煤电掺氨发电是否已经具备技术可行性？
文摘
科学
2024-08-01 10:55
北京
近日，国家发改委、国家能源局联合发文，鼓励沙漠、戈壁、荒漠地区大型风电光伏基地配套煤电项目率先实施绿氨掺烧示范，并要求改造建设后的煤电机组应具备掺烧10%以上绿氨的能力。事实上，关于煤电掺氨降碳，中国以及日本、韩国均已有了较长时间的研究积累，有关的技术流程、难点、解决方案都已相对明确。在2023年，中国、日本在工程验证上连获突破，已具有一定的推广技术能力。能景研究结合调研信息，对国内外掺氨燃烧发电的布局规划、技术进展、项目阶段进行了整理，以供参考。此外，本文所探讨的技术上的可行性，是实现产业化的基础，要研判掺燃燃烧发电规模化发展的前景，还要根据使用成本、商业模式、安全管理等一系列因素综合考虑。01 国际布局：中、日、韩三国将煤电掺氨视为减碳重点路线氨是一种相对理想的煤电掺混替代燃料。一是来源广泛，既可以来自于煤、气等多种化石能源，也可以来自光伏、风电等清洁的可再生能源；二是能量含量高且易储存，氨的热值是煤炭（标准煤）的0.63倍，且可常压低压液化；三是燃烧产物清洁低碳，燃烧产物大部分为无温室效应、无污染的氮气；四是与煤炭的混燃兼容性较好，无需对现有煤电设备进行大幅改动。
现阶段，国际上已有中、日、韩三国明确提出发展煤电掺氨燃烧发电。日、韩两国已经提出了煤电掺氨的规模化推广目标。日韩两国将氢/氨发电定位为未来的重要电力来源，明确写进了各类能源规划类文件。如日本在2021年《第六次战略能源计划》中，提出到2030年氢/氨发电将占其总发电量的1%；韩国则在2023年《第十一次电力供需基本计划》提出到2038年氢/氨发电将占其总发电量的5.5%。中国重点鼓励掺氨示范项目验证。今年7月出台的《煤电低碳化改造建设行动方案 （2024—2027 年）》，明确提出了煤电掺氨项目的时间节点、技术、减碳目标，指出到2025年首批项目全部开工，改造后的煤电机组应具备掺烧10%以上绿氨能力，度电碳排放较2023年同类煤电机组平均碳排放水平降低20%左右。02 技术流程：共分储存/气化、燃烧、尾气处理3个环节，全链条初步打通煤电掺氨燃烧发电技术，简单来说就是在原有煤粉燃烧发电的基础上，混合氨气进行氨燃烧。其技术流程总体来看大体有3个关键环节，一是氨的储存及气化，二是煤氨混合燃烧，三是尾气处理。储存及气化环节需要实现大流量、远距离的氨气供应。一是大流量，对于国内主流类型之一的600MW机组，若进行10%掺氨，则满负荷下每小时需要供应约28.8吨氨。二是远距离，我国一般不允许在发电厂区内设置氨储存设施，如今年7月《煤电低碳化改造建设行动方案 （2024—2027 年）》也明确提到此点，这要求氨的储罐、气化设施都要实现远距离操控。大流量、远距离的氨气供应已有解决方案。如安徽能源集团开展的铜陵发电掺氨燃烧工程项目中，研制了当时国内最大的20吨/小时双加热回路液氨高效蒸发器，实现了液氨的大量、快速气化；并开发出了长距离供氨气化控制系统，项目最大掺氨量达到21吨/小时。煤氨混合燃烧环节需要克服高比例掺氨火焰不稳定、NOx超标等难点。这2方面难点都与氨的性质有关，一是氨具有难以燃烧的特点，要实现稳定燃烧，需要煤粉辅燃、等离子体空气等进行辅助；二是氨燃烧后的产物与燃烧条件有关，燃烧过度或不足均易产生过量的NOx污染物，燃烧不足也容易发生较多氨逃逸。这两点也是限制提高掺氨比例的重要原因。国内外已开发出了至少2大类高比例、稳定、低污染燃烧方案。一是混氨式燃烧器方案，最高已实现35%掺氨。该方案同时喷出煤粉、氨气、空气3种燃烧组分，3种组分在燃烧器喷口处混合（或喷出前部分混合）并燃烧。通过控制3种组分的喷速、比例、流量等控制火焰条件，实现稳定燃烧并控制NOx产生量。目前最高掺氨燃烧记录为35%，如日本碧南电厂项目IHI低氮旋流燃烧器（20%）、国家能源集团混氨低氮煤粉燃烧器（35%）。二是纯氨燃烧器方案，最高已实现35%掺氨。该路线下利用多个燃烧器——煤燃烧器与纯氨燃烧器共同工作，实现掺氨。其中，纯氨燃烧器有多种技术路线，如通过提前电离空气，形成空气等离子体射流，辅助纯氨气持续燃烧。目前已实现锅炉整体35%比例的掺氨燃烧，如安徽能源集团旗下项目示范案例。尾气处理环节需要实现NOx污染物的及时检测及处理。无论是煤炭燃烧还是氨的燃烧，均会产生NOx等含氮污染物。而我国对NOx排放的含量有严格限制，根据2011年发布的《火电厂大气污染物排放标准》，国内燃煤发电尾气中NOx含量不得超过100mg/m3。传统脱硝技术可基本满足现阶段的掺氨项目的需要。国内大部分煤电厂均安装了SCR或SNCR脱硝系统，原理为利用氨气与NO等反应，生成无害的氮气。现阶段的掺氨项目一般在燃烧环节控制NOx产生量，对现有的脱硝装置来说变化不大。如国家能源集团600兆瓦机组煤炭掺氨燃烧试验中，脱硝装置前的NOx浓度与未掺氨时相当。远期来看，或可针对掺氨项目开发新的处理技术。有文献观点提出，可将燃烧装置与脱硝装置联合设计，在燃烧器或锅炉部位可以不要求氨气完全燃烧殆尽，并利用未充分燃烧的氨气供脱硝装置使用。03 示范进展：中日两国快速推进，示范机组的容量、掺氨比例不断突破现阶段，中日两国在煤电掺氨的项目验证上走在了国际最前列，两国公开的规模化示范项目案例最多。日本在大容量机组的掺氨验证上进展较快。日本的掺氨燃烧的验证推广主要由日本最大电力公司JERA、三大重工装备集团之一的IHI、日本公立研究管理组织NEDO等联手实施，相关研究已有近10年左右。2021年，JERA与IHI联手在爱知县碧南电厂展开了掺氨验证并初次掺氨点火成功，2024年上半年进一步完成了1GW机组的20%掺氨实验，乃是当前国际上机组容量最大的掺氨实验。而且，1GW机组已经是当前国际上容量最大的主流煤电机组类型。中国在大容量、高比例掺氨方面皆有突出进展。中国的掺氨燃烧的验证推广主要由国家能源集团、安徽能源集团等煤电央企及地方龙头企业主导实施。2022年，国家能源集团完成了国际首次40MW燃煤锅炉35%掺氨燃烧中试验证。2023年，国家能源集团继续在600MW燃煤机组上成功实施了掺氨燃烧试验。2023 年，安徽能源集团与安徽省能源实验室合作，完成了300MW燃煤机组多工况负荷下掺氨研究，实现了10-35%掺氨比例的平稳运行。总的来看，国内在煤电掺氨技术研发及工程验证上已走在了国际最前沿，技术及工程上也已初步具备一定的可行性。现在微信公众号打乱了时间线。希望喜欢【能景氢研】的读者朋友们将本号【设为星标★】，方便找到我们。
