在碳達峰、碳中和的世紀熱潮中，世界各國都在積極尋找下一代能源技術，氨能高效利用正在成為近期全球關注的焦點。目前，氨正從最傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)化肥領域向新能源領域拓展。正是因為氫的儲存和運輸成本太高，氨開始受到更多的關注。資料顯示，中國是全球氨生產(chǎn)大國，全世界每年生產(chǎn)合成氨2億噸左右，我國的產(chǎn)能大約占到全球的四分之一。
圖一 碳達峰、碳中和是全球人類在21世紀的共同目標
從技術角度，氨由一個氮原子和三個氫原子組成，是天然的儲氫介質；常壓狀態(tài)下，溫度降低到零下33攝氏度就能夠液化，便于安全運輸。氨能是一種以氨為基礎的新能源，既可以與氫能融合，解決氫能發(fā)展的重大瓶頸問題，也可以作為直接或者間接的無碳燃料直接應用，是實現(xiàn)高溫零碳燃料的重要技術路線。
在進入新能源時代之前，氨已經(jīng)是全球使用最廣泛的高產(chǎn)量（High Production Volume, HPV）的工業(yè)化學品之一，其中大約80%的商業(yè)化生產(chǎn)的氨進入農(nóng)業(yè)并用于制造肥料。因此氨有完備的貿易和運輸體系。所以，從理論上來看，可以用可再生能源生產(chǎn)氫，再將氫轉換為氨，運輸?shù)侥康牡亍?/span>
圖二 農(nóng)業(yè)施肥為氨目前最大的利用領域
除了化肥，氨在許多大型工業(yè)制冷系統(tǒng)中用作冷卻劑，也時常是制造藥品、塑料、紡織品、染料、殺蟲劑、炸藥和工業(yè)化學品的成分。在石油和天然氣工業(yè)中，氨用于中和原油中常見的苛刻酸性化合物。采礦業(yè)使用“裂解”的 氨來提取銅、鎳和其他金屬，而燃煤和燃油發(fā)電廠則將氨添加到反應器中以凈化煙霧并將有毒的氮氧化物轉化為水和氮。氨還支持用于凈化飲用水的氯胺消毒劑，并防止形成致癌副產(chǎn)品，這使得氨成為水處理應用的一種有價值的化合物。
如今，在船舶航運領域，氨即將以嶄新替代能源的身份大展宏圖。2021年10月28 日，國際可再生能源署（International Renewable Energy Agency, IRENA）發(fā)布報告稱，氨在海運領域將成為清潔燃料的主力軍。令人關注的是，挪威化肥巨頭雅苒國際出資建造的全球第一艘用氨能驅動的貨船雅苒·伯克蘭號，已于2021年11月22日下水首航。
圖三 氨在海運領域將成為清潔燃料的主力軍
全方位了解氨的危害
雖然氨在現(xiàn)代和未來社會的用途甚廣，缺乏正確的氨氣濃度測控和法規(guī)監(jiān)管，過高的氨氣濃度將會對人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞性的影響。
l 健康危害
接觸低水平的氨會導致咳嗽以及對眼睛、鼻子、喉嚨和呼吸道的刺激。雖然，高于25ppm濃度的氨可通過其刺激性氣味被人類察覺，提供足夠的早期預警信號。但氨的氣味也會導致長時間接觸后產(chǎn)生嗅覺疲勞，甚至損害人的嗅覺。
如果人體接觸高濃度的氨，會立即灼傷鼻子、喉嚨和呼吸道，導致呼吸道受損、甚至呼吸窘迫或衰竭，也可能導致死亡。由于兒童的肺表面積與體重之比較大，更最容易受到氨的影響。
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氨濃度 (ppm) |
對人體健康的影響 |
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50 |
刺激眼睛、鼻子、喉嚨（2小時暴露） |
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100 |
眼睛和呼吸道短時間內感到刺激性 |
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250 |
