脱碳时代燃料“氨”的可能性以及重要性
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摘 要：通过向氢中加入氮而生产的氨被用作发电燃料。燃料氨作为实现脱碳社会的王牌备受人们的期待，但是关于其特性和实际应用的课题通常并不为人所知。因此，本文邀请了日本东北大学流体科学研究所的小林秀昭教授、早川晃弘副教授，就氨发电的基础知识开展讲座，希望人们能了解到燃料氨的重要作用。
关键字：氨、喷雾燃烧、氨发电、供应链、液氨混烧、绿氨、蓝氨
目录
1. 由氢气利用延长线延伸而出的氨
2. 实现更高难度的喷雾燃烧
3. 扩大氨发电的关键在于供应链
2020年10月，日本经济产业省召开了首届“燃料氨引进官民协议会”。
在2021年2月召开的第三届以及中期总结汇报中，该协议会制定了扩大氨使用量的目标，即将目前用作肥料原料等的每年约108万吨的氨需求，到2030年提升至每年使用300万吨，到2050年进一步提升到每年使用3000万吨。为了实现政府提出的2050年脱碳社会，汇报中还展示了将氨用于火力发电等的路线图。
燃料氨是为了投入实际应用而启动的脱碳社会的王牌。目前，各个学术机构和企业正在对其发电特性及其实际应用进行研究。
日本东北大学流体科学研究所的小林秀昭教授和早川晃弘副教授专门从事甲烷（天然气的主要成分）、丙烷、氢、癸烷（液体燃料）等燃烧的基础研究。两人参加了内阁府直属实施的“战略性创新创造项目”（SIP）之后，开始致力于氨燃烧的研究。
“SIP从2014年开始的5年间，对能源载体进行了研究，我从筹备阶段就参与其中。能源载体是指在以氢能社会为目标的基础上，为了有效地进行储存、运输而将其制成液体或化合物。由于氨含有氢分子，因此作为从海外以低成本运送氢的载体，其作用备受人们的期待。在该研究的延长线上延伸出直接利用氨的想法。”（小林教授）
小林教授说到：“在美国，曾经有将氨用作汽车和拖拉机等的燃料的措施，但是发展一直停滞不前。而在日本，以SIP为契机，氨作为燃料的利用再次受到关注，现在新兴企业也参与了氨能源利用。”
氨是一种极难燃烧且火焰不稳定的物质，自1960年代以来将其作为燃料的研究一直在进行，但尚未投入实际使用。
“氨即使在氧气浓度为21%的空气中燃烧，火焰也会立刻吹散。我们把这个火焰立刻吹散的状态描述为“火焰不稳定”。如何才能让氨稳定地燃烧呢？例如，在有火焰的地方注入氨进行混烧，虽然氨可以在该火焰的支撑下燃烧，但是不能独立燃烧。独立燃烧需要调整混合气体的浓度、温度和气流。”（早川副教授）
燃料氨的生产方法
1906年在德国开发的哈伯法是最广为人知的合成氨方法，反应在400～600℃的高温高压下进行
因此，两人着眼于涡流，即“燃烧器或气缸中气体的涡流状流动”。并且，利用燃气轮机等中使用的旋流式燃烧器使火焰稳定，取得了高效提取热能的成果。
“氨燃烧速度缓慢，在燃烧过程中可能会产生氮氧化物（NOx）（引起酸雨的原因）和未燃烧的氨。为此我们正在实验室进行研究，试图通过在燃烧过程中调整温度和燃料浓度，改进燃烧器等，以确立更适合的燃烧方法。具体来说，我们在各种条件下产生氨的火焰，通过实验和数值计算详细研究火焰中正在发生着什么样的化学反应。在研究之初，火焰根本不稳定，令我们十分困扰，但当我们试着施加了适当的涡流之后，火焰能稳定地燃烧，研究也逐渐走上正轨。”（早川副教授）
早川副教授和小林教授一起推进研究。“我从一开始就参与氨的研究。以我们的研究发表为契机，自2019年左右以来，日本国内外关于氨燃烧的论文发表有所增加，我强烈感受到这项研究的意义。”
有关削减NOx和未燃烧的氨的排放的研究也已经开始，氨作为燃料备受人们的期待。燃料氨还有什么其他特征呢？
“它比氢更容易运输和储存。但需要注意的是，它是一种有毒物质，高浓度时对人体有影响，所以需要严格管理。从这个意义上说，它适用于配备有氨储存设备的大型工厂和发电站等。我认为最理想的形式是将这两种可以说是脱碳王牌的燃料用在各自适合的地方——即将投入实际应用的氨用于大型设施，而伴随着加氢站等的普及，氢气面向普通消费者。”（小林教授）
在SIP的能源载体研究项目中，日本国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下简称为“产综研”)于2014年9月，利用日本东北大学的研究数据，使用额定输出功率为50kW（相当于10个普通家庭的耗电量）的微型燃气轮机，在世界上首次成功实现了氨发电等，并已经取得了实际应用的成果。
虽然该项目已于2019年3月结束，但“在这个过程中尚留有未能实现的事情”（小林教授）。
产综研 可再生能源研究中心（福岛县郡山市）内的微型燃气轮机发电装置。2015年在小林教授和早川副教授的共同研究下，该装置成功实现了世界上首次100%氨的火力发电
