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發(fā)展“氨-氫”能源機遇與風(fēng)險并存，氣體檢測是“必選項”
發(fā)布時間：2023-09-27
我國氫能行業(yè)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)
總所周知，氫能是一種理想的清潔能源，加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展是助力中國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要路徑。
2022年3月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃 (2021-2035年)》，將氫能正式納入中國能源戰(zhàn)略體系，據(jù)預(yù)測，中國2050年氫能需求量可能達(dá)到6000x104t。
然而，若要實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，其面臨的挑戰(zhàn)主要是低成本高效能的燃料電池技術(shù)和安全高效的氫氣儲運技術(shù)，其中氫氣儲運難和安全性差是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要“瓶頸”。
● 首先，氫氣因體積能量密度低需35~70 MPa的高壓儲運，導(dǎo)致氫氣的儲運成本高；
● 其次，根據(jù)我國2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)計，2050年將建成1萬座加氫站，按每座加氫站1500萬~3000萬元的建設(shè)成本估算，需投入高達(dá)1500億~3000億元，基建成本高；
● 第三，2019年在挪威、韓國等國家20天內(nèi)連續(xù)發(fā)生的三起因氫氣儲罐泄露引起的爆炸事故，暴露了氫氣易燃易爆、本質(zhì)安全性弱的缺點。
因此，要突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，亟需結(jié)合中國能源及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點，發(fā)展成熟、安全、高效的特色儲運氫的路線及其配套產(chǎn)業(yè)鏈，在此背景下，液氨作為一種氫的衍生物，由于其儲氫密度高、易于儲運，同時也是一種零碳燃料，逐漸受到業(yè)界青睞。
目前，日本、韓國、澳大利亞等國均已在積極布局“氨經(jīng)濟(jì)”，利用可再生能源電解水制氫后，通過“氫-氨-氫”或“氫-氨”流程完成“綠氫”的儲存和運輸。
為什么氫氨融合成趨勢？
氨為突破氫能產(chǎn)業(yè)瓶頸提供了可行的解決途徑
雖然氫能源擁有諸多優(yōu)點，但難以儲存和運輸，而且，氫是元素周期表上最輕的元素，很容易泄露，對儲存容器要求高，并且氫氣非常活潑，與空氣混合后很容易發(fā)生燃燒和爆炸。
如果遠(yuǎn)距離運輸氫，需要將其液化，在常壓狀態(tài)下，需要將其溫度降低到-235攝氏度以下，能耗較高。如果以管道運輸，則需要克服純氫以及摻氫的氣體給管道帶來的安全隱患，攻克氫氣管道的材料難題。
圖片
于是，氨進(jìn)入了視野
▲氨（NH3）是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)的化工原料，廣泛用于化肥、環(huán)保、軍事、制冷等領(lǐng)域
氨是由一個氮原子和三個氫原子組成的化合物，是天然的儲氫介質(zhì)，在常壓狀態(tài)下，只需要將溫度降低到-33攝氏度，就能夠?qū)币夯阌诎踩\輸，目前全球八成以上的氨被用于生產(chǎn)化肥，這讓氨擁有著完備的貿(mào)易、運輸體系。理論上，可以用可再生能源生產(chǎn)氫，再將氫轉(zhuǎn)換為氨，運輸?shù)侥康牡亍?br />
氨作為高效儲氫介質(zhì)，具有顯著優(yōu)勢
高能量密度：氨的體積能量密度達(dá)約13.6 MJ·L-1，1 L液氨 = 4.9 L高壓氫（35.0 MPa）= 1200 L常溫常壓氫，成氨的能耗與氫液化的能耗相當(dāng)；
液化儲運成本低：氨只需加壓至1.0 MPa即可以液態(tài)形式儲運，一輛液氨槽罐車載氨量可達(dá)30 t（約含5.29 t氫），載氫量較長管拖車運氫（載氫量不到400 kg）提高1個數(shù)量級，因此運氨成本（約0.001元·kg-1·km-1）也較運氫成本（0.02~0.10元·kg-1·km-1）呈數(shù)量級降低。
無碳儲能：氨成熟的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及低成本合成、存儲和運輸，可實現(xiàn)季節(jié)性、遠(yuǎn)距離、“無碳化”的“氨-氫”儲能，且有研究表明，在目前主要研究的幾類電制液體燃料技術(shù)（液氫、液氨、液化天然氣、甲醇、有機液態(tài)儲氫）中，電制氨的成本最低，效率僅次于電制液氨。
