專訪 | 煤電摻氨開啟能源新場景
來源：中國電力報(bào) 時(shí)間：2023-10-31 09:32
——訪合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院氫能源和氨應(yīng)用研究中心副主任馮漢升
中能傳媒記者 張正
此前，關(guān)于“中國燃煤機(jī)組大比例摻氨清潔高效燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)先”的報(bào)道，在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域受到關(guān)注。中能傳媒記者就相關(guān)問題采訪了合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院氫能源和氨應(yīng)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(shù)優(yōu)勢？
馮漢升：氨是由一個(gè)氮原子和三個(gè)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(qiáng)烈的刺激性氣味。常溫常壓下氨為氣體，沸點(diǎn)為零下33.3攝氏度，可通過加壓形式液化，20攝氏度時(shí)僅需8.5個(gè)大氣壓就能夠液化，對(duì)儲(chǔ)存容器要求不高。
氨是以氫氣和氮?dú)鉃樵仙a(chǎn)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(dǎo)致的饑餓問題，是化學(xué)和技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步的巨大貢獻(xiàn)，也是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的一項(xiàng)重大成就，在化工、電子、食品等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。氨除了作為人們習(xí)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(zhì)量能量密度遠(yuǎn)小于氫，但其單位體積能量密度為3.5千瓦時(shí)/升，比液氫的2.4千瓦時(shí)/升高出近50%，是破解氫能輸運(yùn)瓶頸的有效方式。
氨的生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)零碳排放的綠氨是可行的。簡單的綠氨生產(chǎn)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(jī)融合，通過風(fēng)光或潮汐等可再生能源產(chǎn)生綠電，進(jìn)一步電解水制取綠氫，然后將這一過程中產(chǎn)生的綠氫與空氣中的氮?dú)庀嘟Y(jié)合，繼續(xù)利用綠電合成綠氨。整個(gè)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(duì)于氨的利用已有近百年的歷史，其大規(guī)模存儲(chǔ)、運(yùn)輸與分發(fā)技術(shù)已十分成熟，可采用管道、鐵路、船舶、公路拖車等形式，對(duì)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求不高。特別是世界上已建設(shè)超過5000千米的液氨輸運(yùn)管道，歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的成功運(yùn)行，驗(yàn)證了氨作為能源使用時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的可行性與成熟性，具備在社會(huì)層面普及氨能儲(chǔ)運(yùn)分發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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(zhuǎn)化利用，以替代大部分的化石能源。在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下，氨燃燒的產(chǎn)物為氮?dú)夂退耆鍧崯o碳排放，是理想的能量載體。氨具有廣泛的應(yīng)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(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功；用氨替代管道天然氣，走進(jìn)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?dú)猓蛴脩艄┙o綠氫等。
綜上，氨作為零碳燃料和氫能的高效載體，可經(jīng)由綠電、綠氫產(chǎn)生綠氨，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)零碳排放；液氨體積能量密度高、大規(guī)模存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)成熟、規(guī)章制度健全及基礎(chǔ)設(shè)施完善，能夠有效解決氫能儲(chǔ)運(yùn)難題；作為燃料，辛烷值較高，更抗爆震，應(yīng)用場景廣泛，且燃燒后的產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)未來能源綠色發(fā)展的重要解決方案。
因煤炭燃燒產(chǎn)生的碳排放占我國總碳排放的75%以上，其中燃煤發(fā)電產(chǎn)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(dāng)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(nèi)的基礎(chǔ)負(fù)荷和電網(wǎng)穩(wěn)定的“壓艙石”，關(guān)系到國計(jì)民生的保供電，短期內(nèi)不可能全部關(guān)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(kuò)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(gè)可行的辦法，一是避免了火電資產(chǎn)的浪費(fèi)；二是不需要再新建、改造電網(wǎng)，可以充分利用好源網(wǎng)荷儲(chǔ)的各個(gè)設(shè)備設(shè)施；三是由于不需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施做大的改動(dòng)，可以加快推進(jìn)碳中和的進(jìn)程。另外，氨作為燃料的燃燒，不僅可以應(yīng)用到火電，隨著技術(shù)的成熟和迭代升級(jí)，還可以擴(kuò)展到其他的燃煤工業(yè)中。
在此背景下，推進(jìn)火電機(jī)組摻氨或純氨燃燒是發(fā)電領(lǐng)域碳減排的重要技術(shù)方向，可以彌補(bǔ)可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性、保障電力安全，是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”的有效途徑。
