氢能技术与应用

氨经济与中国的长盛久安 

王宏模   

　　在如何实现中国的可持续性发展这个大课题中，能源和环境无疑是最令人关注的问题。这中间，我国的燃油消费量及其中进口石油量所占比的日增，使燃料供给问题很可能成为影响中国长盛久安的隐患。

　　着眼能源替代不再纸上谈兵

　　使中国燃料能源的长期供应得以确保的办法，唯有自力更生。而以自力更生实现可持续的燃料能源自给的办法，唯有发展利用可再生燃料。

　　燃料类型的更替，牵涉一系列基础设施及运作系统的改造和建设。其规模之大，环节之多，使之难以在短期内完成。正因为如此，着手策划和实施这一历史性转变，更应成为刻不容缓的当务之急。

　　氢虽理想难以救急

　　在各种可再生燃料中，氢长期以来被视为最理想的选择。

　　为发展所谓氢经济而进行的研发已在科技界进行了数十年。近年来，因能源及环境问题的尖锐化，氢经济更得到一些国家政府的大力倡导和资助，并在各界广受重视。

　　然而，使氢经济成为可以取代目前石油经济的一种实用燃料经济，尚有待若干关键（尤其是储运）技术上的突破性发展。

　　鉴于燃料更替过程需时太久，等待氢经济的发展实非上策。

　　相比之下，一个至今仍鲜为人知的“氨经济”的提议，不仅更为切实可行，且对中国有着尤其重要的意义。

　　氨之技术经济更为成熟可行

　　氨（NH3），原名阿摩尼亚，是当今世界上除硫酸外产量最大的化工产品。

　　氨在工业界的用途广泛，目前最大的用量在于农肥。基于这一重要产品的经济在世界上已经存在。

　　所谓“氨经济”的提议，是指发展包括氨作为普及燃料之用在内的经济。

　　氨的燃烧特性，久为专业界所熟知。

　　美国航空航天局的X－15型实验机以其飞上太空并创下人类航空史上最高时速纪录的表现，为它所使用的氨燃料的能力提供了毋庸置疑的明证。

　　20世纪六七十年代，美国汽车工程师协会（SAE）曾发表了多篇有关氨燃料、氨内燃机等方面的学术文章。

　　由美国田纳西大学的一组大学生在郝吉森教授的指导下设计改装的氨燃料汽车，曾于1972年在有65辆车参赛的都市汽车大赛中获总分第二。

　　氨是除氢以外最宜生产的可再生燃料。

　　氨可由水中的氢和空气中的氮合成，并在氧化燃烧时还原为水和空气。在目前普遍采用的工业化合成氨生产中，所需的氮可自空气中直接获得。而氢的来源则为天然气、煤炭及水。

　　随着未来天然气的供不应求，氢的来源势必渐以煤和水为主，并最终依赖水。制氨所需的能源也势必从目前的化学能（包括石油、天然气、煤炭等）及物理能（包括光、水力、风力、温差、核变等）最终走向只依赖物理能。

　　氨具备常用燃料所须的各大特点：廉价、易得、易挥发、便储存，低污染，高燃烧值，高辛烷值，操作相对安全，可与一般材料兼容等。

　　在作为燃料的普及应用上，氨较氢的最大优越性在于其能量密度大（同体积含能量液氨是液氢的1．5倍以上）、易液化（常压下负33摄氏度或常温下9个大气压均可使氨液化而氢在负240摄氏度以上则无法液化）、易储运（普通液化气钢瓶即可储氨而储氢则需特殊材料）。

