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CSPPLAZA光熱發電網訊：氨（NH3）是(shi)化肥的重(zhong)要組成部分，是(shi)世(shi)界第二(er)大工業化學(xue)品，年產量約1.8億噸，其(qi)中近90%用于滿(man)足全球農業生產需(xu)求。

同時，鑒于相比(bi)綠色(se)氫氣有許多優勢，氨(an)也越(yue)來越(yue)被視為潛在的綠色(se)能源，可用于電力生產和(he)航運業(ye)等一些難以脫(tuo)碳(tan)的行業(ye)領域。但是，目(mu)前傳統生產氨(an)的主要方式——哈(ha)伯(bo)-博世法（Haber-Bosch【H-B】）與人類應對氣候(hou)變化的主旋(xuan)律并不相容(rong)。

在H-B工藝中，氫氣（H2）和氮氣（N2）在可承(cheng)受高(gao)溫(wen)（350-500°C）高(gao)壓（150-300 bar）的(de)反(fan)(fan)(fan)應器中通(tong)(tong)(tong)過(guo)放熱催化(hua)反(fan)(fan)(fan)應生成氨。在工業H-B工藝中，這種氨生產工藝的(de)基本原料(liao)是通(tong)(tong)(tong)過(guo)消(xiao)耗碳(tan)氫化(hua)合物(wu)獲得的(de)：H2通(tong)(tong)(tong)常通(tong)(tong)(tong)過(guo)蒸汽(qi)重整從(cong)甲烷（CH4）中獲得，N2則(ze)來(lai)自(zi)CH4燃(ran)燒去除氧氣（O2）后的(de)空氣。在此過(guo)程中，碳(tan)氫化(hua)合物(wu)燃(ran)料(liao)被燃(ran)燒以產生反(fan)(fan)(fan)應過(guo)程所需的(de)熱量和機械能，但同時會(hui)排放出大量二(er)氧化(hua)碳(tan)（CO2）。據統計，全(quan)球平均每(mei)生產3噸氨氣就會(hui)產生一(yi)噸二(er)氧化(hua)碳(tan)。

能(neng)不能(neng)用(yong)可再生能(neng)源以一種(zhong)更(geng)加綠(lv)色環(huan)保(bao)的(de)方(fang)式來生產氨呢？比如太陽能(neng)？

為了(le)設計這樣(yang)一種全新的(de)工藝，多(duo)國科學家進行了(le)大(da)量的(de)可持續(xu)能源研究(jiu)，也得到(dao)了(le)各國政府的(de)資助。然而，到(dao)目前為止，大(da)多(duo)數(shu)研究(jiu)人員已經研究(jiu)了(le)如(ru)何將H-B過程轉化為綠色(se)（無化石(shi)(shi)燃料）或藍(lan)色(se)（化石(shi)(shi)燃料，具(ju)有碳捕獲和儲存功能），但是這些思(si)路(lu)并未(wei)改(gai)變(bian)氨氣催化反應所需要的(de)高壓運行條件。

不過，目(mu)前美(mei)國能源部(bu)資助的(de)(de)一個由桑迪亞(ya)國家實驗室、喬治亞(ya)理工學院和(he)亞(ya)利(li)桑那州立大學組成的(de)(de)多(duo)機構(gou)項目(mu)提出了一個區(qu)別(bie)大多(duo)數研究的(de)(de)創新型(xing)思路(lu)，即：利(li)用太(tai)陽能聚光集熱(re)技(ji)術來作為生產(chan)氨(an)的(de)(de)唯一能源。

一種全新的太陽能熱化學氨生產工藝

據悉，由桑迪亞國家(jia)實(shi)驗室Andrea Ambrosini博(bo)士領導的多(duo)機構團隊(dui)目前(qian)正(zheng)在研究這(zhe)種完(wan)全不(bu)涉及H-B工(gong)藝的碳(tan)中(zhong)性(xing)氨生產(chan)方法。該團隊(dui)正(zheng)在評估一種獨特的太(tai)陽能熱化(hua)(hua)學(xue)氨生產(chan)工(gong)藝的可行(xing)性(xing)，該工(gong)藝完(wan)全不(bu)排放二氧化(hua)(hua)碳(tan)。

來自(zi)亞利(li)桑那州(zhou)立大學(xue)(xue)、參與撰寫(xie)《太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)驅動的(de)(de)基于兩步熱(re)(re)化學(xue)(xue)循環(huan)的(de)(de)空氣(qi)氮氣(qi)分(fen)離工藝(yi)(yi)》的(de)(de)助理研(yan)究科(ke)學(xue)(xue)家(jia)Alberto de la Calle博士介(jie)紹(shao)：“我們提(ti)出了一(yi)種(zhong)可(ke)持續的(de)(de)氨生產思(si)路，不(bu)需要(yao)化石燃料，而是(shi)利(li)用集中太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)輻射(she)。這種(zhong)正在開(kai)發的(de)(de)先進太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)熱(re)(re)化學(xue)(xue)循環(huan)技術(shu)可(ke)以從(cong)空氣(qi)中生產和(he)儲存氮氣(qi)，然后通過先進的(de)(de)兩級工藝(yi)(yi)生產氨，更重要(yao)的(de)(de)是(shi)它(ta)可(ke)以降(jiang)低合成氨所需的(de)(de)壓力(li)。”

