“双碳”背景下燃煤电厂制氨与氨利用进展_王放放.pdf

“双碳”背景下燃煤电厂制氨与氨利用进展王放放1于琳竹2李琦2赵光金1蒋昊轩2杨鹏威2杜铭哲2马双忱2*(1国网河南省电力公司电力科学研究院郑州450000;2华北电力大学环境科学与工程系保定071003)*联系人，马双忱E-mail:msc1225 163com2022-08-10 收稿，2022-09-09 接受摘要自 2015 年 12 月 巴黎协定 在巴黎气候变化大会上通过以来，世界各国都将碳减排作为政府工作中的重要任务。近年来，随着我国经济的发展和“双碳”目标的提出，有关“碳达峰、碳中和”的研究正在如火如荼地进行，各项碳减排措施正在稳步推进。各个行业，尤其是煤电行业也在抓紧寻找低碳生产和低碳排放的新出路。氨作为重要的工业产品之一，在国民经济中占有重要地位，寻找低碳排放的制氨方法代替传统高碳排放的制氨方式尤为重要。而在燃煤电厂中进行低碳制氨是提升运行灵活性、拓展产品链的重要途径。本文梳理了氨能未来发展的广阔前景和发展优势，重点总结了目前电化学催化制备绿氨技术的研究进展和现有成果，并针对燃煤电厂低碳制氨技术给出了技术路径，为电力行业“双碳”发展提供了新出路。关键词“双碳”战略燃煤电厂电解制氨绿氨储能Progress of Ammonia Production and Utilization in Coal-Fired Power Plantsunder the Background of“Dual Carbon”Wang Fangfang1，Yu Linzhu1，Li Qi2，Zhao Guangjin1，Jiang Haoxuan2，Yang Pengwei2，Du Mingzhe2，Ma Shuangchen2*(1State Grid Electric Power esearch Institute of Henan Province，Zhengzhou，450000;2Department ofEnvironmental Science and Engineering，North China Electric Power University，Baoding，071003)AbstractSince the adoption of the Paris Agreement at the Paris Climate Change Conference in December2015，countries around the world have made carbon emission reduction as an important task in government work Inrecent years，with the development of China s economy and the proposal of the“dual carbon”goal，the research on“carbon peaking and carbon neutrality”is in full swing，and various carbon emission reduction measures are steadilyadvancing Various industries，especially the coal power industry is also scrambling to find new ways of low-carbonproduction and low-carbon emissions As one of the important industrial products，ammonia occupies an importantposition in the national economy It is particularly important to find a low-carbon emission ammonia production methodto replace the traditional high-carbon emission ammonia production method Low-carbon ammonia production fromcoal-fired power plants is particularly important to improve operational flexibility and expand the product chain Thispaper summarizes the broad prospects and development advantages of ammonia energy in the future，and focuses onsummarizing the current research progress and existing achievements of electrochemical catalytic preparation of greenammonia technology A technical path is given for the ammonia production technology of coal-fired power plants，which provides a new way for the“dual carbon”development of the power industryKeywords“Dual carbon”strategy，Coal fired power plants，Electrolytic ammonia production，Greenammonia，Energy storage二氧化碳等温室气体排放与全球气候变化之间存在直接关系1。