从混烧到100%氨专烧！IHI的新一代火力发电愿景

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摘   要：今年3月，IHI株式会社在世界上首次将70%（热量比）的液氨用于2000kW级燃气轮机并实现了稳定混烧。在抑制NOx（氮氧化物）产生的同时，还在限定条件下成功实现了100%液氨专烧运行，开创了氨发电的可能性。本文中，对以2025年实现氨专烧燃气轮机的商用化为目标的该公司战略技术综合本部项目总监须田俊之进行了采访，介绍了目前氨研究的现状和未来展望。

关键字：混烧、100%氨专烧、氨专烧燃气轮机、氨发电、液氨、脱碳社会、商业化

1以氨发电设备的商业化为目标

氨不仅能作为能源载体，低成本高效地储存和运输氢气，还能作为火力发电的燃料直接利用。氨在燃烧时不排放CO₂，因此有望作为新一代能源，对减少温室效应气体的排放作出贡献。

IHI株式会社此前一直生产锅炉和燃气轮机等大型发电设备，从2014年开始的5年间，该公司参与了为实现科学技术创新而设立的日本国家项目SIP（战略创新创造项目），负责开发氨利用技术。

在该公司从事氨项目的须田俊之表示，“我们致力于开发通过各种方法利用氢合成氨的技术，主要的方案有锅炉的混烧、燃气轮机的混烧和燃料电池中的应用这三种。氨燃烧不会产生CO₂，与氢相比运输更容易，成本上也有优势。氨比较容易液化，能够直接燃烧也是一大优点。”

须田表示：“为了削减CO₂的排放，IHI的研究所从2014年开始了氨的燃烧实验。”

在液氨和天然气的混烧中，为实现稳定燃烧和低NOx化，“充分燃烧”是关键。

“为了抑制NOx的产生，需要改进燃烧时燃料与空气混合的方式，因此必须对燃烧器（使燃料燃烧的装置）进行改进，以抑制NOx的生成。我们与日本东北大学流体科学研究所的小林秀昭教授合作，在实验室中取得成功，但是以此为基础扩大规模是新的课题。为实现其商业化，需要完成包括燃烧器的开发和运行控制等在内的发电系统。这就是我们的任务。”

横滨事业所（横滨市矶子区）内储藏的液氨。将来储罐容量将进一步扩大。

利用2000kW级燃气轮机成功实现液氨（热量比70%）和天然气的稳定混烧。据称该燃烧器应用了航空发动机的技术。

为了向燃气轮机供给大量的氨，需要使液氨气化的蒸发器和控制阀等配套设备的大型化，由此造成的高成本成为一项课题。

为此，该公司从2019年5月开始，与小林教授和日本国立研究开发法人产业技术综合研究所（产综研）共同致力于开发燃烧器中的液氨直喷技术，以使其稳定燃烧。

如果能直接使用液氨，就不需要配套设备，同时便于控制。

“从氨的元素符号（NH₃）来看，一个氮原子（N）与3个氢原子（H）结合在一起。因为含有N元素，所以高温下会产生一氧化氮（NO）等NOx。人们很早以前就发现氨的燃烧容易产生NOx。IHI通过改变燃烧方式，成功抑制了NOx的生成，在世界上首次在2000kW级燃气轮机上实现了氨70%（热量比）混烧。”

今后，该公司将继续推进液氨混烧率的提高和低NOx化，并致力于氨专烧燃气轮机的开发。

2 与煤炭的混烧是实现脱碳社会的关键

除此之外，该公司还致力于开发煤炭火力发电的脱碳化技术。

通过氨混烧来减少煤炭的使用量，在减少CO₂排放量的同时维持发电量。

“社会对于削减CO₂排放量的要求日益强烈，但是废弃作为日本基础电源的煤炭火力发电，引入新的发电设备，成本高昂，难以实现。因此，我们正在开发相关技术，调整现有设备的燃料组成以持续减少CO₂排放。当然，需要对现有设备进行一定的改造，但是比起从零开始制造新的设备，成本大幅削减，可减轻电力公司的负担并抑制电费的过度上涨。”

