最近被人們熱議的“氨能"，本質(zhì)上就是把氨作為一種能量介質(zhì)，是“Power to X"中的一種，也可以理解成“H to X"的一種。下面我們就從“氨氣"的一些基本物性、應(yīng)用、生產(chǎn)來(lái)源方式等層面來(lái)給大家簡(jiǎn)單科普“氨"到底是一個(gè)什么東西，以及氨在未來(lái)的能源系統(tǒng)中如何扮演能源的角色。
一、氨的物性、應(yīng)用、以及制取介紹
1、氨氣的基本物性介紹：
氨氣（Ammonia），是一種無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式為NH3，分子量為17.031，無(wú)色、有強(qiáng)烈的刺激氣味。密度 0.7710g/L。相對(duì)密度0.5971（空氣=1.00）。易被液化成無(wú)色的液體。在常溫下加壓即可使其液化（臨界溫度132.4℃，臨界壓力11.2兆帕，即112.2大氣壓）。沸點(diǎn)-33.5℃。也易被固化成雪狀固體。熔點(diǎn)-77.75℃。溶于水、乙醇和億醚。在高溫時(shí)會(huì)分解成氮?dú)夂蜌錃?，有還原作用。有催化劑存在時(shí)可被氧化成一氧化氮。用于制液氮、氨水、硝酸、以及銨鹽和胺類(lèi)等。可由氮和氫直接合成而制得，能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入過(guò)多，能引起肺腫脹，以至死亡。1.氨極易液化 ，在常壓下冷卻至-33.34℃或在常溫下加壓至700KPa至800KPa，氣態(tài)氨就液化成無(wú)色液體，同時(shí)放出大量的熱。 液態(tài)氨汽化時(shí)要吸收大量的熱，使周?chē)镔|(zhì)的溫度急劇下降，所以氨常作為 制冷劑 。 2.燃燒熱值：燃燒熱，25℃（77oF）氣態(tài)時(shí) 18603.1kJ/kg；空氣中爆炸低限含量：16.1%；空氣中爆炸高限含量：25%。
請(qǐng)注意：理論值是沒(méi)有氮氧化物出現(xiàn)的。當(dāng)實(shí)際在空氣環(huán)境中燃燒是有氮氧化物出現(xiàn)的。
2、氨的常規(guī)應(yīng)用
十九世紀(jì)中期，也就是戰(zhàn)爭(zhēng)前后，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到氮源對(duì)植物生長(zhǎng)的重大意義，有意識(shí)地使用氨作為人工氮源提升農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量。這也是氨最早作為肥料的一種在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，直到后續(xù)擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域，甚至未來(lái)的能源領(lǐng)域。
現(xiàn)狀，氨用于制造氨水、氮肥（尿素、碳銨等）、復(fù)合肥料、硝酸、以及銨鹽、純堿等，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、化肥、制藥、合成纖維等領(lǐng)域。含氮無(wú)機(jī)鹽及有機(jī)物中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料。此外，液氨常用作制冷劑，氨還可以作為生物燃料來(lái)提供能源。
1774年英國(guó)化學(xué)家普利斯特利通過(guò)加熱氯化銨與熟石灰制備了氨氣。
1784年，法國(guó)科學(xué)家，貝托萊證明了氨是由氫與氮組成的。
1898年，德國(guó)化學(xué)家首先采用化學(xué)方法完成了合成氨。
20世紀(jì)初，科學(xué)家就希望通過(guò)氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)得到氨氣。所用的手段可以說(shuō)是五花八門(mén)，包括但不限于使用催化劑或者高壓電弧等等，尤其是后者，主要希望通過(guò)模擬自然界的固氮過(guò)程進(jìn)行合成氨。但是無(wú)一例外這些手段最終都失敗了。甚至人們一度以為合成氨是不可行的。
1908年~1910年，德國(guó)化學(xué)家哈伯完成了合成氨的實(shí)驗(yàn)。
1911年，哈伯與大名鼎鼎的BASF合作完成，建成合成氨工廠，年產(chǎn)量9000噸。哈伯本人因?yàn)樵诤铣砂鳖I(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)獲得了1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
3.2.工業(yè)上氨是以哈伯法通過(guò)N2和H2合成。
（反應(yīng)條件為高溫、高壓、催化劑），一般為鐵觸媒作催化劑，壓強(qiáng)20-50 mPa，溫度450℃左右。
3.3工業(yè)制備流程
工業(yè)制氨絕大部分是在高壓、高溫和催化劑存在下由氮?dú)夂蜌錃夂铣芍频?。氮?dú)庵饕獊?lái)源于空氣；氫氣主要來(lái)源于含氫和一氧化碳的合成氣（純氫也來(lái)源于水的電解）。由氮?dú)夂蜌錃饨M成的混合氣即為合成氨原料氣。從燃料化工來(lái)的原料氣含有硫化合物和碳的氧化物，它們對(duì)于合成氨的催化劑是有毒物質(zhì)，在氨合成前要經(jīng)過(guò)凈化處理。無(wú)論哈伯法、天然氣制氨法、重質(zhì)油制氨法、煤（煤炭）制氨法等，其本質(zhì)上都是基于氮?dú)夂蜌錃?/span>的合成。只是不同的過(guò)程氫氣和氮?dú)獾膩?lái)源不一樣，生產(chǎn)過(guò)程副產(chǎn)物和工藝參數(shù)不一樣。所以氫氣作為其中合成需求原料之一，其來(lái)源剛好也是現(xiàn)在被大家熱炒的氫能源的氫氣來(lái)源。因?yàn)楹蜌湎啾劝本哂幸幌盗袃?chǔ)運(yùn)相對(duì)方便和成熟的特性，所以也就有了“氨能"、“氫能第二代"等等網(wǎng)絡(luò)熱詞出現(xiàn)。結(jié)合這些我們下面簡(jiǎn)單說(shuō)明一下氨是如何在未來(lái)的能源系統(tǒng)中扮演角色。（氨的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用不再展開(kāi)說(shuō)明了）
