基本概念Review氨是富氫化合物，重量載氫能力高達17.6%，體積載氫效率是氫氣的150%。相比于氫氣在常壓下的極低液化溫度（-283℃），氨在-33

基本概念Review

氨是富氫化合物，重量載氫能力高達17.6%，體積載氫效率是氫氣的150%。相比于氫氣在常壓下的極低液化溫度（-283℃），氨在-33℃就能夠被液化（或者在常溫下，9個大氣壓）。在成本上，同質量的液氨儲罐是液氫儲罐的0.2%~1%，且液氨的單位體積重量密度是液氫的8.5倍。相比于氫氣，氨的爆炸極限范圍（16%~25%）更窄，沸點更高，發生火災和爆炸的可能性更低。同時，氨具有刺激性氣味，人體嗅覺即可檢測到僅為危險水平5%以下的濃度，泄漏容易被發現，更加安全可靠。

日本在國際上首次提出了氨能概念，即在氫能大規模使用之前，將合成氨視為承擔綠電轉化為零碳燃料的有效手段。（昨天和一個朋友聊天，提到為啥日本會提出氨能，要考慮他們的能源稟賦，也是一個新的角度）。從能源角度看，氨的完全燃燒產物只有氮氣和水，既可替代部分煤炭為電力系統提供清潔燃料，也可替代部分化石能源為發動機提供清潔燃料。

氨作為一種無碳化合物，可由空氣中的氮和水中的氫合成，完全燃燒時的產物純凈無碳，因此，作為一種具有戰略價值的可再生能源，氨能夠直接燃燒實現清潔供能。氨燃燒時的空燃比較低，在同等進氣量（空氣）條件下能提供更多的能量，是一種高功率的清潔燃料。同時，氨燃燒的熱損失比遠低于氫氣、汽油和柴油等燃料，尾氣帶走的熱損失小。雖然氨燃燒時產生的熱值低，但是其辛烷值高，抗爆性好，可以通過提供更高壓縮比來提高動力系統的輸出功率。在直接燃氨加注情況下，運營商可以將現有加油站升級改造成加氨站，改造成本比新建加氫站的投資成本低一個數量級。

壓燃式內燃機在重型卡車、船舶等交通運輸領域和發電領域的年裝機容量巨大，目前以燃油為主，產生的二氧化碳排放量占全球的3%~4%，碳減排需求顯著。國際海事組織制定了航運業碳減排目標，指出到2050年，二氧化碳排放量應比2008年下降至少70%。因此，到2050年，至少15%的長途船舶應使用氨或氫作為燃料。氨燃料的高體積能量密度屬性可以提高船體空間利用率，并且僅需要對常規內燃機進行微小改動，改變壓縮比和更換耐腐蝕的管線即可。因此，氨被認為是一種適合應用于遠洋船舶的清潔燃料。

氨作為燃料使用時也存在一些明顯的燃燒缺陷。相對于汽油、柴油等燃料，氨燃燒時最小點火能量和層流燃燒速度均較低。因此，通常將氨與燃燒性能較好的燃料摻混來改善其燃燒特性。此外，在實際過程中，由于燃燒不充分和氧化發生，容易導致氨燃料所含的氮元素轉化成溫室效應更強的NOx氣體排放。因此，燃燒和尾氣處理的定向控制策略對于降低NOx排放至關重要。根據氨燃燒機理，溫度和壓力對NOx的生成有明顯影響，控制溫度在熱脫硝溫度范圍內，并盡可能地提高壓力是制約NOx生成的兩種常規手段，后一種通常用于內燃機系統中。除此之外，還可以在燃燒尾氣末端使用選擇性催化還原（SCR）系統或燃料過量、廢氣再循環的策略減少NOx生成。

氨的應用

在我國，氨的生產、儲運、供給等環節已成體系，擁有良好的合成氨及氨利用基礎條件。100km內液氨的儲運成本為150元/t，500km內液氨的儲運成本為350元/t，僅為液氫儲運成本的1.7%，使用氨現場制氫加氫一體站可以將氫氣成本降低至35元/kg以下。

2022年3月，由中國船舶集團設計建造的氨和液化天然氣雙燃料運輸船已成功實現下水。預計到2035年，氨動力船的經濟性將與傳統燃油動力船持平。目前對于不同工況下氨的燃燒熱力學特性，如燃燒速度、火焰穩定性、點火特性、NOx生成特性及未燃盡氨排放等關鍵參數研究還未形成體系。對于氨的燃燒動力學模型也處于不斷驗證與完善階段。

相較于內燃機應用，燃氣輪機通常燃燒氣體燃料，且燃燒室體積不受限，與氨燃料更為匹配。但是，氨燃燒時的缺陷仍然存在，燃燒穩定性和污染物處理仍是大規模應用需要突破的重點。近期，三菱電機株式會社宣布開始研發世界首個氨氣40兆瓦級燃氣輪機系統，該系統以純氨為燃料，目標在2025年左右實現商業化。美國已與IHI公司合作，共同制定燃氣輪機路線圖。就目前來講，國內的相關研究較少，偏向于理論研究和基礎研究。

