氨在发电领域的利用与课题

氨是可燃性物质，因此可以用作燃料。而且，氨在燃烧时不会产生CO₂，因此人们对使用氨作为零碳燃料的期望越来越高。另外，氨容易通过冷却和压缩液化，因此非常适合运输和储存。但是，在使用氨作为燃料时，需要考虑氨的一些特点。

表1示出氨等各种燃料的物理性质值。

首先，与其他烃类气体燃料相比，氨的单位体积发热量小，而且在空气中的燃烧速度也较慢。氨的空气中燃烧范围（爆炸极限）为15.5~27vol%，所需氨浓度较高，因此与烃类气体燃料混合燃烧时需要设法改善。另外，在使用一般天然气燃气轮机的情况下，需要用高压压缩燃料，以甲烷为主要成分的天然气可以维持为气态，但在同样的压力下，氨可能会液化。

使用氨作为燃料时，最重要的是必须抑制氮氧化合物（NOx）的生成。氨中含有氮，因此可能会生成燃料型NOx或热力型NOx。NOx不仅会危害健康和污染环境，而且部分NOx产生的温室效应比CO₂严重得多（N₂O是CO₂的265倍），如此一来，就违背了通过利用氨来抑制全球变暖的原本目的。因此，需要开发一种能够将NOx的生成抑制到不产生NOx或完全去除NOx的水平的燃烧技术。在氨专烧和与化石燃料混烧时同样需要考虑NOx的生成。

在燃煤火力发电方面，重要的开发课题是在提高蒸汽条件（亚临界压力⇒临界压力⇒超临界压力⇒超超临界压力）的同时，抑制NOx生成。要使煤粉完全燃烧，空燃比（空气量与燃料完全燃烧所需的理论空气量之比）必须大于1（如果不完全燃烧，热效率会降低，并且废气中还会残留有毒的未燃CO）。在这种情况下，虽然煤粉可以完全燃烧，但必须抑制高温下残留的氧气与燃料中的氮反应而生成NOx。

因此，近年来，在煤粉锅炉中采用二段燃烧法（如图2）。该方法的具体操作为：在一段燃烧中，在温度最高的燃烧器附近区域使煤粉在小于1的空燃比下燃烧，形成没有氧气残留的还原气氛，从而抑制NOx的生成；在二段燃烧中，继续供给空气，使未燃烧成分完全燃烧。另外，煤粉燃烧时具有以下特点：利用高温火焰燃烧的火炉中的辐射传热的比率大于二段燃烧中的对流传热。

煤粉燃烧器也采用用于使煤炭完全燃烧并抑制NOx生成的燃烧技术。图3是低NOx燃烧器中的火焰内脱硝的概念图。通过控制火焰的轴向温度和空燃比，抑制火焰内NOx的生成。

在具有上述特征的煤粉锅炉中混烧氨时，必须采取进一步抑制NOx生成的措施。另外，由于煤粉和氨作为燃料的特性（发热量、燃烧速度等）和形成的火焰特征（温度、亮度等）不同，因此在现有煤粉锅炉中的混烧比例方面可能会有一定的限制。

在于2016年~2019年期间实施的战略性创新创造计划（SIP）中，对现有燃煤火力发电设备中的氨混烧问题进行了探讨。具体的讨论对象为日本国内最大规模的超超临界压力（USC: Ultra Super Critical）发电设备——JERA碧南火力发电厂的100万kW级煤粉火力发电设备（表2）。

在确定氨的混烧率和供应点（图4）时，需要对以下课题进行探讨：