該反應過程(cheng)主要由以(yi)下(xia)四(si)步組成：第(di)(di)1步，還原金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)；第(di)(di)2步，從空氣(qi)中分(fen)離(li)氮氣(qi)并重新(xin)氧(yang)化(hua)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)；第(di)(di)3步，通過氫氣(qi)與金(jin)屬(shu)氮化(hua)物(wu)反應合(he)成氨；第(di)(di)4步，用產(chan)生的(de)氮氣(qi)對缺乏氮的(de)氮化(hua)物(wu)進行再氮化(hua)。

圖：反(fan)應過程（從上到下的步驟順(shun)序為1,2,4,3）

按照研究團隊(dui)提出的(de)思路，該過(guo)程可(ke)以分(fen)為(wei)兩個(ge)階段，每個(ge)階段有兩個(ge)步驟。

在(zai)第一(yi)(yi)階段，研(yan)究小組將(jiang)通過(guo)兩(liang)步熱化(hua)(hua)學金(jin)(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)循(xun)環法將(jiang)氮(dan)氣(qi)從(cong)空氣(qi)中分(fen)離(li)出來。第一(yi)(yi)步是金(jin)(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)的熱還(huan)原，從(cong)其結構(gou)中釋放出一(yi)(yi)些氧(yang)氣(qi)。由于這種還(huan)原反(fan)(fan)應是吸熱的，將(jiang)利用光熱發電技術以熱量(liang)(liang)的方式(shi)提供能量(liang)(liang)。在(zai)第二步中，這種還(huan)原的金(jin)(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)在(zai)空氣(qi)中被再氧(yang)化(hua)(hua)從(cong)而消(xiao)耗氧(yang)氣(qi)，并產生高純度的氮(dan)氣(qi)流。一(yi)(yi)旦反(fan)(fan)應完成，金(jin)(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)回到第一(yi)(yi)步，循(xun)環往(wang)復(fu)。

到第(di)(di)二階(jie)段，他們將通過兩步(bu)熱化(hua)學(xue)金屬(shu)氮(dan)化(hua)物循環法生產氨。第(di)(di)二個循環的第(di)(di)一步(bu)是(shi)氨合成(cheng)反(fan)應。在這一步(bu)驟中(zhong)，金屬(shu)氮(dan)化(hua)物被(bei)H2還原（氮(dan)氣(qi)被(bei)去除），直(zhi)接產生氨。在第(di)(di)二步(bu)中(zhong)，用第(di)(di)一階(jie)段純化(hua)的氮(dan)氣(qi)對缺氮(dan)金屬(shu)氮(dan)化(hua)物進行再氮(dan)化(hua)，使氮(dan)化(hua)物再生。一旦反(fan)應完(wan)成(cheng)，再生的氮(dan)化(hua)物可以重(zhong)新還原，從(cong)而實(shi)現循環反(fan)應。

目前，針對可在這個新穎循環(huan)中有(you)效(xiao)工作(zuo)的氮化物的相關研究工作(zuo)正在進(jin)行中。

可大幅降低成本并避免二氧化碳排放

Alberto de la Calle表(biao)示：“在(zai)傳統的(de)(de)(de)(de)H-B工(gong)藝中(zhong)(zhong)，從空(kong)氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)分離氮(dan)氣(qi)(qi)會產(chan)生大量的(de)(de)(de)(de)二氧(yang)化(hua)碳。傳統的(de)(de)(de)(de)工(gong)藝是通過燃(ran)燒CH4從空(kong)氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)除(chu)去(qu)氧(yang)氣(qi)(qi)，然后通過蒸汽重整產(chan)生更多的(de)(de)(de)(de)氫氣(qi)(qi)，但同時(shi)也(ye)會使二氧(yang)化(hua)碳排(pai)放量增加。而我們的(de)(de)(de)(de)思路就(jiu)是利用(yong)太陽能來減少一種金屬(shu)氧(yang)化(hua)物（使其熱還原(yuan)），然后這種氧(yang)化(hua)物會消(xiao)耗空(kong)氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)氣(qi)(qi)而不產(chan)生任何二氧(yang)化(hua)碳。同時(shi)，該(gai)技術還能夠生產(chan)出高(gao)純度的(de)(de)(de)(de)氮(dan)氣(qi)(qi)，而不需要像H-B工(gong)藝那樣進行(xing)后處理（分離二氧(yang)化(hua)碳）。”

