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)的能源系統中如何扮演能源的角色。
一、氨的物性、應用、以及制取介紹
1、氨氣的基本物性介紹：
氨氣（Ammonia），是一種無(wú)機化合物，化學(xué)式為NH3，分子量為17.031，無(wú)色、有強烈的刺激氣味。密度 0.7710g/L。相對密度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 )分解成氮氣和氫氣，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?？捎傻蜌渲苯雍铣啥频?，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%。
請注意：理論值是沒(méi)有氮氧化物出現的。當實(shí)際在空氣環(huán)境中燃燒是有氮氧化物出現的。
2、氨的常規應用
十九世紀中期，也就是戰爭前后，隨著(zhù)農業(yè)科學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)認識到氮源對植物生長(cháng)的重大意義，有意識地使用氨作為人工氮源提升農產(chǎn)品產(chǎn)量。這也是氨最早作為肥料的一種在農業(yè)領(lǐng)域的應用，直到后續擴展到工業(yè)領(lǐng)域，甚至未來(lái)的能源領(lǐng)域。
現狀，氨用于制造氨水、氮肥（尿素、碳銨等）、復合肥料、硝酸、以及銨鹽、純堿等，廣泛應用于化工、輕工、化肥、制藥、合成纖維等領(lǐng)域。含氮無(wú)機鹽及有機物中間體、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，法國科學(xué)家，貝托萊證明了氨是由氫與氮組成的。
1898年，德國化學(xué)家首先采用化學(xué)方法完成了合成氨。
20世紀初，科學(xué)家就希望通過(guò)氫氣與氮氣反應得到氨氣。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，德國化學(xué)家哈伯完成了合成氨的實(shí)驗。
1911年，哈伯與大名鼎鼎的BASF合作完成，建成合成氨工廠(chǎng)，年產(chǎn)量9000噸。哈伯本人因為在合成氨領(lǐng)域的突出貢獻獲得了1918年諾貝爾化學(xué)獎。
3.2.工業(yè)上氨是以哈伯法通過(guò)N2和H2合成。
（反應條件為高溫、高壓、催化劑），一般為鐵觸媒作催化劑，壓強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氣和氫氣合成制得。氮氣主要來(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）。由氮氣和氫氣組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)上都是基于氮氣和氫氣的合成。只是不同的過(guò)程氫氣和氮氣的來(lái)源不一樣，生產(chǎn)過(guò)程副產(chǎn)物和工藝參數不一樣。所以氫氣作為其中合成需求原料之一，其來(lái)源剛好也是現在被大家熱炒的氫能源的氫氣來(lái)源。因為和氫相比氨具有一系列儲運相對方便和成熟的特性，所以也就有了“氨能"、“氫能第二代"等等網(wǎng)絡(luò )熱詞出現。結合這些我們下面簡(jiǎn)單說(shuō)明一下氨是如何在未來(lái)的能源系統中扮演角色。（氨的工業(yè)領(lǐng)域應用不再展開(kāi)說(shuō)明了）
二、“氨"在未來(lái)的能源系統中扮演的角色
1、首先我們先明確為什么會(huì )有“氨能"一說(shuō)。
1.1我們根據氨的制取方式來(lái)看，其本質(zhì)上是由氫氣和氮氣的合成，所以不解決其中相對獲得成本較高的氫氣來(lái)源問(wèn)題，就無(wú)從談起“氨能"。另由于氫氣的儲運存在一些問(wèn)題（無(wú)論是高壓氣態(tài)、金屬固態(tài)、有機液體或者液氫等），所以為了更好的實(shí)現氫氣的儲運有了"H to X"的各種技術(shù)路線(xiàn)，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(cháng)遠系統來(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(xiàn)。（至于為什么會(huì )有“ P to H"的必要性，本公眾號《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，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)氨是相對來(lái)說(shuō)實(shí)現氫氣儲運的方式？各位客官自行分析，本人不做結論。
表1：氨與其他燃料的儲運比較
表2：不同形式氫氣儲運的比較
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（當然里面給的是單位重量下的熱值，非體積熱值，可以結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、也有氨混合碳氫燃燒，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是氨燃料能夠成為可靠的替代燃料并廣泛應用的關(guān)鍵；另外還有就是避免氮氧化物的出現。
2.2氨的分解制氫。
氨的分解最終產(chǎn)物是氫氣和氮氣。氮氣可以直接排空或者作為工業(yè)氣體再利用，氫氣如何利用更是一個(gè)老生長(cháng)談的話(huà)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了。如能夠規?；瘧?，肯定也是對“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。當然隨著(zhù)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氣和水直接合成氨也是一種可能。3.2如果再生能源未來(lái)是全球能源供應的主要來(lái)源，勢必會(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，在一些相對較短的范圍內和直接用氫比不見(jiàn)得有經(jīng)濟性。3.4氨的大規模合成非常成熟，但是大規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)濟性評價(jià)。3.5氨能終端應用場(chǎng)景的打開(kāi)像現在的氫能源一樣，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。3.6全球范圍內氨的儲運等法規盡管也比較苛刻，但是相對氫氣的儲運來(lái)看法規體系已經(jīng)比較健全和完善。3.7回應現狀大家也在熱炒的儲能問(wèn)題，如果打通來(lái)源和應用兩頭，那“氨"作為一種儲能體就更不是問(wèn)題了。
結語(yǔ)：如果非得對“氨能"的未來(lái)下一個(gè)判斷性的結論，我想應該是有了氫能就有機會(huì )有氨能，因為其在某些層面氨能有*的優(yōu)勢。但氨能不是一個(gè)獨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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