1 引言
面对环境污染越来越严重、不可再生资源的不可逆减少以及传统燃料燃烧排放造成温室效应不断增强，我国在提出要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，强调以能源绿色低碳发展为关键，要做好实施可再生能源替代行动。在能同时满足可再生且清洁这两种条件的清洁能源候选者中，最为理想的是氢气。但是由于氢气的不稳定性和无色无味着火点较低的性质导致与空气接触的时候存在难以发现泄露和爆炸的危险，以及在相同的储存温度和压力下氢气的体积能量密度会比汽油少4-16倍等问题，出于经济考虑，氢气尚未作为清洁能源被大规模推广使用。而作为另一种很有潜力的清洁能源氨气则可以地避免这些问题。过以往的国内外研究表明，氨是极富竞争力的优良清洁能源。本文通过氨理化性质、来源工艺、运输和储存方式和在作为燃料在应用的全方面论述，来分析氨作为未来清洁能源的竞争力，以及存在局部的局限性，并且对比其它传统的燃料的性质提供不同的角度来作为佐证。综合分析表明氨具有适中的能量密度、较高的辛烷值、成熟的储存和运输，良好的经济效益等等特点，使其成为未来能源的有力竞争者。
2 氨的理化性质
氨气/液氨化学式为NH3，有刺激气味，相对密度是0.82，沸点为-33.5℃，具有较高的辛烷值(> 110)[1] 。辛烷值是选择特定操作的适当燃料来源时的一个重要因素，选择合适的辛烷值可以延长了发动机的寿命，减少了磨损的发生，同时可以提高发动机效率。从表1可看出，与汽油相比，氨的辛烷值相对较高，抗爆性能较好，虽然相比于液氢辛烷值较小，但是氨的能量密度为11.30 GJ/m3，与传统化石燃料汽油相比虽然较小，但是与压缩气体氢（3.75 GJ/m3）相比占有优势。燃料的能量密度是其作为车载燃料的关键之一，体积燃料密度较高的燃料所需的储存空间较小，有利于应用于交通运输。
同时氨燃料因其相比于氢燃料（574℃）高燃点(651℃)的特点，不容易在内燃机中直接点燃。可以通过与引燃气体混合（如氢气、甲烷）来降低对发动机的要求，或者亦可通过改进氨燃料发动机增大压缩比来实现氨的燃烧。另外混合氨燃料又可以通过氨气本身带有刺激性气味而提醒和预防燃料泄露。此外液氨的爆炸极限较高(16~25%)且因为燃烧时燃点较高不易满足，所以虽然单位质量液氨爆炸所产生的能量大，但其由于其可能爆炸而带来的安全风险并不高。
3 氨的合成
目前工业合成氨的常用方法是Haber-Bosch法。H-B法在高温高压条件下，让N2和H2在铁催化剂上发生化学反应合成氨。H-B工艺自身的缺点也较为明显：工作压强高、能耗高、转化率低（10%~15%）等等。另一种合成方法是固态氨合成法（solid-state ammonia）其主要是使用固态电化学方法来合成氨，固态氨合成法相比于H-B方法所需要的能量更少，转化效率更高，经济效率更高。固态氨合成法生产一吨氨气的电能消耗是7000-8000 kWh，与之相比，H-B方法同等条件下需要12000 kWh[2]。
随着对合成氨的探索，人们发现了一种具有巨大潜力的光（电）催化氮气还原合成氨技术。光（电）催化合成氨（NRR）具有成本低，污染小，反应的过程比较温和等特点[3]。此外，电化学法还能用于还原硝酸盐废水制氨，即将大自然界普遍存在的亚硝酸盐废物转换为人们所需的氨[4]，这种方法不仅解决了亚硝酸盐对于环境的污染，而且将比较廉价的硝酸盐废水转换为了具有较高价值的氨。光（电）催化合成氨（NRR）是一种未来具有极大潜力的清洁合成氨技术，与传统的H-B合成氨具有极大的优越性，同时，光（电）催化合成氨（NRR）也面临这巨大的挑战。
图1 氨的合成的发展历程
而我国能源资源有着“煤多、缺油、气少”的特点，因而生产氨能的主要方式以煤和渣油为原料制氨，使用煤合成氨，通过煤的干馏与焦化，以及煤的气化，得到浓度较高的氢气，然后将其与液氮反应即可得到氨。
中国氨的产量约占世界总产量的三分之一，2016-2018年中国合成氨的产量逐渐下降，直到2019年，产能过剩的状况有所缓解。中国合成氨的产业结构调整已经基本完成，产量有所回升。如果氨燃料得到大规模使用，则可将现有的成熟的以氮肥主导的合成氨产能转换成氨燃料产能以实现产能的转换和提升。
4 氨的储运
液氨储存方式发展非常成熟，其常规的存储方式大致可以分为加压常温、常压低温、加压低温这三种[5]。
第一种是加压常温储存，根据规定，液氨的储存罐压力应为2.07 MPaG，对应的温度是50 ℃。加压常温储存工艺的特点是前期设备投入较大，存储期间运行费用较低，操作成本较低。
