如何解决火电低碳转型问题？

以氢为基础的绿氢、绿氨，是解决火电低碳转型问题 的有效途径之一，通过煤电掺氨燃烧至纯氨燃烧和气电掺氢燃烧至纯氢燃烧，实 现火电向低碳调节电厂的转变。

1.煤电掺氨

美国、日本、英国等发达国家均高度重视氨能源的研究。日本政府在 2021 年 公布了第六版能源发展规划，计划到2024年实现100万火电机组锅炉掺氨20%， 到 2030 年实现全国利用氢（氨）能发电量占总发电量的 1%。 中国在氨能源化利用方面起步较晚，但是研发进展迅速，当前已完成了 40 兆瓦中试平台掺氨 35%（国能烟台龙源）和 300 兆瓦发电锅炉掺氨 10~35%的示 范研究（皖能铜陵电厂）。国内外科研机构的试验结果均表明，燃煤锅炉混氨燃烧可使得煤粉和氨良好燃尽，燃烧后氮氧化物排放不随混氨比例增加而等比例升 高，且可通过分级燃烧等方式显著降低氮氧化物排放。

火电掺氨主要有燃气轮机掺氨和锅炉掺氨两种形式。关于燃气轮机掺氨，目 前只有日本开发出了低 NOx燃烧器，中国燃气轮机掺氨的技术路线仍然探索中。 关于锅炉掺氨，目前有煤掺氨燃烧器技术和纯氨燃烧器技术两种技术路线。在锅 55 炉运行的过程中，有四种运行模式，第一种是纯煤燃烧器与纯氨燃烧器同时运行； 第二种是纯煤燃烧器与煤掺氨燃烧器同时运行；第三种是纯煤燃烧器、纯氨燃烧 器和煤掺氨燃烧器三种燃烧器同时运行；第四种是只有纯氨燃烧器运行。目前来 看，前三种运行模式适合于近中期的碳减排策略，并且第三种运行模式下锅炉掺 氨的可调节性更强，第四种适合于中远期的发展需求。

从能源转换效率来看，当前电解水制绿氢效率约 70%，绿氢与氮合成绿氨效 率在 70%左右，掺氨燃烧的亚临界纯凝机组效率约 40%。可再生能源制备绿氨后 掺烧的全流程转换效率约为 20%左右，即相当于“电-氢（氨）-电”综合效率为 20% 左右。 按当前技术进步水平，绿电制氢电解效率有望提升至 80%（每标方绿氢制取 耗电约 4.5 千瓦时），火电掺氨燃烧效率有望提升至 45%，则“电-氢（氨）-电” 效率有望提升至 25%左右；若未来绿电制氢电解效率能提升至 90%（每标方绿氢 制取耗电约 4.0 千瓦时），火电掺氨燃烧效率能提升至 50%，则“电-氢（氨）-电” 效率最高能提升至 31%左右。

2.气电掺氢

近年来，随着可再生能源发电装机容量的快速增长，天然气掺氢产业的发展 受到越来越多的关注。未来通过天然气掺氢可以进一步提高天然气燃烧效率，具 有节能环保效益，是天然气发电未来低碳转型的主要路径之一。 中国在气电掺氢方向积极探索，2021 年 12 月国家电投荆门绿动电厂在运燃 机成功实现 15%掺氢燃烧改造和运行，设计最高掺氢比例为 30%；同年 12 月， 广东省能源集团旗下的惠州大亚湾石化区综合能源站建设 2×600 兆瓦 9H 型燃气 -蒸汽联合循环热电冷联产机组，投产后两台燃机将采用 10%(按体积计算）的氢 气掺混比例与天然气混合燃烧；次年 3 月，浙江石化燃气-蒸汽联合循环电站项 目三台西门子 SGT5-2000E 机组，先后点火成功，为世界首套天然气与氢气、一 氧化碳混合介质燃气轮机。

气电掺氢的发展与燃气轮机的发展具备强耦合关系，目前 GE 在全球已有超 过 100 台采用低热值含氢燃料机组在运行，累计运行小时数超过 800 万小时，其 中部分机组的燃料含氢量超过 50%，积累大量实践经验。GE 公司将零碳排放的 燃气技术分为五步，目标在 2030 年前 GE HA 燃气机具备 100%的烧氢能力，最 终实现零碳排放。因此，未来 100%燃氢的燃气轮机，在技术上是可行的。

目前我国天然气发电装机约 1.1 亿千瓦，预计“十四五”末将达到 1.5 亿千瓦， 装机规模快速提升。国内燃气轮机整体水平暂与国际先进水平差距较大，尚未形 成严格意义上的燃气轮机产业。2003 年至 2013 年，通过三次打捆招标以及后续 招标，东方、哈尔滨、上海等动力设备制造企业分别引进三菱、GE、西门子公司 的 F/E 级重型燃机部分制造技术，进行本地化制造，经过国产化四个阶段和合资 热部件企业，具备了重型燃机的整机生产能力。 重型燃气轮机的燃料掺混氢气比例可达 30~50％，工业燃气轮机的燃料掺混 氢气比例可达 50~70％。对于 F 级重型燃气轮机燃烧器，氢含量在 20%以内时， 燃机燃烧器运行稳定，NOx 排放可以控制在 30 毫克/立方米内。燃机效率≥60%， 绿电-绿氢-燃机发电效率约 42%。