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摘要：为实现2050年碳中和的目标，火力发电中的氨直接燃烧技术备受关注。火力发电使用化石燃料，其燃烧时必然会产生CO₂。如果将化石燃料替换为氨，那么燃烧产物就只有水蒸气（H₂O）和氮气（N₂），由此可以实现CO₂零排放。火力发电包括以天然气为燃料的联合循环发电及以煤炭为燃料的燃煤火力发电。目前，氨专烧还无法实现，但部分混烧的实验正在各地开展中。本文将介绍燃气轮机和燃煤火电燃烧器中的氨混烧实验。

关键字：氨混烧、氨直接燃烧技术、联合循环发电系统、燃气轮机、氨燃料

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引言

最近，因气候变化导致的大规模自然灾害频繁发生，为世人敲响了警钟——削减作为主要原因的温室气体的排放量迫在眉睫。在此背景下，日本于2018年7月制定了《第5次能源基本计划》，内阁会议决定到2030年使温室气体排放量比2013年减少26%，到2050年减少80%。

但是近年来，以欧洲为中心，普遍将温室气体减排的目标提前到2050年实现碳中和。在进一步削减温室气体排放的潮流下，日本于2020年10月向国际宣布2050年实现碳中和的目标。但是，这一目标仅靠现有技术的改善很难实现，必须进行重大技术创新。在此背景下，氨（NH₃）在火力发电厂中的应用备受关注。

自2011年3月东日本大地震导致核电厂关停以来，火力发电成为电源供应的主力，目前仍承担着日本80%的供电量。但是，火力发电使用化石燃料，其燃烧时必然会排放作为温室效应主要成分的二氧化碳（CO₂）。如果用氢代替化石燃料的话，排放物就只有水蒸气（H₂O），没有二氧化碳。但是，氢在储存和运输时必须冷却到零下253℃使其液化。与此相比，氨（NH₃）只需冷却到零下33℃或加压至0.85Mpa就能够液化。另外，氨受热易分解，通过对氨进行加热可以提取出氢。

因此，氨作为有效的氢载体而受到关注。另外，直接燃烧氨的实证研究也正在各地开展。如果直接燃烧氨的话，排放物就只有水蒸气（H₂O）和氮气（N₂）。氨已经在火力发电厂用作水的pH调节剂以及分解NOx的脱硝材料，在迄今为止的操作中并未有异常。

但是，氨是具有强烈刺激性气味的有毒物质，因此处理时需要多加注意。

目前，火力发电厂包括燃烧天然气的联合循环发电和使用煤炭的粉煤火电发电。天然气联合循环的二氧化碳排放量是粉煤火电的一半。直接燃烧氨的话，可以实现零碳排放。另外，为减少粉煤火电的二氧化碳排放，目前采用的方法是加入数%的生物质燃料进行混烧。然而，生物质燃料价格高于煤炭，且水分含量也较高，存在热效率低下等问题。如果用氨燃料代替生物质进行混烧的话，可以抑制热效率的降低。

因此，本文将介绍氨的特性，在火力发电厂中应用的可能性以及操作方面的法规等最新动向。

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氨的特性

氨是化学工业中常用的基本化学物质，被大量生产用作化肥原料。另外，氨在火力发电厂中也用作锅炉给水的pH调节剂，以及在排烟处理过程中去除NOx的脱硝剂。

另一方面，随着可再生能源的大量导入，通过电解进行氢的制造、储存和利用作为剩余电力的利用方法受到关注。氢在短距离运输时可以先压缩后再运输，但在从国外采购等长距离运输时则需要液化。因此，氨备受关注。

氨是适合于运输和储存氢的载体之一，还可以作为无碳燃料直接燃烧利用。美国很早就注意到这一点并进行了相关研发，最近，日本内阁府也设立了SIP能源载体项目，研究氨燃料在火力发电中的应用。氨的化学式为NH₃，由氮原子和氢原子构成。如下式所示，利用从空气中提取的氮气（N₂）和通过电解水得到的氢气（H2）合成氨。

