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一文科普:最近热炒的“氨能”是个什么东西?

 发布时间:2022-03-10    点击量:200
最近被人们热议的“氨能",本质上就是把氨作为一种能量介质,是“Power to X"中的一种,也可以理解成“H to X"的一种。下面我们就从“氨气"的一些基本物性、应用、生产来源方式等层面来给大家简单科普“氨"到底是一个什么东西,以及氨在未来的能源系统中如何扮演能源的角色。



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一、氨的物性、应用、以及制取介绍

1、氨气的基本物性介绍:


氨气(Ammonia),是一种无机化合物,化学式为NH3,分子量为17.031,无色、有强烈的刺激气味。密度 0.7710g/L。相对密度0.5971(空气=1.00)。易被液化成无色的液体。在常温下加压即可使其液化(临界温度132.4℃,临界压力11.2兆帕,即112.2大气压)。沸点-33.5℃。也易被固化成雪状固体。熔点-77.75℃。溶于水、乙醇和亿醚在高温时会分解成氮气和氢气,有还原作用。有催化剂存在时可被氧化成一氧化氮。用于制液氮、氨水、硝酸、以及铵盐和胺类等。可由氮和氢直接合成而制得,能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜,人吸入过多,能引起肺肿胀,以至死亡。

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1.氨极易液化 在常压下冷却至-33.34℃或在常温下加压至700KPa至800KPa,气态氨就液化成无色液体,同时放出大量的热。 液态氨汽化时要吸收大量的热,使周围物质的温度急剧下降,所以氨常作为 制冷剂 。
2.燃烧热值:燃烧热,25℃(77oF)气态时 18603.1kJ/kg;空气中爆炸低限含量:16.1%;空气中爆炸高限含量:25%。
3.在纯氧气中的燃烧反应:


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请注意:理论值是没有氮氧化物出现的。当实际在空气环境中燃烧是有氮氧化物出现的。


2、氨的常规应用

十九世纪中期,也就是战争前后,随着农业科学的发展,人们已经认识到氮源对植物生长的重大意义,有意识地使用氨作为人工氮源提升农产品产量。这也是氨最早作为肥料的一种在农业领域的应用,直到后续扩展到工业领域,甚至未来的能源领域。

现状,氨用于制造氨水、氮肥(尿素、碳铵等)、复合肥料、硝酸、以及铵盐、纯碱等,广泛应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域。含氮无机盐及有机物中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。此外,液氨常用作制冷剂,氨还可以作为生物燃料来提供能源。



3、氨的制取
3.1.氨的发展史


  • 1774年英国化学家普利斯特利通过加热氯化铵与熟石灰制备了氨气。

  • 1784年,法国科学家,贝托莱证明了氨是由氢与氮组成的。

  • 1898年,德国化学家首先采用化学方法完成了合成氨

  • 20世纪初,科学家就希望通过氢气与氮气反应得到氨气。所用的手段可以说是五花八门,包括但不限于使用催化剂或者高压电弧等等,尤其是后者,主要希望通过模拟自然界的固氮过程进行合成氨。但是无一例外这些手段最终都失败了。甚至人们一度以为合成氨是不可行的。

  • 1908年~1910年,德国化学家哈伯完成了合成氨的实验。

  • 1911年,哈伯与大名鼎鼎的BASF合作完成,建成合成氨工厂,年产量9000吨。哈伯本人因为在合成氨领域的突出贡献获得了1918年诺贝尔化学奖。


   以上就是一直沿用至今的“哈伯法"合成氨!


3.2.工业上氨是以哈伯法通过N2和H2合成。


在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成:                              


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(反应条件为高温、高压、催化剂),一般为铁触媒作催化剂,压强20-50 mPa,温度450℃左右。


