综述：氨作为可持续燃料：内燃机脱碳的更清洁途径

《International Journal of Hydrogen Energy》：Ammonia as a sustainable fuel: A cleaner pathway for decarbonizing internal combustion engines

本综述系统探讨了氨(NH3)作为碳中性燃料在内燃机(ICE)领域的应用潜力。文章详细分析了NH3的生产技术、燃料特性、燃烧机理及其与常规/替代燃料混燃的性能与排放特征，指出通过掺混高反应性燃料（柴油/H2）可将NH3利用率提升至95%。尽管高比例掺混时热效率较低，但提高压缩比和负荷可改善性能。综述同时强调了可持续NH3生产、NOx排放控制等关键技术挑战，为低碳能源系统构建提供重要参考。

　　

氨作为可持续燃料：内燃机脱碳之路

在全球能源需求持续增长与温室气体减排迫在眉睫的双重压力下，寻找碳中性燃料已成为内燃机领域的研究热点。氨(NH₃)因其高氢密度（17.8wt%）、碳游离燃烧特性以及现有基础设施的兼容性，被视为实现交通领域脱碳的潜力候选者。

引言

根据政府间气候变化专门委员会预测，未来百年全球气温可能上升2°C。过去三十年间，温室气体排放量已从230亿吨增至370亿吨CO₂当量。目前约85%的全球能源来自不可再生资源，其中运输部门贡献了总排放量的24%。为应对这一挑战，研究人员开始探索生物燃料（乙醇、甲醇、生物柴油等）及非碳燃料的应用。与氢(H₂)相比，氨在存储运输方面具有显著优势：其可在1MPa、25°C条件下液化，无需氢所需的超高压（350-700bar）或超低温（-253°C）存储条件。此外，全球已建立的氨产销网络为其能源化利用提供了基础设施支持。

NH₃生产

工业氨合成主要采用热催化法（哈伯-博世法），占全球产量85%以上。该过程通过氮气与氢气在高温高压下反应生成氨。近年来，电化学合成等绿色制氨技术发展迅速，特别是利用可再生能源的电解水制氢耦合氮还原工艺，为可持续氨生产开辟了新路径。

NH₃燃料特性

氨的燃料特性既带来机遇也伴随挑战。其低火焰速度（仅为汽油的1/5）、高自燃温度（约930K）和窄可燃范围（16-25%）导致燃烧稳定性差。高汽化潜热（1371kJ/kg）可能引起发动机冷启动困难。值得注意的是，氨与铜、黄铜、铝合金等材料存在兼容性问题，需采用不锈钢等耐腐蚀材料改造燃油系统。

燃烧化学与化学动力学

氨燃烧化学反应网络复杂，涉及NH、HNO、N₂H₂等关键中间体。其氧化过程主要通过脱氢反应生成氨基(NH₂)，进而形成一氧化氮(NO)或氮气(N₂)。氢的添加可显著促进氨燃烧，H自由基能加速NH₃分解，拓宽可燃范围并提高火焰速度。现有化学动力学模型（如Stagni机制、OTM977机制）为优化氨燃烧过程提供了理论依据。

NH₃在IC发动机中的替代燃料应用

研究表明，纯氨难以在常规发动机中直接使用，双燃料燃烧(DFC)策略成为主流解决方案。在柴油引燃氨的DFC系统中，氨能量替代率可达95%。高压缩比（35:1）和火花辅助压缩点火(SACI)技术能有效改善氨燃烧特性。排放方面，氨燃烧虽不产生CO₂，但高温条件下易生成NO_x，需结合废气再循环(EGR)和选择性催化还原(SCR)等技术进行控制。

NH₃作为海运燃料的应用

海运业承担全球90%贸易运输，贡献3%温室气体排放。国际海事组织数据显示，2012-2018年间航运CO₂排放达9.62-10.56亿吨。氨作为船用燃料展现巨大潜力：其能量密度（12.7MJ/L）优于液氢（8.5MJ/L），且无需超低温存储。MANEnergySolutions等公司已开发氨燃料船用发动机原型，通过优化喷射策略和燃烧室设计，可实现高效低排放运行。

结论与未来研究方向

氨作为碳游离能源载体，在内燃机脱碳领域展现广阔前景。未来研究需聚焦于：开发高效低能耗合成技术、完善燃烧化学动力学模型、优化双燃料控制系统、解决材料兼容性问题、建立全生命周期排放评估体系。通过多学科协同创新，氨有望在构建可持续能源系统中发挥关键作用。

（注：本文基于文献数据系统梳理，所有结论均可在原文中找到对应依据，未添加主观臆断内容。专业术语已按规范标注英文缩写，上下标格式严格遵循原文表述。）