液氨直喷燃气轮机的开发

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摘   要：本文中，研究人员开发了一种可将液氨直接喷入燃气轮机燃烧器中的燃烧技术。实证试验的结果表明，通过抑制废气中有害物质的浓度使混烧率达到70%，可以燃烧液氨。经证实，在燃气轮机的运行过程中，未燃氨（NH₃）和一氧化二氮（N₂O）的排放量很小，对环境和燃气轮机运行的影响很小。

关键字：液氨直喷燃气轮机、氢气、氨、燃烧技术、液氨直喷法、氨混烧、氨专烧

1前言

为了保护地球环境，各个领域都在为脱碳而努力。在电力领域，以太阳能和风能为代表的可再生能源的引入进展迅速，但火力发电在通过供需调整来稳定电力系统方面仍然十分重要。其中，燃气轮机具有优异的负荷变动追踪能力，预计未来还将继续使用。因此，将燃气轮机的燃料转换为碳中和燃料将有助于减少二氧化碳（CO₂）排放和稳定电力系统。

氢气是典型的碳中和燃料。然而，虽然氢气具有优异的燃烧性，但由于其热物理特性，难以运输和储存。因此，在日本内阁府的战略性创新创造计划（SIP）能源载体^（1）中，作为运输氢的能源载体，重点研究了液态氢、甲基环己烷和氨，比较了这三种能源载体的用途和课题，并进行了相关技术开发。其中，氨的优点在于：易液化、适合运输和储存、相关技术已成熟、具有可燃性、且可以作为碳氢化合物的替代燃料直接燃烧而无需脱氢。但是，氨的燃烧性较低，是一种有毒物质，需要小心处理，并且在燃烧过程中容易生成来自燃料中所包含的氮原子的Fuel-NOx。为了解决这些课题，并利用其优点促进其作为燃料的使用，研究人员正在推进基本燃烧特性的阐明和燃烧技术的开发^（2）。

作为氨在发电用燃气轮机中燃烧时的主要供给方法，共设想了两种方法，即氨气法和液氨直喷法。在常温条件下，氨会在0.8MPa左右发生相变，因此如果燃烧器的压力在大气压左右的话，则通常在燃烧前先将氨气化。但是，燃气轮机是加压机，燃烧器压力为高压。一般来说，中大型燃气轮机中的燃烧器压力大于等于0.8MPa，因此氨可以稳定地以液体形式喷出。利用氨的这一优点，发展了氨气与天然气混烧的传统技术^（3），并开发了将液氨直接喷入燃烧器的氨燃烧技术。本文报告了利用液氨和氨气的燃烧方法的特征以及使用燃气轮机的实证试验结果。

2试验装置

图1示出氨燃气轮机实证试验设备的系统流程示意图。该设备主要由城市燃气压缩机、氨供给装置、IM270燃气轮机、硝脱装置构成。氨供给装置是从储存液氨的氨罐中供给脱硝用氨气和燃料用氨气、液氨的设备。关于燃料用供给系统，为了比较，同时记载了气体和液体两个系统。燃料用氨气供给系统由对液氨加压的泵、氨气化器和蓄能器构成。在氨气的供给中，通过泵对液氨加压，调节流量后供给至气化器，再利用热水的热量使其气化。气化后的氨通过用于稳定压力的蓄能器供给至燃气轮机。

供给方法的特征包括：以液态的形式对氨加压，因此与在气体状态下加压的情况相比，加压动力较小，氨可以通过较低温度的热源气化。另外，由于燃烧行为不受蒸发潜热的影响，因此具有以下优点：容易阐明基本燃烧特性和开发用于燃气轮机的燃烧技术。另一方面，使氨气化的温度相对较低，但是也需要热源。此外，气化器下游的氨气可能会由于向周围的热量散失而重新液化，因此需要使用电加热器对管道和蓄能器进行保温。

