随着可变可再生能源电源的引入不断扩大，作为调节供需平衡和稳定电力系统的火力发电仍是重要的电力来源，因此减少火力发电过程中的二氧化碳（CO₂）排放量成为亟需解决的课题。本文针对有望解决这一课题的氨，介绍了其用于燃煤发电的技术开发以及氨的发展前景。

前言

为了抑制全球变暖，世界各国都在努力减少二氧化碳排放。日本政府也提出了在2050年实现碳中和的目标。在火力发电中，燃烧燃料并利用其热量产生高温、高压的蒸气，再利用蒸气动力带动发电机旋转发电。所使用的燃料多为煤炭、石油、天然气等化石燃料，尤其是煤炭作为廉价且可稳定供给的燃料得到了广泛利用。IHI在煤炭利用技术方面处于领先水平，通过提供全球最高效率的火力发电设备，为减少二氧化碳排放作出贡献。但是今后，需要推动向不排放二氧化碳的零碳燃料的转变。其中，备受期待的零碳燃料之一是氨。氨燃烧的一般反应式为4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O，与氢燃烧（2H₂+O₂→2H₂O）一样，不排放温室气体。但是，氢密度低，单位体积的燃烧发热量小，因此运输效率差，且液化需要大量动力等，因此高效的大量运输成为一项课题。此外，在容积效率和液化温度（-33.4℃）方面，氨作为能源载体比氢更有优势。图1示出氨作为能源载体的特性。氨已经在肥料制造等化学工业中得到商业应用，拥有大量的生产、储存和运输基础设施，并且已经确立了处理技术。

图1

由此，为实现火力发电的碳中和，IHI开始积极关注氨。氨的引入始于目前火力发电的主流燃料——煤炭（锅炉）和天然气（燃气轮机）的混烧，并且正在继续开发，以期今后实现专烧。

本文介绍了火力发电用锅炉设备中的氨混烧技术开发及其相关的锅炉设计。

氨混烧的课题与实现

此前，氨被广泛用作化学原料和肥料，但很少用作燃料。因此，在将氨转化为燃料时，首先构建了数值分析模型，并在IHI的燃烧试验炉中同时进行了测试和验证，以了解其基本的燃烧特性。

与甲烷等燃料相比，氨的燃烧速度较慢，火焰温度较低。此外，需要抑制燃料中的氮成分生成。准确的点火和稳定的燃烧十分重要，但实现这一点的燃烧条件与NOx的生成存在权衡关系。因此，燃烧技术开发的课题是在抑制氮氧化物（NOx）生成的同时，实现准确的点火和稳定的燃烧。

通过分析煤粉与氨气混烧时的燃烧数值，研究了氨对煤粉燃烧器火焰的最佳喷射及混合方法。关于氨的混合方式，研究了煤粉流混合、燃烧空气混合和直接炉内喷射。结果表明，在还原气氛强且气体温度高的气氛中添加氨对抑制NOx是有效的。

图2上半部分示出实现这一效果的氨混烧燃烧器示意图。基于该研究结果，试制了燃烧试验用燃烧器，并经过小型燃烧试验炉（1MWth）的基础试验，在大型燃烧试验炉（10MWth）中进行了试验。

图2下半部分示出大型燃烧试验炉燃烧试验中的煤专烧和氨混烧时的火焰对比。结果，在燃烧热量比为20%的氨混烧率下，获得了稳定的燃烧状态，并实现了与煤粉专烧时相同的NOx排放量和未燃烧含量。

关于二级燃烧率对NOx排放行为的影响，图3示出煤专烧和氨混烧的对比。此外，即使在模拟部分负荷运行状态的条件下，也获得了良好的结果，证实了所开发的氨混烧燃烧器可以应用于实际机器。

图2

图3

在开发这些燃烧器的同时，通过分析锅炉炉膛燃烧等评估了对锅炉本体和相关辅机类的影响。

图4示出煤专烧和氨混烧的炉膛分析结果的对比。以制模工厂为对象进行了研究，结果证实，在氨20%混烧中，基本上不需要对包括锅炉本体耐压部分的传热部、通风系统、环境设备进行改造。但是，根据设备的设计条件、设备的状态和所用煤的特性，也可能需要进行改造。

图4

上述措施根据IHI的研究成果，2017～2018年度作为SIP项目，2019～2020年度作为国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）项目进行实施。

今后，将进入实机设备的实证阶段。图6示出氨混烧工厂的示意图。在实证试验中，混烧率预计为热量比的20%，对所开发的燃烧技术、改造设计进行验证，提高技术可靠性，进而获得作为今后提高混烧率基础的数据。

