燃煤机组大比例掺氨技术实现国际领先——访合肥综合性国家科学中心能源研究院氢能源和氨应用研究中心副主任冯汉升

■本刊记者 张正/ 编辑 王睿佳

我国以煤为主的资源禀赋决定了煤电在相当长时间内仍将承担保障我国能源电力安全的重任。今年初，中国电力企业联合会发布的《2023年度全国电力供需形势分析预测报告》显示，截至2022 年底，全国全口径发电装机容量25.6亿千瓦，其中煤电占总发电装机容量的比重为43.8%。2022 年全国规模以上工业企业发电量8.39 万亿千瓦时，煤电发电量占全口径总发电量的58.4%。煤电以占比不到五成的装机容量，贡献了近六成的发电量。随着新能源接入电网规模不断扩大，煤电还将持续发挥保障新能源消纳和稳定电网的“压舱石”作用。

今年的《政府工作报告》强调，“推动发展方式绿色转型，推进能源清洁高效利用和技术研发，加快建设新型能源体系。”近期，我们关注到“中国燃煤机组大比例掺氨清洁高效燃烧技术实现国际领先”的报道，在国内尚属首次。本刊记者就相关问题采访了合肥综合性国家科学中心能源研究院氢能源和氨应用研究中心副主任冯汉升。

《中国电业与能源》：为什么是“氨”？“煤电+氨”有哪些技术优势？

冯汉升：氨是由一个氮原子和三个氢原子组成的化合物，常温下为无色气体，易挥发，可燃烧，有强烈的刺激性气味。常温常压下氨为气体，沸点为零下33.3 摄氏度，可通过加压形式液化，20 摄氏度时仅需8.5 个大气压就能够液化，对储存容器要求不高。

氨是以氢气和氮气为原料生产的，其工业化合成在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题，是化学和技术对社会发展与进步的巨大贡献，也是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在化工、电子、食品等领域已有广泛的应用。氨除了作为人们习以为常的化工原料，还具有能源属性，可以作为燃料使用，是氢的有效载体。氨的单位质量能量密度远小于氢，但其单位体积能量密度为3.5千瓦时/升，比液氢的2.4千瓦时/升高出近50%，是破解氢能输运瓶颈的有效方式。

氨的生产可只依靠水、空气和电，这意味着理论上有和氢气一样的清洁制备方法，实现零碳排放的绿色氨是可行的。简单的绿氨生产模式是将可再生能源电厂、电解水制氢站和合成氨厂有机融合，通过风光或潮汐等可再生能源产生绿电，进一步电解水制取绿氢，然后将这一过程中产生的绿氢与空气中的氮气相结合，继续利用绿电合成绿氨。整个氨合成过程完全清洁绿色，无碳排放，且可彻底解决不稳定的可再生能源的消纳问题。

氨已具有近百年的使用历史，其大规模存储、运输与分发技术已十分成熟，可采用管道、铁路、船舶、公路拖车等形式，对大型基础设施建设需求不高。特别是世界上已建设超过5000千米的液氨输运管道，历经半个世纪的成功运行，验证了氨作为能源使用时大规模储运技术的可行性与成熟性，具备在社会层面普及氨能储运分发的技术基础。

氨作为能源使用，可通过燃烧释放能量，再将释放的能量加以转化利用，以替代大部分的化石能源。在适当的反应条件下，氨燃烧的产物为氮气和水，完全清洁无碳排放，是理想的能量载体。氨具有广泛的应用场景，比如可以用氨替代汽油或柴油，作为燃料使用，发展氨能交通工具；用氨替代管道天然气，走进千家万户的厨房；将氨直接作为燃料，驱动汽轮机发电；把氨与火电厂的燃煤一起掺烧，降低火电厂的碳排放；在催化剂的作用下将氨裂解为氢和氮气，向用户供给绿氢等。

综上，氨作为零碳燃料和氢能的高效载体，可经由绿电、绿氢产生绿氨，生产过程实现“零碳”排放；液氨体积能量密度高、大规模存储和运输技术成熟、规章制度健全及基础设施完善，能够有效解决氢能储运难题；作为燃料，辛烷值较高，更抗爆震，应用场景广泛，且燃烧后的产物可实现绿色、“零碳”排放。因此，氨是理想的全生命周期无碳排放的清洁能源，氨氢紧密融合是实现未来能源绿色发展的重要解决方案。

因煤炭燃烧产生的碳排放占我国总碳排放的75%以上，其中燃煤发电产生的碳排放约占总碳排放的40%，是我国最大的碳排放来源，首当其冲面临减排问题。然而以煤炭燃料为主的火力发电占我国总发电量的68%，是国内的基础负荷和电网稳定的“压舱石”，关系到国计民生的保供电，短期内不可能全部关停。既然离不开火电，那么就需要破解火电的碳排放与新能源扩大比例的火电需要之间的矛盾。使用氨来替代或部分替代煤炭就是一个可行的办法，一是避免了火电资产的浪费；二是不需要再新改造电网，可以充分利用好源网荷储的各个设备设施；三是由于不需要对基础设施做大的改动，可以加快推进碳中和的进程。另外，氨作为燃料的燃烧，不仅可以应用到火电，随着技术的成熟和迭代升级，还可以扩展到其他的燃煤工业中。

