燃燒氫氨能源的清潔環保供熱技術研究
汪琦， 張慧芬， 俞紅嘯， 汪育佑
（上海熱油爐設計開發中心 上海 200042）
摘 要：介紹了零碳排放燃料氫能源與氨能源的優點，分析比較了氫能與氨能的運輸、儲存、安全性、經濟性、相互轉化、相互融合、混合燃燒等特性，研究了燃燒氫氣導熱油爐的結構型式，討論了發電廠燃煤鍋爐混合燃燒氨氣的減少碳排放技術，展望了氫能源與氨能源中應用成長較快的行業領域發展前景。
關鍵詞：氫能源；氨能源；清潔環保供熱；燃氫導熱油爐；煤氨混燒發電；減少碳排放
前 言
隨著CO2溫室氣體減少排放目標的提高，必將推動從燃燒化石燃料轉向替代能源的過程，目前可以使用的替代燃料包括氫、氨、甲醇、生物燃料、電池和核能。氨（NH3）是由一個氮原子與三個氫原子結合而成的化合物，常溫下是一種無色氣體，易揮發、可燃，其極具辨識度的強烈刺激性氣味，但由于不含碳，因此在用作為燃料時不會排放任何CO2，這就創造了真正的零碳排放燃料。
由于氫氣需要保持在-253℃的低溫液氫儲罐內，或者以氣態儲存在壓力高達70MPa的無縫鋼質氣瓶、鋼帶錯繞式儲氫容器、多層包扎式高壓容器中。但是，氨氣的液化需要較少的冷卻，在常壓下-33℃左右，或者常溫在1MPa左右即可成為液態。因此，攜帶氨氣相比運輸氫氣具有明顯優勢。
另外，氨氣在一定條件下可以裂化為氮氣和氫氣，這也為氫氣的存儲和運輸提供了另外一種可能性，即通過在生產加工源頭地方采用氫氣制造氨氣，運輸產生的氨氣到達使用地區，然后在使用的地方重新還原為氫氣，從而降低了氫氣運輸的成本。
目前中國氨氣的年產量為5000萬噸，占到全球的四分之一，價格為4000元/噸，而氫氣的價格為60000元/噸。所以，氨氣本身作為無碳燃料，能夠作為清潔燃料直接燃燒，這就意味著不必再將氨氣分解為氫氣后再進行燃燒，故氨氣的利用效率就明顯提升了。氨能源的優點是碳排放為零、能量密度高，易于液化（1MPa或-33℃），且具備完善的儲存運輸基礎設施，可作為氫能載體；另外，合成氨的產量和生產效率要高于液氫，并且氨的成本低、具有優良的安全記錄。因此，氨能源是所有交通裝備燃料替代品，故燃燒氨氣的應用將會非常廣泛。
1．氨能源
氨是世界上產量最高的無機化合物之一，2021年的合成氨年產量大約在1.8億噸左右，其中約80%應用于化肥生產，其它則主要用于工業制冷劑，以及生產多種工業原料。雖然氨氣可以燃燒，但是長期以來氨能源并沒有被廣泛作為一種可以使用的能源形式，且與能源最大的關系也主要是作為氫能的載體。但氨氣本身擁有作為能源的潛力，并且在環保需求持續高漲的今天，也應該得到來自能源產業的關注。盡管不及氫能那樣在“碳中和”與“綠色經濟”的未來規劃中占據重要位置，一些能源行業參與者仍開始考慮越過將氨氣還原為氫氣這一步驟，直接嘗試將氨氣作為能源進行大規模使用。
氨氣在37.8℃的蒸汽壓力為1.46MPa，氣體相對容易液體，臨界溫度為132℃的氨氣在大氣溫度（25℃）加壓時可以液化；所以，氨氣可以通過在室溫下施加一定的壓力來進行液化。液氨可以方便地儲存在加壓罐或低溫罐中，液氨可以在1MPa左右的加壓罐中儲存、或者在-34℃左右的低溫罐中儲存。而從燃料儲存和運輸方面來看，氨氣比生物柴油或甲醇要差一些，但在儲存方面要比沼氣或氫氣要好很多。
由于氨氣是無色的、且具有強烈的氣味，但是氨氣幾乎沒有爆炸性，因此當氨氣發生泄漏時可以立即被檢測到。另外，氨氣比空氣輕、且具有良好的通風性，故泄漏的氨氣傾向于集中在天花板或者高處位置，因此，很容易控制泄漏的氨氣。
