CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：氨（NH3）是化肥的重要組成部分，是世界第二大工業(yè)化學(xué)品，年產(chǎn)量約1.8億噸，其中近90%用于滿足全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

同時，鑒于相比綠色氫氣有許多優(yōu)勢，氨也越來越被視為潛在的綠色能源，可用于電力生產(chǎn)和航運業(yè)等一些難以脫碳的行業(yè)領(lǐng)域。但是，目前傳統(tǒng)生產(chǎn)氨的主要方式——哈伯-博世法（Haber-Bosch【H-B】）與人類應(yīng)對氣候變化的主旋律并不相容。

在H-B工藝中，氫氣（H2）和氮氣（N2）在可承受高溫（350-500°C）高壓（150-300 bar）的反應(yīng)器中通過放熱催化反應(yīng)生成氨。在工業(yè)H-B工藝中，這種氨生產(chǎn)工藝的基本原料是通過消耗碳?xì)浠衔铽@得的：H2通常通過蒸汽重整從甲烷（CH4）中獲得，N2則來自CH4燃燒去除氧氣（O2）后的空氣。在此過程中，碳?xì)浠衔锶剂媳蝗紵援a(chǎn)生反應(yīng)過程所需的熱量和機械能，但同時會排放出大量二氧化碳（CO2）。據(jù)統(tǒng)計，全球平均每生產(chǎn)3噸氨氣就會產(chǎn)生一噸二氧化碳。

能不能用可再生能源以一種更加綠色環(huán)保的方式來生產(chǎn)氨呢？比如太陽能？

為了設(shè)計這樣一種全新的工藝，多國科學(xué)家進行了大量的可持續(xù)能源研究，也得到了各國政府的資助。然而，到目前為止，大多數(shù)研究人員已經(jīng)研究了如何將H-B過程轉(zhuǎn)化為綠色（無化石燃料）或藍(lán)色（化石燃料，具有碳捕獲和儲存功能），但是這些思路并未改變氨氣催化反應(yīng)所需要的高壓運行條件。

不過，目前美國能源部資助的一個由桑迪亞國家實驗室、喬治亞理工學(xué)院和亞利桑那州立大學(xué)組成的多機構(gòu)項目提出了一個區(qū)別大多數(shù)研究的創(chuàng)新型思路，即：利用太陽能聚光集熱技術(shù)來作為生產(chǎn)氨的唯一能源。

一種全新的太陽能熱化學(xué)氨生產(chǎn)工藝

據(jù)悉，由桑迪亞國家實驗室Andrea Ambrosini博士領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)團隊目前正在研究這種完全不涉及H-B工藝的碳中性氨生產(chǎn)方法。該團隊正在評估一種獨特的太陽能熱化學(xué)氨生產(chǎn)工藝的可行性，該工藝完全不排放二氧化碳。

來自亞利桑那州立大學(xué)、參與撰寫《太陽能驅(qū)動的基于兩步熱化學(xué)循環(huán)的空氣氮氣分離工藝》的助理研究科學(xué)家Alberto de la Calle博士介紹：“我們提出了一種可持續(xù)的氨生產(chǎn)思路，不需要化石燃料，而是利用集中太陽能輻射。這種正在開發(fā)的先進太陽能熱化學(xué)循環(huán)技術(shù)可以從空氣中生產(chǎn)和儲存氮氣，然后通過先進的兩級工藝生產(chǎn)氨，更重要的是它可以降低合成氨所需的壓力?！?/p>

該反應(yīng)過程主要由以下四步組成：第1步，還原金屬氧化物；第2步，從空氣中分離氮氣并重新氧化金屬氧化物；第3步，通過氫氣與金屬氮化物反應(yīng)合成氨；第4步，用產(chǎn)生的氮氣對缺乏氮的氮化物進行再氮化。

圖：反應(yīng)過程（從上到下的步驟順序為1,2,4,3）

按照研究團隊提出的思路，該過程可以分為兩個階段，每個階段有兩個步驟。

在第一階段，研究小組將通過兩步熱化學(xué)金屬氧化物循環(huán)法將氮氣從空氣中分離出來。第一步是金屬氧化物的熱還原，從其結(jié)構(gòu)中釋放出一些氧氣。由于這種還原反應(yīng)是吸熱的，將利用光熱發(fā)電技術(shù)以熱量的方式提供能量。在第二步中，這種還原的金屬氧化物在空氣中被再氧化從而消耗氧氣，并產(chǎn)生高純度的氮氣流。一旦反應(yīng)完成，金屬氧化物回到第一步，循環(huán)往復(fù)。