在此背景下，推进火电机组掺氨或纯氨燃烧是发电领域碳减排的重要技术方向，可以弥补可再生能源发电的不稳定性、保障电力安全，是我国实现“双碳”的有效途径。

《中国电业与能源》：请您谈谈近年来煤电掺氨在国内外的发展趋势。

冯汉升：日本是最早在燃煤电厂探索掺氨燃烧技术的国家，其最大火电公司JERA 于2017—2021 年在其碧南电厂100 万千瓦煤电机组上成功实现1%掺烧，并于2021 年制定了“2021—2050 日本氨燃料路线图”，提出2023 年开始进行掺氨20%实验，2030 年实现掺氨50%实验，2040年开展纯氨发电。在氨的来源上，日本已与澳大利亚签订绿氨长期供应合同，通过海运将液氨运送至日本，合同中明确要求所有的氨必须是采用可再生能源生产的绿氨。

目前中国燃煤锅炉掺氨燃烧研究进展世界领先，烟台龙源电力技术股份有限公司在实验锅炉台架上进行了大量的掺氨燃烧试验，并计划在更大的煤电机组锅炉上进行掺氨燃烧试验。合肥综合性国家科学中心能源研究院联合安徽能源集团，在皖能铜陵现役300兆瓦煤电锅炉上开展了深入的实验研究，投入4种型号共8台燃烧器，采用大功率的纯氨燃烧器、新一代的等离子体裂解强化高效纯氨燃烧器，国内最大的20吨/小时双加热回路液氨高效蒸发器和国内首套燃煤锅炉炉膛温度立体监控与排烟成分在线检测系统等一系列创新技术，实现100 兆瓦—300 兆瓦并网功率下燃煤掺氨比例10%—35%多种工况的锅炉安全平稳运行，最大掺氨量大于21吨/小时，氨燃尽率达到99.99%，锅炉效率与燃煤工况相当，试验在燃烧技术、掺氨规模、稳定运行时间上均远超国内同行最高水平，取得多项世界领先成果，验证了燃煤锅炉掺氨降碳的技术可行性，为燃煤发电锅炉掺氨降碳提供了新的有效途径。

《中国电业与能源》：未来，煤电掺氨技术还有哪些发展空间？

冯汉升：按《全国煤电机组改造升级实施方案》，“十四五”期间节能降耗改造不低于3.5 亿千瓦并应改尽改，掺氨技术在未来市场广阔。接下来合肥综合性国家科学中心能源研究院将立足自身技术优势，聚焦氢氨能产业链上的堵点痛点，打通制—储—运—加—用全产业链技术壁垒，打造煤电掺氨改造全套服务产品，树立氨能电厂行业标杆，面向全国煤电机组改造万亿级市场进行推广。伴随着国内市场对绿氨的重视，已有超千亿的可再生能源项目建设将绿氨作为能源消纳的主要方式，绿氨的大规模生产必将推动氨能价格的下降，火电掺氨燃烧的降碳效果与经济价值将得到市场认可与井喷发展。同时掺氨或纯氨燃烧技术还可以被水泥、钢铁、瓷砖窑炉等行业借鉴，为工业领域降碳改造提供有力支撑。

《中国电业与能源》：除了煤电，氨在能源领域还可以跟哪些载体融合，从而发挥更大效能？

冯汉升：绿氨的应用领域集中在能源存储、交通燃料、掺混发电等场景。绿氨作为储运氢的载体，可实现氢的低成本远距离运输，解决氢能产业发展面临的储存及运输困难等瓶颈问题。同时绿氨是未来交通运输业脱碳的主力燃料之一，在氨燃气轮机、氨内燃机和氨—氢燃料电池的关键技术取得突破后，氨燃料将在发电、重卡和船舶等交通载具上有较好的推广应用前景，已发展情况如下：

2021年3月，日本成功实现了70%的液氨在2000 千瓦级燃气轮机中的稳定燃烧，并能同时抑制氮氧化物产生。参与此课题的IHI 公司表示，有信心在2025 年之前实现氨燃气轮机商业化。

2021 年10 月启动的JERA 公司氨能发电示范项目，就是IHI 公司与JERA 公司的合作项目。三菱重工公司则正开发4万千瓦级的100%氨专烧燃气轮机，计划在2025 年以后实现商业化，引入发电站。

韩国也在推动液氨发电及氨氢混合发电技术联合研发与产业化，一种“双燃料绿色氨”发电模式正处于快速开发阶段。

此外，氨动力船舶技术也在飞速发展。韩国研发了以轻质柴油与氨为双燃料的氨动力加注船，完成了以液化石油气与氨为双燃料的超大型液化气运输船设计；日本住友商事与大岛造船正在联手打造全球首艘8 万吨级氨动力散货船；挪威正在推进氨动力船及海上氨燃料加注技术研发，建立氨燃料加注网络，实现氨能航运的全产业链无碳化；上海船舶研究设计院自主研发设计的中国首艘氨动力7000 车位汽车运输船获得挪威船级社颁发的原则性认可证书。■