3.3工业制备流程


工业制氨绝大部分是在高压、高温和催化剂存在下由氮气和氢气合成制得。氮气主要来源于空气;氢气主要来源于含氢和一氧化碳的合成气(纯氢也来源于水的电解)。由氮气和氢气组成的混合气即为合成氨原料气。从燃料化工来的原料气含有硫化合物和碳的氧化物,它们对于合成氨的催化剂是有毒物质,在氨合成前要经过净化处理。
无论哈伯法、天然气制氨法、重质油制氨法、煤(煤炭)制氨法等,其本质上都是基于氮气和氢气的合成。只是不同的过程氢气和氮气的来源不一样,生产过程副产物和工艺参数不一样。所以氢气作为其中合成需求原料之一,其来源刚好也是现在被大家热炒的氢能源的氢气来源。因为和氢相比氨具有一系列储运相对方便和成熟的特性,所以也就有了“氨能"、“氢能第二代"等等网络热词出现。结合这些我们下面简单说明一下氨是如何在未来的能源系统中扮演角色。(氨的工业领域应用不展开说明了)


二、“氨"在未来的能源系统中扮演的角色

1、首先我们先明确为什么会有“氨能"一说。


1.1我们根据氨的制取方式来看,其本质上是由氢气和氮气的合成,所以不解决其中相对获得成本较高的氢气来源问题,就无从谈起“氨能"。另由于氢气的储运存在一些问题(无论是高压气态、金属固态、有机液体或者液氢等),所以为了更好的实现氢气的储运有了"H to X"的各种技术路线,其中目前比较典型的就是氢气合成甲醇、合成、甲烷、合成氨。长远系统来看,本质上还是可再生能源“P to H to X"的一种技术路线。(至于为什么会有“ P to H"的必要性,本公众号《氢眼所见》有很多文章描述原因
1.2 氢气合成氨和其他相比具备什么优势,我们从下面两个表格去做一些简单了解,从下面两个表中的能量密度、体积成本、能量成本来比较是否能得出一个氨是相对来说实现氢气储运的最佳方式?各位客官自行分析,本人不做结论。


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表1:氨与其他燃料的储运比较


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表2:不同形式氢气储运的比较


2.氨能该如何释放


目前把氨作为一种能源体来做终端利用,目前能利用的方式不外乎直接燃烧和裂解制氢。
2.1氨的燃烧。
从燃烧热值的角度,大家可以参考下表(当然里面给的是单位重量下的热值,非体积热值,可以结合上面两表的能量密度以及密度来分析)


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氨的燃烧既有纯氨燃烧也有混氢燃烧、也有氨混合碳氢燃烧,主要要解决的问题是提高氨-空气火焰的燃烧速度从而使火焰增强是氨燃料能够成为可靠的替代燃料并广泛应用的关键;另外还有就是避免氮氧化物的出现。

2.2氨的分解制氢。

氨的分解最终产物是氢气和氮气。氮气可以直接排空或者作为工业气体再利用,氢气如何利用更是一个老生长谈的话题了,这里就不再赘述了。顺便提一下目前已经有直接氨燃料电池出现了。如能够规模化应用,肯定也是对“氨能"市场化的一种促进。



3.“氨"是否能成为真正的氨能?
我们讨论这个问题实际上也会牵涉到很多问题,我们简单提列一些如下:
3.1首先我们还是要解决氢气的来源,没有氢能就没有氨能。当然随着科学技术的进步会不会有一天基于太阳光就可以直接利用空气中的氮气和水直接合成氨也是一种可能。
3.2如果再生能源未来是全球能源供应的主要来源,势必会有个再生能源再分配的问题,看起来氨不失为为一种跨洲际实现再生能源再分配的好的载体之一。
3.3“氨能"不是万能的,在一些相对较短的范围内和直接用氢比不见得有经济性。
3.4氨的大规模合成非常成熟,但是大规模裂解再制氢还是有很多问题要克服。比如所有技术路径都存在的最大拦路虎经济性评价。
3.5氨能终端应用场景的打开像现在的氢能源一样,既有多重限制又有多点开花的可能,但需要开发的场景却任重而道远。
3.6全球范围内氨的储运等法规尽管也比较苛刻,但是相对氢气的储运来看法规体系已经比较健全和完善。
3.7回应现状大家也在热炒的储能问题,如果打通来源和应用两头,那“氨"作为一种储能体就更不是问题了。

结语:如果非得对“氨能"的未来下一个判断性的结论,我想应该是有了氢能就有机会有氨能,因为其在某些层面氨能有独特的优势。但氨能不是一个独立体就能存在的能源体系,仅仅是再生能源的“P to X"的其中之一而已!



文章来源:《氢眼所见》,作者马震

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