氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性之：常见误解

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在本系列的第五期“关于氨的常见误解”中，我们指出了对氨的常见误解和不准确的理解，并提供了必要的澄清，以便更好地理解。

到目前为止，本系列已经描述了NH3的优势和新潜力、氢和NH3之间的角色分工以及社会实施的前景。

另一方面，关于NH3的潜力，我最近听到了一些关于NH3的问题和怀疑。但其中很多都是基于误解或理解不足，所以这次笔者想指出其中的问题，并提供必要的解释，以便更加正确的理解。

【误区一】

“氨制造过程是一个高温、高压、能源密集型过程，会排放大量二氧化碳。”

人们常说，“氨制造过程是一个高温、高压、耗能的过程，会排放大量的二氧化碳”。但这不是正确的理解。原因如下。

传统上，NH3的合成采用哈伯-博世（HB）法，该法由德国哈伯和博世于100多年前发明。 HB法以空气中的氮气(N2)为原料，解决了以前用作氮源的硝石资源枯竭的问题。因此可以生产大量氮肥，增加粮食产量，使人类免于饥饿。可以说，它是一项改变人类历史的世纪伟大发明。

目前HB法主要采用天然气（或煤）作为氢源制造工艺，但该工艺需要在450～550℃、200～300个大气压的高温高压条件下进行，排放量大过程的中间阶段会产生（来源：原料天然气）CO2。

NH3 制造过程包括利用天然气主要成分 CH4 生产氢气的部分，以及使用 HB 法从空气中的氢气和 N2 合成 NH3 的部分 [图 1]。

制氢部分消耗了整个过程中约80%的能源，约70%的二氧化碳排放来自该部分（其余30%来自为工厂供电所需的能源消耗）。因此，当利用可再生能源电解水生产粗氢时，NH3制造过程中的CO2排放量将显着减少。因此，“NH3制造过程中排放大量CO2”的理解是不准确的。

顺便说一下，以天然气为原料的NH3制造厂排放的CO2（【图1】中间阶段排放的CO2约占整个NH3制造厂CO2排放量的70%，剩下的30%来自工厂电力系统排放）的浓度极高，约为97%，因此使用CCS去除CO2的成本较低。这是因为分离和浓缩废气中所含的稀二氧化碳几乎不需要任何成本。

[图1]标准NH3制造工厂流程

另一方面，即使解决了氢气的来源，NH3的合成部分也是一个高压高温的过程，但从NH3合成反应的原理来看是可取的，降低压力并没有什么积极意义。

NH3的合成反应是可逆平衡反应，如[图2]的化学反应方程式所示。在该反应中，当施加压力时，平衡关系发生变化，反应朝着分子总数减少的方向进行（勒夏特列原理），因此增加压力是提高NH3产率的合理方法。另外，NH3的合成反应是放热反应，因此降低温度会增加NH3的收率。也就是说，为了提高NH3的收率，“低温高压”是比较理想的条件。这种关系如[图2]所示的NH3产率、反应温度和压力之间的关系曲线所示。

[图2]NH3合成反应的平衡关系

然而，由于在低温下反应速率减慢，因此需要将温度升高到一定水平。为了提高低温下的反应速率，迫切需要开发能够实现这一目标的催化剂。目前，HB法使用的催化剂是铁基催化剂，即使在低温下活性也不是很高，但价格便宜且寿命长。虽然已经提出了几种新型催化剂作为实验室水平的替代品，但尚未发现可用于工业过程的催化剂。因此，为了提高反应速度而将温度提高到一定程度总不是坏事。

此外，为了利用上述平衡关系有效地产生NH3，需要将产生的NH3冷却、液化并从反应器中除去，以使反应向右进行。可以有效地利用高温热源作为冷却的能源。此外，从工厂工程的角度来看，高压制造条件具有缩小工厂规模的优势。

因此，“氨制造过程是高温、高压、高耗能、排放大量CO2的过程”的批评不能说是基于正确认识的有效评价。

【误会二】

“氨燃烧会释放氮氧化物等空气污染物”

NH3是一种氢基燃料，即使燃烧也不会排放CO2，但为了真正将NH3用作零碳燃料，需要解决以下问题。

这涉及到以下几个问题。由于NH3的燃烧速度比CH4慢（仅为CH4的五分之一），火焰温度较低，可燃范围也较窄，因此需要保持稳定的火焰稳定范围，而由于有人担心N原子（ NH3分子中含有的氮原子）会产生大量的NOX（氮氧化物），因此需要加以控制。

这些关于NH3燃烧的问题，通过苏州工业园区“能量载体”项目开展的NH3燃烧相关研究，在国际上首次详细阐明了NH3燃烧机理，为NH3燃烧奠定了科学依据，明确了方法。来解决这些问题。用于开发NH3燃烧设备。作者将对此进行更详细的解释。