N₂＋3H₂＝2NH₃（ΔH=-92.4kJ/mol）

式中，ΔH表示焓变。

也就是说，只要有空气、水和能源，就可以通过化学方法合成氨。反过来，氨在高温下也可以分解成氢和氮。

如上所述，氨与氢是可以相互转化的物质。而且，氨在化学工业中大量流通，其大规模储存和运输已经得到实用化。

也就是说，氨作为储存和运输氢的物质具有极大的优势，是氢载体的有力候选之一。

氨是不含碳的可燃性物质，其燃烧反应如下式所示。

2NH₃＋3/2O₂＝N₂＋3H₂O（ΔH＝-382.6kJ/mol）

氨燃烧时的发热量不高，与甲醇相当，但液氨的能量密度比电池高，完全可以作为燃料使用。

表1示出氨、氢、甲烷的物理性质和特性对比⁽⁴⁾。从表中可以看出，无论是通过冷却还是加压，氨都像LPG一样容易液化。从运输和储存的角度来看，氨作为液化气具有接近液体燃料的便利性。当氨用作燃料时，不易点燃，着火点也非常高。层流燃烧速度较慢，约为烃的1/5。由于氨是含氮燃料，因此燃烧气体中会产生大量NOx。另外，氨不含碳，因此不会产生煤烟，火焰辐射量也较小，仅有气体辐射。

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氨燃料在联合循环发电中的利用

3.1 联合循环发电的系统组成与结构的特点

联合循环发电以天然气为燃料，热效率高，二氧化碳排放量是粉煤火电的一半，因此成为火力发电的主流。图1示出由燃气轮机循环和蒸汽轮机循环这两个原动机循环组合而成的联合循环发电系统⁽¹⁾。单个燃气轮机的热效率并不高，为了排放高温废气，在燃气轮机的下游设置了废热回收锅炉，在此处回收废热以生成蒸汽，并将产生的蒸汽引导到另一个蒸汽涡轮以产生动力。通过燃气轮机和蒸汽轮机这两个原动机产生动力，热效率与单个原动机相比得到大幅提高。

图2示出配置在顶层循环中的燃气轮机的结构。该燃气轮机由压缩机、燃烧器、燃气轮机3个主要部件组成。压缩机对空气进行压缩，向燃烧器输送燃烧用的高压空气，向燃烧器中喷射燃料，产生高温高压的气体。高温高压的燃烧气体在直接相连的涡轮中膨胀，产生动力。由于燃气轮机内置有燃烧器，因此可以独立产生动力。也就是说，相对于粉煤火电的外燃机，这种属于内燃机。氨燃料的使用只会影响燃烧器，而不会直接影响其他部分。

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3.2 利用燃气轮机的氨直接燃烧的实证实验

（1）利用50kW级微型燃气轮机的氨直接燃烧的实证实验

关于氨燃料在燃气轮机中的利用，日本产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）和东北大学受内阁府的委托，正在推进氨直接燃烧项目。产综研正在使用微型燃气轮机进行氨直接燃烧实验。另外，东北大学正在实施氨直接燃烧的基础试验。

图3示出产综研的氨直接燃烧实验装置的全景图⁽⁴⁾。由于存在各种法律上的限制，氨只能由设置在室外的储气罐供给。燃气轮机使用50kW级微型燃气轮机。由储气罐供给的氨通过气化器，在气体压缩机中压缩至0.5Mpa后，供给到燃气轮机。燃气轮机的废气经过脱硝装置后排放到大气中。储气罐的容量可支持50kW的氨专烧运行。根据燃气轮机的燃烧器的设计，除了燃烧氨以外，还支持氨与甲烷的混合燃烧，启动时还可燃烧煤油。

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图4示出氨专烧运行时的启动曲线。启动时使用煤油点燃，随着转速的上升逐渐增加氨燃料，同时减少煤油燃料，最终转为氨专烧运行。

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图5示出燃烧器的设计原理，基本上按照浓淡燃烧器的思路设计。在一次燃烧区域的浓燃烧部分，氨分解为氢和氮；在二次燃烧区域，分解的氢燃烧。通过二次空气降低燃烧温度，抑制NOx的产生，使未燃氨完全燃烧。氨具有燃烧速度慢、不易点燃的特性。这个问题已通过开发蒸汽型燃烧器得到解决（图6）。之后，对燃烧器的设计进行了反复改进，同时实现了NOx的抑制和未燃氨的完全燃烧，最终使脱硝装置出口的NOx值达到25ppm（换算成16% O₂）。此外，燃烧器的设计变更为可以利用甲烷启动，取消了煤油系统。

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（2）300kW级小型燃气轮机的氨直接燃烧试验

丰田能源、产综研、东北大学参与到SIP项目中，在小型燃气轮机上进行氨直接燃烧试验。此次成功进行了氨专烧试验。在实证试验中，氨稳定燃烧，NOx值也达到了15ppm的规定值。

