绿氢合成氨什么意思

氨（NH3）是化肥的重要组成部分，是世界第二大工业化学品，年产量约1.8亿吨，其中近90%用于满足全球农业生产需求。

同时，鉴于相比绿色氢气有许多优势，氨也越来越被视为潜在的绿色能源，可用于电力生产和航运业等一些难以脱碳的行业领域。但是，目前传统生产氨的主要方式——哈伯-博世法（Haber-Bosch【H-B】）与人类应对气候变化的主旋律并不相容。

在H-B工艺中，氢气（H2）和氮气（N2）在可承受高温（350-500°C）高压（150-300 bar）的反应器中通过放热催化反应生成氨。在工业H-B工艺中，这种氨生产工艺的基本原料是通过消耗碳氢化合物获得的：H2通常通过蒸汽重整从甲烷（CH4）中获得，N2则来自CH4燃烧去除氧气（O2）后的空气。在此过程中，碳氢化合物燃料被燃烧以产生反应过程所需的热量和机械能，但同时会排放出大量二氧化碳（CO2）。据统计，全球平均每生产3吨氨气就会产生一吨二氧化碳。

能不能用可再生能源以一种更加绿色环保的方式来生产氨呢？比如太阳能？

为了设计这样一种全新的工艺，多国科学家进行了大量的可持续能源研究，也得到了各国政府的资助。然而，到目前为止，大多数研究人员已经研究了如何将H-B过程转化为绿色（无化石燃料）或蓝色（化石燃料，具有碳捕获和储存功能），但是这些思路并未改变氨气催化反应所需要的高压运行条件。

不过，目前美国能源部资助的一个由桑迪亚国家实验室、乔治亚理工学院和亚利桑那州立大学组成的多机构项目提出了一个区别大多数研究的创新型思路，即：利用太阳能聚光集热技术来作为生产氨的唯一能源。

一种全新的太阳能热化学氨生产工艺

据悉，由桑迪亚国家实验室Andrea Ambrosini博士领导的多机构团队目前正在研究这种完全不涉及H-B工艺的碳中性氨生产方法。该团队正在评估一种独特的太阳能热化学氨生产工艺的可行性，该工艺完全不排放二氧化碳。

来自亚利桑那州立大学、参与撰写《太阳能驱动的基于两步热化学循环的空气氮气分离工艺》的助理研究科学家Alberto de la Calle博士介绍：“我们提出了一种可持续的氨生产思路，不需要化石燃料，而是利用集中太阳能辐射。这种正在开发的先进太阳能热化学循环技术可以从空气中生产和储存氮气，然后通过先进的两级工艺生产氨，更重要的是它可以降低合成氨所需的压力

氢气是可再生能源，常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即氢气在1标准大气压和0℃，氢气的密度为0.089g/L。

一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类型。再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等。它们在自然界可以循环再生。是取之不尽，用之不竭的能源，不需要人力参与便会自动再生，是相对于会穷尽的非再生能源的一种能源。

氢气(H2)最早于16世纪初被人工制备，当时使用的方法是将金属置于强酸中。1766–1781年，亨利·卡文迪许发现氢元素，氢气燃烧生成水(2H₂+O₂点燃=2H₂O)，拉瓦锡根据这一性质将该元素命名为“hydrogenium”（“生成水的物质”之意，“hydro”是“水”，“gen”是“生成”，“ium”是元素通用后缀）。19世纪50年代英国医生合信(B.Hobson）编写《博物新编》(1855 年）时，把“hydrogen”翻译为“轻气”，意为最轻气体。

工业上一般从天然气或水煤气制氢气，而不采用高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反应和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料（如蒙耐尔合金），设计也更加复杂。

1、工业制法

工业上氨是以哈伯法通过N2和H2在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成：

N2+3H2⇌2NH3 △rHθ =-92.4 kJ/mol （反应条件为高温、高压、催化剂）

一般为铁触媒作催化剂，压强20-50 mPa，温度450℃左右。

2、实验制备

实验室，氨常用铵盐与碱作用或利用氮化物易水解的特性制备：

Li3N + 3H2O = 3LiOH + NH3↑

实验室快速制得氨气的方法：用浓氨水和固体NaOH反应制备氨气；

喷泉实验

在常温，常压下，一体积的水中能溶解700体积的氨。

在干燥的圆底烧瓶里充满氨气，用带有玻璃管和滴管（滴管里预先吸入水）的塞子塞紧瓶口。立即倒置烧瓶，使玻璃管插入盛水的烧杯里（水里事先加入少量的酚酞试 液），把实验装置装好后。

打开橡皮管的夹子，挤压滴管 的胶头，使少量的水进入烧瓶，观察现象。 实验的基本原理是使烧瓶内外在短时间内产生较大的压强差，利用大气压将烧瓶下面烧杯中的液体压入烧瓶内，在尖嘴导管口形成喷泉。