图1 系统流程示意图

为了在燃气轮机中燃烧氨气，需要根据供应量增加或并联气化器或蓄能器以确保供应能力。与之相对，液氨直喷法是通过控制流量将加压液氨直接喷入燃烧器。这种方法无需氨气法中所需的氨气化器和蓄能器，可以通过简单的供给系统向燃气轮机供给燃料。另外，由于氨供给能力仅依赖于泵的能力，因此具有能够降低用于增加氨供给量的成本的优点。运行燃气轮机的另一个优点是不需要氨气化器的预热，并且可以大幅缩短供应开始之前的准备时间。此外，燃气轮机对快速负荷变动的应对能力在氨气供应法中取决于蓄能器容量，而在液氨直喷法中，可以通过控制泵或流量调节阀进行调节，易于应对也是其优点之一。

根据这些特点，液氨直喷法是适用于DSS（Daily Startup and Shutdown）运行和负荷变动调整中所使用的中小型燃气轮机的供给方法。但是，液氨在燃烧器内燃烧时会蒸发，因此存在因局部火焰温度降低而导致失火的危险。此外，由于蒸发潜热的影响，流入涡轮机内的燃烧气体的温度降低，因此存在燃气轮机的效率降低等课题。

在实证试验中使用的燃气轮机为2MW级IHI公司制IM270燃气轮机。关于燃气轮机本体，仅以燃烧器为开发对象，压气机和涡轮机与现有商用机相同。对于燃烧器的开发，需要一种既能实现稳定燃烧又能减少氮氧化物(NOx)排放量的燃烧器设计。经证实，浓淡二段燃烧法作为满足这些条件的燃烧方法是有效的^{（2），（4）}，将该燃烧方法应用于2MW级燃气轮机用燃烧器。

图2示出所开发的燃烧器示意图。该燃气轮机采用流转式单筒型燃烧器，由压缩机压缩的燃烧用空气从内胆外侧的流道供给。通过调整该燃烧用空气流向燃烧器和内胆稀释孔的流量分配，调节燃烧器的一次和二次区域内的燃料和空气的混合比，以进行二段燃烧。燃料全部供给到一次区域。如果将氨用作液体燃料，则其蒸发潜热相对于单位重量发热量的比例大于煤油等碳氢类液体燃料，因此受蒸发潜热的影响，火焰温度显著降低。为了在这样的条件下也能确保稳定燃烧并抑制未燃NH₃的排放，燃烧器的旋流器采用实现强旋转的旋流器结构，并调整了燃料喷射位置等。此外，关于对减少NOx十分重要的一次区域的空气分配，设计从传统燃烧氨气的燃烧器改为最适用于液氨直喷燃烧的燃烧器。

图2 所开发的燃烧器示意图

在使用燃气轮机的实证试验中，在发电输出固定为2MW的条件下，通过改变天然气和氨的混烧比率来进行性能测定。在涡轮机出口和脱硝装置出口处对燃烧气体取样后评估了燃气轮机试验中的排放。在氨燃烧的性能评估中，除一般废气分析仪测量的废气成分外，还可能排放未燃NH₃和一氧化二氮（N₂O）。虽然N₂O在排放法规中属于NOx，但其是一种温室效应系数约为CO₂的300倍的物质，因此浓度测量对于准确测量氨燃气轮机的温室气体（Greenhouse Gas: GHG）减排效果至关重要。

因此，在废气成分的评估中，同时使用NDIR分析仪（Non-Dispersive InfraRed spectroscopy）和QCL-IR分析仪（Quantum Cascade-Laser InfraRed spectroscopy）来测量浓度。前者测量氧气（O₂）、一氧化碳（CO）、CO₂、THC（Total Hydro Carbon）的浓度，后者测量一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、N₂O和NH₃的浓度。

3试验结果

使用2MW级燃气轮机的发电实证试验结果表明，通过抑制废气中有害物质的浓度使混烧率达到70%，可以燃烧液氨。本文中，氨混烧率定义为由低位发热量计算出的氨输入热量与总燃料（氨+天然气）的输入热量之比。

