Ru基低压与Fe基高压Haber-Bosch工艺合成灰/蓝/绿氨的3E（能源-经济-环境）对比研究

本研究针对传统氨合成工艺高能耗、高排放问题，对比分析了Fe基高压（Fe-HB@HP）与Ru基低压（Ru-HB@LP）Haber-Bosch工艺在灰/蓝/绿氨生产中的3E（能源-经济-环境）性能。结果表明：Ru-HB@LP在50 bar下实现最低总能耗（4.53 GJ/tonne NH3），蓝氨可减排80%，绿氨减排达90%，为可持续氨生产提供技术路径选择依据。

　　

氨（NH₃）作为全球粮食安全的基石和新兴清洁能源载体，其生产过程的可持续性转型迫在眉睫。传统灰氨依赖化石燃料，贡献了全球1%的CO₂排放（2.9吨CO₂/吨NH₃），而绿氨（可再生能源驱动）和蓝氨（碳捕集封存技术(CCS)改造）被视为碳中和关键路径。然而，现有Haber-Bosch工艺普遍采用Fe基催化剂高压（100-300 bar）运行，面临设备成本高、小型化困难等挑战。与此同时，Ru基催化剂虽在低压（<100 bar）展现优异活性，但其经济性与规模化潜力尚未系统评估。

针对这一技术瓶颈，来自韩国的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次从能源（Energy）、经济（Economic）和环境（Environment）3E维度，全面对比了Fe-HB@HP（150-300 bar）与Ru-HB@LP（50-100 bar）在灰/蓝/绿氨生产中的综合性能。研究通过构建热力学-动力学耦合模型，量化分析了不同压力下特定能耗（SEC）、平准化氨成本（LCOA）和全球变暖潜能值（GWP），并结合残余能量回收、政策补贴等现实因素，为分布式绿氨生产提供了技术经济性路线图。

关键技术方法包括：1）基于Arrhenius方程建立Fe/Ru催化剂动力学模型；2）采用Aspen Plus模拟50-300 bar压力范围内的NH₃合成回路；3）通过生命周期评估（LCA）计算GWP；4）构建包含CAPEX/OPEX的LCOA经济模型；5）敏感性分析考察电价与政策补贴影响。

热力学与动力学分析
研究揭示了Ru催化剂在低压（50 bar）下的独特优势：其反应速率（r_N2）与N₂分压的0.5次方成正比，而Fe催化剂需依赖高压（>150 bar）维持活性。当温度升至400°C时，Ru/La_0.5Ce_0.5O_1.75催化剂可实现44.4 mmol/(g·hr)的NH₃产率，较传统Fe催化剂提升3倍。

能源分析
Ru-HB@LP在50 bar时总SEC最低（4.53 GJ/tonne），但Fe-HB@HP在150 bar结合余热回收后净SEC可降至3.67 GJ/tonne。绿氨工艺中，电解水制氢能耗占比高达78%，凸显可再生能源效率的关键作用。

经济评估
尽管Ru催化剂成本较高，但Ru-HB@LP（50 bar）的OPEX比Fe-HB@HP（150 bar）低10%。当可再生能源电价<0.03/kWh时，绿氨LCOA可降至490/tonne，接近灰氨水平（450/tonne），但需政策补贴弥补150/tonne的价差。

环境效益
蓝氨通过CCS技术将CO₂排放从2.9吨/吨NH₃降至0.6吨，而绿氨进一步降至0.3吨。敏感性分析显示，压力每升高50 bar，GWP降低12%，但SEC增加8%，凸显3E目标的权衡关系。

该研究首次量化论证了Ru-HB@LP在分布式绿氨生产中的技术经济可行性：其低压特性可降低压缩机成本40%，适合与波动性可再生能源耦合。研究建议分阶段实施技术路线——短期推广蓝氨过渡，中期通过Ru催化剂优化降低绿氨成本，长期配合碳税政策实现碳中和目标。韩国政府资助的NRF项目（RS-2025-00522668）正基于此成果开发模块化氨合成装置，为氢能基础设施建设提供新范式。