“在2015年的实验中，我们成功实现了甲烷和氨的混烧以及100%燃料氨专烧发电，无论哪种情况下都达到了41.8kW的稳定的发电量。我切实感受到了“这样的话氨气能充分用于发电”。然而，当我在项目的最后阶段查看试验装置时，我注意到了大部分的大型装置都是用于蒸发液氨的装置以及用于再压缩氨气的装置。有人担心在引进燃气轮机时，这些大型装置可能会成为沉重的负担。原本氨的汽化潜热（汽化所需的能量）大约是氨热值的7%，但对于石油等烃类液体燃料来说，这个数值不到1%。另外，考虑到压缩氨气需要电力，可以说是能量损失巨大。”（小林教授）
与早川副教授和项目成员探讨了解决方案之后，产生了“将氨以液体的形式而非气体的形式燃烧”的想法，并与产综研和株式会社IHI（石川岛播磨重工业）一起成立了新的共同研究小组。在该共同研究小组中，日本东北大学负责研究让氨燃烧火焰稳定下来的方法，产综研负责利用微型燃气轮机使液态氨燃烧，IHI负责探讨能否实现天然气和液氨混烧发电。
小林·早川研究室·实验室。中间的橙色是氨火焰；左侧是与实际微型燃气轮机结构相同的试验燃烧器。使用这些可以详细观察到火焰。
对于通过产学合作推进新研究的意义，小林教授一边对氨的特性进行补充一边进行了回答。
“要用发动机或锅炉来燃烧液体燃料的话，需要尽量扩大与空气的接触面积。因此，必须使液体燃料喷雾化，使其成为无数的细小颗粒，从而扩大其与空气的接触。但是，当我们喷雾汽化潜热为7%的氨的时候，空间温度会下降到-50℃左右。由于燃烧时，空间温度一旦很低，火焰的气势就会急剧减弱，因此这种下降就会使得氨更加难以燃烧。”
涡流中稳定的氨喷雾火焰。受到叶片燃烧器产生的涡流的影响，火焰在150mm的范围内旋转并燃烧，该范围与内胆（石英玻璃筒）的高度几乎相同
为此，研究小组想出了重复利用燃气轮机的空气压缩所引起的温度上升以及废气的热量来提高空气温度的方法，并开发出相关装置，成功地稳定了液氨喷雾火焰。在2020年12月举行的“第58届燃烧研讨会”上，发表了名为《氨喷雾燃烧过程中涡流中火焰的稳定性》的论文。
由于迄今为止还没有关于“液氨喷雾燃烧”的论文，因此这一论文引起了日本国内外研究人员的关注。
早川副教授回忆道：“起初，我根本无法想象液氨的燃烧能顺利进行下去。”“实验室研究的优点就在于可以很好地观察火焰。可以看到火焰在涡流中是如何稳定下来的，燃烧是如何完成的。我们设立一个假设，一直反复进行着观察简单的火焰，计算数值，然后将它们和更复杂的火焰进行比较这一过程。这项研究才刚刚开始，目前我们正在尝试连续喷雾燃烧下减少NOx的方法。总之，我认为“喷雾氨的火焰能够稳定下来”这一成果在发表中是最重要的。”
使用高速相机观察到的氨火焰。使用激光测量装置等将火焰的形状作为数值数据进行存储。通过进一步进行数值计算，分析火焰中发生了什么样的化学反应。
小林教授坚信“如果NOx的减排取得进展的话，就有望实现氨发电的实际应用。”
作为氨的其他优点，他补充道：“只需对燃烧器等进行小规模的改造，就可以将以往的天然气涡轮机直接用于氨燃烧，这在成本方面是很大的优势。”此外，他继续说道：“混烧在燃气轮机上更加容易实现。IHI等也正在进行着混烧的研究，例如，将天然气和氨以热值比各50%混烧，保持发电量的同时将CO2的排放量减半。JERA（日本东京电力公司与中部电力公司的合资企业）也在面向脱碳化的长期愿景“零排放2050”中宣布，其目标是在2030年之前在煤粉（※指约0.5mm以下的非常细小的煤，大于10～40mm的煤称为块煤）火力发电中实现20%氨混烧。”
之所以研究在燃气轮机上进行氨混烧，是因为虽然中小型燃气轮机已经成功实现了100%氨专烧，但尚未在大型燃气轮机上实现。
为了在2050年实现低碳社会，需要从混烧开始，并逐步将氨的比例提升到100%，尽快使氨发电投入实际应用。
“目前还没有进行液态氨喷雾燃烧的发电试验。我们的目标是实现任何比例的液态氨稳定发电。IHI用2000kW的燃气轮机成功实现了液氨热值比为70%的混烧发电，旨在开发100%液氨的发电系统。首先，为了实现2030年的CO2减排目标，我们正在与产综研和IHI展开研发方面的合作。”（小林教授）
然而，随着向实用化迈进，新的挑战出现了。
“燃料氨的最大目标无疑是“用于发电的需求”。为了实现大型燃气轮机的氨喷雾燃烧，技术开发需要大量费用，所以回收成本对企业来说是一大障碍。考虑到这一点，预计燃气轮机发电的实际应用和社会实施将会从中小型发电设施开始，并逐步向大型化发展。”（早川副教授）
此外，小林教授提醒我们，“重要的是扩大能够大量引进氨的供应链。”
进口绿氨（图中绿色箭头部分）、蓝氨（图中蓝色箭头部分）作为燃料的示意图。
除了发电以外，作为工业炉、船舶·汽车发动机的燃料也有望投入实际应用（来自日本经济产业省的资料）
“由于成本高，日本国内生产氨的公司有减少的倾向。现状是购买在中国生产的氨的话，成本要低很多。但是，来自天然气的氨由于生产过程中排放CO2，因此今后必须引进排放的CO2得到有效回收的蓝氨，以及来自太阳能和风能等可再生能源的绿氨。我希望在增加日本国内发电对氨的需求的同时，扩大能够从海外稳定进口蓝氨和绿氨的供应链。”
翻译：王宁愿
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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