如何解決火電低碳轉型問題？

以氫為基礎的綠氫、綠氨，是解決火電低碳轉型問題 的有效途徑之一，通過煤電摻氨燃燒至純氨燃燒和氣電摻氫燃燒至純氫燃燒，實 現火電向低碳調節電廠的轉變。

1.煤電摻氨

美國、日本、英國等發達國家均高度重視氨能源的研究。日本政府在 2021 年 公布了第六版能源發展規劃，計劃到2024年實現100萬火電機組鍋爐摻氨20%， 到 2030 年實現全國利用氫（氨）能發電量占總發電量的 1%。 中國在氨能源化利用方面起步較晚，但是研發進展迅速，當前已完成了 40 兆瓦中試平臺摻氨 35%（國能煙臺龍源）和 300 兆瓦發電鍋爐摻氨 10~35%的示 范研究（皖能銅陵電廠）。國內外科研機構的試驗結果均表明，燃煤鍋爐混氨燃燒可使得煤粉和氨良好燃盡，燃燒后氮氧化物排放不隨混氨比例增加而等比例升 高，且可通過分級燃燒等方式顯著降低氮氧化物排放。

火電摻氨主要有燃氣輪機摻氨和鍋爐摻氨兩種形式。關于燃氣輪機摻氨，目 前只有日本開發出了低 NOx燃燒器，中國燃氣輪機摻氨的技術路線仍然探索中。 關于鍋爐摻氨，目前有煤摻氨燃燒器技術和純氨燃燒器技術兩種技術路線。在鍋 55 爐運行的過程中，有四種運行模式，第一種是純煤燃燒器與純氨燃燒器同時運行； 第二種是純煤燃燒器與煤摻氨燃燒器同時運行；第三種是純煤燃燒器、純氨燃燒 器和煤摻氨燃燒器三種燃燒器同時運行；第四種是只有純氨燃燒器運行。目前來 看，前三種運行模式適合于近中期的碳減排策略，并且第三種運行模式下鍋爐摻 氨的可調節性更強，第四種適合于中遠期的發展需求。

從能源轉換效率來看，當前電解水制綠氫效率約 70%，綠氫與氮合成綠氨效 率在 70%左右，摻氨燃燒的亞臨界純凝機組效率約 40%。可再生能源制備綠氨后 摻燒的全流程轉換效率約為 20%左右，即相當于“電-氫（氨）-電”綜合效率為 20% 左右。 按當前技術進步水平，綠電制氫電解效率有望提升至 80%（每標方綠氫制取 耗電約 4.5 千瓦時），火電摻氨燃燒效率有望提升至 45%，則“電-氫（氨）-電” 效率有望提升至 25%左右；若未來綠電制氫電解效率能提升至 90%（每標方綠氫 制取耗電約 4.0 千瓦時），火電摻氨燃燒效率能提升至 50%，則“電-氫（氨）-電” 效率最高能提升至 31%左右。

2.氣電摻氫

近年來，隨著可再生能源發電裝機容量的快速增長，天然氣摻氫產業的發展 受到越來越多的關注。未來通過天然氣摻氫可以進一步提高天然氣燃燒效率，具 有節能環保效益，是天然氣發電未來低碳轉型的主要路徑之一。 中國在氣電摻氫方向積極探索，2021 年 12 月國家電投荊門綠動電廠在運燃 機成功實現 15%摻氫燃燒改造和運行，設計最高摻氫比例為 30%；同年 12 月， 廣東省能源集團旗下的惠州大亞灣石化區綜合能源站建設 2×600 兆瓦 9H 型燃氣 -蒸汽聯合循環熱電冷聯產機組，投產后兩臺燃機將采用 10%(按體積計算）的氫 氣摻混比例與天然氣混合燃燒；次年 3 月，浙江石化燃氣-蒸汽聯合循環電站項 目三臺西門子 SGT5-2000E 機組，先后點火成功，為世界首套天然氣與氫氣、一 氧化碳混合介質燃氣輪機。

氣電摻氫的發展與燃氣輪機的發展具備強耦合關系，目前 GE 在全球已有超 過 100 臺采用低熱值含氫燃料機組在運行，累計運行小時數超過 800 萬小時，其 中部分機組的燃料含氫量超過 50%，積累大量實踐經驗。GE 公司將零碳排放的 燃氣技術分為五步，目標在 2030 年前 GE HA 燃氣機具備 100%的燒氫能力，最 終實現零碳排放。因此，未來 100%燃氫的燃氣輪機，在技術上是可行的。

目前我國天然氣發電裝機約 1.1 億千瓦，預計“十四五”末將達到 1.5 億千瓦， 裝機規模快速提升。國內燃氣輪機整體水平暫與國際先進水平差距較大，尚未形 成嚴格意義上的燃氣輪機產業。2003 年至 2013 年，通過三次打捆招標以及后續 招標，東方、哈爾濱、上海等動力設備制造企業分別引進三菱、GE、西門子公司 的 F/E 級重型燃機部分制造技術，進行本地化制造，經過國產化四個階段和合資 熱部件企業，具備了重型燃機的整機生產能力。 重型燃氣輪機的燃料摻混氫氣比例可達 30~50％，工業燃氣輪機的燃料摻混 氫氣比例可達 50~70％。對于 F 級重型燃氣輪機燃燒器，氫含量在 20%以內時， 燃機燃燒器運行穩定，NOx 排放可以控制在 30 毫克/立方米內。燃機效率≥60%， 綠電-綠氫-燃機發電效率約 42%。