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NOX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）情随事迁。
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：
氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（一）
氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（二）
氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（三）
.....（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NOX是由空气中的N2生成的Thermal NOX，而NH3用作燃料时，燃料中N原子燃烧产生大量NOX（Fuel NOX）。
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NOX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NOX被还原为N2。这意味着NH3既充当燃料又充当燃烧生成的NOX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。
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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NOX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NOX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NOX怎么让猫听话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 中型燃气轮机女生学什么技术好挣钱
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NOX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）画月亮。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NOX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CH
4/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NOX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CH比格犬价格4/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NOX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NOX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NOX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”gdp排名注16）。
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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NOX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，NOX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NOX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）。
