氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（四）——NH3直接利用技术开发的成果

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摘   要：前文提到，将NH₃用作燃料需要确认两个课题：①NH₃的燃烧稳定性；②抑制NO_X的排放。本文将说明SIP“能源载体”的研发如何克服这些课题，以及是否扩大了NH₃作为零碳燃料的潜力。此外，有关这些问题的更多详细说明，请参阅《日本燃烧学会杂志》（2019年11月）的特集——“面向氨气直接燃烧的社会实施的措施”^注1）。

关键字：氨、NH₃直接利用技术、零碳燃料、氢能载体、燃气轮机、煤粉发电锅炉、工业炉、NH₃燃料电池

SIP“能源载体”总结报告连载，点击链接即可回顾前文内容：

.....（持续更新中）

1NH₃基本燃烧特性的阐明

上述将NH₃用作燃料时需要确认的课题均归因于NH₃这种物质所固有的物理特性。与甲烷（CH₄）相比，NH₃的燃烧速度慢（CH₄的五分之一），火焰温度低，可燃范围小，因此要维持稳定的火焰保持范围成为课题。另外，CH₄燃烧时产生的NO_X是由空气中的N₂生成的Thermal NO_X，而NH₃用作燃料时，燃料中N原子燃烧产生大量NO_X（Fuel NO_X）。

日本东北大学的研究小组通过对NH₃的燃烧特性进行研究并分析其燃烧机理，在世界上首次详细阐明了NH₃燃烧相关的基本问题，确立了NH₃燃烧的科学基础^注2），并根据其研究成果设计了课题的解决方法。

首先，通过使燃烧器内空气旋转的涡流燃烧器^注3）解决了NH₃的燃烧稳定性问题。另外还发现，在燃烧气体中的NH₃稍有剩余的条件下，通过在燃烧器中燃烧NH₃可以抑制NO_X的生成。在这样的条件下，燃烧气体中残留的NH₃发挥还原作用，燃烧中生成的NO_X被还原为N₂。这意味着NH₃既充当燃料又充当燃烧生成的NO_X的还原剂。考虑到NH₃在火力发电厂和柴油卡车的排气脱硝设备中用作还原剂，因此NH₃的这种还原作用并不奇怪。

此外，研究人员还发现在高压燃烧环境中这种效果得到增强，这意味着对于处于高压燃烧环境的大型燃气轮机而言，抑制NO_X的排放将变得容易。

基于NH₃具有的上述效果，开发了一种应用该原理的新燃烧方法——“Rich-Lean 2段燃烧^注4）”，以进一步减少NO_X排放^注5）。

2NH₃直接利用技术开发的成果

基于NH₃燃烧机理的研究成果，开发出以下用于燃气轮机发动机、燃煤混烧锅炉和工业炉的NH₃燃烧技术。

2.1 小型燃气轮机

在小型燃气轮机领域，丰田能源解决方案株式会社开发了50kW级和300kW级的NH₃专烧微型燃气轮机。这项开发是在与东北大学的燃气轮机中NH₃燃烧相关的基础研究、以及日本产业技术综合研究所（产综研）进行的以NH₃为燃料的50kW级微型燃气轮机的燃烧技术研究的密切合作下进行的。

产综研在福岛可再生能源研究所（FREA）使用输出功率为50kW的微型燃气轮机，以煤油/NH₃混烧、CH₄/NH₃混烧、NH₃专烧的顺序进行了发电试验。此外，还证实了即使在NH₃专烧阶段，也能够在预期的输出下实现稳定发电，并且可以抑制NO_X的生成使其能够由常规脱硝装置除去^注6）。在这些成果的基础上，丰田能源解决方案株式会社开发了300kW级NH₃专烧微型燃气轮机发电机。

2.2 中型燃气轮机

在中型发电涡轮机领域，IHI株式会社开发了用于CH₄/NH₃共烧的低NO_X燃烧器，并完成了使用2MW级燃气轮机的CH₄/NH₃混烧（混烧率：20%^注7））发电的实证试验^注8）。其结果证实，通过NH₃混烧可以减少CO₂排放，使用常规脱硝装置可以抑制NO_X排放使其符合环境法规要求，同时注入的NH₃几乎完全燃烧^注9）。

2.3 发电用大型燃气轮机

在数百MW级的大型燃气轮机领域，三菱重工工程株式会社和三菱日立电力系统株式会社（MHPS）正在开发一种燃料供应系统，其使用易于运输和储存的NH₃作为氢能载体向CH₄/氢混烧燃气轮机供氢。大型燃气轮机的开发与小型、中型燃气轮机不同，没有采取直接将NH₃用作燃料的方法，这是因为在大型燃气轮机中，燃气轮机燃烧器的尺寸受限，无法支持NH₃完全燃烧，并且在高温燃烧条件下，对NO_X的控制将更加困难。

