氨燃料船舶介绍系列之——氨的使用与特性
氨燃料船舶介绍系列之——氨的使用与特性
氨的使用
目前有超过120个港口已经在处理用于进出口的氨产品，有些甚至有储存设施。这样的基础设施可以是确保氨作为燃料可用性的重要资源。有较为广泛的部门使用氨，处理程序和安全教育也已经广泛传播。因此，对熟悉它的人来说，将它用于船舶将不是一个问题。
或许大多数人听到氨这一物质，会想到化工制品如肥料、添加剂等，其实它的作用领域非常广泛。
肥料
氨被认为是一种对化学技术专家来说与碳化合物一样重要的物质，因为它是通过肥料合成和氮过程(Haber-Bosch过程)将全球边缘人口从20亿增加到80亿的驱动力)。肥料按生产方法分为氮肥、磷肥、钾肥和复合肥。氨占氮肥的30%以上。
工业燃料
高纯度氨主要用于化合物半导体，如砷化镓、锗硅、铟磷、碳化硅，以及发光二极管(铅)和液晶显示器(液晶）面板市场。此外，随着光伏产业的发展，太阳能电池行业最近出现了新的需求。值得注意的是半导体和液晶面板的发展，毫不夸张地说，这两个领域近年来主导了氨市场的扩张。它的应用已扩展到紫外线发光二极管(UV引导)，由于高亮度和低制造成本，在杀菌、废水处理、除臭、医疗使用、皮肤病处理、假冒检测和环境传感器方面都有氨的出现。
制冷剂
氨和氟利昂气体一起被用作制冷剂，使人类免于热浪。早在1832年，法拉第建立了氨蒸气压缩理论，法国科学家F.Carre于1859年获得了一项氨吸收式制冷机专利，目前氨仍广泛应用于大型工业制冷装置和船舶。
汽车燃料添加剂
氨可以转化为尿素溶液，以减少废气中的NOx。此外，它与卤代烷基，如烷基氯化物(RCI)反应，形成二乙胺和六胺形式的胺混合物，用作发动机油或燃料添加剂，以防止腐蚀和固化
选择性催化还原(SCR)催化剂
使用催化剂控制NOx的方法包括直接分解NOx的方法（不使用还原剂）和使用还原剂的催化还原方法。在催化剂上分解NOx的催化还原方法在没有还原剂的情况下将NOx分解为氮和氢。因此，它在经济上是有利的，因为它需要较少的维护成本，不需要任何手段来供应还原剂。然而，仅在高温（600℃或更高）下才表现出优异的催化活性，废气中的氢和二氧化碳抑制NOx分解，导致去除效率低。另一方面，使用氨的SCR工艺可以去除固定源排放的90%以上的NOx。从价格竞争力和稳定性方面，它已被商业化为最优的NOx控制技术。参考韩国船级社(KR)的“废气排放减排系统指南)。
氨发动机开发
将氨作为燃料并不是一个全新的概念。19世纪有氨燃料巴士的记录，20世纪40年代布鲁塞尔开发了氨、煤和气体混合动力发动机，以维持战争中期的公共交通。然而，发动机的开发是为了克服石油短缺，而不是为了满足环境要求。战后就不再需要它了，因为天然气和石油以较低的价格大量供应。
目前，MAN公司已经于2020年启动了氨燃料的研发，预计2024年首台工程样机交付，并且开展了现有发动机改造为氨燃料发动机的研究工作，以便在2025年以后能够满足船东改造的需求；瓦锡兰也启动了氨燃料研发，预计2022年完成氨燃料发动机验证工作。
可以看出上述多个领域氨都发挥了重要作用，那么在燃料领域，氨有什么优势呢？
目前可用的碳中性燃料可以以零碳排放生产和消费，包括生物燃料、氢和甲醇。
氨与碳中性燃料比较，下图显示了通过天然气蒸汽重整、碳捕获和储存、电解水和HABER-BOSCH合成以及电化学氨生产（直接电化学氮还原）的现有路线的氨生产成本。这些成本是基于低热值的每个能源单元的成本，它不反映燃料和船舶推进系统的不同效率。通过总结资本投资成本、固定经营成本和作为原料的能源成本，估算了绿色氨作为海洋燃料实现零碳的生产成本。
下图显示了绿色氨的预期盈亏平衡销售价格。
预计小型植物将于2025年开始生产绿色氨，成本为每吨650-850美元。绿色氨的成本预计将降至400-600美元，因为更大的工厂将在2030年建造，然后在2040年进一步降至275-450美元。分析表明，随着使用氨量的增加，价格竞争力越高。
氨的特性
氨的物理性质
由于氨在37.8℃的蒸气压为1.46MPa，气体相对容易液化。与LPG一样，氨可以通过在室温下施加一定的压力事件来液化。
下表总结了一般氨性能以及其他碳中性燃料的性能，以供比较。
由于氨气是无色的，有强烈的气味，所以有泄漏时立即被检测的优点。它有良好的通风，因为它比空气轻，它很容易控制泄漏的氨，因为它倾向于集中在天花板或高处，它可以用作海洋燃料，因为它几乎没有爆炸性。
氨如果与空气中的另一种物质结合在一起，会产生超细粉尘的主要成分，如图11所示。
韩国环境部对此制定了氨排放标准，如表2所示。
当液体的温度升高或施加在气体上的压力降低时，汽化不仅发生在液体表面，而且发生在液体内部。在液体内部发生的汽化称为沸腾，在大气压下，氨开始蒸发的沸点为-33.5℃。
如果氨罐安装在暴露的甲板上，容器就会受到辐射热的加热。当氨容器加热时，氨的温度升高，导致体积膨胀，容器中的压力上升。如果罐内充满液体，使液体与设计用来排放气体的安全阀接触，安全阀可能无法正常工作，导致容器内的压力继续上升，最坏情况下导致容器破裂。因此，必须为每个容器设置最大填充限制，以防止这一点。
氨很容易在高压下液化，在大气温度下蒸发。如果储罐在压力下破裂，大多数加压氨作为蒸气或细气溶胶释放并扩散到大气中。如果释放大量氨，液体产生的氨气与空气反应生成混合气体，比空气重，在船舶表面沉积时可能引起船体腐蚀。
氨的燃料性质
液化氨的体积能量密度相对较低（见表2），需要的储罐体积约为常规化石燃料的4.1倍。未来能源的储存性能是空间约束相对严重的船舶的一个非常重要的因素，液化氨可以储存在加压罐或低温罐中。氨可在1MPa左右的加压罐中储存，在-34℃左右的低温罐中储存。从燃料储存和运输方面，氨比生物柴油或甲醇弱，但在储存方面优于沼气或氢。因此，其运输成本低于其他碳中性燃料，运输技术已经具备。
临界温度是气体液化的上限温度。换句话说，无论施加多少压力，气体都不能在临界温度以上液化。由于液化天然气的临界温度为-82.95℃，它不能在室温下液化，因此必须在低温下储存在容器中或在低温下储存在加压容器中。另一方面，临界温度为132℃的氨在大气温度（25℃）加压时可以液化，因此可以方便地储存。
还必须考虑表3所示的热值、辛烷值和火焰速度等燃烧特性。下表显示了下一代燃料的特点。与氢相比，热值很低，与甲醇相似。