为应对全球气候问题，2020年 9 月，国家主席习近平在第 75 届联合国大会一般性辩论中向全世界庄严宣布，中国力争在 2030323http:/wwwhxtborg化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期DOI:10.14159/ki.0441-3776.2023.03.009年前碳排放达到峰值，争取 2060 年前实现碳中和目标2。我国目前碳排放总量仍居世界之首，碳排放总量大、强度高，减排任务艰巨，创新替代是主要实现途径。“碳达峰、碳中和”目标的设定使碳减排、封存以及运输技术受到各行业的广泛关注，然而我国 CO2捕集封存利用技术目前尚未展现出足够的商业化可行性。发达国家从碳达峰到碳中和的过渡时期有 5070 年，而对于我国来说只有30 年的时间3。因此，我国面临的能源和经济转型的压力都要远远大于发达国家。反观现实情况，我国绿色能源和绿色碳汇的快速发展受限，且现有工业过程的减排潜力有限，依靠现有路径难以完成“碳中和”任务。因此，为实现我国的“双 碳”目 标，急 需 开 发 新 的 低 碳 排 放 工 业路线4。氨是由一个氮原子和三个氢原子组成的化合物，其充分燃烧不会排放出 CO2，有助于降低环境负荷。作为天然的储氢介质(含氢质量分数17.6%)，氨具有易液化、方便储存和运输等优势5，且氨作为重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，是一种应用前景广阔的清洁能源。近年来，氢能被视为是实现“双碳”目标的重要路径之一6，作为可代替煤炭、天然气的新能源而备受关注。与同样被视为下一代燃料的氢气相比，氨可以直接在现有的火力发电设施混烧利用，且成本较低，是其备受关注的重要原因。此外，从氨中可以得到氢气，纯氢的技术处理较为困难，而有了氨的替代，更有利于目前技术的活用。在“碳达峰、碳中和”目标愿景下，氨作为一种零碳能源具有广泛的应用前景，将为电力、交通、工 业 等 领 域 实 现 减 碳 和 脱 碳 提 供 新 的选择7。1氨能应用氨作为一种无碳化合物，燃烧时只产生水和氮气以及少量的氮氧化合物，可以作为清洁能源来代替化石燃料8。此外氨作为富氢化合物，可用作燃料电池制氢的原材料9。我国是世界上合成氨产量最大的国家，每年合成氨总产能已达6000 万吨以上，占世界总产量的 1/310，11。工业生产过程中氨的用途十分广泛，它既是最重要的化工生产原料之一，又是各大化工厂、电力企业烟气治理不可或缺的污染物脱除剂，因此氨的生产可以说是国民经济支柱性产业中的重要一环。1.1氨储能氨储能体系是利用合成氨和氨分解时的热效应进行能量的存储和释放12。目前工业上采用Haber-Bosch 法合成氨，此方法成本较高13，14，合成氨气的过程中会排放出大量的 CO2，且需要高温高压的苛刻反应条件15，16。因此，寻找一种原料来源广泛、反应条件温和、生产过程清洁的方式合成氨是该领域的研究热点17。氨储能对地理条件要求不高，加之国内合成氨市场成熟，运输网络完善，氨储电可改善可再生能源位置依赖性问题，实现能量的地域性转移。因此，氨是非常有潜力的大规模储能介质18。氨储能体系的反应式为:2NH3+HrN2+3H2Hr=66.5kJ/mol(1)1.2氨燃料氨作为燃料使用主要有两方面优势:一是燃烧过程相对清洁，可实现零碳排放;二是热值较高，易储存运输且防爆特性好19。无碳氨有助于降低环境负荷，使用氨作为燃料，能够减少化石燃料消费的同时，由于氨本身不带有碳原子，其完全燃烧后的产物为 N2和 H2O，因此能够大幅度减少能源行业的 CO2排放量。氨与其他传统燃料的理化性能和部分燃烧特性20 如表1 所示，可以看出氨具有燃烧压力低、辛烷值高、最小着火点能量高等优势。此外，氨的运输和储存也更为方便，通常采用冷却和加压的组合形式进行储存。表 1几种燃料燃烧特性的比较21 Tab1Comparison of combustion characteristics of several fuels性能指标氨氢CNG乙醇汽油柴油化学分子式NH3H2CH4C2H5OHC8H18C12H26压力(25)/MPa 1.0370250.10.10.1辛烷值13013012089.785能量密度/GJ m311.839.421.232.235.4LHV/MJ kg118.81215026.943.842.5最小点火能量/MJ80.020.30.140.29理论空燃比6.14 34.814.46.5215.415.1火焰速度/cm s16300413940331.2.1氨燃料在发电领域的应用当前，我国超过一半的碳排放量来自电力行业。随着全社会电气化水平的提升，未来将有更多碳排放从终端用能行业转移到电力行业，进一步加大电力行业的碳减排压力21。根据中国电力企业联合会统计，截至 2020 年，我国火电装机容量占比为 56.58%，仍为我国当前电力主要供423化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期http:/wwwhxtborg应来源22。随着风能、太阳能、生物质能等可再生能源的比重在我国能源消耗中的占比继续大幅增加，火电正由电力供应主体向为电网提供调峰调频保障的基础电源转变23。由此可见，火电领域的技术创新急需向低碳环保、安全高效为研究重点进行转变。而氨作为一种潜在燃料，具有生产、储存、运输和分销比许多其他燃料更容易的优势，可以成为清洁发电的潜在燃料解决方案。未来，“电-氨-电”系统有望成为新型电力系统建设的重要储调模式之一24。1.2.2氨作为燃料电池原料氨燃料电池目前还在早期应用阶段，随着近年来其受到越来越大的关注，相关技术加快成熟，未来几年其性能将逐步提升25。氨作为一种无碳富氢化合物，价廉、不易燃、易于储存和运输，产业基础完善，恰好可弥补氢作为燃料所面临的不足，被认为是可替代氢用于燃料电池的理想燃料26。使 用 氨 供 电 的 固 体 氧 化 物 燃 料 电 池(SOFC)是最有效的发电方法。氨是一种良好的间接储氢材料，因氨分子中不含有碳原子，在使用其作为燃料电池的原料时不会释放出 CO2;此外氨的能量密度为 22.5MJ/kg，其热值高