氨（NH3）是化肥的重要组成部分，是世界第二大工业化学品，年产量约1.8亿吨，其中近90%用于满足全球农业生产需求。

同时，鉴于相比绿色氢气有许多优势，氨也越来越被视为潜在的绿色能源，可用于电力生产和航运业等一些难以脱碳的行业领域。但是，目前传统生产氨的主要方式——哈伯-博世法（Haber-Bosch【H-B】）与人类应对气候变化的主旋律并不相容。

在H-B工艺中，氢气（H2）和氮气（N2）在可承受高温（350-500°C）高压（150-300 bar）的反应器中通过放热催化反应生成氨。在工业H-B工艺中，这种氨生产工艺的基本原料是通过消耗碳氢化合物获得的：H2通常通过蒸汽重整从甲烷（CH4）中获得，N2则来自CH4燃烧去除氧气（O2）后的空气。在此过程中，碳氢化合物燃料被燃烧以产生反应过程所需的热量和机械能，但同时会排放出大量二氧化碳（CO2）。据统计，全球平均每生产3吨氨气就会产生一吨二氧化碳。

能不能用可再生能源以一种更加绿色环保的方式来生产氨呢？比如太阳能？

为了设计这样一种全新的工艺，多国科学家进行了大量的可持续能源研究，也得到了各国政府的资助。然而，到目前为止，大多数研究人员已经研究了如何将H-B过程转化为绿色（无化石燃料）或蓝色（化石燃料，具有碳捕获和储存功能），但是这些思路并未改变氨气催化反应所需要的高压运行条件。

不过，目前美国能源部资助的一个由桑迪亚国家实验室、乔治亚理工学院和亚利桑那州立大学组成的多机构项目提出了一个区别大多数研究的创新型思路，即：利用太阳能聚光集热技术来作为生产氨的唯一能源。

一种全新的太阳能热化学氨生产工艺

据悉，由桑迪亚国家实验室Andrea Ambrosini博士领导的多机构团队目前正在研究这种完全不涉及H-B工艺的碳中性氨生产方法。该团队正在评估一种独特的太阳能热化学氨生产工艺的可行性，该工艺完全不排放二氧化碳。

来自亚利桑那州立大学、参与撰写《太阳能驱动的基于两步热化学循环的空气氮气分离工艺》的助理研究科学家Alberto de la Calle博士介绍：“我们提出了一种可持续的氨生产思路，不需要化石燃料，而是利用集中太阳能辐射。这种正在开发的先进太阳能热化学循环技术可以从空气中生产和储存氮气，然后通过先进的两级工艺生产氨，更重要的是它可以降低合成氨所需的压力。”

该反应过程主要由以下四步组成：第1步，还原金属氧化物；第2步，从空气中分离氮气并重新氧化金属氧化物；第3步，通过氢气与金属氮化物反应合成氨；第4步，用产生的氮气对缺乏氮的氮化物进行再氮化。

图：反应过程（从上到下的步骤顺序为1,2,4,3）

按照研究团队提出的思路，该过程可以分为两个阶段，每个阶段有两个步骤。

在第一阶段，研究小组将通过两步热化学金属氧化物循环法将氮气从空气中分离出来。第一步是金属氧化物的热还原，从其结构中释放出一些氧气。由于这种还原反应是吸热的，将利用光热发电技术以热量的方式提供能量。在第二步中，这种还原的金属氧化物在空气中被再氧化从而消耗氧气，并产生高纯度的氮气流。一旦反应完成，金属氧化物回到第一步，循环往复。

到第二阶段，他们将通过两步热化学金属氮化物循环法生产氨。第二个循环的第一步是氨合成反应。在这一步骤中，金属氮化物被H2还原（氮气被去除），直接产生氨。在第二步中，用第一阶段纯化的氮气对缺氮金属氮化物进行再氮化，使氮化物再生。一旦反应完成，再生的氮化物可以重新还原，从而实现循环反应。

目前，针对可在这个新颖循环中有效工作的氮化物的相关研究工作正在进行中。

可大幅降低成本并避免二氧化碳排放

Alberto de la Calle表示：“在传统的H-B工艺中，从空气中分离氮气会产生大量的二氧化碳。传统的工艺是通过燃烧CH4从空气中除去氧气，然后通过蒸汽重整产生更多的氢气，但同时也会使二氧化碳排放量增加。而我们的思路就是利用太阳能来减少一种金属氧化物（使其热还原），然后这种氧化物会消耗空气中的氧气而不产生任何二氧化碳。同时，该技术还能够生产出高纯度的氮气，而不需要像H-B工艺那样进行后处理（分离二氧化碳）。”

Alberto de la Calle进一步解释道：“我们可以利用聚光热能在800℃的条件下使金属氧化物还原，同时用空气将金属氧化物释放出的氧气扫出反应器，并在500℃的条件下进行氮气分离。”

该技术的另一个优点是——它们可以储存还原的金属氧化物颗粒（固体比气体更容易储存），进而可以根据需要来生产氮气。通过储存还原颗粒来代替气体，不需再使用昂贵的加压储存和压缩工作将气体引入压力容器内。

与下图Heliogen公司建设的多边形定日镜场类似，利用光热发电技术生产零排放氨气方案的太阳辐射能量也将由一个太阳能定日镜场提供，将数千个高度集中的太阳光束聚焦到位于塔顶的接收器/反应器上。但是生产氨气的太阳能热化学反应器并不需要发电，所以不用配置发电机或蒸汽循环系统，只需安装太阳能聚光场和反应器即可，而上述思路的第1个步骤就可以在反应器中进行。

该工艺的第2个步骤就是通过热化学循环在比H-B工艺低得多的工作压力下生产氨，H-B工艺需要150-300bar的压力来驱动反应进行，而Alberto de la Calle认为采用光热的创新氨生产工艺可以在低于30bar的压力下进行工作。

H-B工艺所需的高压使反应器、热交换器、管道和压缩机等几乎所有部件的成本大大增加，此外压缩过程中所需能量的成本也非常可观（约占H-B工艺总能耗的20%）。因此，低压工作条件所带来的好处是显而易见的，不但可以节约成本，还可以避免二氧化碳排放。

不过，光热生产氨的反应需要比H-B工艺更高的工作温度（H-B工艺的催化反应工作温度只需要350到500°C），目前研究团队仍在为热化学循环反应筛选适用材料。

Alberto de la Calle指出：“我们的目标是：氨合成与再氮化反应的工作温度接近500℃，而最大压力目标为30 bar。我相信，如果拥有一个设计良好的热回收系统，我们可以充分回收氮气生产过程所排放的热量并满足其它所有的热量需求。”

据了解，本项目所提出的相关反应（金属氧化物还原、制氮、氨合成和再氮化）目前处于技术成熟的早期阶段，亚利桑那州立大学团队现在已开始进行系统建模和详细的热力学和技术经济分析，以寻找最佳操作条件或系统规模。

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