　　液氨的比重与汽油相近。虽其燃烧值仅约为汽油的一半，氨的辛烷值却远高于汽油，因而可大大增加内燃机压缩比以提高输出功率。

　　氨内燃机的热效率可达50％甚至近60％，是通常汽油内燃机的两倍以上，因此也就足以在多种用途中成为可取代汽油的燃料。

　　不仅如此，以液氨为燃料的车辆可得到几乎免费的空调——液氨在气化时能大量吸热。

　　以氨为能少生动乱

　　发展包括燃料用途在内的氨经济的合理性，可从多方面考证。

　　最为突出的是：氨因其用量大及用途广，在生产、储运、供给等各方面都已成体系，因而具有推广应用的良好基础。

　　氨的工业化生产不仅产量大，且已有近90年历史，相关技术设备成熟而多样化，易适应各种不同的条件和要求。

　　液氨比液化天然气更便于储运。除车载船运外，液氨可利用现有的输气管输送。在以管道输送等能量的条件下相比，液氨较氢和天然气都占有明显的经济优势。

　　氨燃料如能普及应用，可使氨的生产更其规模化，储运供给更一体化，市场更多元化，进而更有利于氨经济自身的良性循环和发展。

　　氨的用量之大及输送之便，使之能适合在能源易得的地区大规模生产，以提高能源利用率和产业经济效益。而其所需原料之易得，及其生产工艺和设备的相对简单，使之又适宜在交通运输不便的地区或情况下实现小型化、移动化的生产。

　　早在上世纪60年代，由美国军方资助的一项研究即已证明：以小型核反应堆为能源就地生产液氨，是解决野战机动部队燃料问题的最有效的方法。

　　实现零污染 作用难替代

　　普及氨燃料的合理性，又在于它的另一个不容低估的优越性：对自然、环境的保护。

　　氨燃料的生产和利用，不仅可实现零污染，更无需占用耕地或减少永久性植被，且能帮助减少大气中已存在的“温室效应气体”。这是可再生醇类碳氢化合燃料所办不到的。

　　再者，氨在消除内燃机氧化氮类（NOx）“光雾气体”的排放中所起的关键作用，也是难以替代的。

　　在经济上，液氨的每单位能量价格，已在世界多数国家和地区低于或相当于汽油。

　　由于氨是一种便于以其他各类能源（及空气或水）来合成的燃料，在长期走势上，其价格将与各种现有能源的最低价格大致吻合。因此，使用氨燃料可避免由某一特定能源的供求失衡而引起的价格冲击，并在逐步走向依赖物理能的过程中始终保持其经济性。

　　从长期、宏观的角度看，发展氨经济、普及氨燃料，将使化工、机械、汽车、运输等各行业都得到前所未有的发展机会；使农业得益于合燃、肥二料为一所带来的经济和便利；使自然、环境得到保护和修复，以避免由自然环境的毁坏而可能引起的无法估量的经济损失甚至灾难。

　　以氨燃料更替石油类燃料的过程，即使立刻以全力展开，也必经数年或十余年方可能渐成规模。为适应此转变过程，在氨燃料供应网点和充分发挥氨燃料优点的内燃机车或氨燃料电池车得到普及之前，氨、油（或其它碳氢类）双燃料甚至多燃料机车可能成为人们的选择。

　　来自美国密歇根大学机械系一个研究组的最新报告表明，现有的汽车可相当简易地改装为氨、汽油双燃料车而无需更换现有的引擎。

　　虽然也有危险总比汽油安全

　　诚然，氨在特定条件下（如在密闭空间中大量释放）可造成危及生命的事故。但储运、操作中恶性事故发生率的统计数字表明，氨比汽油和液化天然气都安全得多。

　　人体自然产生并排泄氨，人类生来就和氨朝夕相处。人的嗅觉对氨有极高的灵敏度，可检测仅为危险水平5％以下的浓度。

　　更何况，新技术的研发和实施，必能使氨燃料的运用更为安全可靠。

　　因此，因氨有可能使人窒息而拒之不用，无异于因噎废食。

　　抓住氨经济契机畅行可持续发展

　　人类社会的发展与可利用能源的获取直接相关。尤其是进入工业化时代以来，任何一个世界经济大国的主导地位的确立，无不以新能源的开发和利用为契机。

　　以此观之，氨燃料的采用和氨经济的发展，是否能给正在向世界经济主导地位迈进的中国提供一个可贵的契机，实为值得深省的问题。

　　中国的可耕地相对稀少。这使在中国发展基于植物质的醇类等燃料终受局限。期待氢燃料所面临的难题得以及时解决，将有难以预料的风险。

　　因此，尽早地着力发展氨燃料，应为中国发展可再生燃料的首选。

　　天时地利人和俱佳 中国先行当仁不让

　　中国是目前世界上氨产量和用量无可争议的“超级大国”，其产量占世界总产量的四分之一以上，其他任何产氨国都不能比。

　　中国在发展推广氨经济的总体基础上所占的优势，是举世无比的。

　　中国是世界煤炭蕴藏、产量大国。不仅如此，中国更是目前世界上少数掌握高温气冷核反应堆实际运行经验的国家之一。而此类反应堆所产生的高温尤适宜用于制氨。中国的地域结构和分布使之可获取丰富的物理能。中国在核聚变技术上也已取得显著的进展。中国因而有优异的条件在氨燃料的生产上逐步地实现从现有的材料及能源走向依赖水和物理能。