设置在相生事业所（兵库县相生市）内的氨和煤炭的混烧实验设备。

混烧实验设备的内景。“现在正在开发氨与煤炭（煤粉）之比为2:8的燃烧器并进行实证”

“虽然还需要一段时间”，须田说道，“但我们相信氨能实现CO₂零排放的目标”。

“逐步增加氨的混烧比例，最后达到氨100%专烧，在技术上是可行的。如果使用纯氨的话就完全不会产生CO₂，但是届时可能需要大幅改造设备。我们的目标首先是部分改造燃烧器，实现20%的混烧。”

如果将氨作为能源使用，预计需求会大幅增加。

目前，日本每年进口约108万吨的氨用作肥料和树脂材料，随着日本经济产业省制定了将氨用于发电等的目标，预计日本国内的氨需求量2030年将为300万吨，2050年将达到3000万吨。

“如果以3000万吨供给量为目标，则生产工厂和油轮等设备的投资必不可少。此外，我们也在现有设备的基础上设法进行大型化，以便在尽可能控制成本的同时提高供给量。我们关注的是中东和澳大利亚。去年，我们与一般财团法人日本能源经济研究所（IEEJ）和沙特石油公司（Saudi Aramco）合作进行‘蓝氨’供应链的实证试验。”

2011年前后，日本国内的发电量构成发生了巨大变化：2010年，核电约占日本发电总量的25%，到2019年降至6%左右；另一方面，煤炭火力发电在2020年占到了31%。

“首先我希望大家明白一个事实，那就是现在电费之所以稳定，就是因为使用了煤炭。在此基础上，如果以削减CO₂、实现脱碳社会为目标，就需要设备投资，需要有人要来承担这个成本。把负担降到最低也是我们的职责之一。如果考虑到整体的CO₂排放量削减的话，当务之急就是将氨用于煤炭火力发电。将来可能会开发出更高效的燃气轮机，而氨也可以用在燃气轮机上，因此对相关设备的投资不会浪费。”

（文中图片均来自IHI株式会社）

“通常氨的生产需要使用化石燃料，所以会排放CO₂。沙特石油公司利用天然气制备出了蓝氨，将生成的CO₂固定于地下，实现了碳中和。此外，如果使用由可再生能源电力制取的氢，还可以制造无碳的绿色氨，从而实现整个供应链的脱碳化。”

3 商用导入的转折点是“2024年”

最后，须田还谈到了该公司的企业目标以及今后的路线图。

“我们的目标还是尽可能利用现有的设备削减CO₂，说实话我们也负担不起新建大型设备的投资。研究最初的目标是实现20%氨混烧，最近人们提出了更高的期待和要求，希望我们能进一步提高混烧比例。我们的最终目标是实现锅炉和燃气轮机的100%氨专烧发电，为实现脱碳社会作出贡献。此外，我们还推进从海外进口氨，未来将技术销售到国外。”

今年5月24日，该公司还宣布，2024年将在JERA株式会社（东京电力集团和中部电力的合资公司）旗下的碧南火力发电厂（位于爱知县碧南市）的100万kW发电机组中进行20%的氨混烧实证实验。

JERA负责氨储罐和气化器等配套设备的建设和氨的采购，IHI负责实证用燃烧器的开发，推进项目的设计和施工。

IHI在JERA碧南火力发电厂改造的用于氨混烧的燃烧器示意图

以须田为代表的工作人员充满信心地表示：“这将成为世界上首个在大型商用煤炭火力发电厂中进行大规模氨混烧的实证项目。”

IHI以实现脱碳化、循环型社会为目标，提供多样化解决方案，其所描绘的未来已经近在眼前。

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翻译：肖永红

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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