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CSPPLAZA光熱發電網訊：氨（NH3）是化肥的重要組成部分(fen)，是世界第(di)二大工業(ye)化學品，年產(chan)量(liang)約(yue)1.8億(yi)噸，其中近90%用(yong)于滿足全球農業(ye)生產(chan)需(xu)求。

同時，鑒于相比綠色氫(qing)氣有許多優勢，氨也(ye)越來越被視(shi)為潛在的綠色能源，可用(yong)于電力生產(chan)和航運(yun)業(ye)等一些難以脫碳的行業(ye)領域。但是，目前傳(chuan)統生產(chan)氨的主要方式——哈伯-博世(shi)法（Haber-Bosch【H-B】）與人類(lei)應對(dui)氣候變(bian)化的主旋律并(bing)不相容(rong)。

在(zai)H-B工藝中(zhong)，氫(qing)氣（H2）和(he)氮氣（N2）在(zai)可承受高溫（350-500°C）高壓（150-300 bar）的(de)反應器中(zhong)通過放(fang)熱催化(hua)反應生(sheng)(sheng)(sheng)成氨。在(zai)工業H-B工藝中(zhong)，這種(zhong)氨生(sheng)(sheng)(sheng)產工藝的(de)基本原料(liao)是通過消耗(hao)碳氫(qing)化(hua)合(he)物獲得的(de)：H2通常通過蒸汽(qi)重整從甲(jia)烷(wan)（CH4）中(zhong)獲得，N2則來自CH4燃燒(shao)去除氧氣（O2）后的(de)空氣。在(zai)此過程中(zhong)，碳氫(qing)化(hua)合(he)物燃料(liao)被(bei)燃燒(shao)以產生(sheng)(sheng)(sheng)反應過程所需的(de)熱量和(he)機械能，但同時會排放(fang)出大量二氧化(hua)碳（CO2）。據統(tong)計(ji)，全球平(ping)均每生(sheng)(sheng)(sheng)產3噸氨氣就會產生(sheng)(sheng)(sheng)一(yi)噸二氧化(hua)碳。

能(neng)不能(neng)用可再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)源以一種(zhong)更加綠色環保(bao)的方式(shi)來生(sheng)(sheng)產氨呢？比如太陽能(neng)？

為了設計這樣一種全(quan)新的(de)(de)工藝，多國科學(xue)家(jia)進行了大(da)量的(de)(de)可持(chi)續能源研(yan)究，也得到(dao)了各(ge)國政府(fu)的(de)(de)資助。然而，到(dao)目前為止，大(da)多數研(yan)究人員已經研(yan)究了如何將H-B過程轉化(hua)為綠色（無化(hua)石燃料）或藍色（化(hua)石燃料，具有碳捕獲和儲存功能），但是這些思路并未(wei)改變(bian)氨(an)氣(qi)催化(hua)反應所(suo)需(xu)要的(de)(de)高壓運行條件。

不過，目前美國(guo)能(neng)源部資助(zhu)的(de)一(yi)個(ge)由(you)桑迪亞國(guo)家實驗室、喬治亞理工學院和(he)亞利桑那州立大學組成的(de)多機構項目提出了一(yi)個(ge)區(qu)別大多數研究(jiu)的(de)創新型思路，即：利用太陽能(neng)聚(ju)光集熱技術(shu)來作為生產氨的(de)唯一(yi)能(neng)源。

一種全新的太陽能熱化學氨生產工藝

據(ju)悉，由桑迪亞國家實驗室Andrea Ambrosini博士領導的(de)(de)多機構團(tuan)隊(dui)目前(qian)正在(zai)研究這種(zhong)(zhong)完全(quan)不涉及H-B工(gong)藝的(de)(de)碳中性氨生產方法(fa)。該團(tuan)隊(dui)正在(zai)評估一種(zhong)(zhong)獨特的(de)(de)太(tai)陽能熱化學氨生產工(gong)藝的(de)(de)可行性，該工(gong)藝完全(quan)不排放(fang)二氧化碳。

來自亞利(li)桑那州立(li)大學(xue)(xue)、參與撰(zhuan)寫《太陽能(neng)(neng)驅動的基于兩步熱(re)化學(xue)(xue)循環的空氣氮氣分離工藝》的助(zhu)理研(yan)究(jiu)科學(xue)(xue)家Alberto de la Calle博士介紹：“我們提出了(le)一種可持(chi)續的氨(an)生產(chan)思路(lu)，不(bu)需要(yao)化石燃料(liao)，而是利(li)用(yong)集中太陽能(neng)(neng)輻射。這種正(zheng)在開發的先(xian)(xian)進太陽能(neng)(neng)熱(re)化學(xue)(xue)循環技術可以(yi)(yi)從空氣中生產(chan)和儲存氮氣，然后通過先(xian)(xian)進的兩級工藝生產(chan)氨(an)，更重要(yao)的是它可以(yi)(yi)降(jiang)低(di)合成氨(an)所(suo)需的壓力(li)。”