Alberto de la Calle進(jin)一步解釋道：“我們可以利(li)用聚光熱能在(zai)(zai)800℃的(de)條件(jian)下使金(jin)屬氧(yang)(yang)化(hua)物還原，同(tong)時用空氣(qi)(qi)將金(jin)屬氧(yang)(yang)化(hua)物釋放出(chu)的(de)氧(yang)(yang)氣(qi)(qi)掃出(chu)反應器，并在(zai)(zai)500℃的(de)條件(jian)下進(jin)行氮氣(qi)(qi)分離。”

該技(ji)術的(de)另一個優點是——它們可(ke)(ke)以儲存(cun)還原(yuan)的(de)金(jin)屬氧化物(wu)顆(ke)粒（固體(ti)比氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)更(geng)容易儲存(cun)），進而可(ke)(ke)以根據需要來生產氮(dan)氣(qi)(qi)(qi)(qi)。通過儲存(cun)還原(yuan)顆(ke)粒來代替氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)，不需再使(shi)用昂貴的(de)加壓儲存(cun)和(he)壓縮工作將氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)引入壓力容器內。

與下(xia)圖Heliogen公(gong)司建設的(de)多(duo)邊形定(ding)日鏡(jing)場(chang)類(lei)似，利用光(guang)(guang)熱(re)發電技(ji)術生產零排放(fang)氨氣(qi)方(fang)案的(de)太(tai)陽輻射能(neng)量也(ye)將由一個太(tai)陽能(neng)定(ding)日鏡(jing)場(chang)提供(gong)，將數千個高(gao)度集中(zhong)的(de)太(tai)陽光(guang)(guang)束聚(ju)焦到位于塔頂(ding)的(de)接收器/反應器上(shang)。但(dan)是生產氨氣(qi)的(de)太(tai)陽能(neng)熱(re)化(hua)學反應器并不需要發電，所以(yi)不用配置發電機或蒸(zheng)汽(qi)循(xun)環(huan)系(xi)統(tong)，只(zhi)需安裝太(tai)陽能(neng)聚(ju)光(guang)(guang)場(chang)和反應器即可，而上(shang)述思路的(de)第1個步驟就可以(yi)在反應器中(zhong)進行。

該工(gong)(gong)藝(yi)的第(di)2個步(bu)驟就是通過(guo)熱(re)化(hua)學循環在比H-B工(gong)(gong)藝(yi)低得(de)多(duo)的工(gong)(gong)作壓(ya)力下(xia)生(sheng)產氨，H-B工(gong)(gong)藝(yi)需要(yao)150-300bar的壓(ya)力來驅(qu)動反(fan)應進行(xing)，而(er)Alberto de la Calle認為采用光熱(re)的創新氨生(sheng)產工(gong)(gong)藝(yi)可以(yi)在低于(yu)30bar的壓(ya)力下(xia)進行(xing)工(gong)(gong)作。

H-B工藝(yi)所需的(de)高(gao)壓使(shi)反應器(qi)、熱交(jiao)換器(qi)、管道和(he)壓縮機等幾(ji)乎(hu)所有部件(jian)的(de)成(cheng)本大大增加，此(ci)外壓縮過程中所需能量的(de)成(cheng)本也非(fei)常可觀（約占H-B工藝(yi)總能耗的(de)20%）。因(yin)此(ci)，低(di)壓工作條件(jian)所帶來的(de)好處是顯而易見(jian)的(de)，不但可以節約成(cheng)本，還可以避免二氧化碳排放。

不過，光熱生產氨的反(fan)應(ying)需(xu)要比H-B工藝更(geng)高的工作(zuo)溫(wen)度（H-B工藝的催化(hua)反(fan)應(ying)工作(zuo)溫(wen)度只需(xu)要350到500°C），目前研究團(tuan)隊仍(reng)在為熱化(hua)學循(xun)環反(fan)應(ying)篩(shai)選適用材料。

Alberto de la Calle指(zhi)出：“我們(men)的目(mu)標(biao)(biao)是：氨合成與再(zai)氮化反應的工作溫度接近500℃，而(er)最大壓(ya)力目(mu)標(biao)(biao)為30 bar。我相信，如果擁有(you)一個設計良好的熱回收系統，我們(men)可以充(chong)分回收氮氣生產過程所排放的熱量并滿(man)足(zu)其它(ta)所有(you)的熱量需求(qiu)。”

據了解，本項(xiang)目所提出(chu)的相關(guan)反應（金(jin)屬氧化(hua)物(wu)還原、制氮、氨合成和(he)再(zai)氮化(hua)）目前處于技(ji)術(shu)成熟的早期階段，亞(ya)利(li)桑那州立大學團(tuan)隊現在已開(kai)始進行系統建模和(he)詳細的熱力學和(he)技(ji)術(shu)經(jing)濟(ji)分(fen)析，以(yi)尋找(zhao)最佳操(cao)作(zuo)條件或系統規(gui)模。