到第二階段，他們將通過兩步熱化學(xué)金屬氮化物循環(huán)法生產(chǎn)氨。第二個循環(huán)的第一步是氨合成反應(yīng)。在這一步驟中，金屬氮化物被H2還原（氮氣被去除），直接產(chǎn)生氨。在第二步中，用第一階段純化的氮氣對缺氮金屬氮化物進行再氮化，使氮化物再生。一旦反應(yīng)完成，再生的氮化物可以重新還原，從而實現(xiàn)循環(huán)反應(yīng)。

目前，針對可在這個新穎循環(huán)中有效工作的氮化物的相關(guān)研究工作正在進行中。

可大幅降低成本并避免二氧化碳排放

Alberto de la Calle表示：“在傳統(tǒng)的H-B工藝中，從空氣中分離氮氣會產(chǎn)生大量的二氧化碳。傳統(tǒng)的工藝是通過燃燒CH4從空氣中除去氧氣，然后通過蒸汽重整產(chǎn)生更多的氫氣，但同時也會使二氧化碳排放量增加。而我們的思路就是利用太陽能來減少一種金屬氧化物（使其熱還原），然后這種氧化物會消耗空氣中的氧氣而不產(chǎn)生任何二氧化碳。同時，該技術(shù)還能夠生產(chǎn)出高純度的氮氣，而不需要像H-B工藝那樣進行后處理（分離二氧化碳）?！?/p>

Alberto de la Calle進一步解釋道：“我們可以利用聚光熱能在800℃的條件下使金屬氧化物還原，同時用空氣將金屬氧化物釋放出的氧氣掃出反應(yīng)器，并在500℃的條件下進行氮氣分離?！?/p>

該技術(shù)的另一個優(yōu)點是——它們可以儲存還原的金屬氧化物顆粒（固體比氣體更容易儲存），進而可以根據(jù)需要來生產(chǎn)氮氣。通過儲存還原顆粒來代替氣體，不需再使用昂貴的加壓儲存和壓縮工作將氣體引入壓力容器內(nèi)。

與下圖Heliogen公司建設(shè)的多邊形定日鏡場類似，利用光熱發(fā)電技術(shù)生產(chǎn)零排放氨氣方案的太陽輻射能量也將由一個太陽能定日鏡場提供，將數(shù)千個高度集中的太陽光束聚焦到位于塔頂?shù)慕邮掌?反應(yīng)器上。但是生產(chǎn)氨氣的太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器并不需要發(fā)電，所以不用配置發(fā)電機或蒸汽循環(huán)系統(tǒng)，只需安裝太陽能聚光場和反應(yīng)器即可，而上述思路的第1個步驟就可以在反應(yīng)器中進行。

該工藝的第2個步驟就是通過熱化學(xué)循環(huán)在比H-B工藝低得多的工作壓力下生產(chǎn)氨，H-B工藝需要150-300bar的壓力來驅(qū)動反應(yīng)進行，而Alberto de la Calle認(rèn)為采用光熱的創(chuàng)新氨生產(chǎn)工藝可以在低于30bar的壓力下進行工作。

H-B工藝所需的高壓使反應(yīng)器、熱交換器、管道和壓縮機等幾乎所有部件的成本大大增加，此外壓縮過程中所需能量的成本也非?？捎^（約占H-B工藝總能耗的20%）。因此，低壓工作條件所帶來的好處是顯而易見的，不但可以節(jié)約成本，還可以避免二氧化碳排放。

不過，光熱生產(chǎn)氨的反應(yīng)需要比H-B工藝更高的工作溫度（H-B工藝的催化反應(yīng)工作溫度只需要350到500°C），目前研究團隊仍在為熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)篩選適用材料。

Alberto de la Calle指出：“我們的目標(biāo)是：氨合成與再氮化反應(yīng)的工作溫度接近500℃，而最大壓力目標(biāo)為30 bar。我相信，如果擁有一個設(shè)計良好的熱回收系統(tǒng)，我們可以充分回收氮氣生產(chǎn)過程所排放的熱量并滿足其它所有的熱量需求?！?/p>

據(jù)了解，本項目所提出的相關(guān)反應(yīng)（金屬氧化物還原、制氮、氨合成和再氮化）目前處于技術(shù)成熟的早期階段，亞利桑那州立大學(xué)團隊現(xiàn)在已開始進行系統(tǒng)建模和詳細(xì)的熱力學(xué)和技術(shù)經(jīng)濟分析，以尋找最佳操作條件或系統(tǒng)規(guī)模。