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火力发电中氨直接燃烧技术的最新动向

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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

 

 

 

1
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。

 

2
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。

 

表1.png

 

3
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。

 

图1.png

图2.png

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