首先，通过使用旋流燃烧器来解决NH3燃烧稳定性问题，该燃烧器在燃烧器中的空气中产生旋流。

另外，通过阐明NH3的燃烧机理，发现在燃烧气体中NH3略有过剩的情况下，在燃烧器中燃烧NH3可以抑制NOX的生成。在这种条件下，NH3既可以作为燃料，又可以作为燃烧过程中产生的NOX的还原剂，将NOX还原为N2。如图3所示。

[图3] NH3的燃烧机理

该图显示了NH3燃烧时燃料中的NH3浓度与NH3燃烧产生的NOX之间的关系。当燃料当量比（NH3量/空气量）略大于1（即燃烧气体中有少量残留NH3）时，发现存在一个燃料浓度条件范围，其中NO量产生的几乎为零（记录为“低”）。 “排放盆地”范围）（值得注意的是，如果NH3用量增加，未燃烧NH3的排放量也会增加。此外，在空气量不足（燃料当量比>1）的地区，未燃烧NH3分解产生的NH3也会增加，氢气也会增加）。而且，随着燃烧气体压力的增加，“低排放盆地”的范围扩大。这是减少大型燃气轮机在高压下燃烧时的氮氧化物排放的有利现象。

这些发现揭示了可抑制 NOX 生成的 NH3 燃烧设备的设计和燃烧条件。由于以NH3为燃料的燃烧设备的设计要求是达到NO生成量几乎为零（且未燃烧的NH3量几乎为零）的燃料浓度条件，因此被认为是产生NO的原因。空气污染物NOX和PM2.5之一的NH3排放量可以控制到几乎为零。社会实施时，另外还会安装脱硝装置，就像以前的燃烧设备一样，完全有能力满足严格的排放标准。

另外，人们担心NH3燃烧会排放温室气体N2O（一氧化二氮），但研究证实，在燃气轮机、锅炉等高燃烧温度范围内，N2O的产生几乎可以忽略不计。

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【误区三】

“氨是煤的混合燃烧/氢是气体的混合燃烧”

据悉，“从燃烧速度和热亲和力来看，NH3适合燃煤电厂采用的锅炉式发电方式，而氢气则适合LNG采用的燃气轮机式发电方式”火力发电。” 但由于氢气和NH3的燃烧速度比煤快得多，因此氢气和煤的混合燃烧比较困难，但NH3不仅可以与煤混合，还可以与天然气混合。事实上，IHI有限公司已将输出功率为2MW的天然气-NH3（20%）混燃燃气轮机投入实际使用，并正在继续开发该燃气轮机，以提高NH3混燃比并增加混燃燃气轮机的尺寸。

此外，与氢气一样，NH3 被认为有可能专门在锅炉和燃气轮机中燃烧。事实上，三菱重工有限公司（MHI）正在开发一款专用于NH3燃烧的40MW燃气轮机。在大型（100MW及以上级别）专用燃气轮机的研制中，虽然氢燃气轮机的研制显得有些超前，但氨燃气轮机也在研制中。笔者之所以在这里写上“认为可能”是因为，正如上面所说，开发方法、开发难度、开发所需时间会根据燃烧设备的类型和大小而有所不同，并且由于需要动力发电设备可能会因火力发电的作用、燃料的可获得性等变化而发生变化，因此未来存在不确定性。

【误区四】

“燃煤电厂混烧氨是延长燃煤电厂寿命的一种方法”

此外，笔者也经常听到有人批评燃煤电厂混烧NH3是延长“燃煤电厂”寿命的一种方式。这些批评都是概念性的批评，既没有看到正在进行的脱碳努力的全貌，也没有认真考虑脱碳的可行措施。

目前JERA正在推进的燃煤发电脱碳计划是，到2030年首先关闭并废除所有低效电厂（亚超临界），然后逐步增加剩余燃煤发电中的NH3混烧（ NH3混烧从20%）比例开始，最终实现NH3专用燃烧（CO2零排放）。该方案体现了燃煤发电脱碳改造方案和时间目标，应被评价为有效、具体的改造方案（方案）。

此次煤电分阶段改造计划的必要性从以下几个方面可见一斑。在日本，总发电量的 31% 来自燃煤电厂（截至 2021 年），但在日本的 70 个燃煤发电设施中，53%（按机组数量）和 68%（按发电容量）是不满30年的，无论是从保证稳定供电的角度，还是从进行实际设备改造的角度，都不可能立即关停或废除。考虑到对电厂所在地经济和就业的影响，工程推进尚需时日。

日本正在推动措施考虑可行性，同时以高度透明度展示脱碳的具体路径。将其批评为“延长寿命的措施”，是不公正的评价。

【误区5】

“氨危险”