短期內，由于綠氨產量和成本限制，加上純氨燃燒穩定性差等問題，還無法實現純氨燃燒替代燃煤應用。相比而言，摻氨燃燒方式可以利用現有電廠設施無需對鍋爐主體進行大規模改造，成為現階段降低燃煤電廠碳排放的可行性選擇。氨燃料在鍋爐中的應用處于起步階段，集中在小試或中試研究。我國有兩家單位率先實現了工程驗證，分別是皖能集團、合肥能源研究院聯合開發的國內首創8.3MW純氨燃燒器在300MW火電機組一次性點火成功并穩定運行2h和國家能源集團搭建的40MW燃煤鍋爐燃燒實現世界最大比例的混氨燃燒（35%氨氣），這標志著我國燃煤鍋爐混氨技術進入世界領先賽道。國家能源投資集團有限責任公司的現有示范結果表明，在摻氨比例和氨注入位置一定的情況下，摻氨燃燒后生成的NOx污染物比燃煤工況還要低。若現有煤電機組均實施35%混氨燃燒，每年可減少9.5×108t二氧化碳排放量。經相關測算，當煤炭價格為1400元/t、碳價為500元/t時，摻氨發電的經濟性可與煤電相競爭。

在間接供氨式燃料電池系統中，只需在已有的燃料電池氣體入口處加裝氨分解制氫裝置，基于成熟的技術即可實現良好的氨?氫轉換。利用已有的燃料電池技術，在相同溫度下氨燃料能夠達到與氫燃料相近的功率密度，可以替代純氫用于新能源汽車。氨?氫燃料電池在終端用戶側的成本僅為1元/(kW·h)或0.25元/km，具有顯著的經濟效益。但也存在一些問題需要平衡：氨分解產生的氫氣需要純化和壓縮，過程會消耗大量的能量。此外，氨裂化反應器和氫氣壓縮系統的集成會使整個體系過程增加。目前氨燃料電池尚處于起步研究階段，各項性能還不完善。為滿足商業化需求，還需要攻克長壽命運行穩定性的難題。

合成氨

基于傳統的合成工藝，全球每年合成氨產量為2億t左右，主要產自四個國家：中國、印度、俄羅斯和美國，并在全球范圍內進行貿易。中國和印度雖然合成氨產量巨大，但也是氨的主要進口國。截至2021年年底，中國合成氨產能約為6488萬t，占全球產能的三分之一左右，較2020年同比增長14.5%。氨能的發展將帶動合成氨上、中、下游產業鏈的快速發展。合成氨主要分為三大用途，分別是農業（尿素等肥料）、工業（化工原料、煙氣脫硝）和儲能（新型用途）。

電催化合成氨技術是利用電解液中的水與空氣中的氮氣生成，其本質是利用電催化劑在施加電能條件下N≡N不斷加氫和斷鍵，形成氨分子，實現電能向化學能的轉化，有效降低反應能壘。在可再生資源最好的地區，綠氨的成本估計為689美元/t，高于灰氨的價格（225美元/t）。據預測，到2030年綠氨價格將降至464美元/t，到2050年將降至295美元/t。當碳價格為127美元/t左右時，綠氨就能與現有的化石合成氨生產相競爭。目前全球多個大型綠氫綠氨項目正在推進，預測到2030年，全球宣布的綠氨項目年生產能力為1500萬t（54個項目，產能是當前氨市場的8%），我國綠氨規劃并落地的年產能已超過156萬t。

相關政策

《“十四五”新型儲能發展實施方案》明確指出拓展氨儲能應用領域，開展依托可再生能源制氨的新型儲能技術試點示范，并被列為重點示范。2022年3月發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》中提出，積極引導合成氨等行業由高碳工藝向低碳工藝轉變，促進高耗能行業綠色低碳發展。2022年4月印發了《科技部關于發布國家重點研發計劃“先進結構與復合材料”等重點專項2022年度項目申報指南的通知》，提出包括分布式氨分解制氫技術與灌裝母站集成、氨燃料電池、摻氨清潔高效燃燒等與氨能有關的技術。

發展方向

第一階段，利用工業富產氫氣合成氨。合成氨過程的高排放是由于原料氫的生產來源主要以煤或天然氣為主。氯堿工業、煤焦化工業、丙烷脫氫工業等生產過程中產生大量氫氣，回收利用副產氣可以降低制氫過程中的碳排放，有利于構建一條合成氨低碳生產路線。

第二階段，突破溫和條件合成綠氨關鍵技術。利用可再生能源電解水技術制取綠氫，將水煤氣或天然氣排除在流程之外。然后，使用Haber-Bosch剩余流程來制備綠氨。同時，突破低溫低壓氫氣和氮氣合成氨新技術，探索可再生能源與低溫低壓合成氨互補融合新路徑。在這個階段，為實現氫氨融合的持續、快速發展，需要電力成本及相關制氫設備成本的進一步下降。

第三階段，利用新型的電化學催化氮還原技術生產綠氨。在傳統路線中，制氫占一次能源消耗的75%。即便使用可再生能源電解水制氫，制氫也將占總成本的65%。在此階段將摒棄Haber-Bosch工藝，使用前沿的電催化氮還原技術，省去制氫的過程，通過氮氣電還原直接合成氨。這項技術可以大大減少綠氨制備過程的復雜性，比Haber-Bosch工藝減少約20%的能耗，并且不受規模限制，適用于分布式合成氨。

第四階段，將合成的綠氨應用在內燃機、燃氣機或者鍋爐等場景，努力實現氨能對化石燃料的替代，大幅度降低碳排放量，貢獻碳中和力量。在此加大氨燃料發動機裝備研制力度，提升主要設備的核心競爭力，突破零碳燃料的應用技術瓶頸。

除綠氨合成外，儲存方面，應當綜合考慮技術經濟性和安全等因素，解決大規模液氨儲罐設計與建設難題。運輸方面，研究適用于我國能源發展要求的液氨管道網絡整體規劃，開發遠距離液氨管道運輸技術體系。

參考資料：

氨能應用現狀與前景