mile米乐集团 利用甲烷-氨混合气体和100%氨成功燃气轮机发电

产业技术综合研究所［所长：中钵良二］（以下简称“AIST”）可再生能源研究中心［研究中心主任：二木荣］ 氢载体小组研究组长辻村卓，科学技术革新委员会SIP（战略创新创造计划）“能源载体”（管理法人：国家研究开发机构）研究小组成员炀纪彦国立大学法人东北大学[校长里见进]（以下简称“东北大学”）流体科学研究所，接受日本科学技术振兴机构（校长：中村道晴）（以下简称“JST”）的委托研究。氨提供燃料燃气轮机发电成功。

氨的氢含量很高氢载体而受到关注，特别有望用作发电燃料。这次，甲烷的混合气体产生燃气轮机电力。和氨，并证明了在以天然气为燃料的大型火力发电厂中混燃氨发电的可能性。此外，二氧化碳（CO₂)我们还成功地通过100%氨燃烧（仅氨燃烧）发电，这将导致免费的大规模火力发电。这些成果有望作为一项技术投入实际应用，为大幅减少发电领域的温室气体排放作出贡献。

　该技术的详细内容将于2015年9月20日至23日在美国伊利诺伊州举行的NH3燃料会议2015以及2015年11月16日至18日在茨城县筑波市举行的第53届燃烧研讨会上公布。

供应燃料的切换和发电量的变化（甲烷-氨混合燃烧（左）、纯氨燃烧（右））

　氢能备受关注，2015年在日本被称为“氢元年”。此外，随着对可再生能源的大规模引入和使用的期望比以往任何时候都增加，氢和氢载体作为能量存储和运输的介质变得重要。氢载体是更容易以含有大量氢的化学物质形式储存和运输能量的介质。例子包括有机氢化物（例如甲基环己烷）和氨，有机氢化物通过将氢附着到有机溶剂并脱附而使用，氨由氮和氢合成并通过直接燃烧使用。

　氨作为不含碳、氢比例高的氢载体而受到特别关注，有望用作发电燃料。此外，由于氨在燃烧时主要只产生水和氮气，因此即使用氨替代部分传统燃料也可以减少二氧化碳₂减排效果大。

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，并与东北大学流体科学研究所合作，致力于开发直接燃烧氨并使用燃气轮机发电的技术。氨与其他燃料相比存在着火困难、燃烧速度慢等问题，因此迄今为止尚未开展以氨为燃料的燃气轮机发电。然而，为了展示氨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示范试验，并于2014年通过将约30%的氨与煤油共燃，成功地产生了21千瓦的电力（2014 年 9 月 18 日 AIST/JST 联合新闻公告）。

　此后，我们进行了以氨为主要燃料的燃气轮机运行技术开发，近期安装了大流量氨供应设备和甲烷供应设备，并进行了以氨为主要燃料的燃气轮机发电示范试验。示范测试在AIST福岛可再生能源研究所（福岛县郡山市）进行。

　这项研究开发是在内阁府SIP（战略创新创造计划）“能源载体”[项目主任村木茂]的研究主题“氨直接燃烧”[研究主任小林秀明]下进行的，该项目于2014年启动。“氨内燃机的技术开发”[研究主任稷典彦]。

用于燃烧测试微型燃气轮机发电装置如图1所示。发电设备配备了能够以大流量稳定地向煤油和氨混燃的燃烧器供应甲烷和氨气的设备，该燃烧器建于2014年。燃气轮机的燃料流量控制程序也得到了改进，允许以最多煤油、氨和甲烷中的任意两种组合提供燃料。结果，使用额定输出50kW的燃气轮机发电机，通过甲烷-氨混烧和纯氨燃烧，成功发电了418kW，约占输出的80%。另外，燃烧后氮氧化物 (NOx),脱硝设备处理，NOx满足环境部排放标准（16%氧气 (O₂) 转换下的 70 ppm)₂换算为低于 25 ppm)。

