一项关于在100兆瓦的天然气联合循环（NGCC）工艺中混合燃烧氨气、氢气和甲醇以实现碳中和的研究

《Fuel Processing Technology》：A study on the co-firing of ammonia, hydrogen, and methanol with natural gas in a 100 MW NGCC process for carbon neutrality

氢、氨、甲醇混烧降低CO?排放，但NO?增加。经济分析显示氢在2050年成本最低，氨和甲醇在过渡期更优。研究提出化石电厂通过混烧清洁燃料实现碳中和的可行路径，需平衡排放控制与经济成本。

　　### 中国科技新闻解读：探索氨、氢和甲醇共燃策略以实现碳中和目标

近年来，全球能源需求持续上升，这主要得益于人口增长和社会技术进步带来的影响。然而，这种增长主要依赖于化石燃料发电，尤其是煤炭和天然气联合循环（NGCC）发电系统。尽管天然气联合循环相比煤炭发电能够显著减少二氧化碳（CO?）排放，但仍无法完全实现碳中和目标。因此，科学家们正在探索多种策略，以进一步降低温室气体排放并提高能源系统的可持续性。

在这项研究中，科学家提出了一种共燃策略，即将氨（NH?）、氢（H?）和甲醇（MeOH）与天然气混合，在100兆瓦（MW）的天然气联合循环发电系统中进行燃烧，从而有效减少CO?排放。研究人员通过模拟不同共燃比例下的燃料消耗、CO?和氮氧化物（NOx）排放以及经济可行性，评估了这种共燃方式的潜力。研究发现，氢共燃在降低CO?排放方面表现最为显著，但会导致NOx排放增加。相比之下，氨和甲醇共燃虽然对CO?的减少效果较温和，但能够降低烟气温度和NOx的形成，从而在一定程度上平衡环境影响。

### 燃料特性与燃烧性能

不同燃料的燃烧特性在共燃策略中起着关键作用。氢具有较高的热值（LHV）和最大层流燃烧速度，这使得其燃烧效率较高。然而，氢在自然状态下并不存在，必须通过电解等方式进行生产，这增加了其运输和储存成本。此外，氢燃烧后仅产生水，不会排放温室气体，这使其成为实现碳中和目标的理想燃料之一。然而，由于氢的高成本和低能量密度，目前大规模共燃仍然面临挑战。

氨的燃烧热值较低，其燃烧温度也相对较低，这有助于减少NOx的形成。然而，氨燃烧过程中容易产生大量NOx，尤其是在高温条件下，这可能会对环境造成不利影响。为了减少NOx排放，研究中采用了选择性非催化还原（SNCR）技术，该技术能够在不使用催化剂的情况下有效降低NOx含量。尽管SNCR技术成本较低，但其效果受温度控制影响较大，需要精确的操作条件。

甲醇则是一种碳中性燃料，其燃烧过程中释放的CO?可以通过生产过程中的碳捕集与封存（CCS）技术进行抵消，从而实现净零排放。甲醇在常温常压下为液体，便于储存和运输，且其热值和燃烧特性与天然气相似，使其成为一种较为可行的替代燃料。然而，甲醇的燃烧仍会产生一定量的CO?，因此需要结合其他减排技术，如SNCR和选择性催化还原（SCR），以达到更严格的排放标准。

### 技术与经济评估

为了全面评估共燃策略的可行性，研究人员进行了技术经济分析（TEA），考虑了不同年份的燃料价格和碳税对成本的影响。结果显示，目前天然气发电仍然最为经济，而氨和甲醇共燃的成本相对较高。然而，在未来，随着技术进步和碳税的增加，氢的经济性将逐渐提升，最终可能在2050年超越天然气。同时，甲醇的经济性也会逐步接近天然气，这表明随着生产成本的下降和碳价格的上升，甲醇在未来的碳中和发电中可能发挥更大作用。

此外，研究还考虑了共燃策略对发电效率的影响。由于氢和甲醇的热值较高，它们的使用可以减少燃料消耗，从而降低总成本。然而，燃烧温度的升高可能会导致NOx排放增加，因此需要在燃烧条件和排放控制技术之间找到最佳平衡点。SNCR技术的引入有助于降低NOx排放，但其成本仍需进一步优化。

### 环境影响与未来研究方向

除了经济性，共燃策略对环境的影响也受到广泛关注。研究指出，氢和甲醇的燃烧虽然能够减少CO?排放，但它们的生产过程可能涉及较高的碳足迹。例如，甲醇如果来自化石燃料，其燃烧过程中仍会产生CO?，因此需要结合生命周期评估（LCA）来全面衡量其环境影响。同样，氢的生产依赖于可再生能源，如风能和太阳能，这将直接影响其在碳中和发电中的可行性。

此外，研究还强调了未来研究的方向。一方面，需要进一步优化燃烧反应器的设计，以提高燃料利用效率并降低排放。另一方面，应进行更多的实验验证和试点研究，以确保共燃技术在实际应用中的可靠性和经济性。同时，对共燃策略的环境影响进行全面评估，包括燃料生产、运输和使用过程中的碳排放，将有助于制定更加科学的政策和技术路线图。

### 中国视角下的能源转型

对于中国而言，推动化石燃料发电向碳中和方向转型是一项重要任务。中国作为全球最大的能源消费国之一，其能源结构以煤炭为主，天然气和可再生能源的使用比例相对较低。因此，探索氢、氨和甲醇等清洁燃料的共燃策略，不仅有助于减少温室气体排放，还能够提升现有能源基础设施的利用率，为实现碳中和目标提供新的思路。

未来，中国可以借鉴类似的研究，结合本国的能源资源和市场需求，推动清洁燃料的生产和应用。例如，发展氢气的电解技术，提高甲醇的绿色生产比例，以及优化氨的燃烧和排放控制技术，都是值得深入研究的方向。此外，政府和企业应加强合作，推动相关基础设施建设，如氢气储存和运输系统，以及氨和甲醇的供应链，以确保这些燃料能够大规模应用。

### 结论

这项研究为实现碳中和目标提供了重要的技术路径和经济评估。通过将氢、氨和甲醇与天然气共燃，可以在一定程度上减少CO?排放，同时保持较高的发电效率。然而，不同燃料在减少排放和经济性方面存在权衡，需要根据具体条件进行优化。随着技术进步和政策支持，氢和甲醇等清洁燃料有望在未来成为天然气发电的重要替代方案，为全球能源系统的可持续发展做出贡献。