黄富林,田烨玮,师 蓉

    (1.中化化肥有限公司 北京 100069;2.上海化工院检测有限公司 上海 200062;3.上海化工研究院有限公司 上海 200062)

    0 前言

    氨(NH3)作为人类活动赖以生存的重要物质,是世界上合成量最大的工业化学品之一。在人类尚未发明有效的固氮方式之前,有科学家甚至断言未来人类会因为缺乏有效的天然含氮肥料,无法种植出足够的粮食,终将陷入致命的食物短缺危机。1913—1916年,热化学合成氨工艺由弗利茨·哈伯和其助手罗伯特·勒罗西诺提出并获得专利,该工艺随后被称为哈伯-博世法[1],方法原理是以从空气中分离得到的氮气和以天然气转化生成的氢气为原料合成氨,该技术发明为解决食物危机做出了巨大的贡献。因氮气的三键结构有着较高的离解能,氨合成反应需在高温、高压的条件下进行,且需配合使用催化剂[2]。

    目前,全球90%的氨采用热化学合成氨工艺生产,绝大部分合成氨被用于含氮肥料如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵等的生产。据统计,全球农作物产量的48%依赖于含氮肥料,合成氨已成为保证世界粮食产量稳定不可或缺的一部分[3]。但氨同时也是碳足迹最多的合成化学品之一,如哈伯-博世法的能源、天然气消耗量分别占全球总消耗量的1%～2%、5%,其排放的二氧化碳量占全球排放总量的1.5%[4]。传统的合成氨工艺中能耗最大的工段是以天然气、煤、石脑油等含碳原料制取氢气,工业上通常将用化石氢气合成的氨称为“棕氨”[5]。

    气候变化正在成为人类最大的“生存威胁”,预计在未来30年内升温将超过2 ℃,并在以后几十年内升温超过4～6 ℃,必须尽快将温室气体排放量减少至接近零的水平,以避免全球变暖的进一步恶化。近年来,各国对温室气体的排放和能源的可持续使用都非常重视,正在逐步对高能耗的棕氨生产工艺进行低碳改良,零碳足迹的“绿氨”已成为重点关注和研究的对象,绿氨生产将是实现2050年温室气体零排放目标非常关键的一环。据统计,从化石燃料为基础的棕氨生产转变为绿氨生产,不仅可以使合成氨行业低碳化,而且可促进电力、航运和其他行业的低碳化[6]。本文从发展过程、合成方式、推广难点和发展前景等几方面对绿氨进行综述。

    1 绿氨生产

    减少氨合成过程中留下的碳足迹一直是研究的难题。早期,部分合成工艺采用电加热天然气代替传统的火力加热,通过改变加热方式有效降低了碳足迹,同时也通过缩短加热时间提高了合成效率[7]。绿氨即通过对环境更为友好的方式合成氨,其主要驱动力来自可再生资源,在合成过程中无碳消耗,可实现零碳足迹 ......