图5

用于提高氨混烧率的技术开发

提高氨混烧率在燃烧、锅炉主体/辅机类、控制/运行方面存在以下课题。

<燃烧方面>

●燃烧速度较慢的氨的比例增加导致燃烧火焰不稳定。

●由于煤炭燃烧量的降低，煤粉机（研磨机）运行接近下限，导致运营利润率下降。

<锅炉本体/辅机类>

●需要根据炉膛集热和燃烧空气量的变化对锅炉本体和辅机类进行改造。

<控制/运行方面>

●需要通过控制现有设备并分离运用条件来进行控制改造以及运行方面的修正。

针对这些课题，在燃烧方面，已进行数值分析和小型燃烧炉试验的验证，今后将继续推进大型燃烧试验炉燃烧器的开发。对于锅炉本体/辅机类，将以实机设备为模型，通过数值分析和设备规格审查来评估影响。此外，在锅炉运行方面，将通过在选定为模型的实机设备中进行运行模拟来评估。

锅炉设计中的注意事项

氨在火力发电用锅炉中用作脱硝还原剂，但要将其用作燃料还需注意以下几点。

●各设备的性能实现以及运行方法、运用限制和制约条件的假设

●氨的稳定供给

●氨处理的安全保证

在设备规格和性能方面，将根据现有实机设备的运行数据和运用限制等，评估应用氨混烧的影响，并设定实现性能的目标值和运用的制约条件。关于各设备的运行方法，将通过在具有充分实绩的煤气燃料运行方法中加上氨独有的变更点进行研究。

氨的稳定供给需要氨供给设备，大致需要氨接收设备、储存设备、气化设备、除害设备等。各设备的规格需要根据使用量、所需储存时间、氨接收条件等（由锅炉侧确定）确定。气化器需要选择热源，并在此基础上确定设备规格，研究运用方法。

在安全方面，氨是一种剧毒物质，需要慎重处理。然而，在火力发电厂中，每天都会在脱硝设备中使用氨来去除废气中的NOx，并且对氨的处理进行了规定，由专业处理人员进行安全操作。将氨作为燃料时的使用量比以往大，因此使用规则将由政府专家进行制定，但通过扩展传统的规则和知识等，可以充分保证安全。

今后课题

氨混烧在火力发电设备中的应用已进入实证试验阶段，达到混烧率20%的热值比。切实计划、执行并评估该实证试验十分重要。其中，将通过提取商业化问题并建立解决方案来确立氨混烧技术。对有助于脱碳的氨燃料的期望正在急速提高，通过对从制造到利用的一贯供应链进行实证，有助于推动氨燃料的全面引入。

提高氨混烧率并进一步开发专烧发电技术也是十分重要的课题，需要同时推进高混烧率燃烧器的开发和高混烧率锅炉的研究。

要实现火力发电的零排放，需要在制造阶段使用不排放二氧化碳的氨。有必要引入蓝氨和绿氨，蓝氨是从天然气、石油等化石燃料提炼出来的燃料，其提炼过程中可以捕获、利用和储存（CCUS）传统制造过程中排放的二氧化碳，绿氨由从可再生能源中提取的氢制造而成。可以说，最大的课题是改善能够稳定且以合理的价格供应蓝氨/绿氨的环境。

不言而喻，解决上述课题不仅需要技术开发，还需要政策和法律建设，需要举国努力。

结语

在火力发电设备中，为了通过利用氨实现碳中和，本文以氨利用技术为中心进行了介绍，包括到目前为止的氨混烧技术的开发举措、用于提高氨混烧率的燃烧技术开发以及相关锅炉设计中的注意事项等。

氨的特点和火力发电设备中混烧技术的现状总结如下。

●氨在氢能的长距离运输和长期储存等方面发挥优势。

●氨是一种可燃气体，其一大优点是可以直接用作火力发电用锅炉的燃料。虽然还需要改善可燃性并抑制Fuel-NOx（由燃料中的N成分产生的NOx）和未燃烧成分的生成，但其具有技术前景，即将进入实机设备的实证试验阶段。

●氨仍然比传统的化石燃料昂贵，因此其普及需要供应链的规模扩大和国家的支持等措施，其社会实施（商业化）需要降低成本和提供奖励等措施。

为了实现火力发电设备的碳中和，IHI将尽快致力于开发氨煤粉混烧技术，今后将进一步完善利用技术并解决实际运用中的各种课题，为全世界的脱碳化作出贡献。

扩大氨利用的燃烧技术开发与锅炉设计