雖然氨氣不是高度易爆的，但空氣中僅有0.25%的濃度即可導致人員死亡，從而使得氨氣對人具有高度毒性。另外，氨氣的燃燒會釋放N2O（俗稱笑氣），N2O是排在CO2與甲烷之后的第三大溫室氣體，N2O所造成溫室效應的后果大約是CO2的200倍，因此，需要安裝污染氣體減排裝置來控制NOX的排放。
目前氨氣直接作為燃料燃燒也存在不少的技術阻礙，首先就是氨氣作為優勢的安全性能在燃燒層面的劣勢，氨氣的燃點為651℃，需要較高溫度才能燃燒，這就意味著氨氣燃燒的速度較慢，難以穩定持續的燃燒，從而使得產生的熱量不如氫氣。這也帶來了氨氣直接燃燒的另一個弊端，氨氣和氧氣完全燃燒后，生成的氮氣和氧氣當然不是有毒有害氣體，但是氨氣的燃燒特性使得氨氣難以完全燃燒，此時便會發生氨氣不完全燃燒產生一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），而這兩種物質都是有毒有害氣體。
由于對氨氣作為一種能源的研究不夠深入，氨氣燃燒速度、火焰結構、點火延遲、污染物形成等關鍵參數仍不完善，對氨燃燒的反應機理也未完全清晰，這些不足構成了將氨氣作為能源過程中的障礙，未來需要進一步深入研究氨氣燃燒的反應機理。探索氨能源和氨燃料動力系統在航運、船舶、內燃機、飛機、汽車、市政、電力、工程、港口等清潔新能源市場的機遇與發展趨勢。
2020年底日本公布了“綠色增長戰略”行動計劃，氨能源被重點提及。在2021年4月份日本政府公布的計劃是：2023年之前將突破燃煤火力發電廠的混合氨燃燒技術；2025年可將氨含量為20%的燃料投入實際應用；2040年實現100%的氨燃燒火力發電技術開發；2050年氫氣和氨氣發電將占日本總能源產量的10%左右。
在2021年11月份日本政府公布了第六版能源戰略計劃，首次將氫氣和氨氣的燃燒納入國家能源戰略計劃中，明確提出了優先推廣氨氣和氫氣混合燃燒的發電技術，2050年要實現100%氨氣和氫氣混合燃燒發電。這事實上也是氨氣和氫氣真正作為清潔能源的利用方式，即直接作為燃料進行燃燒發電。
在2020年12月7日韓國產業通商資源部主持召開的“第二次氫氣和氨氣發電推進”會議上，韓國政府宣布將2022年作為氫氣-氨氣發電元年，并制定了發展計劃和路線圖，力求打造全球第一大氫氣和氨氣發電國家。會議宣布韓國政府將投入400億韓元用于有關基礎設施的建設，并且在2023年前制定“氫氣和氨氣發電指南”。
在2021年11月17日韓國能源部公布了氨能和氫能的高溫燃燒計劃，目標是推動氫氣、氨氣與天然氣、煤炭混合燃燒發電，計劃到2027年完成將氨作為無碳發電燃料的研究和測試，從2030年開始實現氨燃料發電商業化，并將氨氣發電的比例提高到要占韓國全部發電量3.6%，以減少其在電力生產中對煤炭和液化天然氣的依賴，到2050年要實現完全零碳氨燃料發電達到21.5%，氫能發電達到13.8%。
日本三菱重工目前開發的4萬千瓦100%純氨燃料發電機，已經能夠控制氮氧化物的排放在100ppm（百萬分之一）、甚至可以達到10ppm以下；日本大阪大學已經完成了10～100千瓦的氨氣燃燒爐的穩定燃燒工業試驗，且基本具備了工業級的生產條件。
