天然气与氨联燃的经济与环境评估

《Journal of Cleaner Production》：Economic and environmental assessment of natural gas-ammonia co-firing

　　氨能共燃发电的技术经济与生命周期评估及多准则决策分析。摘要后分隔符：

　　随着全球对可持续能源解决方案的日益关注，氨（NH?）作为一种具有潜力的清洁能源，正在成为替代传统化石燃料的重要选项。特别是在燃气轮机领域，氨与天然气的混合燃烧技术被广泛讨论，以期减少碳排放并实现更环保的发电方式。本文旨在通过技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）以及多标准决策方法（如层次分析法，AHP）的综合框架，系统评估氨与天然气混合燃烧发电的可行性，从而确定在不同时间尺度下的最佳策略。

### 氨作为可持续能源的前景

氨具有较高的能量密度，相较于氢而言，其体积能量密度更高，且在常压下即可液化，这使得氨在储存和运输方面更具优势。虽然氨的燃烧效率较低，且NOx排放问题仍然存在，但近年来的研究表明，通过优化燃烧方式，如采用低氧稀释燃烧或分阶段喷射技术，可以有效解决这些问题。例如，日本某公司已在20%氨与天然气混合燃烧的2 MW级燃气轮机中实现了显著的CO?减排效果，并通过改进燃烧器设计，使NOx排放控制在监管限值以下。此外，IHI与GE Vernova合作开发的氨燃气轮机燃烧系统也表明，即使在高比例混合燃烧的情况下，也能满足排放要求。

### 氨的分类与生产路径

根据生产方法的不同，氨可以分为灰色、蓝色和绿色三种类型。灰色氨主要通过甲烷重整制取，生产过程中会排放大量CO?，因此其环境影响较大。蓝色氨则在生产过程中采用碳捕集技术，以减少碳排放，但其成本相对较高。绿色氨则是通过水电解制取，几乎不产生CO?排放，是目前最具环境优势的生产方式。然而，氨的生产路径、运输和储存方式，以及燃烧后的处理过程，都会对整体的技术经济性和环境表现产生影响。因此，为了全面评估氨与天然气混合燃烧发电的可行性，需要将这些因素纳入考虑范围。

### 技术经济分析（TEA）的视角

从技术经济分析的角度来看，氨与天然气混合燃烧发电的成本与混合比例密切相关。研究显示，随着混合比例的增加，蓝色和绿色氨的平准化电力成本（LCOE）呈上升趋势，而灰色氨的LCOE则有所下降。这表明，当前情况下，灰色氨在经济上更具竞争力。然而，随着技术进步和绿色氨生产成本的降低，预计到2040年，绿色氨将在高混合比例下实现成本竞争力。此外，燃料价格的波动对LCOE的影响尤为显著，其中绿色氨的燃料价格敏感性最高，其次是蓝色氨，而灰色氨则最低。这说明，燃料成本是影响氨混合燃烧经济性的主要因素，尤其是在未来低碳转型的过程中。

### 生命周期评估（LCA）的视角

从生命周期评估的角度来看，绿色氨在环境表现上具有明显优势。研究指出，绿色氨在燃烧过程中能够显著降低全球变暖潜力（GWP）、化石资源稀缺性（FRS）以及臭氧形成潜力（OFP）。相比之下，蓝色氨由于上游供应链的因素，其臭氧形成和化石资源稀缺性之间的权衡并不理想，这可能对整体的环境效益产生负面影响。因此，在评估氨与天然气混合燃烧发电的环境影响时，绿色氨被认为是更优的选择。

### 多标准决策方法（AHP）的应用

为了在不同时间尺度下确定最佳的氨混合燃烧策略，本文采用了层次分析法（AHP）进行多标准决策分析。AHP通过将技术、经济和环境因素进行量化和权重分配，帮助决策者在多个选项中找到最优解。根据AHP的评估结果，当前情况下，天然气联合循环（NGCC）仍然是短期的最佳选择，因为它在成本和效率方面具有较高的优势。然而，长期来看，高比例混合绿色氨（80–100%）被认定为最优策略，因为它在减少碳排放和提升环境效益方面具有显著优势，同时随着绿色氨成本的下降，其经济可行性也在逐步提高。

### 工业应用与基础设施需求

在工业应用方面，氨与天然气混合燃烧技术已经进入实际测试和实施阶段。例如，日本JERA公司的Hekinan Thermal Power Station Unit 4（1 GW）已经成功实施了20%氨与天然气的混合燃烧，并通过现场改造，如安装预热器和氨供应管道，以及建立氨供应系统（包括输送管道、汽化器和储罐），实现了这一目标。这些改造措施表明，氨混合燃烧技术在现有基础设施基础上具有较高的适应性，不需要对强制送风风机、引风机或鼓风机进行大规模调整。此外，蒸汽和烟气温度曲线与传统煤炭燃烧相似，表明对热回收系统的改动需求较低。现有的选择性催化还原（SCR）基础设施仍然可以用于NOx控制，而氨喷射系统的引入则是这一技术的关键部分。

### 未来发展趋势与挑战

随着技术进步和政策支持，氨混合燃烧发电的经济性和环境效益有望进一步提升。然而，当前的氨生产成本仍然较高，尤其是绿色氨的生产需要大量的可再生能源支持，这可能限制其大规模应用。此外，氨的燃烧特性仍然需要进一步优化，以提高燃烧效率并减少NOx排放。因此，在未来的发展中，如何降低氨的生产成本、提高燃烧效率以及完善相关基础设施，将成为推动氨混合燃烧技术广泛应用的关键因素。

### 结论与建议

本文通过建立一个综合的TEA–LCA–AHP框架，系统评估了氨与天然气混合燃烧发电的可行性，并确定了不同时间尺度下的最佳策略。研究结果表明，当前情况下，灰色氨在经济上更具竞争力，而蓝色和绿色氨在环境表现上具有优势。随着绿色氨成本的下降，预计到2040年，其在高混合比例下的经济可行性将显著提高。因此，对于长期发展而言，高比例混合绿色氨被认为是更优的选择。同时，天然气联合循环仍然是短期的最佳策略，因为它在成本和效率方面具有较高的优势。未来的研究应进一步关注氨的生产技术、燃烧方式以及相关基础设施的优化，以推动这一技术在更广泛范围内的应用。