NH3 通常被称为有害物质，但这也是一个粗俗的术语，可能会误导公众舆论。

所有氢基燃料，包括氢气和NH3，都是化学品（化石燃料也是不同化学品的混合物）。有必要清楚地了解此类化学品的安全性/危险性。

所有化学品都会对人类健康或环境造成一定的危害（危险：：）。这是因为人类和构成环境的一切事物都是由化学物质组成的，因此化学物质可以相互反应。特别是，可用作能源的化学品具有高反应性（能量是通过燃烧等剧烈化学反应产生的），并且本质上是极有可能对人类健康和环境产生不利影响的物质。

另外，这种危害（）还有很多方面。其中包括物理和化学危险，例如爆炸性、易燃性或易燃性；对人体健康造成危害的健康危害；易残留在环境中或对生态系统产生负面影响的环境危害物等。不同的化学物质具有不同的危害性和强度。如表1所示，此类危害有多种类型，在处理化学物质时必须将其控制在适当的水平。

这里，就出现了“控制”这个词。化学物质的固有危害对人类健康和环境构成风险（=产生不良影响的可能性），并且可以通过采取适当的控制措施来控制其风险。无论物质的爆炸性或剧毒程度如何，只要使用采取必要风险控制措施的容器和设备进行处理，就可以避免受到其有害影响。我们每天处理和使用化学品，同时采取这样的控制措施。

[表1]氢能源载体的危害

关于NH3的危害性，[表1]指出了它的危害有几个方面。因此，NH3是一种化学品，必须由专家在采取适当的风险控制措施后进行处理，以确保其不会对人类健康或环境产生任何负面影响。另外，由于NH3具有强烈的气味，在日本臭气防止法中将其指定为特定臭味物质，需要采取必要的控制措施。然而，这种强烈的气味也使得在发生泄漏时更容易检测到，从而可以在很早的阶段采取风险控制措施。

在健康危害方面，由于NH3具有较强的急性毒性，因此根据日本有毒有害物质管理法，将其指定为“有害物质”。 NH3的急性毒性是由直接吸入或直接接触NH3引起的，但由于NH3在空气或水中很快扩散和氧化，人类通常很少吸入或直接接触它。另一方面，NH3并未被归类为致癌性或生殖毒性等难以立即显现的长期有毒物质，我们日常使用的化石燃料（如汽油等）中的物质也没有被归类为NH3。已被证明具有严重的长期毒性，如致癌性等。

关于环境危害，NH3有时是强碱性物质，高浓度的NH3对水生生物有剧毒。

对于NH3的急性毒性可能带来的风险，IEA在《氢的未来》中指出，NH3自19世纪初开始被广泛用作制冷剂，至今已使用了一个多世纪。 20世纪初。 NH3 作为肥料的原料，通常通过油轮或其他方式进行海上长距离运输，我们在处理NH3 方面积累了丰富的经验，特别是在工业领域。此外，IEA还介绍了美国粮仓地区农民将大量NH3直接喷洒到农田作为肥料的例子。此外，NH3还被用作家用酒柜的制冷剂。

全球NH3年产量约为2亿吨，国际贸易量约为2000万吨，是全球流通最广泛的化学品之一。也就是说，虽然NH3是一种有害物质，但我们长期大量使用它，同时适当控制它的危害性可能带来的风险。

顺便说一句，如[表1]中引用的欧洲CLP法规的危险分类所示，所有氢能源载体都具有每种物质特有的危险，例如爆炸性、易燃性和毒性。然而，这些危害在汽油、城市煤气、煤油等化石燃料中也存在一定程度的存在。因此，对于任何物质，我们不能简单地说“〇〇比△△更危险或更安全”。正确的方法基于物质的危险性质，并且必须在专家的适当风险控制下使用。此外，判断某种物质是否可以使用还取决于技术上是否存在适当的风险控制措施以及这些措施是否能够以经济上可行的成本实施。

虽然角度与上述危害略有不同，但【图4】显示了美国国家消防协会（Fire）对几种物质进行泄漏或火灾事故风险的风险评估结果；并根据评估结果，需要在储存地点张贴标签示例（液化氢和NH3示例）。【图4】左上角的“火灾”标签，用于使对化学物质危害性了解不够的消防员和事故处理人员能够根据显示的危险类型和严重程度，快速、轻松地判断危险。，并采取必要措施。专门设备、程序和保护措施。 NFPA 标签也在国际上使用。据此，NH3泄漏或火灾风险属于可控风险。如图4所示，与其他氢能源载体的风险相比，其风险评估并不高。在讨论危害时，需要从这个角度来评估。

[图 4] 根据美国国家消防协会 (NFPA) 的规定，发生火灾和泄漏时的风险评估和标签

像这样标注“危险物质”，应该是对该物质的各种危害以及该危害引起的风险控制措施的适用性和有效性进行全面、相对的评估后进行的。从上述解释可以看出，“氨危害”的标签是不恰当的。

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