韓國船級社在2021年3月授予韓國船舶技術株式會社研發的“8000噸級氨燃料動力加注船”原則性認可證書，使其成為韓國第一艘以船用輕質柴油（MGO）和氨為雙燃料的8000噸級氨燃料加注船。
2．氫能源
氫能是最清潔的能源，其制備原理非常簡單，工藝也有已經成熟的規?；a技術（AEC，堿性電解），有在快速發展的下一代技術（PEM，質子交換膜電解；SOEC，固體氧化物電解），可以與風電光電廠完美結合，就地解決消納儲能等一系列高效利用綠色電力的問題。
所以，氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，以綠色低碳為方針，加強氫能的綠色供應，營造形式多樣的氫能消費生態，提升氫能源的安全水平。發揮氫能源對碳達峰、碳中和目標的支撐作用，深挖跨界應用潛力，因地制宜引導多元化應用，推動交通、工業等用戶終端的能源消費轉型和高耗能、高排放行業的綠色發展，減少溫室氣體排放。
氫能是一種極難儲存的物質，氫氣的臨界溫度為-239.9℃，而維持這種低溫意味著很高的能耗，導致了氫氣目前只能依賴高壓氣體鋼瓶這種相對低效的方式轉運，從而運輸成本居高不下。另外，氫氣作為自然界最輕的元素，其分子穿透力極強，很容易發生泄漏，且對金屬物質還有一定的腐蝕性，對儲氫罐與運輸管道（特別是接縫位置）的材料選擇提出了很高的要求，但性能如此優秀的材料其價格必然不會便宜；所以，如何進行高效的中長期儲氫是其行業需要解決的難題。
同時氫氣還是一種非常危險的物質，極端易燃易爆，而這再搭配氫氣易泄漏的特征，導致了必須將安全標準維持在極高的水平，而這又需要一項很大資金費用。
除了氫氣的儲存運輸問題之外，氫能雖然單位質量的能量密度高達142MJ/kg（標準煤為20.8MJ/kg），但單位體積的能量密度卻很低，而作為一種密度極低的物質，這才是對氫氣更為重要的一項指標。液態氫的能量密度約為2.4千瓦時/每升（汽油的能量密度為9千瓦時/每升），而這已經是最為理想的數據，考慮到大部分情況下氫氣并不能以液態方式轉運，所以會進一步降低了氫能的經濟效益。因此，需要穩步推進氫能多元化示范應用工程，即在氫能源行業中成長較快的領域內率先有序推進示范應用項目：
（1）氫能源車輛領域
主要以推廣氫能商用車型為主，在車輛領域內要特別強調氫能將是鋰電的補充。
（2）儲能領域
發揮氫能調節周期長、儲能容量大的優勢，打造“風光氫儲”一體化，探索氫能跨越能源網絡協同優化的潛力，未來氫能更多扮演的是能源靈活轉換載體的角色。
（3）推廣氫能在分布能源領域的應用
在可再生能源基地，探索以燃料電池為基礎的發電調峰技術研究與示范作用。
（4）探索氫能在工業生產中作為高品質熱源的應用
擴大工業領域氫能替代化石能源應用的規模，氫氣也可直接作為燃料使用，混入天然氣中進行混燒或者在純氫燃氣輪機中直燃，未來氫能將在工業生產過程中減少碳排放發揮關鍵作用，是“碳中和”不可缺少的一環。
3．燃燒氫能源的導熱油爐
燃燒氫能源的導熱油爐結構是由氫氣燃燒器、爐本體、煙箱、保溫層、內外保護板、尾部煙氣余熱回收裝置等幾部分組成[1]。立式結構的導熱油爐本體上安裝支撐鋼架，爐體頂部與煙囪相連，爐體底部設有氫氣燃燒裝置，導熱油爐體是由外護鋼板、耐火保溫層和內護鋼板依次包覆而成，燃燒氫氣的爐膛作為輻射段，爐膛內布置有螺旋狀的緊密螺旋盤管，對流段內設置有若干組蛇形管片。