在将NH₃用作氢能载体向CH₄/氢混烧燃气轮机供氢的燃料供给系统中，利用大型燃气轮机联合循环（GTCC）发电机的燃气轮机的废热和催化剂分解NH₃生成氢，并将其供给至燃气轮机，其可行性已通过设计研究得到确认。由于CH₄/氢混烧燃气轮机的可行性已得到证实^注10），因此，该系统面临的开发课题为——在不影响GTCC发电整体能效的前提下，将燃气轮机废热最佳地分配给后续的蒸汽轮机和NH₃分解装置；开发可在这种条件下高效稳定运行的NH₃分解装置。详细设计研究表明，这种方式的发电系统的整体能源效率略高于天然气（CH₄）燃烧的GTCC发电系统^注11）。

即使在SIP“能源载体”项目结束之后，两家公司仍在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的支持下，继续致力于实证机型的开发。

2.4 煤粉发电锅炉（用于燃煤火力发电的NH₃直接利用技术）

在燃煤火电厂中将NH₃与煤炭混烧被认为是将NH₃直接用作燃料的用途之一。这是因为燃烧速度较慢的NH₃适合与煤粉混烧，并且通过NH₃混烧，可以减少燃煤发电产生的CO₂排放。大阪大学的研究小组阐明了煤粉与NH₃混烧时的燃烧行为^注12）。

NH₃与煤炭混烧时的关注点仍是NO_X的排放量增加，日本电力中央研究所（电中研）通过单燃烧器炉和多燃烧器炉中的煤炭/NH₃混烧试验（NH₃混烧率20%），证实了通过调整向炉内注入NH₃的方法可以减少NO_X排放^注13）。

基于这些基础研究结果，日本中国电力株式会社在该公司现有的商用机——水岛火力发电所2号机（输出15.6万kW）中进行了煤炭/NH₃混烧发电的实证。该实证试验证实，CO₂排放减少量等于NH₃燃料的投入量，用作燃料的NH₃完全燃烧且无排放，并且NO_X的排放量与煤炭专烧时没有太大差别，毫无疑问达到了环境基准^{注14）注15）}。由于火电厂现有NH₃蒸发器的容量限制，NH₃的混烧率约为0.6~0.8%，但最重要的是，其证实了煤炭/NH₃混烧技术作为CO₂减排措施，可以应用于商用运行中的发电站。

鉴于该实证试验的结果，该公司评价煤炭/NH₃的混烧技术为燃煤发电中，“无需对脱硝装置等进行改造，可最大限度利用现有设备，以低成本降低CO₂排放的技术”^注16）。

在此之后，IHI株式会社为了将煤炭/NH₃混烧技术应用到燃煤锅炉，开发了可以安装在现有燃煤发电锅炉且更不易产生NO_X的煤粉/NH₃混烧燃烧器，并分析了在现有的煤炭专烧锅炉中混烧NH₃时集热特性的变化。之所以进行该分析，是因为NH₃的火焰温度通常比煤炭低，并且NH₃混烧会减少炉内存在的烟尘和煤粉颗粒，炉内壁面的集热分布可能发生变化。结果证实，通过安装新开发的煤粉/NH₃混烧燃烧器，在NH₃混烧率低于20%时，NO_X排放与煤炭专烧维持在相同水平，并且锅炉的集热性能没有明显变化。

由于该燃煤发电锅炉中的煤炭/NH₃混烧技术不需要重大设备改造，提供了除引入生物燃料外的另一种具有经济性的CO₂减排手段，因此受到电力公司的极大关注。

NEDO计划支持在实际燃煤电厂进行长期技术实证，以便将SIP“能源载体”的煤炭/NH₃混烧技术成果与社会实施联系起来。此外，相关公司也正在进行具体的详细设计和经济性讨论等。

2.5 工业炉

工业炉的大小和类型各不相同，但是工业炉所消耗的化石燃料量相当大，在制造业中化石燃料的消费量占整体的20%以上。在工业炉领域中，NH₃直接利用技术也取得了成果。

在工业炉中将NH₃用作燃料时面临的课题是抑制NO_X的产生，同时增强来自火焰的辐射传热。这是因为NH₃中不含碳（C），无法获得烟尘燃烧的辐射传热效果。

大阪大学的研究小组通过使用10kW模型燃烧炉的研究证实，在NH₃专烧和CH₄/NH₃混烧（混烧率：30%）两种情况下，可以通过富氧化燃烧来强化火焰辐射，同时结合使火焰温度均匀分布的多段燃烧来克服这一课题。此外，在使用接近工业炉实用规模的100kW级模型工业炉的实证研究中，也证实了相同的结果^注17）。

作为工业炉之一，熔融电镀钢板生产线的预处理工艺中使用脱脂炉，大阳日酸株式会社和日铁日新制钢株式会社证实，通过在传统CH₄燃料中混烧NH₃（混烧率：30%），可以在不改变炉的传热性能和脱脂性能的情况下，减少30%的CO₂排放^注18）。

2.6 NH₃燃料电池

关于燃烧以外的NH₃直接利用，也取得了重要的成果，即用作NH₃燃料电池的燃料。

在燃料电池中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作温度高达700~1000℃。此外，NH₃在500℃以上的环境下分解为氢和氮（N₂）。因此，可以将NH₃代替氢作为运行SOFC的燃料。