從安全角度，氨的火災(zāi)危險性僅為乙類，具有較氫氣（4%~76%）更安全的爆炸極限（16%~25%），氨燃燒發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性極低，且人對氨的氣味極其敏感，泄露易察覺，其刺激性氣味是可靠的警報信號。
從合成氨的途徑來看，公開資料顯示，國內(nèi)有近78%的氨來源于煤炭，存在高耗能、高排放等問題，在能源轉(zhuǎn)型呼聲高漲的當(dāng)下，面臨著巨大的綠色轉(zhuǎn)型壓力。
為此，以電解水制氫合成氨為代表的技術(shù)路線將成為合成氨脫碳的重要路徑，我國合成氨行業(yè)能源供給結(jié)構(gòu)由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)換有著巨大的潛力。
在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)愿景下，氨將構(gòu)建起氨能能源體系，“綠電-綠氫-綠氨”成為重要發(fā)展趨勢。
雖然"氨-氫"能源是支撐可再生能源規(guī)模化利用和綠色能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體，但是在脫碳，碳中和等環(huán)節(jié)的利用過程中，"氨-氫"能源本身所存在的氣體風(fēng)險也不可小覷！
Part. 01
氫氣的理化性質(zhì)
氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體（在各種氣體中，氫氣的密度最小。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1升氫氣的質(zhì)量是0.0899克，相同體積比空氣輕得多）。因為氫氣難溶于水，所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外，在101千帕壓強下，溫度-252.87℃時，氫氣可轉(zhuǎn)變成無色的液體。-259.1℃時，變成雪狀固體。
常溫下，氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定，不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)條件改變時（如點燃、加熱、使用催化劑等），情況就不同了。
如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性（特別是被鈀吸附），金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%-75%時，遇到火源，可引起爆炸。
Part. 02
氨氣的理化性質(zhì)
氨具有中等毒性，但卻有很強的腐蝕性。即使空氣中的濃度非常低，只有百萬分之三十（ppm），可能來自非常小的泄漏，甚至有時是常規(guī)操作。
● 如果一個人接觸它超過15分鐘，就會導(dǎo)致呼吸困難；
● 在100ppm時，會出現(xiàn)眼睛和喉嚨的刺激；
● 在500-700ppm時，任何接觸都會變得危險，有灼傷喉嚨、皮膚、肺和眼睛的風(fēng)險，可能會導(dǎo)致失明；
● 在更高的濃度下，死亡的風(fēng)險大大增加；
傷害的嚴(yán)重程度取決于氨的確切濃度和接觸時間的長短，但在最壞的情況下，它可以導(dǎo)致呼吸道被灼傷，使受害者窒息。
"氨-氫"能源在生產(chǎn)、存儲、運輸、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，都會存在一定的危險氣體泄漏風(fēng)險，，一旦發(fā)生泄漏，就容易引起爆炸、火災(zāi)或是中毒，導(dǎo)致大量生命損失和財產(chǎn)安全。
因此，為了安全起見，在各個"氨-氫"能源利用環(huán)節(jié)中，需要安裝多個氣體泄漏傳感器，實時及時監(jiān)測，一旦傳感器檢測到危險氣體的泄漏，需要立即發(fā)出警報并切斷氫源。
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理研計器一直致力于自主研發(fā)高精度的氣體檢測儀器，持續(xù)關(guān)注大氣環(huán)境的變化態(tài)勢，用智能化的氣體檢測儀器，準(zhǔn)確檢測出環(huán)境中的危險氣體，不斷探索新儀器的研發(fā)，為多領(lǐng)域氣體檢測提供有效數(shù)據(jù)支持。
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① 實時在線檢測及現(xiàn)場 聲光報警；
② 對危險現(xiàn)場的作業(yè)安全起到了預(yù)警作用；
③ 具有信號穩(wěn)定，精度高，重復(fù)性好等優(yōu)點；
④ 可以同時實現(xiàn)現(xiàn)場報警和遠(yuǎn)程監(jiān)控，報警功能；
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