氨作为高效氢载体和绿色钢铁的推动者

当谈到可持续性和绿色钢铁时，每个人都在谈论氢。但是目前储存和运输氢的方法需要高压和低温，这在能量和经济上都是昂贵的。已知氨是一种良好的氢载体。YanMa及其同事表明，氨不仅可以用于携带氢，还可以用于直接还原铁，这使得氨成为克服氢缺点的可行候选者。

马克斯普朗克材料科学家将氨用于可持续的炼铁和炼钢。他们在AdvancedScience杂志上发表了他们的最新发现

钢铁生产是目前全球变暖的最大单一原因，约占全球CO2排放量的7%。为了减少这些排放，业内科学家正在深入研究以氢为基础的炼铁方法，以此作为替代碳还原剂的可持续途径。

虽然基于氢的直接还原铁矿石前景广阔，但研究人员面临着一个重大挑战：要使整个炼钢过程对气候友好，所使用的能源和氢本身应该以可持续的方式生产。但市场缺乏足够的绿色氢气，目前储存和运输氢气的方法需要高压和低温，这在能源和经济上都是昂贵的。

Max-Planck-InstitutfürEisenforschung(MPIE)的研究人员通过使用氨作为氢载体和铁的还原剂来应对这一挑战。他们比较了氨基直接还原法和氢基直接还原法生产的钢铁，分析了新工艺的特点和成本，并将结果发表在《先进科学》杂志上。

氨作为直接还原剂有几个优点

全世界需要越来越多的氢，但氢的储存和运输很棘手：由于体积能量密度低，它必须在非常低的温度或高压下储存。这些条件消耗了氢传递的具体化学能的30%。相比之下，氨已经通过成熟的物流在全球范围内进行交易，并且被认为是一种液化成本低的优秀氢载体。

“我们的目的是研究氨是否可以直接用于还原铁矿石而不将其裂解成氢气和氮气。避免这种裂解过程可以将总成本降低18%。此外，我们分析了氨作为还原剂如何影响铁矿石的性能还原铁，”MPIE小组组长兼该出版物的第一作者YanMa博士解释道。

科学家们在实验室规模的反应器中引入了氨，在反应器中铁矿石被还原成所谓的海绵铁。在此过程中，热重分析与质谱分析相结合，测量了重量和气体成分，显示了还原程度和氨分解的开始。“基于氨的直接还原通过自催化反应进行。我们将其动力学与基于氢的直接还原进行了比较。两者具有相似的特性并产生相同的金属化程度。与基于氢的还原相反，氮化物在氨冷却过程中形成，这可以保护海绵铁免受腐蚀并使其更易于处理，”马解释道。

氮化物相可以在随后的熔化过程中完全溶解和去除，这是下游加工所必需的。此外，氨分解的另一种产物氮气可作为竖炉中的热载体，以维持反应温度并提高铁矿石还原的效率。

展望：合成绿色氨并调整铁还原过程

基于氨的直接还原连接了两个CO2最密集的行业，即钢铁和氨生产，并共同为可持续转型铺平了道路。此外，通过使用氨，克服了氢气在后勤和能量方面的缺点，并且可以使用现有的炉技术，即竖炉和电弧炉，只需稍作修改。

下一步，MaxPlanck团队将测试不同的工艺参数，如温度或气体混合物，以加快基于氨的还原过程，以实现广泛的工业应用。

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