独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长中钵良二](以下简称“AIST”)可再生能源研究中心[研究中心主任小和田野义朗]氢载体团队研究组组长Taku Tsujimura和研究组成员Norihiko Iki参与了科学技术创新委员会SIP(战略创新创造计划)“能源载体”(由日本科学技术振兴机构管理[主席:中村道晴](以下简称“JST”))委托的研究,国立大学法人东北大学校长。通过与里见进(以下简称“东北大学”)的共同研究,相当于煤油的30%氨共烧替换为 21 kW燃气轮机发电成功。
氨的氢含量很高氢载体预计会成功,但这一次我们制造了一个原型燃烧装置,可以供应煤油(液体)和氨(气体)的混合物,并成功通过燃烧氨来产生燃气轮机动力。这可以说是氨能源利用技术的重大进步,有望通过100%氨燃烧发电。
该技术的详细信息将于2014年9月21日至24日在美国爱荷华州得梅因举行NH3 燃料会议
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| 燃气轮机燃料供应和发电输出的变化 |
近年来,在引入和使用大量可再生能源时,人们对氢和氢载体作为能源储存和运输媒介的期望越来越高。氢载体是一种将常温常压下为气体的氢转化为富含氢的化学物质的介质,以便于储存和运输。有机氢化物(例如甲基环己烷)是通过将氢附着和解吸到有机溶剂中而使用的,还有氨,是由氮和氢合成并直接燃烧使用的。氨作为不含碳元素且氢比例高的氢载体而受到特别关注,有望用作发电燃料。氨燃烧时只产生水和氮气,因此即使用常规燃烧燃料替代部分氨,对于减少二氧化碳排放也有显着效果。
AIST正在推动氢载体的研究和开发,以支持大规模引入可再生能源,但它还与东北大学合作,致力于开发直接燃烧氨并使用燃气轮机发电的技术。氨存在着比其他燃料更难点燃、燃烧速度慢等诸多问题,因此迄今为止尚未实现以氨为燃料的燃气轮机发电。然而,氨有望用作氢载体,为了展示其作为发电燃料的潜力,我们进行了使用可使用多种燃料的燃气轮机发电的演示。示范试验在日本产业技术研究院于 2014 年 4 月设立的福岛可再生能源研究所(福岛县郡山市)进行。
这项研究和开发正在内阁府 SIP(战略创新创造计划)“能源载体”内进行,该计划于 2014 年启动。
图1为新开发的产品微型燃气轮机显示发电装置。该技术涉及创建一个原型燃烧器,可以提供液体和气体两种燃料,并用它来稳定地共燃烧煤油和氨。使用额定输出50kW的燃气轮机发电装置,在煤油中添加约30%的氨并进行混烧,成功地实现了约40%的输出(21kW)的发电,实现了与仅煤油燃烧大致相同的发电量。另外,排放的氮氧化物也正常脱硝设备供给适量的氨,可以将其抑制在10ppm以下,完全符合环保标准。
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| 图1氨直燃微型燃气轮机发电机 |
首先,燃气轮机仅供给煤油启动,稳定开始产生21kW功率后,向供给气体燃料的燃气管供给氮氨混合气体,开始燃烧氨,逐渐提高氨比例,最后停止供给氮气,实现煤油氨混合燃烧。当发电输出控制在恒定水平时,通过氨燃烧产生的热量减少煤油供给量,在煤油供给量减少30%的情况下保持21kW的稳定发电量(图2)。这是世界上首次以氨为燃料的燃气轮机发电示范。
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| 图2燃气轮机燃料供应和发电输出的变化 |
未来我们将继续通过煤油-氨混合燃烧、天然气-氨混合燃烧、纯氨燃烧(CO2,无烟灰)进行演示实验。
该领域的部分研究开发是在2013年JST战略性创新研究推进项目先进低碳技术开发(ALCA)委托研究“氨内燃机的技术开发”中进行的。