大多數(shù)人能忍受（30-60分鐘暴露） |
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700 |
眼睛和喉嚨立即感到刺激性 |
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>1500 |
咳嗽、肺水腫、喉嚨痙攣 |
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2500-4500 |
致命（暴露30分鐘以上） |
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5000-10,000 |
短時間內因氣道堵塞立即致命，甚至造成皮膚損傷 |
表一 暴露在不同的氨氣濃度水平，可能會引起不同程度而的人體傷害
（來源：Ammonia Toxicological Overview, Public Health England ）
l 環(huán)境污染
氨在二次氣溶膠顆粒物生成中扮演著重要角色。其與大氣中的硫酸和硝酸反應形成銨鹽，作為顆粒物質在大氣中停留幾天至一周，然后再沉積回地面，是引發(fā)重霾污染和過量氮沉降的重要活性氮。
圖四 大氣中的氨是PM2.5的重要前體物
l 富營養(yǎng)化
氨的排放以濕沉降和干沉降的形式返回地標，造成土壤和地表水的富營養(yǎng)化，從而影響植物和動物物種的生存。
氨氣檢測面面觀
l 報警
氨是一種有毒氣體，暴露在一定濃度以上的氨氣會對人體健康造成傷害，因此必須始終配備適當?shù)陌踩O(jiān)控程序和設備，以避免嚴重的意外傷害或死亡。
現(xiàn)有行業(yè)內氨分析儀器的常規(guī)標準為JJG 1105-2015《氨氣檢測儀檢定規(guī)程》，適用于測量空氣或氮氣中氨含量的氣體分析儀和檢測報警器的檢定，規(guī)程要求的兩種量程范圍其一為0-50 umol/mol（ppm），要求測試誤差在±10%；其二為50-1000 umol/mol，要求測試誤差在±6%。
JJG 1105-2015主要針對儀器檢測原理的包含電化學、紅外聲光、非色散紅外、化學發(fā)光、紫外等，采樣方式有吸入式和擴散式兩種。
l 氨逃逸
燃煤鍋爐煙氣排放所含的氮氧化物，是空氣污染的重要前體物，控制燃煤過程煙氣排放的氮氧化物總量是各國環(huán)保法規(guī)的重點。選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）技術是目前煙氣脫硝主流技術。通過在煙氣中注入氨水或尿素，其主要成分氨與氮氧化物發(fā)生化學反應，生成對環(huán)境無害的氮氣和水。
脫硝過程的還原反應結束后，殘余的氨氣稱之為氨逃逸?？紤]氨氣本身也是有害污染物，必須對煙氣中殘余氨氣濃度進行實時監(jiān)控，一方面使噴氨效率達到最優(yōu)，一方面降低氨的消耗及排放。
2018年，國務院將“開展大氣氨排放控制試點 ”寫入新版空氣污染整治目標和計劃——《關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》。隨著各級政府對氨氣污染的高度重視，工業(yè)氨氣監(jiān)測的需求也更加具有挑戰(zhàn)。舉例來說，2019年山東發(fā)布最新的《火電廠大氣污染物排放標準》重點增加了氨逃逸和氨廠界濃度控制指標要求，要求采用氨法脫硫或使用尿素、液氨或氨水作為還原劑脫硝的企業(yè)，其氨逃逸濃度應滿足HJ2301中小于2.0mg/m3（約2.63ppm）的要求。
除了空氣污染，氨逃逸對采用脫硝過程的企業(yè)還可能帶來諸多危害：
l 形成堵塞空預器的銨鹽，增加維護成本（逃逸濃度2ppm時，半年后風機阻力增加約30%；3ppm時，半年后風機阻力增加約50%）；
l 頻繁沖洗空預器，影響機組安全；
l 使催化劑失活，縮短使用壽命；
l 還原劑氨的耗材浪費；
l 影響用于建材的飛灰（脫硝過程副產(chǎn)品）質量。
