氨是世界上产量最大的化学品之一，主要用于生产化肥，同时也用于制造某些塑料、纺织品和其他产品。其生产过程需要高温高压，产生的温室气体占整个化工行业排放量的20%，因此全球范围内一直在努力寻找减少这些排放的方法。
现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种巧妙的方法，将两种不同的氨生产方法结合起来，最大限度地减少废物产生，并结合一些其他简单的升级措施，可将温室气体排放比当前使用的领先'低排放'方法降低高达63%。
氨生产的历史与挑战
直到19世纪末，使用最广泛的氮肥来源是来自智利的蝙蝠或鸟类鸟粪矿床，但这一来源开始枯竭，有人预测世界将很快面临粮食短缺。然而，一种名为哈伯-博世法的新化学工艺（以其发明者命名）使得能够利用空气中的氮和氢（主要来自甲烷）制造氨成为可能。但为提供所需热量而燃烧化石燃料以及使用甲烷制氢都导致了该过程产生大量气候变暖的排放。
蓝氨与绿氨的发展
为了解决这个问题，已经开发了两种较新的氨生产变体：所谓的'蓝氨'，即在工厂直接捕获温室气体并将其封存到地下；以及'绿氨'，通过不同的化学路径生产，使用电力而非化石燃料来电解水制氢。
MIT能源倡议(MITEI)主任、 Hoyt C. Hottel化学工程教授William H. Green表示，蓝氨已经开始使用，目前路易斯安那州有几个工厂在运营，氨主要运往日本，'这已经有点商业化'。世界上其他地区也开始使用绿氨，特别是在拥有大量水电、太阳能或风能以提供廉价电力的地区，包括沙特阿拉伯正在建设的一个大型工厂。
创新解决方案：蓝绿氨联合生产
然而，在大多数地方，蓝氨和绿氨仍然比传统基于化石燃料的版本更昂贵，因此世界各地的许多团队一直在努力尽可能降低这些成本，使差异足够小，可以通过税收补贴或其他激励措施来弥补。
问题正在加剧，因为随着人口增长和财富增加，对氮肥的需求将不断增加。同时，氨是一种有前途的替代燃料，可用于难以脱碳的运输工具，如货船和重型卡车，这可能导致对这种化学品的更大需求。
Green表示，'它肯定有效'，作为运输燃料，通过为从无人机到驳船、拖船和卡车等各种应用提供动力的燃料电池。'人们认为，这类市场最可能是航运，因为氨的缺点是有毒且有气味，这使得处理和运输有点危险。'因此，它的最佳用途可能是在使用量大且相对偏远的地方，比如公海。事实上，国际海事组织即将投票表决可能为航运业的氨替代品提供强劲推动的新规则。
蓝绿氨协同效应
新提议系统的关键是将两种现有方法在一个设施中结合，将蓝氨工厂与绿氨工厂相邻。绿氨工厂制氢的过程会产生大量剩余氧气，这些氧气只是排放到空气中。另一方面，蓝氨使用一种称为自热重整的过程，需要纯氧源，因此如果旁边有绿氨工厂，就可以利用这些多余的氧气。
Green说：'将它们放在一起具有显著的经济价值。'这种协同作用可以帮助混合的'蓝绿氨'设施成为未来最终清洁的绿氨主导的重要过渡桥梁。但Green表示，那个未来可能还需要几十年时间，因此拥有联合工厂可能是沿途的重要一步。
'在绿色氨实际上具有经济吸引力之前，可能需要很长时间，'他说。'现在，除了在非常特殊的情况下，它还远未达到。'但联合工厂'可能是一个非常有吸引力的概念，也许是启动这个行业的好方法'，因为迄今为止，只建造了小型独立的绿色工艺示范工厂。
经济可行性与未来展望
'如果绿色或蓝色氨要成为制造氨的新方法，你需要找到在许多国家使其相对负担得起的方法，利用他们拥有的任何资源，'他说。这个新提议的组合，'看起来是一个非常好的想法，可以帮助推动事情发展。最终，必须在许多地方建造许多绿色氨工厂，'从现在可能更负担得起的联合工厂开始，可以帮助实现这一目标。该团队已为该工艺申请了专利。
尽管该团队对技术和经济进行了详细研究，表明该系统具有巨大潜力，但Green指出：'没有人建造过这样的工厂。我们做了分析，看起来不错，但当人们建造第一个时，他们肯定会发现一些需要关注的小问题，'比如如何启动或关闭过程的细节。'我会说，要使其成为真正的行业，还有大量额外的工作要做。'但这项研究的结果表明，成本比现有的独立蓝氨或绿氨工厂低得多，' definitely encourages the possibility of people making the big investments that would be needed to really make this industry feasible.'
行业专家评价
根特大学可持续化学中心教授Kevin van Geem（未参与此项研究）表示，这种两种方法的整合'提高了效率，减少了温室气体排放，并降低了总体成本。'分析是严格的，使用了经过验证的过程模型、透明的假设，并与文献基准进行了比较。通过结合技术经济分析与排放核算，这项工作对权衡取舍提供了可信和平衡的观点。
他补充道：'鉴于全球氨生产的规模，这种减少可能对脱碳最具排放强度的化工行业之一产生高度影响。'
研究团队与支持
研究团队还包括MIT博士后Angiras Menon和MITEI研究主管Guiyan Zang。这项工作得到了通过MIT能源倡议和可持续性马丁学者协会的IHI日本的支持。
结论
这项研究提出的蓝绿氨联合生产技术，代表了清洁能源领域的重要突破。通过巧妙整合两种不同的氨生产方法，不仅显著降低了温室气体排放，还提高了经济可行性，为全球能源转型和气候变化应对提供了创新解决方案。随着技术的进一步发展和规模化应用，这一方案有望在全球范围内推广，为实现碳中和目标和可持续发展做出重要贡献。