第二种是常压低温储存，其要求在一个标准大气压下将液氨冷冻至它自身的沸点-33℃以下。常压低温储存工艺的特点是前期的设备投入较小，存储期间设备的运行费用较高，操作成本较高。
第三种是加压低温储存，根据规定，液氨的储存罐压力应为0.95 MPaG，对应的温度是20 ℃。加压低温储存工艺的整体费用介于加压常温储存跟常压低温储存两者之间。
如果发生液氨储存泄露，低温加压的方式下的蒸发量和泄漏量都小于常温高压的方式。由此可见，使用低温加压的方式相对安全一些。未来低温加压储存会更具有竞争力[6]。
除此之外，氨还有一种固体的储存形式[7]。即通过结合金属中的氨产生的胺络合物，如 Mg(NH3)6Cl2和Ca(NH3)8Cl2。该方法的好处是它们表面毒性非常低，与甲醇和汽油相当。
液氨的运输方式包括水路运输、铁路罐车以及管道运输等，国内使用汽车罐车和铁路罐车这两种运输方式居多。但是目前罐车运输方式仍然存在一些缺点比如：汽车罐车必须专用，不能使用装过其他燃料的罐车，避免燃料混合，不能超重装载液氨，定期检修 [8]。而且罐车运输容易受到天气与道路的影响，即使已经按照标准进行操作其危险性还是偏高，有较高发生事故的风险。
管道运输相对于罐车运输更具有优势，其表现在：安全性较高、运输稳定、可以大量输送，而且管道运输在运输过程中受天气影响较小。我们国家正在探索管道运输控制和提升运输量等问题;管道运输与网络相结合，更好的控制和管理氨的运输，所以管道运输[9]也将是氨燃料储运未来重要的发展方向。
而管道运输目前由于发展阶段的问题还存在一些缺陷如我国的总体管道长度较短，大体的运输能力相对较差，且常发生管道泄漏。因此，我国应该加强对于管道运输的建设，同时多借鉴其他国家的优点来弥补自身不足，以让管道运输得到更好的发展。
5 氨燃料的应用
氨在发动机使用过程中能产生较高的压缩比和能量且抗爆性强，适合用于低转速高负荷的发动机之中。但氨发动机仍存在一些缺点，如氨具有轻微毒性，具有腐蚀性，可使用铸铁和钢制造的发动机可防止腐蚀。和其他燃料相比，氨燃料存在燃点较高、燃烧温度低和速度慢等问题，不过使用引燃燃料可以有效解决这些问题。
国外不少机构进行了氨燃料的应用研究，例如Niki等人[10]对氨-柴油双燃料发动机测试研究发现，在发动机中实施多次柴油喷射能够同时减少N2O和NH3排放。Haputhanthri等人[11]研究表明，运用乳化剂可以使氨以一定比例溶解于汽油燃料中在内燃机中使用。研究表明，氨、汽油混合燃料可以增加发动机扭矩和功率输出，在高转速发动机中效果更佳。Ryu等人[12]研究表明，氨、汽油双燃料在火花点火发动机中的燃烧特性和排气量与二次喷射有关。尾气中二氧化碳含量减少，氮氧化物和碳氢化合物含量增加。另外，2020年大宇造船海洋联合曼恩共同研发的超大型氨燃料集装箱船23000TEU获得船级社的原则性认可（AIP)证书，而计划于2024年进行商业化运作的苏伊士型氨动力油船也已经由韩国三星重工、曼恩和英国劳氏船级社研发成功，并且已经得到了LR基本认证[13]。
而我国对氨燃料在发动机上的运用和研究起步较晚，胡剑全等人[14]对EY1800型号的氨气/液化气双燃料发电机性能和尾气净化的实验研究表明，该发动机可在一定程度上保证输出功率和电压的稳定性。厦门大学研究人员[15]研究表明在使用少量柴油点燃，丙烷作为续燃剂的情况下，可以将氨作为燃料应用到压燃式发动机中，丙烷与氨混合的碳氢化合物排放水平高于汽油、柴油与氨混合物的碳氢化合物排放水平，但丙烷的碳氢化合物排放水平可以通过添加氨来显著降低。工业应用方面，江苏新时代造船厂所建造的由Avin Internationa所定制的苏伊士型油轮也已经作为全球首艘氨燃料预留船而入籍美国船级社（ABS）[16]。
5 结语
氨相比于传统和其他新型替代燃料均有一定程度的优点，如积能量密度适中辛烷值高等特点，虽然仍有层流燃烧速度慢和燃点高问题，但是可以通过混合其它燃料来有效解决。虽然氨的运输储存工艺已经相当成熟，但仍可以在发展新的运输方式和控制成本方面进行改善。我国氨工业产能充足，氨燃料的大规模使用将有利于产能转换和产业升级。氨燃料的使用非常具有前景，基本的工作机制已经成熟，可以通过增多种燃料混合的方法来提高内燃机效率，提高经济效益。
参考文献
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作者简介：肖华（1989- ），男，籍贯河南洛阳，能源与动力工程专业博士，广州航海学院，讲师，主要研究清洁能源开发和应用。