图1可直接燃烧氨的微型燃气轮机发电装置

　在甲烷-氨混合燃烧试验中，燃气轮机通过向液体燃料喷射阀供给煤油来启动。转速快速增加后，开始发电，同时将转速维持在75,000rpm。产生26kW的功率且转速稳定后，将甲烷供给气体燃料喷射阀进行甲烷燃烧，并停止煤油供给。接下来，即使将甲烷和氨混合直至体积流量比为1:25（发热量1:1），也可以稳定发电。此后，在控制燃料供应和转速的同时，发电输出逐步增加，在额定转速80,000 rpm时达到418 kW（图2）。

图2 甲烷-氨混燃试验中燃料供给和发电量的变化

　另外，在纯氨燃烧试验中，通过供给煤油启动燃气轮机后，增加氨供给量并切换为纯氨燃烧，然后检查输出。在额定转速80,000rpm时，实现了418kW的发电输出（图3）。

　这些试验结果表明，在以天然气为主要燃料的大型火电厂中，逐步采用氨替代部分燃料，通过纯氨燃烧减少CO₂这意味着有可能进行免费大规模发电，并显示了氨作为氢载体的潜力，可以显着减少温室气体排放。

图3纯氨燃烧试验中燃料供应和发电量的变化

　另外，在两次试验中，通过在燃烧后的废气中添加适量的氨，利用脱硝装置对NOx进行处理，将排放量降低至10ppm以下。在纯氨燃烧中，残留有 11 ppm 的未燃烧氨，但在脱硝设备下游未检测到。已经清楚的是，甲烷-氨混合燃烧即使在相同的发电条件下也不会残留未燃烧的氨，并且燃烧比仅氨燃烧更强。

　今后，我们计划详细研究使用甲烷-氨混合燃烧和纯氨燃烧的燃气轮机的特性，获得强化燃烧、低NOx燃烧以及实现实用的氨发电系统的知识，并示范该技术。

◆氨

分子式为NH₃表示的氮和氢的化合物在室温和压力下，它是一种无色气体，具有强烈的刺激性气味。它是一种含有高比例氢气（按重量计18%）的氢载体，由于在压力下容易液化（20℃时在85个大气压下液化）并且相对易于储存和运输，因此有望得到使用。氢气和氮气的合成需要高温高压（传统方法为200个大气压和400摄氏度以上），以及直接燃烧时需要去除废气中的NOx等问题，实际应用的研究正在取得进展。[返回来源]

◆燃气轮机

原动机的一种，是一种通过燃料燃烧产生高温高压气体，并通过旋转转子叶片产生旋转动能的内燃机。应用包括航空，例如喷气发动机和天然气发电。[返回来源]

◆氢载体

氢气作为能源和燃料具有优异的特性，因为它可以使用燃料电池轻松转化为电能，并且燃烧时不会产生二氧化碳。用于储存和运输大量氢气的材料称为氢载体。[返回参考源]

◆甲烷

一种易燃气体，约占天然气和城市煤气成分的90%，分子式为CH₄表示的碳和氢的化合物[返回来源]

◆微型燃气轮机

一种小型燃气轮机，用于热电联产系统，同时为分布式（小型）发电提供电力和热量。[返回来源]

◆氮氧化物(NOx)

一氧化氮 (NO) 和二氧化氮 (NO₂)是氮和氧结合形成的物质的总称。它是光化学烟雾和酸雨的原因之一，包括热力氮氧化物（当燃料在高温下燃烧时，空气中的氮和氧结合时产生）和燃料氮氧化物（来自燃料中的氮）。[返回来源]

◆脱硝设备

一种从废气中去除燃烧产生的氮氧化物的装置。这次使用的设备利用氨供给和催化剂将氮氧化物转化为氮分子（N₂) 和水 (H₂O)。[返回来源]

◆氧气(O₂) 浓度转换

当用空气稀释时，实际测量的废气中各成分的浓度会变低。因此，当调节废气时，基于以下假设来计算废气浓度：确定了废气中的氧浓度并且将空气混合到废气中（或者从废气中去除空气）以达到该值。[返回来源]