該反(fan)應(ying)過程主(zhu)要由以下四(si)步(bu)(bu)組成(cheng)(cheng)：第1步(bu)(bu)，還原(yuan)金屬(shu)氧化(hua)物；第2步(bu)(bu)，從空氣(qi)中分離氮(dan)氣(qi)并重新氧化(hua)金屬(shu)氧化(hua)物；第3步(bu)(bu)，通過氫氣(qi)與金屬(shu)氮(dan)化(hua)物反(fan)應(ying)合成(cheng)(cheng)氨(an)；第4步(bu)(bu)，用產生的氮(dan)氣(qi)對缺(que)乏(fa)氮(dan)的氮(dan)化(hua)物進行再(zai)氮(dan)化(hua)。

圖：反應過程(cheng)（從上到下的步驟順序(xu)為1,2,4,3）

按照研究團(tuan)隊提(ti)出(chu)的思路，該過程可以分為兩(liang)個階段，每個階段有兩(liang)個步驟。

在(zai)(zai)第(di)一(yi)階段，研究小組將(jiang)通過兩(liang)步(bu)(bu)熱(re)(re)化(hua)(hua)(hua)學金屬(shu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)循環法將(jiang)氮(dan)氣從(cong)空氣中分離出(chu)(chu)來。第(di)一(yi)步(bu)(bu)是(shi)金屬(shu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)熱(re)(re)還原(yuan)(yuan)，從(cong)其結構中釋放(fang)出(chu)(chu)一(yi)些(xie)氧(yang)(yang)氣。由(you)于這(zhe)種還原(yuan)(yuan)反(fan)應(ying)是(shi)吸(xi)熱(re)(re)的(de)(de)，將(jiang)利(li)用光熱(re)(re)發(fa)電技術以熱(re)(re)量(liang)的(de)(de)方式提供(gong)能量(liang)。在(zai)(zai)第(di)二(er)步(bu)(bu)中，這(zhe)種還原(yuan)(yuan)的(de)(de)金屬(shu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)在(zai)(zai)空氣中被再(zai)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)從(cong)而(er)消耗(hao)氧(yang)(yang)氣，并產生高(gao)純度的(de)(de)氮(dan)氣流。一(yi)旦反(fan)應(ying)完(wan)成，金屬(shu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)(wu)回到第(di)一(yi)步(bu)(bu)，循環往復。

到(dao)第(di)(di)二(er)階段(duan)，他們將通(tong)過兩步熱化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)金屬氮(dan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物循(xun)環法生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)氨(an)。第(di)(di)二(er)個(ge)循(xun)環的(de)(de)第(di)(di)一步是氨(an)合成反(fan)應。在這一步驟中(zhong)，金屬氮(dan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物被H2還原（氮(dan)氣被去除），直(zhi)接產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)氨(an)。在第(di)(di)二(er)步中(zhong)，用第(di)(di)一階段(duan)純化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)氮(dan)氣對缺氮(dan)金屬氮(dan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物進行再(zai)(zai)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)(hua)，使氮(dan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)。一旦(dan)反(fan)應完成，再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)的(de)(de)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物可以重新還原，從而(er)實現(xian)循(xun)環反(fan)應。

目前，針對(dui)可在這個新穎循環(huan)中(zhong)有效工作(zuo)的氮(dan)化物的相(xiang)關研(yan)究工作(zuo)正在進行中(zhong)。

可大幅降低成本并避免二氧化碳排放

Alberto de la Calle表示：“在傳統的(de)(de)H-B工藝(yi)中(zhong)，從空氣(qi)中(zhong)分離(li)氮(dan)氣(qi)會產(chan)生(sheng)(sheng)大量的(de)(de)二(er)氧(yang)化碳。傳統的(de)(de)工藝(yi)是(shi)(shi)通過燃燒CH4從空氣(qi)中(zhong)除(chu)去氧(yang)氣(qi)，然(ran)后通過蒸汽重(zhong)整產(chan)生(sheng)(sheng)更多的(de)(de)氫氣(qi)，但同(tong)時也會使(shi)(shi)二(er)氧(yang)化碳排放(fang)量增(zeng)加。而我們的(de)(de)思路就是(shi)(shi)利(li)用太陽能(neng)來減少一種金屬氧(yang)化物（使(shi)(shi)其(qi)熱還原），然(ran)后這種氧(yang)化物會消耗空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)氧(yang)氣(qi)而不(bu)產(chan)生(sheng)(sheng)任何二(er)氧(yang)化碳。同(tong)時，該技術還能(neng)夠生(sheng)(sheng)產(chan)出高(gao)純(chun)度的(de)(de)氮(dan)氣(qi)，而不(bu)需(xu)要像H-B工藝(yi)那(nei)樣進(jin)行后處理（分離(li)二(er)氧(yang)化碳）。”