為了有效監(jiān)測氨逃逸，一般情況下氨的監(jiān)測儀表安裝于脫硝系統(tǒng)的還原反應結束處，煙道處也會安裝一臺以監(jiān)測最終煙氣中的氨排放濃度。然而，傳統(tǒng)的氨逃逸分析儀在實際監(jiān)測中所遭遇的困難重重。傳統(tǒng)基于近紅外激光的分析儀，由于氨分子在近紅外波段可用吸收光譜窄、吸收峰強度低，使得分辨率低（下限1ppm）并且易受其他氣體干擾。從安裝方式來看，對射式原位安裝對法蘭開孔精度要求高，煙道的振動、膨脹及收縮等都非常影響光精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大降低數(shù)據(jù)質量。同時原位式在線分析系統(tǒng)難以在線通入標氣，對儀器進行有效的檢驗與標定。
海爾欣科技自主研發(fā)的LGM1600便攜式高精度激光氨逃逸分析儀，基于新一代中紅外激光吸收光譜技術，采用氨分子在中紅外波段的強吸收峰，其強度高于近紅外波段吸收100多倍，因此LGM1600檢測精度比現(xiàn)有大多數(shù)氨逃逸分析儀器至少高出一個量級。結合德國進口高溫采樣預處理系統(tǒng)，LGM1600可實現(xiàn)無冷凝和極低吸附的氨氣采樣和分析。
圖五 LGM1600便攜式高精度激光氨逃逸分析儀
l 大氣氨
大氣中的氨與農(nóng)業(yè)活動密切相關。目前，農(nóng)業(yè)活動例如施肥、畜牧養(yǎng)殖等是主要的人為氨排放源。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，施肥導致的氮揮發(fā)還是農(nóng)田氮養(yǎng)分損失的重要途徑。相對于氨的重要性，對其排放和沉降的觀測研究工作卻相對滯后，這主要受制于氨在線檢測儀器及觀測方法上的局限。
因氨具有強表面吸附力和水溶性等特性，大氣氨濃度和地氣氨交換通量的原位準確測量一直是學界的一大挑戰(zhàn)，目前國際上主流的測量儀器大多采用閉路吸入式的構造，采樣管路的吸附效應一直制約著大氣氨濃度的快速高頻高精準度測量。與此同時，閉路儀器和搭配使用的外置抽氣泵均要求交流供電，這意味著目前絕大多數(shù)的大氣氨通量觀測只能在少數(shù)電力條件允許的環(huán)境下開展。
例如，目前國內外對于氨干沉降通量的觀測，大都采用基于低頻（數(shù)日至數(shù)月）濃度采樣的沉降速率經(jīng)驗系數(shù)法，其結果的準確度亟待檢驗。相較于氨氣泄漏報警和工業(yè)排放，大氣中的氨氣濃度僅為0-50ppb，大多數(shù)情況下不超過10ppb，加之氨氣在大氣中相態(tài)轉化多變，高頻且準確的濃度和通量信息，是對大氣氨實施有效調控的必要基礎。
寧波海爾欣光電科技有限公司與中科院大氣物理研究所碳氮循環(huán)團隊深入合作，研發(fā)了HT8700便攜式、高精度、快響應的開路多通池激光氨分析儀（圖X）。這款儀器基于可調諧激光吸收光譜（TDLAS）技術，采用了分布反饋式量子級聯(lián)激光（DFB-QCL）的光源，其開放式的光路結構，解決了傳統(tǒng)閉路儀器管路吸附引起的測量誤差，光機電軟各個部分高度集成，可完全由太陽能驅動運行，適合野外條件使用。
圖六 HT8700 高精度大氣氨本底激光開路分析儀
目前，HT8700在國內已為中科院大氣物理所和中國農(nóng)業(yè)大學所采用，研究成果發(fā)表于世界SCI期刊《Agricultural and Forest Meteorology》和《Atmospheric Environment》。HT8700同時獲得海內外專家青睞，先后展示于國家碳中和北方中心、歐洲地理學會（EGU）年會、世界氮素倡議大會（INI）、亞洲通量觀測聯(lián)盟（AsiaFlux）年會，并出口英國與荷蘭，參與歐洲高端科學機構的研究項目。
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