨产量和成本限制，加上纯氨燃烧稳定性差等问题，还无法实现纯氨燃烧替代燃煤应用。相比而言，掺氨燃烧方式可以利用现有电厂设施无需对锅炉主体进行大规模改造，成为现阶段降低燃煤电厂碳排放的可行性选择。氨燃料在锅炉中的应用处于起步阶段，集中在小试或中试研究。我国有两家单位率先实现了工程验证，分别是皖能集团、合肥能源研究院联合开发的国内首创8.3MW纯氨燃烧器在300MW火电机组一次性点火成功并稳定运行2h和国家能源集团搭建的40MW燃煤锅炉燃烧实现世界最大比例的混氨燃烧（35%氨气），这标志着我国燃煤锅炉混氨技术进入世界领先赛道。国家能源投资集团有限责任公司的现有示范结果表明，在掺氨比例和氨注入位置一定的情况下，掺氨燃烧后生成的NOx污染物比燃煤工况还要低。若现有煤电机组均实施35%混氨燃烧，每年可减少9.5×108t二氧化碳排放量。经相关测算，当煤炭价格为1400元/t、碳价为500元/t时，掺氨发电的经济性可与煤电相竞争。
在间接供氨式燃料电池系统中，只需在已有的燃料电池气体入口处加装氨分解制氢装置，基于成熟的技术即可实现良好的氨‒氢转换。利用已有的燃料电池技术，在相同温度下氨燃料能够达到与氢燃料相近的功率密度，可以替代纯氢用于新能源汽车。氨‒氢燃料电池在终端用户侧的成本仅为1元/(kW·h)或0.25元/km，具有显著的经济效益。但也存在一些问题需要平衡：氨分解产生的氢气需要纯化和压缩，过程会消耗大量的能量。此外，氨裂化反应器和氢气压缩系统的集成会使整个体系过程增加。目前氨燃料电池尚处于起步研究阶段，各项性能还不完善。为满足商业化需求，还需要攻克长寿命运行稳定性的难题。
合成氨
基于传统的合成工艺，全球每年合成氨产量为2亿t左右，主要产自四个国家：中国、印度、俄罗斯和美国，并在全球范围内进行贸易。中国和印度虽然合成氨产量巨大，但也是氨的主要进口国。截至2021年年底，中国合成氨产能约为6488万t，占全球产能的三分之一左右，较2020年同比增长14.5%。氨能的发展将带动合成氨上、中、下游产业链的快速发展。合成氨主要分为三大用途，分别是农业（尿素等肥料）、工业（化工原料、烟气脱硝）和储能（新型用途）。
电催化合成氨技术是利用电解液中的水与空气中的氮气生成，其本质是利用电催化剂在施加电能条件下N≡N不断加氢和断键，形成氨分子，实现电能向化学能的转化，有效降低反应能垒。在可再生资源最好的地区，绿氨的成本估计为689美元/t，高于灰氨的价格（225美元/t）。据预测，到2030年绿氨价格将降至464美元/t，到2050年将降至295美元/t。当碳价格为127美元/t左右时，绿氨就能与现有的化石合成氨生产相竞争。目前全球多个大型绿氢绿氨项目正在推进，预测到2030年，全球宣布的绿氨项目年生产能力为1500万t（54个项目，产能是当前氨市场的8%），我国绿氨规划并落地的年产能已超过156万t。
相关政策
《“十四五”新型储能发展实施方案》明确指出拓展氨储能应用领域，开展依托可再生能源制氨的新型储能技术试点示范，并被列为重点示范。2022年3月发布的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》中提出，积极引导合成氨等行业由高碳工艺向低碳工艺转变，促进高耗能行业绿色低碳发展。2022年4月印发了《科技部关于发布国家重点研发计划“先进结构与复合材料”等重点专项2022年度项目申报指南的通知》，提出包括分布式氨分解制氢技术与灌装母站集成、氨燃料电池、掺氨清洁高效燃烧等与氨能有关的技术。
发展方向
第一阶段，利用工业富产氢气合成氨。合成氨过程的高排放是由于原料氢的生产来源主要以煤或天然气为主。氯碱工业、煤焦化工业、丙烷脱氢工业等生产过程中产生大量氢气，回收利用副产气可以降低制氢过程中的碳排放，有利于构建一条合成氨低碳生产路线。
第二阶段，突破温和条件合成绿氨关键技术。利用可再生能源电解水技术制取绿氢，将水煤气或天然气排除在流程之外。然后，使用Haber-Bosch剩余流程来制备绿氨。同时，突破低温低压氢气和氮气合成氨新技术，探索可再生能源与低温低压合成氨互补融合新路径。在这个阶段，为实现氢氨融合的持续、快速发展，需要电力成本及相关制氢设备成本的进一步下降。
第三阶段，利用新型的电化学催化氮还原技术生产绿氨。在传统路线中，制氢占一次能源消耗的75%。即便使用可再生能源电解水制氢，制氢也将占总成本的65%。在此阶段将摒弃Haber-Bosch工艺，使用前沿的电催化氮还原技术，省去制氢的过程，通过氮气电还原直接合成氨。这项技术可以大大减少绿氨制备过程的复杂性，比Haber-Bosch工艺减少约20%的能耗，并且不受规模限制，适用于分布式合成氨。
第四阶段，将合成的绿氨应用在内燃机、燃气机或者锅炉等场景，努力实现氨能对化石燃料的替代，大幅度降低碳排放量，贡献碳中和力量。在此加大氨燃料发动机装备研制力度，提升主要设备的核心竞争力，突破零碳燃料的应用技术瓶颈。
除绿氨合成外，储存方面，应当综合考虑技术经济性和安全等因素，解决大规模液氨储罐设计与建设难题。运输方面，研究适用于我国能源发展要求的液氨管道网络整体规划，开发远距离液氨管道运输技术体系。
参考资料：
氨能应用现状与前景
