氨是世界上产量最大的化学品之一,主要用于生产化肥,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,导致整个化学工业中高达20%的温室气体排放来自氨生产。因此,全球范围内一直在努力寻找减少这些排放的方法。
氨生产的环境挑战
在19世纪末之前,氮肥最广泛使用的来源是来自智利等地的蝙蝠或鸟类鸟粪矿床,但这一资源开始枯竭,当时有预测称世界很快将面临粮食短缺。随后,一种被称为哈伯-博世法的新化学过程(以其发明者命名)使得利用空气中的氮和氢(主要来自甲烷)制造氨成为可能。然而,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排放。
蓝氨与绿氨:两种减排路径
为应对这一问题,已经开发了两种新型氨生产方法: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",通过不同的化学途径生产,使用电解水制氢的电力而非化石燃料。
MIT能源倡议(MITEI)主任William H. Green教授表示:"氨是所有化学品中二氧化碳排放量最大的。它是一种非常重要的化学品,因为作为化肥使用对于养活世界人口至关重要。"
蓝氨已经开始投入使用,Green指出,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。
蓝绿融合的创新解决方案
然而,在大多数地方,蓝氨和绿氨仍然比传统的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,可用于难以脱碳的交通方式,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:"它肯定可以用作运输燃料,通过为从无人机到驳船、拖船和卡车的一切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,这使其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位置相对偏远的地方,如公海。事实上,国际海事组织即将投票表决可能为航运业的氨替代品提供强劲推动的新规则。
图:氨生产工厂外部,一个拥有众多管道、通风口和容器的大型工业设施
系统融合的协同效应
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放置。Green解释道:"为绿氨工厂生产氢气的过程会产生大量剩余氧气,这些氧气只是被排放到空气中。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说。这种协同效应可以帮助混合的"蓝绿氨"设施作为未来最终由最清洁的绿氨主导的重要桥梁。但Green表示,那个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。
经济可行性与产业前景
"在绿色氨实际具有经济吸引力之前,可能还需要很长时间,"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,只有小型的独立示范绿氨工厂正在建设中。
Green强调:"如果绿色或蓝色氨将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途径,利用它们拥有的任何资源。"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",而以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."
专家评价与行业影响
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取舍的可信且平衡的观点。"
他补充道:"鉴于全球氨生产的规模,这样的减少对脱碳最密集排放的化学行业之一可能产生高度影响。"
研究团队与支持
研究团队还包括MIT博士后Angiras Menon和MITEI研究负责人Guiyan Zang。这项工作得到了通过MIT能源倡议的IHI日本以及可持续性马丁学者协会的支持。
这项研究发表在《能源与燃料》期刊上,题为《蓝氨、绿氨和组合蓝绿氨生产的综合成本与排放分析》。
未来展望
随着全球对可持续解决方案的需求不断增长,蓝绿氨融合技术代表了化学工业向更可持续实践过渡的重要一步。通过结合两种现有技术的优势,这种方法不仅解决了环境问题,还解决了经济可行性问题,为广泛采用清洁氨生产铺平了道路。
随着国际社会继续应对气候变化挑战,像这样的创新解决方案将在减少高排放行业的影响方面发挥关键作用。蓝绿氨工厂不仅可作为当前排放密集型生产的过渡解决方案,还可作为未来完全绿色氨生产基础设施的基础设施,最终实现氨生产的碳中和。