氫氣燃燒器安裝在爐膛燃燒室的底部，爐膛燃燒室的上部安裝了對流室，且煙氣對流室與煙道及排煙口相連通。立式結構燃燒氫氣導熱油爐內的導熱油在螺旋盤管中螺旋上升，從而有利于爐管內的排氣上升至高位膨脹槽內；而在停爐檢修時爐管內的導熱油可以自由向下流動，從而便于爐管內的導熱油向下排放出來依靠重力作用流到低位儲油槽中[2]。
燃燒氫能源的導熱油爐供熱系統包括氫氣燃燒裝置、氫氣預處理系統和自動控制系統，氫氣燃燒裝置安裝于爐體底部，氫氣燃燒裝置采用多股擴散燃燒方式，可以有效防止回火，提高了氫氣燃燒穩定性和可靠性。
氫氣預處理系統與氫氣燃燒裝置相連接，氫氣預處理系統是由過濾器、密封槽和多級冷卻器組成，冷卻器為管殼式換熱器結構，冷卻器由殼體和在豎直方向上平行排列有若干根進氣管組成，殼體上連接有冷卻進水管、冷卻出水管、第一疏水管和排放管，并通過排放管與密封槽相連，每級冷卻器間均由冷卻串聯管相連，從而形成串聯路徑，其中串聯路徑首端的冷卻器與氫氣輸入管相連，串聯路徑末端的冷卻器通過連接管與過濾器相連。過濾器內設有過濾網，過濾器的一端通過輸氣管與燃燒裝置相連，其另一端通過第二疏水管與密封槽相連。
石化廠或氯堿廠的工業副產氫氣通過氫氣預處理系統處理之后的純度可達到99%以上，從而能夠防止燃燒氫氣導熱油爐在燃燒過程中發生熄火的故障，因此，提高了燃燒氫氣導熱油爐使用的安全性和可靠性。
4．氨能源與氫能源的分析比較
氨能源相比于氫能源更容易運輸和儲存，氨氣相對于氫氣則更不容易燃燒，因此，氨氣是一種更加安全的燃料。另外，氨氣的沸點為33.36℃，氫氣的沸點為-252.9℃；所以，氨氣更容易液化，氨氣儲存和運輸所需的能量更少。最重要的是氨氣具有特殊的氣味，為其潛在的致命泄漏提供了早期預警，而這正是氫氣所沒有的顯著特征。
液氨是一種比液氫本身更有效、且能量密度更高的氫載體。NH3是一個氮原子和三個氫原子結合在一起，與H2相比，一升液氨中的氫要比一升液氫中的氫含量高，在相同體積的儲存容器中可以輸送更多的能量。
合成氨是世界上最重要的化學商品之一，也是生產量最廣泛的化學品之一，其包括裝卸在內的運輸法規和運輸基礎設施已經在全世界得到了廣泛地布置。一般情況下，液氨運輸和儲存是在中等壓力的儲罐中，這意味著氨能源可以快速應用到能源系統中需要氨氣的特定部門。另外，液氨有管道、鐵路、駁船、船舶、公路拖車與倉庫等多種運輸方式和貯運手段；因此，若是擴大氨能源的生產和分銷，則并不需要在基礎設施建設上投入大量的資金。
目前氫能源的利用和商業化進程緩慢，運輸氫氣既困難又昂貴，但一個廣泛的合成氨輸送系統已經存在了，與氨氣相關的設施成本要比氫氣低很多。如果采用綠色氫氣生產氨氣，就不會產生二氧化碳排放，與此同時，將綠色氨液化之后采用大規模運輸方式，可能是未來氫氣儲運的最佳方式之一。另外，氨氣燃燒后的產物是水和氮氣，不會造成碳排放；所以，氫能源產業目前正在向著氨能源方向發展。
但是氨氣存在不容易燃燒的缺點、且氨燃料點火難、燃燒慢，以及動態控制復雜等缺陷，需要想辦法解決，氨氣的燃燒速度低于氫氣，發熱量也低于氫氣和天然氣，將氨氣點燃并實現持續穩定燃燒比較困難。目前將氨氣作為燃料直接燃燒的技術研究開發中，保證氨氣的高速穩定燃燒和避免發生不完全燃燒的副反應產生有害氣體成為主要的研究開發目標。因此，采用氫/氨能源相互融合燃料的混合燃燒技術的研究開發，將為氫/氨能源燃燒之后的零碳排放技術創新與應用奠定堅實基礎。