氨气制备方法之工艺流程有很多方案，世界各国采用的也不尽相同。至2014年为止世界上比较先进的有布朗三塔三废锅氨合成圈[2]、伍德两塔两废锅氨合成圈、托普索S-250型氨合成圈和卡萨里轴径向氨合成工艺。

氨气制备方法，实验室制法，固体铵盐制取

加热固体铵盐和碱的混合物

反应原理：2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O

装置图1

反应装置：固体+固体加热制气体装置。包括试管、酒精灯、铁架台（带铁夹）等。

净化装置（可省略）：用碱石灰干燥。

收集装置： 向下排空气法，验满方法是用湿润的红色石蕊试纸置于试管口，试纸变蓝色；或将蘸有浓盐酸的玻璃棒置于试管口，有白烟产生。

尾气装置：收集时，一般在管口塞一团棉花球，可减少NH3与空气的对流速度，收集到纯净的NH3。

注意事项：

不能用NH4NO3跟Ca(OH)2反应制氨气。硝酸铵受撞击、加热易爆炸，且产物与温度有关，可能产生NH3、N2、N2O、NO。[5]

实验室制NH3不能用NaOH、KOH代替Ca(OH)2。因为NaOH、KOH是强碱，具有吸湿性(潮解)易结块，不易与铵盐混合充分接触反应。又KOH、NaOH具有强腐蚀性在加热情况下，对玻璃仪器有腐蚀作用，所以不用NaOH、KOH代替Ca(OH)2制NH3。

用试管收集氨气要堵棉花。因为NH3分子微粒直径小，易与空气发生对流，堵棉花目的是防止NH3与空气对流，确保收集纯净；减少NH3对空气的污染。

实验室制NH3除水蒸气用碱石灰，而不采用浓H2SO4和固体CaCl2。因为浓H2SO4与NH3反应生成(NH4)2SO4。NH3与CaCl2反应能生成CaCl2·8NH3（八氨合氯化钙）。CaCl2+8NH3= CaCl2·8NH3

氮化物制取

可以用氮化物与水反应或者叠氮化物分解。如：[5]

Li3N + 3H2O = 3LiOH + NH3↑

氨气制备方法之浓氨水制取

反应原理：NH3·H2O NH3↑+H2O。

装置图2

这种方法一般用于实验室快速制氨气。

装置：烧瓶，酒精灯，铁架台，橡胶塞，导管等。

注意事项：加热浓氨水时也会有水蒸气，需要用干燥装置除杂。同上，这种方法制NH3除水蒸气用碱石灰，而不要采用浓H2SO4和固体CaCl2 。[5]

浓氨水中加固态碱性物质

反应原理：浓氨水中存在以下平衡：

装置图3

NH3+H2O⇌ NH3·H2O⇌NH4+ +OH-，[6]

加入固态碱性物质（如CaO，NaOH，碱石灰等），消耗水且使c(OH-)增大，使平衡移动，同时反应放热，促使NH3·H2O的分解。

氨气制备方法之工业合成氨技术

合成氨指由氢气、氮气在高压、高温、催化剂作用下直接化合生成的氨，是固氮的一种方法。目前世界上的氨，除少数从焦炉气中回收的副产品外，绝大部分均由合成法制造。该法生产工艺基本过程如下：[7]

造气

合成氨原料气中的氮气一般来自空气，氢气则需要制备。制氢的原料有天然气、石脑油、重质油、煤等。

脱硫

制氢的原料中，一般含有少量的硫化氢或硫化物，它们会进入原料气中，这些含硫物质，极易使后续阶段使用的催化剂中毒，必须首先将其除去，这个过程称为脱硫。脱硫主要有物理吸收(用甲醇、聚乙二醇二甲醚作吸收剂)和化学吸收两种，后者常用的有氨水催化法和改良蒽醌二磺酸法等。[7]

变换

经脱硫后的原料气中，除氢气外，还含有一定量的一氧化碳。为提高氢气产量，利用水蒸气和一氧化碳反应，使之转化成氢气，该过程称为变换。反应式如下：

CO+H2O→CO2+H2

反应必须通过使用催化剂完成。

脱碳。将变换气中的二氧化碳除去的过程叫脱碳。其方法有物理吸收和化学吸收两种，后者效果更好。我国开发的氨水脱除二氧化碳得到碳酸氢铵(一种常用氮肥)的方法在小型合成氨厂普遍使用。其反应式如下：[7]

NH3+CO2+H2O→NH4HCO3

精炼

经过上述几个过程得到的氮、氢原料气中还含有少量的一氧化碳和二氧化碳，而合成反应使用的催化剂要求碳的氧化物总量不能大于10ppm，必须进一步脱去少量水分对催化剂的活性等也有影响， 同样要除去。除去这些微量有害物质的过程， 称为精炼。最早采用铜氨液吸收法，反应式为：[7]

Cu(NH3)2+CO+NH3→Cu(NH3)3CO

少量二氧化碳可被氨进一步吸收。