　　以新一代可再生、低污染燃料取代传统燃料势在必行。但世界上的多数国家并无能力引领这一更替。

　　在汽车已经普及的国家，这一更替将是一个耗费、困难甚至痛苦的过程。

　　发达国家的政府多因其任期短所造成的急功近利的特性及其与石油等既得利益财团的瓜葛，无意亦无力主动地引领这一长期的历史性的转变。

　　中国的汽车市场和产业尚处于发展的初始阶段，而其潜力之大、发展趋势之猛，已举足轻重于世界。

　　中国现有世界上最具经济活力的体制、最有利的发展氨燃料的条件及最大的、崛起中的汽车市场，可谓“天时、地利、人和”三者兼备！中国应充分利用这一几近完美的优势，及时带领全球新一代燃料的启用和推广，以利国，利民，利天下。

　　中国的绝大多数人口仍在农村。农业的机械化、农民交通的汽车化正在兴起之中。农村的燃料需求日增。

　　与此同时，绝大多数氨的用途及供给网络目前也在农村。农民是对氨的使用最有实际经验的群体。中国的乡镇企业又最具适应和占领新市场的能力。

　　氨燃料的推广自中国农村始，正可以星火燎原，从农村发展到城市，最终普及整个燃料市场，并由此带动一系列相关的新兴产业从中国走向世界。

　　自力更生以可再生燃料特别是氨，来实现中国的能源自给，不仅能为中国的长盛久安提供必要的基础及保证，亦更将有助于中国在为促进世界的繁荣和稳定的事务中发挥其所应起的作用。

　　古人云，“更生”、“再生”皆由《道》之“复命”。“复命曰常，知常曰明；不知常，妄作，凶。知常容，容乃公，公乃全，全乃天，天乃道，道乃久。没身不殆。”氨之于今日与明日中国，切合此理。

　　侍氨为生再发展 以氨治国安天下

　　中国人崇尚“君子之交淡如水”，以其可久远，而无利害之争。

　　中国若长期主要依靠进口油、气以敷其能源之需，则难免长久卷入国际间的反复无常的种种利害之争，而无法行君子之交。

　　人类滥用石油、天然气为燃料的行为，虽尚不可谓之“大逆”，却不妨称之为“不道”。因其不道，故不能久。

　　石油、天然气乃自然造化留予人类的一次性遗产，是制药、化工、材料等产业的难以取代的原料。此类有限资源的滥用和耗竭及由此造成的自然和环境的毁坏，不但会直接影响现代人的生活质量，更将给未来人的生活留下难以设想的恶果。

　　从长计议，在以可再生燃料实现能源自给的同时，中国自应依市场经济的规律，在适当的时机，根据财力从国际市场购得油、气，以补充国内储量日减的油、气田；然而却无须为此卷入全球各地时时不断的利害之争，当然也就不会在未来严重受制于人。再进一步，即可在国际关系中从容而行君子之交。

　　在氢燃料终成经济之日，人们或可为“君子之交淡如水”平添一层新义。在此前，天下若能先行君子之交“氮与水”，改汽车为名副其实的“汽”车，因而能至久远而无害，不亦乐乎？

　　中国人自古多寄意于命名。拉丁人则自古多置信于“名，命”（nomenomen）。若依此，阿摩尼亚在中国的重新命名为“氨”，岂不注定了它能自中国始，以一“气”而“安”天下吗？！

　　本文作者王宏模，美国哥伦比亚大学博士。多年任贝尔实验室研究员。国际知名模拟集成电路设计专家。美国极度（utMOST）技术公司创始人。近年来致力于研究能源与环境等问题及其解决办法。

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