燃气轮机试验装置安装在中部电力（现JERA）知多火力发电厂内，氨和天然气由发电厂供给。装置在启动时使用天然气，后逐渐转换为氨，在额定负荷下开展100%氨专烧运行，成功实现了持续运行（来源：丰田能源的新闻发布）⁽⁹⁾。

（3）利用2000kW级中型燃气轮机的氨直接燃烧实证试验

IHI与东北大学、产综研一起接受中型燃气轮机的氨直接燃烧的SIP项目委托。该项目采用2000kW级中型燃气轮机，实施了燃气轮机的主要燃料甲烷与氨的混合燃烧实验。结果显示，成功完成了20%氨与甲烷的混烧试验，实现了稳定运行和NOx排放的削减。CO₂的排放量减少了20%。之后，对燃烧器进行了改造，并增加了氨燃料含量，最终成功完成了70%的氨混烧试验。将氨以液态形式供给到燃烧器中，去除了气化装置。今后，计划继续开发100%氨专烧运行（来源：IHI的新闻发布）⁽¹⁰⁾。

（4）氨直接燃烧大型燃气轮机的实用化

三菱动力公司于去年3月宣布，将自主开发40MW级的氨直接燃烧大型燃气轮机。计划在已实现产业应用的现有成熟燃气轮机的基础上开发100%氨专烧的燃气轮机，并到2025年实现实用化（来源：三菱动力的新闻发布）⁽¹³⁾。

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粉煤火电中的氨燃料混烧

4.1 粉煤火电的系统组成与结构的特点

日本事业用燃煤火电的大部分都是将烟煤磨成粉末后进行燃烧的粉煤火电。图7示出代表性大容量粉煤变压贯流式锅炉的截面图^(2),(3)。通过传送带从储煤场运输煤炭，并将其投入位于右侧的煤舱中。此时，煤炭为约几厘米大小的煤块，为了提高燃烧效率，通过配置在煤舱下部的粉磨机将煤炭粉碎成40微米左右的粉煤。在锅炉中央的下部配置有火炉。火炉的侧面配置有多个燃烧器，从燃烧器将煤粉与从右侧鼓风机送入的燃烧用空气一起喷射到火炉内使其燃烧。构成火炉的传热管采用螺旋管。

最近的大容量锅炉采取变压运行，在额定运行时的超临界压力下，火炉水管道内的流动状态为单相，而在变压运行时为为水和水蒸气的二相状态，因此为了保证该状态下的稳定流动，将传热管倾斜，设置成螺旋状。在火炉上部配置有各种悬挂型过热器和横置型过热器。

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氨混烧时，氨燃料从燃烧器的前端部喷射到火炉内。送入锅炉的给水通过火炉和各种传热管转换成水蒸气。这种方式被称为贯流式锅炉⁽³⁾。

图8示出燃煤火电的燃料供应和空气系统的概略图。从左侧系统供应煤炭，从右侧系统供应空气。在燃烧石油、天然气等燃料的情况下，仅通过压力风机来供应燃烧用空气；但在燃烧煤炭的情况下，为防止粉尘、烟灰等泄露到锅炉外，在锅炉废气系统中设置了诱导风机，并将锅炉内压力设为负压。这种通风方式被称为平衡通风方式⁽³⁾。

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锅炉的废烟处理系统中设置了脱尘、脱硝、脱硫等各种环保装置，从烟囱排放出的几乎都是二氧化碳和水蒸气，是符合环保规定的废气。在图9中，上部示出锅炉与蒸汽轮机内的给水和水蒸气的流动，下部左侧示出燃烧气体的流动，右侧示出各介质的温度梯度。锅炉给水从300℃左右被加热到600℃左右。关于燃烧气体的温度，经过热交换，从火炉的燃烧温度1600℃左右在空气预热器入口下降到400℃左右，在烟囱出口下降到120~130℃左右⁽⁶⁾。

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4.2 粉煤火电中的氨燃料混烧实验

（1）中国电力水岛燃煤火力发电厂的氨混烧实证试验

日本的中国电力株式会社参与了SIP的氨直接燃烧项目，在水岛火力发电厂的2号机组（156MW）中进行了氨混烧的实证试验⁽⁷⁾。该发电厂由3座机组组成，1号机组是燃烧天然气的联合循环发电，2号机组是专烧煤的粉煤火力发电，3号机组是燃烧天然气的蒸汽发电。2号机组是专烧煤的粉煤火力发电，同时正在用于燃烧处理LNG储罐产生的闪蒸气（BOG）。各机组均具备脱硝装置，并装配有用于还原NOx的氨储存罐和供应管道。实证试验利用现有设备，氨供应量被限制在约1%（相当于1MW）。图10示出氨混烧试验的概略系统。

