氨是全球产量最高的化学品之一，主要用于肥料生产，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，占整个化工行业温室气体排放量的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(MIT)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相结合，最大限度地减少废物产生，并结合其他一些简单的升级，可将温室气体排放比当前使用的领先"低排放"方法减少高达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蝙蝠或鸟类鸟粪的矿藏，主要来自智利，但这一资源开始枯竭，有预测称世界很快将面临粮食短缺。随后，一种被称为哈伯-博世法(Haber-Bosch process)的新化学工艺，使其能够利用空气中的氮和氢(主要来自甲烷)制造氨。但无论是燃烧化石燃料提供所需热量，还是使用甲烷制氢，都导致了该过程产生大量气候变暖的排放。
为解决这一问题，已经开发了两种较新的氨生产变体：所谓的"蓝色氨"，即在工厂直接捕获温室气体并将其封存到地下；以及"绿色氨"，通过不同的化学路径生产，使用电力而非化石燃料电解水制氢。
蓝色氨与绿色氨的现状
MIT能源倡议(MITEI)主任、化学工程Hoyt C. Hottel教授William H. Green表示，蓝色氨已经开始使用，目前路易斯安那州有几家工厂在运营，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色氨，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家大型工厂。
但在大多数地方，蓝色氨和绿色氨仍然比传统化石燃料版本更昂贵，因此全球许多团队一直在努力尽可能降低这些成本，使差距小到可以通过税收补贴或其他激励措施来弥补。
这一问题的紧迫性正在增加，因为随着人口增长和财富增加，对氮肥的需求将不断增加。与此同时，氨是一种有前途的替代燃料，可用于为难以脱碳的运输工具(如货船和重型卡车)提供动力，这可能导致对这种化学品的更大需求。
创新的蓝绿氨联合生产系统
Green表示："氨作为运输燃料肯定是可行的"，它可以为从无人机到驳船、拖船和卡车等各种设备提供动力的燃料电池供电。"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，这使得处理和运输稍微有些危险。"因此，它最可能的应用是在使用量大且相对偏远的地方，比如公海。事实上，国际海事组织即将就可能为航运业氨替代品提供强劲推动的新规则进行投票。
新提议系统的关键在于将两种现有方法整合在一个设施中，即蓝色氨工厂与绿色氨工厂相邻。绿色氨工厂生产氢气的过程会留下大量剩余氧气，这些氧气通常直接排放到空气中。而蓝色氨则使用一种称为自热重整的过程，需要纯氧源，因此如果旁边有绿色氨工厂，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说。这种协同作用可以帮助混合的"蓝绿氨"设施成为未来绿色氨(最清洁的版本)最终占据主导地位的重要桥梁。但Green表示，这个未来可能还需要几十年的时间，因此联合工厂可能是沿途的重要一步。
经济可行性与市场前景
"在绿色氨实际上在经济上有吸引力之前，可能会是很长一段时间，"他说。"目前，除了在非常特殊的情况下，还远未接近。"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、独立的绿色工艺示范工厂正在建设中。
"如果绿色或蓝色氨将成为制造氨的新方式，你需要找到方法，使它在许多国家相对负担得起，无论他们拥有什么资源，"他说。这个新提议的组合，"看起来是一个真正的好主意，可以帮助推动事情发展。最终，许多地方必须有很多绿色氨工厂"，而现在可能更负担得起的联合工厂可以帮助实现这一目标。该团队已为该工艺申请了专利。
技术验证与未来展望
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："还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，"例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色或绿色工厂低得多，" 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)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。通过将技术经济分析与排放核算相结合，这项工作提供了对权衡因素的可信和平衡的看法。"
他补充道："鉴于全球氨生产的规模，这样的减少可能对脱碳化最排放密集型的化工行业之一产生高度影响。"
研究团队与支持
该研究团队还包括MIT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MIT能源倡议以及马丁家族可持续发展研究员协会的支持。
结论与意义
这项研究不仅为氨生产技术的创新提供了新思路，也为全球化工行业的减排目标指明了方向。通过蓝绿氨联合生产，我们能够在不牺牲经济效益的前提下，显著减少温室气体排放，为应对气候变化提供切实可行的解决方案。
随着全球对清洁能源和可持续农业的需求不断增长，这项技术有望在未来几十年内逐步推广，最终实现绿色氨在全球范围内的广泛应用，为构建可持续发展的未来做出重要贡献。