目前在減少碳排放和“碳中和”的政策背景下，綠色氫能源有豐富的應用場景。一方面可以與新能源電站配合，發揮氫能儲能的作用；另一方面在工業領域中，氫能源也可以作為減少碳排放的工具。工信部發布的《“十四五”工業綠色發展規劃》明確提到了推進“綠氫開發利用”等新型污染物治理技術裝備基礎研究、以及在煉油石化工業中推廣“綠氫煉化等綠色低碳技術”。
因此，可以預計今后的綠色氫能需求將會有明顯增加，主要增量將會來自于工業領域大型國有企業的減少碳排放示范項目，同時新能源電站也有望對綠色氫能的制取、儲能等開展進一步探索研究開發。
2022年1月29日，國家發展改革委國家能源局關于印發《“十四五”新型儲能發展實施方案》的通知提到，要加大關鍵技術裝備研發力度推動多元化技術開發，開展儲能環節關鍵核心技術、裝備和集成優化設計研究，這其中就包括氫儲能與氨儲能。
5．結語
氫能源是未來國家能源體系的重要組成部分，要充分發揮氫能源作為可再生能源的規?；?，高效利用的重要載體作用及其大規模、長周期儲能優勢，促進異質能源跨地域、跨季節優化配置，推動氫能、電能和熱能的系統融合，促進形成多元互補融合的現代能源供應體系。
氫能源產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向，以科技自立自強為引領，緊扣全球新一輪科技革命和產業變革發展趨勢，加強氫能源產業創新體系建設，加快突破氫能核心技術和關鍵材料瓶頸，加速產業升級壯大，實現產業鏈良性循環和創新發展。實踐創新驅動促進氫能技術裝備取得突破，加快培育新產品、新業態、新模式，構建綠色低碳產業體系，打造產業轉型升級的新增長點，為經濟高質量發展注入新動能。
目前可應用的碳中性燃料、且以零碳排放進行生產和消費的燃料包括生物燃料、氫能和甲醇。但氨能源將會成為2050年最具潛力的三大燃料之一，而對氨能源表現出最濃厚興趣的是船舶行業，預計氨燃料在航運燃料中的使用量占比將從2030年的7%增長到2050年的20%左右。
而目前氨能源真正作為清潔能源的利用方式是將氨氣直接作為燃料進行發電廠的燃燒發電，即采用混氨低氮煤粉燃燒器，將氨氣與其他燃料如煤粉、氫氣等混合燃燒方式，例如發電廠的燃煤鍋爐混氨燃燒技術，該項技術在40MWth（兆瓦）燃煤鍋爐內實現混氨燃燒熱量比例最高達到35%，氨燃盡率為99.99%，同時實現了氮氧化物的有效控制。
當然對煤的使用仍然不可避免地會產生碳排放，但是發電廠燃煤鍋爐的碳排放強度在混入氨燃燒后可以大幅度降低，而且能源輸出也更有保障；因此，把燃煤發電采用燃煤/氨混合發電取代也算是一種可行的“碳中和”解決方案。該項技術也可應用于工業領域的燃煤鍋爐，通過對現有燃煤鍋爐低成本的燃煤混氨燃燒改造，實現化石燃料的替代，從而達到燃煤鍋爐大幅度減少排放二氧化碳的目標。
參考文獻：
[1]汪琦，張慧芬，俞紅嘯等. 氫能導熱油爐結構設計開發及氫能源產業展望[A]. 第十四屆廣東紡織助劑行業協會年會論文集[C]. 廣東汕頭，2022年8月：373-377.
[2]汪琦，張慧芬，俞紅嘯等. 燃天然氣導熱油爐的設計開發[J]. 工業爐，2019，41(2)：41-45.
作者簡介：
汪琦，碩士，高級工程師，長期從事于熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。
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