氨能价值链

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氨作为一种减少温室气体排放的氢能源载体备受关注。通过将氢转化为氨并将其液化，可以大规模运输到遥远的需求地区。此外，通过将氨应用于火力发电，可以在利用现有基础设施的同时，平稳地向碳中和过渡。本文概述了构建新的氨能价值链的技术和业务发展，重点介绍了IHI公司的举措。

图1显示了从氨的生产到利用的价值链。IHI设想在天然气资源和可再生能源丰富的地区生产氨，通过船舶大规模运输，在日本国内的接收地进行储存，并将其用作火力发电和邻近地区的工业加热炉的燃料。

图1.氨能价值链

目前全球氨的年产量约为2亿吨，其中约10%通过船舶运输在国际上流通。氨的主要用途是肥料、化工原料，和废气脱硝设备的还原剂，而将其用作发电燃料时，流通量将大幅扩增。为了达到这一点，从构建能源价值链的初始阶段到可持续系统的实现，中间存在一个过渡阶段。

2.1. 氨生产

氨由氮和氢合成，碳中和氨包括以化石资源为原料结合CCS技术生产的蓝氨，以及利用可再生电力生产的绿氨。在蓝氨方面，IHI正考虑建立一个大型生产工厂（6000t/天以上），以进行大规模且低成本的生产；作为CCS，锅炉废气回收技术可用于从蒸汽重整器的加热燃烧排气中回收CO ₂ 。在绿氨的生产中，IHI正在开发更大尺寸的碱性、PEM型和SOEC型的水电解槽。另外，水电解槽生成的氢气为低压状态，需要消耗大量的动力进行压缩以供应给氨合成反应器（10~30MPa）。对此，IHI正在研发可在低压下合成的催化剂。生产成本取决于电价，预计当电费低于3日元（约0.15人民币）/kWh时，绿氨的成本才能与现在的蓝氨相当。

拥有着丰富天然气和可再生能源资源的澳大利亚、中东和北美等地有望从蓝氨逐渐过渡到绿氨，并且有多个提前布局能源出口的项目正处于研讨阶段。在澳大利亚的塔斯马尼亚，IHI正在与当地企业就利用250MW的水电厂建设年产20万吨绿氨的工厂进行可行性研究。

2.2. 氨燃料发电

氨的燃烧速度很低，约为甲烷的1/5，而且燃料中所含的氮气容易产生NOx和N ₂ O，因此稳定燃烧和控制排放是氨燃烧技术开发中的问题。

在燃气轮机燃烧技术方面，IHI正在推进混烧技术的开发，已在2MW的燃气轮机中实现了20%（热量比，下同）的氨混烧。为了高压燃烧器中实现高混烧率，IHI正在开发一种易于供应的液氨直喷燃烧技术。IHI已经实现了氨混烧率高达70%的稳定燃烧，并正在进一步推进氨专烧方面的开发。

IHI一直在开发用于燃煤发电锅炉的混烧技术。目前已成功开发了一种低NOx燃烧技术，该技术可在20%的氨混烧率下实现与煤粉专烧相当或更低的NOx排放量，IHI还与JERA合作，计划从2024年开始在1000MW的商业燃煤电厂开始实证运行。混烧率为20%时，氨消耗量为50万吨/年，相当于目前日本国内需求的一半，而CO ₂ 排放量为100万吨/年。此外，IHI还在推进更高混燃率锅炉的开发。

2.3. 氨的储存和运输

储存设备具有防外漏性能优异的金属双壳罐式单容储罐和PC（预应力混凝土）罐式全容储罐，更大型的储存设备采用PC储罐。在船舶运输方面，大规模运输在大气压下进行，而在日本沿海进行少量运输时，则以加压液化气体的形式进行。目前，为了减少船用发动机的CO ₂ 排放，日本和海外正在开发一种以氨为燃料的柴油发动机。IHI正致力于开发4冲程船舶用发动机，计划于2024年在一艘拖船上进行实装航行，并且将在未来推广用于其他装置。

图2显示了构建氨能价值链的路线图。到2030年，IHI将完成技术开发和社会面实施，同时推进基础设施和标准化的完善，以期扩展到亚洲其他国家。高效火力发电是日本擅长的领域，借助氨来实现碳中和，将帮助日本进一步领先世界。

图2 氨价值链路线图

迄今为止，各种燃烧技术的开发在较短时间内都取得了进展，这很大程度上得益于高校和研究机构在燃烧特性和建模等基础研究领域做出的巨大贡献。今后，需要进行研究和开发以进一步减少NOx排放和实现更高负荷，此外，利用燃料特性进行还原燃烧等，有望创造出新的附加价值。