Alberto de la Calle進一步(bu)解釋道：“我們可以利用聚光熱能在(zai)800℃的(de)(de)條件下(xia)使金(jin)屬(shu)氧化(hua)物還原，同(tong)時用空氣(qi)將金(jin)屬(shu)氧化(hua)物釋放出(chu)的(de)(de)氧氣(qi)掃(sao)出(chu)反應器(qi)，并在(zai)500℃的(de)(de)條件下(xia)進行氮氣(qi)分離。”

該技術的另(ling)一個優(you)點(dian)是——它們可(ke)以(yi)儲(chu)存(cun)還原(yuan)的金屬氧化物顆粒（固體(ti)比氣(qi)體(ti)更容(rong)(rong)易(yi)儲(chu)存(cun)），進而可(ke)以(yi)根(gen)據需要來(lai)生(sheng)產氮氣(qi)。通(tong)過儲(chu)存(cun)還原(yuan)顆粒來(lai)代替氣(qi)體(ti)，不需再使用(yong)昂貴的加(jia)壓儲(chu)存(cun)和壓縮工作將氣(qi)體(ti)引入(ru)壓力容(rong)(rong)器內。

與下圖Heliogen公司建設(she)的(de)(de)多邊形定日鏡場(chang)類似(si)，利用光(guang)熱發電技術生(sheng)產零排放氨氣方案的(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)輻射能(neng)(neng)量(liang)也將(jiang)(jiang)由一(yi)個(ge)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)定日鏡場(chang)提(ti)供(gong)，將(jiang)(jiang)數千個(ge)高度集中(zhong)(zhong)的(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)光(guang)束聚焦到位于(yu)塔頂(ding)的(de)(de)接收器(qi)/反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)上(shang)。但是生(sheng)產氨氣的(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)熱化學反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)并不需要發電，所(suo)以不用配置發電機或蒸汽循(xun)環系統，只需安裝太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)聚光(guang)場(chang)和反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)即可，而上(shang)述思路的(de)(de)第1個(ge)步驟就可以在反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)中(zhong)(zhong)進行。

該(gai)工藝(yi)的(de)(de)第2個步驟就是通過熱化學循環在比H-B工藝(yi)低得多的(de)(de)工作壓(ya)力下(xia)生產(chan)(chan)氨，H-B工藝(yi)需(xu)要150-300bar的(de)(de)壓(ya)力來(lai)驅動反應(ying)進行，而Alberto de la Calle認(ren)為采用光熱的(de)(de)創新氨生產(chan)(chan)工藝(yi)可以在低于30bar的(de)(de)壓(ya)力下(xia)進行工作。

H-B工(gong)(gong)藝(yi)所需的高壓(ya)(ya)使反應(ying)器、熱交換器、管道和壓(ya)(ya)縮機(ji)等(deng)幾乎所有部件的成(cheng)(cheng)本大大增加(jia)，此外(wai)壓(ya)(ya)縮過程(cheng)中所需能量的成(cheng)(cheng)本也非(fei)常可觀（約(yue)(yue)占H-B工(gong)(gong)藝(yi)總能耗的20%）。因此，低壓(ya)(ya)工(gong)(gong)作(zuo)條件所帶來的好處是顯而(er)易見(jian)的，不但可以(yi)節(jie)約(yue)(yue)成(cheng)(cheng)本，還可以(yi)避免二氧化碳(tan)排放。

不過，光熱(re)生(sheng)產氨的反(fan)應需(xu)要比H-B工(gong)(gong)藝(yi)更高的工(gong)(gong)作溫(wen)度(du)（H-B工(gong)(gong)藝(yi)的催化反(fan)應工(gong)(gong)作溫(wen)度(du)只需(xu)要350到500°C），目(mu)前研究團(tuan)隊仍在為(wei)熱(re)化學循環反(fan)應篩選適用材料。

Alberto de la Calle指出：“我(wo)們的目標是(shi)：氨合(he)成與(yu)再氮化(hua)反應的工作(zuo)溫度接(jie)近500℃，而最大壓力目標為30 bar。我(wo)相信，如果(guo)擁有一(yi)個設計良好(hao)的熱回收系統，我(wo)們可以(yi)充分(fen)回收氮氣生(sheng)產過程所排(pai)放的熱量并(bing)滿足其它所有的熱量需(xu)求。”

據了解，本(ben)項目(mu)所(suo)提出的相關反應（金屬氧化(hua)物還原(yuan)、制(zhi)氮、氨(an)合成和(he)再氮化(hua)）目(mu)前處于技(ji)術成熟(shu)的早期階(jie)段(duan)，亞利(li)桑那州立大學團隊現在已開始進行系統(tong)建模和(he)詳細的熱力學和(he)技(ji)術經濟(ji)分析，以尋找最(zui)佳(jia)操作(zuo)條件或(huo)系統(tong)規模。