可持续绿氨生产新路径：PEM电解槽-哈伯法vs化学链技术的对比研究

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Sustainable green ammonia production: A comparative study of PEM electrolyzer–Haber–Bosch vs. chemical looping

本文对比分析了基于太阳能与生物质能的可再生氨生产系统，重点评估质子交换膜（PEM）电解槽-哈伯法（Haber-Bosch）与化学链氨生成（CLAG）两种技术路径。研究表明，CLAG系统可实现50%的CO2减排、40%的成本降低及更低的?损，为生物质废弃物资源化利用提供了更可持续的解决方案。

　　

系统描述

本研究探讨了基于太阳能与生物质能的两种氨生产配置。两套系统均包含以下子系统：太阳能单元、空气分离单元（ASU）、生物质气化装置、布雷顿循环、质子交换膜电解槽（PEM电解槽）、哈伯-博世法（Haber-Bosch）工艺以及化学链氨生成（CLAG）系统。其中太阳能子系统、空气分离单元和生物质气化模块在两种配置中完全一致，差异仅体现在氨合成路径——第一套系统采用PEM电解制氢后接哈伯-博世法，第二套系统则以CLAG技术替代了电解槽与高压合成环节。

热力学模型与初始条件

本节介绍了模拟计算的数值方法与适用模型，并详细讨论了太阳能单元、空气分离单元、生物质气化系统、PEM电解槽系统、哈伯-博世法工艺及CLAG系统的理论框架。

结果与讨论

结果部分分为五个板块：系统验证、整体性能评估、参数化分析、?分析以及两套系统的对比评价。数据显示，在相同氨产量（2240.5 kg/h）下，CLAG系统展现出更低的?损、CO₂排放量减少高达50%，系统成本率降低40%。尽管CLAG需配备高温反应器与先进换热网络，但其在利用城市固体废物与可再生能源生产绿氨方面展现出更优的可持续性与经济性。

结论

面对能源危机与气候变化的双重挑战，将生物质（尤其是城市废弃物）转化为氨产品已成为可持续能源与化工生产的重要策略。本研究通过对比PEM电解槽-哈伯-博世法与CLAG技术，证实后者通过规避氢能制备与高压操作，显著降低了能耗与污染排放，为绿氨工业化提供了更具竞争力的技术路径。