实证试验在120MW的功率下实施，氨喷射使用了燃烧处理BOG的燃烧器。此前担心直接燃烧氨会导致NOx值上升。但实验结果显示，NOx值不但没有增加，反而略有下降。这可能是由于氨作为分解NOx的还原剂发挥了作用。总之，经确认，即使直接燃烧氨也能正常运行，NOx值也不会增加。

（2）研究设备中的氨直接燃烧实验

电力中央研究所（以下简称“电中研”）和IHI参与了SIP的氨直接燃烧项目，电中研和IHI分别在单燃烧器和10MW（热功率）级燃烧试验锅炉中开展了燃烧试验。经确认，单燃烧器燃烧试验中，在20%的氨混烧率下可以将NOx值抑制在与煤专烧锅炉相当的水平，IHI的燃烧试验结果同样如此⁽⁷⁾。

4.3 开始探讨大容量粉煤火电中的氨混烧试验

JERA、IHI、丸红、Woodside Energy（澳大利亚）等4家公司接受了NEDO的委托，开始讨论在大容量粉煤火电中实际进行氨和煤混烧的可行性（来源：JERA新闻发布）。

JERA负责碧南火力发电厂1000MW机组（图11）的运行，IHI负责探讨氨在锅炉中的混烧技术，丸红负责运输氨燃料，Woodside Energy负责制备氨。今后，期待早日完成氨的制造、输送、利用以及在燃煤火力发电厂的混烧实验^(11),(12)。

图11.png

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处理氨燃料时的注意事项与法律规定

氨是具有强烈刺激性气味的有毒物质，但在产业界中大量用于制造化学肥料等。另外，氨在火力发电厂中也可用作锅炉给水的Ph值调节剂和脱硝装置的还原剂，在处理时未产生异常。但是，当将氨用作燃料时，氨的处理量大增，以下总结了注意事项和法律规定。

（1）关于氨燃料在火力发电设备中的合法应用，电气事业法中大体上规定了储存、气化、升压、消费方面的内容；关于运输、环境影响评价，高压气体安全法劳动安全卫生法、有毒及有害物质处理法、港则法、港湾法、环境评价法、恶臭防治法、大气污染防治法、水质污染防治法、噪音管理法、下水道法、全球变暖对策推进的相关法律中都有规定。

（2）在火力发电设备中使用氨燃料时，设备应遵守电气事业法。在电气事业法中没有条例或规定的情况下，应当以高压气体安全法、消防法、LNG储藏法等为基准。

（3）运输方面，在危险品船舶运输及储存规则中规定了氨相关要求，规定了应力标准值和抗拉强度。关于氨的卡车运输，在高压气体安全法中有相关规定。

（4）环境影响评价方面，有毒及有害物质处理法中仅对氨进行了相关规定。

将氨燃料用于燃气轮机时，必须确认燃气轮机排放的NOx是否达到标准值，以及该地区是否有氨浓度的规定值。

（5）综上，结论是，在火力发电设备中使用氨作为燃料，从法律角度没有太大问题。

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结语

以上概述了氨燃料在火力发电厂中的应用。氨在化工领域已经大量流通，基础设施也很完善。另外，氨已经用于火力发电厂，因此对于将氨用作燃料并没有抵触感。只要有水、空气和能量就能合成氨，通过加热就可以轻松地从氨中分解出氢气，是一种高效的氢能载体。如果能将氨直接用于燃烧，将带来巨大的益处。

参考文献：

（1）联合循环发电，入门讲座，火力核能发电技术协会（2012）（1）

（2）火力发电指南，11. 锅炉，火力核能发电技术协会（2019）

（3）濑间彻等，《火力发电总论》，电气学会，（2002）

（4）壹岐典彦，氨的燃烧和利用技术，火力核能发电技术协会（2019）

（5）壹岐典彦等，无碳氨的利用技术，日本燃气轮机学会（2021）

（6）长谷玄一郎等，燃煤火电中粉煤与氨混烧技术的开发，IHI技术报告（2019）

（7）大内优，氨的发电利用相关事业性评价，Energia总研评价, No.51

（8）木村茂，面向氢能社会的SIP能源载体的措施，生产和技术（2019）

（9）丰田能源新闻发布

（10）IHI新闻发布

（11）JERA新闻发布

（12）JERA碧南火力发电厂宣传册

（13）三菱动力新闻发布

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火力发电中氨直接燃烧技术的最新动向