中能傳媒：請(qǐng)您談?wù)劷陙砻弘姄桨痹趪鴥?nèi)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(shù)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(jī)組上成功實(shí)現(xiàn)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(jìn)行摻氨20%實(shí)驗(yàn)，2030年實(shí)現(xiàn)摻氨50%實(shí)驗(yàn)，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(yīng)合同，通過海運(yùn)將液氨運(yùn)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(chǎn)的綠氨。
目前，中國燃煤鍋爐摻氨燃燒研究進(jìn)展世界領(lǐng)先，煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司在實(shí)驗(yàn)鍋爐臺(tái)架上進(jìn)行了大量的摻氨燃燒試驗(yàn)，并計(jì)劃在更大的煤電機(jī)組鍋爐上進(jìn)行摻氨燃燒試驗(yàn)。合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院聯(lián)合安徽能源集團(tuán)，在皖能銅陵發(fā)電公司現(xiàn)役30萬千瓦煤電鍋爐上開展了深入的實(shí)驗(yàn)研究，投入4種型號(hào)共8臺(tái)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(qiáng)化高效純氨燃燒器，國內(nèi)最大的20噸/小時(shí)雙加熱回路液氨高效蒸發(fā)器和國內(nèi)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(shù)，實(shí)現(xiàn)10萬千瓦—30萬千瓦并網(wǎng)功率下燃煤摻氨比例10%—35%多種工況的鍋爐安全平穩(wěn)運(yùn)行，最大摻氨量大于21噸/小時(shí)，氨燃盡率達(dá)到99.99%，鍋爐效率與燃煤工況相當(dāng)，試驗(yàn)在燃燒技術(shù)、摻氨規(guī)模、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間上均遠(yuǎn)超國內(nèi)同行最高水平，取得多項(xiàng)世界領(lǐng)先成果，驗(yàn)證了燃煤鍋爐摻氨降碳的技術(shù)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(shù)還有哪些發(fā)展空間？
馮漢升：按《全國煤電機(jī)組改造升級(jí)實(shí)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(yīng)改盡改，可以預(yù)見，未來摻氨技術(shù)市場廣闊。接下來，合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院將立足自身技術(shù)優(yōu)勢，聚焦氫氨能產(chǎn)業(yè)鏈上的堵點(diǎn)痛點(diǎn)，打通制—儲(chǔ)—運(yùn)—加—用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘，打造煤電摻氨改造全套服務(wù)產(chǎn)品，樹立氨能電廠行業(yè)標(biāo)桿，面向全國煤電機(jī)組改造萬億級(jí)市場進(jìn)行推廣。伴隨著國內(nèi)市場對(duì)綠氨的重視，已有超千億的可再生能源項(xiàng)目建設(shè)將綠氨作為能源消納的主要方式，綠氨的大規(guī)模生產(chǎn)必將推動(dòng)氨能價(jià)格的下降，煤電摻氨燃燒的降碳效果與經(jīng)濟(jì)價(jià)值將得到市場認(rèn)可與井噴發(fā)展。同時(shí)摻氨或純氨燃燒技術(shù)還可以被水泥、鋼鐵、瓷磚窯爐等行業(yè)借鑒，為工業(yè)領(lǐng)域降碳改造提供有力支撐。
中能傳媒：除了煤電，氨在能源領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域集中在能源存儲(chǔ)、交通燃料、摻混發(fā)電等場景。綠氨作為儲(chǔ)運(yùn)氫的載體，可實(shí)現(xiàn)氫的低成本遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的儲(chǔ)存及運(yùn)輸困難等瓶頸問題。同時(shí)綠氨是未來交通運(yùn)輸業(yè)脫碳的主力燃料之一，在氨燃?xì)廨啓C(jī)、氨內(nèi)燃機(jī)和氨—?dú)淙剂想姵氐年P(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用前景，已發(fā)展情況如下：
2021年3月，日本成功實(shí)現(xiàn)了70%的液氨在2000千瓦級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中的穩(wěn)定燃燒，并能同時(shí)抑制氮氧化物產(chǎn)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(shí)現(xiàn)氨燃?xì)廨啓C(jī)商業(yè)化。
2021年10月啟動(dòng)的JERA氨能發(fā)電示范項(xiàng)目，就是IHI與JERA的合作項(xiàng)目。三菱動(dòng)力公司則正在開發(fā)4萬千瓦級(jí)的100%氨專燒燃?xì)廨啓C(jī)，計(jì)劃在2025年以后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，引入發(fā)電站。
韓國也在推動(dòng)液氨發(fā)電及氨氫混合發(fā)電技術(shù)聯(lián)合研發(fā)與產(chǎn)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(dòng)力船舶技術(shù)也在飛速發(fā)展。韓國研發(fā)了以輕質(zhì)柴油與氨為雙燃料的氨動(dòng)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(yùn)輸船設(shè)計(jì)；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(jí)氨動(dòng)力散貨船；挪威正在推進(jìn)氨動(dòng)力船及海上氨燃料加注技術(shù)研發(fā)，建立氨燃料加注網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)氨能航運(yùn)的全產(chǎn)業(yè)鏈無碳化；上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的中國首艘氨動(dòng)力7000車位汽車運(yùn)輸船獲得挪威船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。
責(zé)任編輯：江蓬新
校對(duì)：許艷
