氨作为全球最广泛生产的化学品之一，主要用于化肥生产，同时也是某些塑料、纺织品和其他应用的重要原料。然而，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高达20%，因此全球范围内一直在努力寻找减少这些排放的方法。
麻省理工学院的研究人员近日提出了一种创新方案，通过巧妙结合两种不同的氨生产方法，不仅最小化了副产物，还结合其他简单升级，使温室气体排放比当前主流的"低排放"方法减少高达63%。这一突破性研究成果发表在《能源与燃料》期刊上，为全球化肥和清洁燃料行业提供了一条经济高效的减排路径。
氨生产的历史与挑战
在19世纪末之前，氮肥的主要来源是开采智利等地的蝙蝠或鸟类鸟粪沉积物。然而，这一资源开始枯竭，当时有预测称世界将很快面临粮食短缺。随后，由其发明者命名的哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺应运而生，使人们能够利用空气中的氮和主要来自甲烷的氢制造氨。但这一过程既需要燃烧化石燃料提供所需热量，又使用甲烷制氢，导致了巨大的气候变暖排放。
为解决这一问题，两种新型氨生产方法应运而生：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"，采用不同的化学路径，使用电力而非化石燃料电解水制氢。
蓝氨与绿氨的现状
蓝氨已经开始投入使用，Green教授指出，目前路易斯安那州已有几座工厂在运营，氨主要运往日本，"这已经相当商业化"。世界其他地区也开始使用绿氨，特别是在拥有丰富水电、太阳能或风能资源的地方，包括沙特阿拉伯正在建设的一座巨型工厂。
但在大多数地方，蓝氨和绿氨仍然比传统的化石燃料基氨更昂贵，因此全球许多团队一直在努力尽可能降低这些成本，使差异足够小，能够通过税收补贴或其他激励措施弥补。
问题在于，随着人口增长和财富增加，对氮肥的需求将不断增加。同时，氨作为难以脱碳的交通方式（如货船和重型卡车）的替代燃料具有广阔前景，这可能导致对这种化学品的更大需求。
Green教授表示："氨作为运输燃料确实有效"，它可以为从无人机到驳船、拖船和卡车的各种应用提供动力的燃料电池已经得到验证。"人们认为最有可能的市场类型可能是航运，因为氨的缺点是有毒且有气味，这使得处理和运输稍微危险。"因此，其最佳用途可能是在使用量大且相对偏远的地方，如公海。事实上，国际海事组织即将投票表决的新规则可能会为航运业的氨替代品提供强劲推动。
蓝绿联合生产的创新
新系统的关键在于将两种现有方法整合在一个设施中，即蓝氨工厂与绿氨工厂相邻。绿氨工厂生产氢气的过程会产生大量剩余氧气，这些氧气通常直接排放到空气中。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。
"将它们放在一起会产生显著的经济价值，"Green表示。这种协同效应有助于混合的"蓝绿氨"设施成为未来最终由最清洁的绿氨主导的重要桥梁。但Green指出，这一未来可能还需要几十年时间，因此联合工厂可能是沿途的重要一步。
"在绿氨实际上对经济具有吸引力之前，可能需要很长时间，"他说，"目前，除了一些特殊情况外，还相差甚远。"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，只有小型独立的绿氨示范工厂正在建设中。
经济效益与环保意义
Green强调："如果绿氨或蓝氨要成为制造氨的新方式，你需要找到在许多国家使其相对负担得起的方法，无论他们拥有什么资源。"他说，这个新提出的组合"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氨工厂，"而现在从可能更负担得起的联合工厂开始，可以帮助实现这一目标。该团队已为这一工艺申请了专利。
尽管研究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："从未有人建造过这样的工厂。我们进行了分析，结果看起来不错，但当人们建造第一座工厂时，他们肯定会发现一些需要关注的小问题，"例如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。"但这项研究的结果显示，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."
根特大学可持续化学中心教授Kevin van Geem（未参与此项研究）评价道："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，使用了经过验证的工艺模型、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，这项工作提供了对权衡取舍的可信且平衡的观点。"
他补充说："鉴于全球氨生产的规模，这样的减少可能对脱碳最密集排放的化工行业之一产生重大影响。"
未来展望
这项研究不仅为氨生产提供了一种更清洁、更经济的选择，还代表了工业脱碳领域的重要进展。随着全球对减少碳排放和应对气候变化的压力不断增大，这种创新技术可能会成为连接传统化石燃料生产与未来完全绿色生产的关键桥梁。
研究团队包括麻省理工学院博士后Angiras Menon和MITEI研究主管Guiyan Zang。这项研究得到了日本IHI公司通过麻省理工学院能源倡议以及马丁可持续发展研究员协会的支持。
随着国际社会对气候变化的关注日益增强，像这样的创新解决方案将在推动工业部门向更可持续方向发展方面发挥关键作用。蓝绿氨联合生产技术不仅能够减少温室气体排放，还能提高能源效率，降低生产成本，为全球粮食安全和清洁能源转型提供双重支持。
技术细节与实施挑战
虽然该技术在理论上显示出巨大潜力，但实际实施仍面临一些挑战。首先，需要解决两种不同工艺之间的协调问题，确保氧气等副产物的有效利用。其次，工厂的启动和关闭过程需要精细控制，以确保安全和效率。此外，还需要考虑不同地区能源结构的差异，使技术能够适应各种资源条件。
研究团队已经申请了专利，并进行了详细的技术和经济分析，但Green教授强调，在实际建造第一座工厂之前，仍需进行更多的工作来优化工艺细节。这包括解决可能出现的工程挑战、优化能源利用效率，以及确保整个系统的稳定运行。
行业影响与政策建议
这项研究的发布正值全球工业脱碳的关键时期。随着国际海事组织等机构考虑新的排放规则，氨作为清洁燃料的可能性正在增加。政策制定者可以考虑采取以下措施促进蓝绿氨技术的发展：
- 提供税收优惠和补贴，降低早期采用者的经济风险
- 制定明确的碳排放标准，鼓励企业采用更清洁的生产技术
- 支持相关基础设施的建设，如碳捕获封存设施和可再生能源发电站
- 促进国际合作，分享最佳实践和技术创新
通过这些政策措施，蓝绿氨技术有望在未来十年内实现规模化应用，为全球工业脱碳和气候目标做出重要贡献。
结论
麻省理工学院研究人员提出的蓝绿氨联合生产技术代表了一种创新且实用的解决方案，能够在减少温室气体排放的同时提高经济效益。这一技术有望成为从传统化石燃料氨生产向完全绿色氨生产过渡的重要桥梁，为全球化肥和清洁燃料行业提供了一条可持续发展的路径。
随着技术的不断成熟和政策的支持，蓝绿氨生产可能会在未来几十年内成为主流，为应对气候变化和实现可持续发展目标做出重要贡献。这一创新不仅展示了科学研究解决实际问题的潜力，也体现了工业创新在推动能源转型中的关键作用。