二、“氨"在未來(lái)的能源系統(tǒng)中扮演的角色
1、首先我們先明確為什么會(huì)有“氨能"一說(shuō)。
1.1我們根據(jù)氨的制取方式來(lái)看，其本質(zhì)上是由氫氣和氮?dú)獾暮铣桑圆唤鉀Q其中相對(duì)獲得成本較高的氫氣來(lái)源問(wèn)題，就無(wú)從談起“氨能"。另由于氫氣的儲(chǔ)運(yùn)存在一些問(wèn)題（無(wú)論是高壓氣態(tài)、金屬固態(tài)、有機(jī)液體或者液氫等），所以為了更好的實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)運(yùn)有了"H to X"的各種技術(shù)路線，其中目前比較典型的就是氫氣合成甲醇、合成、甲烷、合成氨。長(zhǎng)遠(yuǎn)系統(tǒng)來(lái)看，本質(zhì)上還是可再生能源“P to H to X"的一種技術(shù)路線。（至于為什么會(huì)有“ P to H"的必要性，本公眾號(hào)《氫眼所見(jiàn)》有很多文章描述原因）1.2 氫氣合成氨和其他相比具備什么優(yōu)勢(shì)，我們從下面兩個(gè)表格去做一些簡(jiǎn)單了解,從下面兩個(gè)表中的能量密度、體積成本、能量成本來(lái)比較是否能得出一個(gè)氨是相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)氫氣儲(chǔ)運(yùn)的方式？各位客官自行分析，本人不做結(jié)論。
表1：氨與其他燃料的儲(chǔ)運(yùn)比較
表2：不同形式氫氣儲(chǔ)運(yùn)的比較
2.氨能該如何釋放
目前把氨作為一種能源體來(lái)做終端利用，目前能利用的方式不外乎直接燃燒和裂解制氫。
從燃燒熱值的角度，大家可以參考下表（當(dāng)然里面給的是單位重量下的熱值，非體積熱值，可以結(jié)合上面兩表的能量密度以及密度來(lái)分析）
氨的燃燒既有純氨燃燒也有混氫燃燒、也有氨混合碳?xì)淙紵?，主要要解決的問(wèn)題是提高氨-空氣火焰的燃燒速度從而使火焰增強(qiáng)是氨燃料能夠成為可靠的替代燃料并廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵；另外還有就是避免氮氧化物的出現(xiàn)。
2.2氨的分解制氫。
氨的分解最終產(chǎn)物是氫氣和氮?dú)狻５獨(dú)饪梢灾苯优趴栈蛘咦鳛楣I(yè)氣體再利用，氫氣如何利用更是一個(gè)老生長(zhǎng)談的話題了，這里就不再贅述了。順便提一下目前已經(jīng)有直接氨燃料電池出現(xiàn)了。如能夠規(guī)模化應(yīng)用，肯定也是對(duì)“氨能"市場(chǎng)化的一種促進(jìn)。
我們討論這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上也會(huì)牽涉到很多問(wèn)題，我們簡(jiǎn)單提列一些如下：3.1首先我們還是要解決氫氣的來(lái)源，沒(méi)有氫能就沒(méi)有氨能。當(dāng)然隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步會(huì)不會(huì)有一天基于太陽(yáng)光就可以直接利用空氣中的氮?dú)夂退苯雍铣砂币彩且环N可能。3.2如果再生能源未來(lái)是全球能源供應(yīng)的主要來(lái)源，勢(shì)必會(huì)有個(gè)再生能源再分配的問(wèn)題，看起來(lái)氨不失為為一種跨洲際實(shí)現(xiàn)再生能源再分配的好的載體之一。3.3“氨能"不是的，在一些相對(duì)較短的范圍內(nèi)和直接用氫比不見(jiàn)得有經(jīng)濟(jì)性。3.4氨的大規(guī)模合成非常成熟，但是大規(guī)模裂解再制氫還是有很多問(wèn)題要克服。比如所有技術(shù)路徑都存在的攔路虎經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。3.5氨能終端應(yīng)用場(chǎng)景的打開(kāi)像現(xiàn)在的氫能源一樣，既有多重限制又有多點(diǎn)開(kāi)花的可能，但需要開(kāi)發(fā)的場(chǎng)景卻任重而道遠(yuǎn)。3.6全球范圍內(nèi)氨的儲(chǔ)運(yùn)等法規(guī)盡管也比較苛刻，但是相對(duì)氫氣的儲(chǔ)運(yùn)來(lái)看法規(guī)體系已經(jīng)比較健全和*。3.7回應(yīng)現(xiàn)狀大家也在熱炒的儲(chǔ)能問(wèn)題，如果打通來(lái)源和應(yīng)用兩頭，那“氨"作為一種儲(chǔ)能體就更不是問(wèn)題了。
結(jié)語(yǔ)：如果非得對(duì)“氨能"的未來(lái)下一個(gè)判斷性的結(jié)論，我想應(yīng)該是有了氫能就有機(jī)會(huì)有氨能，因?yàn)槠湓谀承用姘蹦苡?的優(yōu)勢(shì)。但氨能不是一個(gè)獨(dú)立體就能存在的能源體系，僅僅是再生能源的“P to X"的其中之一而已！
文章來(lái)源：《氫眼所見(jiàn)》，作者馬震
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