專訪 | 煤電摻氨開啟能源新場景
來源：中國電力報 時間：2023-10-31 09:32
——訪合肥綜合性國家科學中心能源研究院氫能源和氨應用研究中心副主任馮漢升
中能傳媒記者 張正
此前，關于“中國燃煤機組大比例摻氨清潔高效燃燒技術實現國際領先”的報道，在國內相關領域受到關注。中能傳媒記者就相關問題采訪了合肥綜合性國家科學中心能源研究院氫能源和氨應用研究中心副主任馮漢升。
中能傳媒：為什么是“氨”？“煤電+氨”有哪些技術優(yōu)勢？
馮漢升：氨是由一個氮原子和三個氫原子組成的化合物，常溫下為無色氣體，易揮發(fā)，可燃燒，有強烈的刺激性氣味。常溫常壓下氨為氣體，沸點為零下33.3攝氏度，可通過加壓形式液化，20攝氏度時僅需8.5個大氣壓就能夠液化，對儲存容器要求不高。
氨是以氫氣和氮氣為原料生產的，其工業(yè)化合成在很大程度上解決了地球上因糧食不足而導致的饑餓問題，是化學和技術對社會發(fā)展與進步的巨大貢獻，也是人類科學技術發(fā)展史上的一項重大成就，在化工、電子、食品等領域已有廣泛的應用。氨除了作為人們習以為常的化工原料，還具有能源屬性，可以作為燃料使用，是氫的有效載體。氨的單位質量能量密度遠小于氫，但其單位體積能量密度為3.5千瓦時/升，比液氫的2.4千瓦時/升高出近50%，是破解氫能輸運瓶頸的有效方式。
氨的生產可只依靠水、空氣和電，這意味著理論上有和氫氣一樣的清潔制備方法，實現零碳排放的綠氨是可行的。簡單的綠氨生產模式是將可再生能源發(fā)電、電解水制氫站和合成氨廠有機融合，通過風光或潮汐等可再生能源產生綠電，進一步電解水制取綠氫，然后將這一過程中產生的綠氫與空氣中的氮氣相結合，繼續(xù)利用綠電合成綠氨。整個氨合成過程完全清潔綠色，無碳排放，且可解決不穩(wěn)定的可再生能源的消納問題。
對于氨的利用已有近百年的歷史，其大規(guī)模存儲、運輸與分發(fā)技術已十分成熟，可采用管道、鐵路、船舶、公路拖車等形式，對大型基礎設施建設需求不高。特別是世界上已建設超過5000千米的液氨輸運管道，歷經半個世紀的成功運行，驗證了氨作為能源使用時大規(guī)模儲運技術的可行性與成熟性，具備在社會層面普及氨能儲運分發(fā)的技術基礎。
氨作為能源使用，可通過燃燒釋放能量，再將釋放的能量加以轉化利用，以替代大部分的化石能源。在適當的反應條件下，氨燃燒的產物為氮氣和水，完全清潔無碳排放，是理想的能量載體。氨具有廣泛的應用場景，比如可以用氨替代汽油或柴油，作為燃料使用，發(fā)展氨能交通工具，或驅動汽輪機帶動發(fā)電機做功；用氨替代管道天然氣，走進千家萬戶的廚房；把氨與火電廠的燃煤一起摻燒，降低火電廠的碳排放；在催化劑的作用下將氨裂解為氫和氮氣，向用戶供給綠氫等。
綜上，氨作為零碳燃料和氫能的高效載體，可經由綠電、綠氫產生綠氨，生產過程實現零碳排放；液氨體積能量密度高、大規(guī)模存儲和運輸技術成熟、規(guī)章制度健全及基礎設施完善，能夠有效解決氫能儲運難題；作為燃料，辛烷值較高，更抗爆震，應用場景廣泛，且燃燒后的產物可實現零碳排放。因此，氨是理想的全生命周期無碳排放的清潔能源，氨氫緊密融合是實現未來能源綠色發(fā)展的重要解決方案。
因煤炭燃燒產生的碳排放占我國總碳排放的75%以上，其中燃煤發(fā)電產生的碳排放約占總碳排放的40%，是我國最大的碳排放來源，首當其沖面臨減排問題。然而以煤炭燃料為主的火力發(fā)電占我國總發(fā)電量的68%，是國內的基礎負荷和電網穩(wěn)定的“壓艙石”，關系到國計民生的保供電，短期內不可能全部關停。既然離不開火電，那么就需要破解火電的碳排放與新能源擴大比例的火電需要之間的矛盾。使用氨來替代或部分替代煤炭就是一個可行的辦法，一是避免了火電資產的浪費；二是不需要再新建、改造電網，可以充分利用好源網荷儲的各個設備設施；三是由于不需要對基礎設施做大的改動，可以加快推進碳中和的進程。另外，氨作為燃料的燃燒，不僅可以應用到火電，隨著技術的成熟和迭代升級，還可以擴展到其他的燃煤工業(yè)中。
在此背景下，推進火電機組摻氨或純氨燃燒是發(fā)電領域碳減排的重要技術方向，可以彌補可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性、保障電力安全，是我國實現“雙碳”的有效途徑。
中能傳媒：請您談談近年來煤電摻氨在國內外的發(fā)展趨勢。