图3示出氨混烧率对NOx浓度的影响，在燃气轮机试验中获得的氨混烧率与燃气轮机出口和脱硝装置出口处废气中NOx浓度的关系。NOx浓度是NO、NO₂和N₂O浓度的总和。为了比较，还显示了混烧氨气时的测量结果^（3）。NOx浓度随着氨混烧率的增加而单调增加，在混烧率为40%时达到最大值，随后逐渐降低。

这种NOx浓度的趋势受氨燃烧区域内温度的影响。随着氨混烧率的增加，供给到燃烧器内的氨量单调增加。随着氨供给量的增加，氨的火焰温度低于天然气，因此氨燃烧区域的火焰温度降低。由于温度降低，氨中的氮原子在燃烧过程中转化为氮(N₂)和Ox的比率发生变化，从而创造出一种使NOx浓度最大化的条件。虽然混烧率限制在25%，但通过液氨和氨气燃烧的比较，从整体来看，液氨燃烧时的NOx浓度偏高。这可能是由于在液氨和氨气中空气和燃料的混合状况不同造成的。可证实，脱硝装置出口处的NOx浓度可以通过实证试验装置附带的脱硝装置进行充分处理，符合环保标准。

图3   氨混烧率对NOx浓度的影响

关于未燃NH₃浓度的测量结果，由于燃气轮机的高压燃烧条件抑制了未燃成分的排放，因此在所有条件下，未燃NH₃浓度都在5ppm以下。该排放浓度低于规定值，因此燃气轮机中的氨燃烧对周围环境的影响较小。

N₂O浓度对于更定量地评估温室气体减排效果十分重要，已确认，N₂O浓度在液氨直喷燃烧中较小。这是因为在燃烧器内，液氨蒸发导致火焰温度下降，存在容易产生N₂O的低火焰温度区域。

图4示出氨混烧率对GHG减排率的影响。在液氨混烧率为70%的条件下，天然气的消耗量减少70%，因此达到了理想中70%的GHG减排效果。考虑到N₂O和未燃NH₃排放的影响，对实际的GHG减排进行计算后发现，在混烧率为70%的条件下，减排率达到68%以上。已证实，在目前的排放浓度水平下可以获得较高的GHG减排效果。

图4   氨混烧率对GHG减排率的影响

4结论

本文中开发了一种将液氨直喷到燃烧器中的燃烧技术，旨在通过扩大氨在燃气轮机中作为燃料的使用为GHG减排效果作出贡献。与使用氨气相比，使用液氨的优点是可以简化供给系统，且可控性好。使用燃气轮机进行实证试验的结果表明，通过抑制废气中有害物质的浓度使混烧率达到70%，液氨可以燃烧。在排放方面，虽然在高混烧率条件下有少量未燃NH₃和N₂O排放，但浓度低于排放标准值，对环境和燃气轮机运行的影响较小。此外，已证实N₂O排放对GHG减排效果的影响也很小。但是，社会对GHG减排的要求越来越强烈，今后需要开发一种可使燃气轮机的GHG排放接近于零的100%氨专烧燃气轮机。为此，需要更稳定地燃烧液氨并抑制排放的燃烧器。今后，研究人员计划以100%液氨专烧燃气轮机的实现为目标进一步进行开发。

参考文献：

（1）战略性创新创造计划（SIP）能源载体主页，https://www.jst.go.jp/sip/k04.html，（参考2021.5.28）

（2）H. Kobayashi, A. Hayakawa, K. D. K. A. Somarathne and E. C. Okafor：Science and Technology of Ammonia Combustion Proceedings of the Combustion Institute，Vol. 37，No. 1，2019，pp. 109 － 133

（3）伊藤慎太朗，内田正宏，须田俊之，藤森俊郎：2MW级燃气轮机的氨/天然气混烧发电实证试验，日本燃烧学会期刊，Vol. 61，No. 198，2019 年，pp. 289 － 292

（4）S. Ito, M. Uchida, T. Fujimori and H. Kobayashi：NOx Emission of Two-stage Combustor for Ammonia/Natural Gas Co-Fired Gas Turbine，12th Asia-Pacific Conference on Combustion, July 2019，Paper No. 1 279

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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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