目前，SOFC使用廉价且易于运输和储存的城市燃气和LP燃气，为了从这些气体中获得作为SOFC燃料的氢气，需要在SOFC中安装气体重整器，在重整期间会产生CO₂。为了解决这些问题，已经开发出使用纯氢的SOFC产品，但是氢气的运输和储存并不容易。

与之相比，如果利用SOFC的高温在内部由NH₃生成氢，就可以避免运输和储存方面的问题，而且无需重整器。因此，如果能够将NH₃直接用作SOFC的燃料，则SOFC作为分布式零碳电源的便利性将大大提高。为此，进行了SOFC的NH₃直接利用技术的开发。

京都大学的研究小组发现，NH₃用作SOFC的燃料时能获得与使用纯氢作为燃料时相同水平的发电特性（255W的直流发电，效率53％（LHV））^注19）。基于此成果，Noritake株式会社制作了一个1kW级电堆，IHI株式会社开发了一个1kW级NH₃燃料SOFC系统^注20）。此外，IHI正在继续开发更大的商用NH₃燃料SOFC系统，以实现SOFC的分布式零碳发电。

3 NH₃直接利用技术开发成果的意义

国际能源机构（IEA）在“The Future of Hydrogen”中对上述NH₃直接利用技术开发成果的社会意义给予了高度评价，其要点可以归纳如下：

●燃煤发电用锅炉中的煤炭/NH₃混烧技术将成为减少现有燃煤电厂CO₂排放的重要手段；

●燃气轮机发电领域的NH₃直接利用技术将成为实现火力发电的低碳化的重要手段。

此外，除了本文中涉及的电力能源领域之外，这些NH₃直接利用技术开发的成果还有望在占日本最终能源消费约70％的热能领域中作为脱碳手段发挥重要作用。

注释：

注1）

日本燃烧学会杂志第61卷198号，pp277–330，（2019年11月）

注2）

由于取得了这一成果，东北大学小林教授带领的研究小组应邀担任了2018年国际燃烧学会（The Combustion Institute）全体会议的演讲嘉宾，并以“Science and technology of ammonia combustion” （Proceedings of the Combustion Institute 37(1) (2019) : pp. 109）为题进行了演讲。在该会议受邀演讲意味着该研究成果获得了国际上的高度评价。此外，日本燃烧学会对该演讲内容授予2019年度论文奖。

注3）

仅NH₃气体从螺旋状的槽中喷出并燃烧的燃烧器。

注4）

NH₃在一次燃烧区域中略微过浓燃烧，在二次燃烧区域中被空气稀释，NH₃分解产生H₂并燃烧的方法。

注5）

“氨燃烧研究的意义和影响”，小林秀昭，早川晃弘，日本燃烧学会杂志第61卷198号（2019年）PP277-282

注6）

“小型燃气轮机的氨燃料实证试验”，壹岐典彦，日本燃烧学会杂志第61卷198号（2019年）PP283-288

注7）

混烧率以热量为基础。以下，与混烧率相关的记述均以热量为基础（另外，混烧率20%仅作为中间开发目标，并非极限值。）

注8）

http://www.ihi.co.jp/ihi/all_news/2018/technology/2018-4-18/index.html

注9）

“使用2MW级燃气轮机进行氨/天然气混烧发电实证试验”，伊藤慎太郎、内田正宏、须田俊之、藤森俊郎，日本燃烧学会杂志 第61卷198号（2019年）PP289-292

注10）

https://www.mhps.com/jp/news/20180119.html

注11）

“发电用大型燃气轮机的氨利用技术的开发”，野势正和、荒木秀文、仙波范明、古市裕之、谷村聪，日本燃烧学会杂志 第61卷198号（2019年） PP293-298

注12）

“在层流对向流场中氢扩散火焰维持下煤粉粒子和氨的混烧行为”，福井淳平、中冢记章、泰中一树、东野秀隆、林润、赤松史光，日本燃烧学会第54次燃烧研讨会报告C334 （2016年11月）

注13）

“可适用于煤粉锅炉的氨混烧技术”，木本政义、山本晃、小泽靖、原三郎，日本燃烧学会杂志 第61卷198号（2019年）PP299-303

注14）

“水岛发电站2号机的氨混烧试验-关于氨发电利用的商业评估-”，谷川博昭、大内优，《电气评论》 2018年4月号、PP52-55

注15）

“水岛发电站2号机的氨混烧试验”，吉崎司，日本燃烧学会杂志 第61卷198号（2019年） PP309-312。

注16）

“中国电力技术革新之路”，迫谷章，《电气评论》 2018年1月号，PP138-152

注17）

“关于工业炉中氨直接燃烧的研究”，村井隆一、中冢记章、东野秀隆、赤松史光，日本燃烧学会杂志 第61卷198号（2019年）PP320-325

注18）

“《氨燃烧炉的技术开发》碰撞喷射式氨混烧脱脂燃烧器的技术开发”，沼田真明、松田泰三、萩原义之、山本康之，日本燃烧学会杂志 第61卷198号（2019年）PP326-330

注19）

http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150722-6/index.html

注20）

http://www.ihi.co.jp/ihi/all_news/2018/technology/2018-5-16/index.html

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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