馮漢升：日本是最早在燃煤電廠探索摻氨燃燒技術的國家，其最大火電公司——日本能源公司（JERA）于2017—2021年在其碧南電廠100萬千瓦煤電機組上成功實現1%摻燒，并于2021年制定了“2021—2050日本氨燃料路線圖”，提出2023年開始進行摻氨20%實驗，2030年實現摻氨50%實驗，2040年開展純氨發(fā)電。在氨的來源上，日本已與澳大利亞簽訂綠氨長期供應合同，通過海運將液氨運送至日本，合同中明確要求所有的氨必須是采用可再生能源生產的綠氨。
目前，中國燃煤鍋爐摻氨燃燒研究進展世界領先，煙臺龍源電力技術股份有限公司在實驗鍋爐臺架上進行了大量的摻氨燃燒試驗，并計劃在更大的煤電機組鍋爐上進行摻氨燃燒試驗。合肥綜合性國家科學中心能源研究院聯(lián)合安徽能源集團，在皖能銅陵發(fā)電公司現役30萬千瓦煤電鍋爐上開展了深入的實驗研究，投入4種型號共8臺燃燒器，采用大功率的純氨燃燒器、新一代的等離子體裂解強化高效純氨燃燒器，國內最大的20噸/小時雙加熱回路液氨高效蒸發(fā)器和國內首套燃煤鍋爐爐膛溫度立體監(jiān)控與排煙成分在線檢測系統(tǒng)等一系列創(chuàng)新技術，實現10萬千瓦—30萬千瓦并網功率下燃煤摻氨比例10%—35%多種工況的鍋爐安全平穩(wěn)運行，最大摻氨量大于21噸/小時，氨燃盡率達到99.99%，鍋爐效率與燃煤工況相當，試驗在燃燒技術、摻氨規(guī)模、穩(wěn)定運行時間上均遠超國內同行最高水平，取得多項世界領先成果，驗證了燃煤鍋爐摻氨降碳的技術可行性，為燃煤發(fā)電鍋爐摻氨降碳提供了新的有效途徑。
中能傳媒：未來，煤電摻氨技術還有哪些發(fā)展空間？
馮漢升：按《全國煤電機組改造升級實施方案》，“十四五”期間節(jié)能降耗改造不低于3.5億千瓦并應改盡改，可以預見，未來摻氨技術市場廣闊。接下來，合肥綜合性國家科學中心能源研究院將立足自身技術優(yōu)勢，聚焦氫氨能產業(yè)鏈上的堵點痛點，打通制—儲—運—加—用全產業(yè)鏈技術壁壘，打造煤電摻氨改造全套服務產品，樹立氨能電廠行業(yè)標桿，面向全國煤電機組改造萬億級市場進行推廣。伴隨著國內市場對綠氨的重視，已有超千億的可再生能源項目建設將綠氨作為能源消納的主要方式，綠氨的大規(guī)模生產必將推動氨能價格的下降，煤電摻氨燃燒的降碳效果與經濟價值將得到市場認可與井噴發(fā)展。同時摻氨或純氨燃燒技術還可以被水泥、鋼鐵、瓷磚窯爐等行業(yè)借鑒，為工業(yè)領域降碳改造提供有力支撐。
中能傳媒：除了煤電，氨在能源領域還可以跟哪些載體融合，從而發(fā)揮更大效能？
馮漢升：綠氨的應用領域集中在能源存儲、交通燃料、摻混發(fā)電等場景。綠氨作為儲運氫的載體，可實現氫的低成本遠距離運輸，解決氫能產業(yè)發(fā)展面臨的儲存及運輸困難等瓶頸問題。同時綠氨是未來交通運輸業(yè)脫碳的主力燃料之一，在氨燃氣輪機、氨內燃機和氨—氫燃料電池的關鍵技術取得突破后，氨燃料將在發(fā)電、重卡和船舶等交通載具上有較好的推廣應用前景，已發(fā)展情況如下：
2021年3月，日本成功實現了70%的液氨在2000千瓦級燃氣輪機中的穩(wěn)定燃燒，并能同時抑制氮氧化物產生。參與此課題的日本石川島公司（IHI）表示，有信心在2025年之前實現氨燃氣輪機商業(yè)化。
2021年10月啟動的JERA氨能發(fā)電示范項目，就是IHI與JERA的合作項目。三菱動力公司則正在開發(fā)4萬千瓦級的100%氨專燒燃氣輪機，計劃在2025年以后實現商業(yè)化，引入發(fā)電站。
韓國也在推動液氨發(fā)電及氨氫混合發(fā)電技術聯(lián)合研發(fā)與產業(yè)化，一種“雙燃料綠色氨”發(fā)電模式正處于快速開發(fā)階段。
此外，氨動力船舶技術也在飛速發(fā)展。韓國研發(fā)了以輕質柴油與氨為雙燃料的氨動力加注船，完成了以液化石油氣與氨為雙燃料的超大型液化氣運輸船設計；日本住友商事與大島造船正在聯(lián)手打造全球首艘8萬噸級氨動力散貨船；挪威正在推進氨動力船及海上氨燃料加注技術研發(fā)，建立氨燃料加注網絡，實現氨能航運的全產業(yè)鏈無碳化；上海船舶研究設計院自主研發(fā)設計的中國首艘氨動力7000車位汽車運輸船獲得挪威船級社頒發(fā)的原則性認可證書。
責任編輯：江蓬新
校對：許艷
