氢能点评报告：煤电低碳化改造建设行动方案出台，绿色氢氨+火电助力双碳目标实现

煤电低碳化改造建设行动方案出台，绿色氢氨+火电助力双碳目标实现 氢能点评报告 氢能 投资评级：推荐（维持） 投资要点 事件：《煤电低碳化改造建设行动方案（2024—2027年）》出台：7月15日， 发改委等发布《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027年)》提到，未来煤 2024年07月31日 证券研究报告|产业点评报告 分析师：张锦 分析师登记编码：S0890521080001电话：021-20321304 邮箱：zhangjin@cnhbstock.com 研究助理：张后来 邮箱：zhanghoulai@cnhbstock.com 销售服务电话： 021-20515355 行业走势图（2024年7月30日） 资料来源：iFinD，华宝证券研究创新部 相关研究报告 1、《动力电池行业周报：两部门印发关于加力支持大规模设备更新和消费品以旧换新的若干措施2024.07.20-2024.07.26》2024-07-29 2、《动力电池行业周报：广东省能源局发布关于印发电动汽车充电基础设施设备更新计划的通知—2024.07.13-2024.07.19》2024-07-22 3、《天合元氢签署西班牙合作协议，国内制氢企业加速进军绿氢国际市场—氢能点评报告》2024-07-16 电将利用可再生能源富余电力制绿氢并合成绿氨，实施燃煤机组掺烧绿氨发电，改造后煤电机组应具备掺烧10%以上绿氨能力。此前，国家能源局2024年3月18日发布的《2024年能源工作指导意见》指出，要深入探索火电掺烧氢、氨技术，并强化试点示范。 氨是应用前途广泛的无碳燃料：氨掺烧可根据反应设备分为在锅炉中反应的氨煤掺烧和在非锅炉设备中反应的氨与其他活性燃料掺烧。煤-氨掺烧将一定量氨掺入煤炭中混烧，增强燃料的可燃性和稳定性，同时减少NOx等有害气体的排放，以实现减排。目前，国内外相关研究主要针对高掺氨比条件下的燃烧困难以及氮氧化物排放等问题。非锅炉设备可分为内燃机和燃气轮机两种，内燃机中氨易稳定燃烧，同时通过氨和其他燃料的等混合燃烧可改善氨自身较差的燃烧性质；而燃气轮机更有利于火焰传播同时可适应不同燃料的结构改造。 天然气-氢掺烧能够减少温室气体排放，提高能源利用效率：天然气-氢掺烧将一定量氢气掺入天然气进行混烧，能够有效改善燃气燃烧质量和烟气排放。氢气相比天然气有着更好的燃烧性质，且实际应用中，天然气掺氢位置的不同可以带来差异化的应用规模。在技术进展和项目成就方面，国际上如西门子、三菱日立、通用电气等多家公司围绕富氢燃烧器开展研究，实现了包括提高火焰稳定性和燃烧效率在内的多方面突破。同时，处于对碳中和目标的追求，各国政府大力开展天然气掺氢项目，氢能应用场景更加广泛。 国内绿色氢氨掺烧项目建设情况：双碳目标下，传统火电行业面临升级转型的压力，氢氨掺烧项目的发展在实现低碳化能源互联的同时打开了绿色氢氨发展的潜力市场。国内以国家电投、国家能源、上海电气为代表的多家公司联合各高校及研究院开展掺烧技术的研究合作，实现了包括掺烧设备、掺烧技术等多方面的突破。展望未来，随着氢氨能利用场景的扩大，叠加氢氨耦合煤电市场的进一步打开，《方案》等政策推广落实，我国将实现氢能终端、氨能发电、氨能燃料等产业应用的无碳排放。 投资建议：随着相关政策规划的落地以及氢氨掺烧技术的突破，高掺烧率燃烧器设备研发有望加快，火电低碳化项目建设将迎来加速发展期，传统火电行业将面临更多与清洁能源耦合发展的机会，氢氨储运、锅炉设备、内燃机、燃气轮机、氨裂解器等行业的公司有望受益。 风险提示：技术发展不及预期、政策效果不及预期；本报告部分图表根据新闻资料整理，或存在统计不完备的情况。 内容目录 1.《煤电低碳化改造建设行动方案（2024—2027年）》出台3 2.《方案》的落地有助于氢氨掺烧对传统能源的进一步低碳化改造建设4 2.1.绿氨：应用前途广泛的无碳燃料4 2.1.1.锅炉设备中的煤氨掺烧4 2.1.2.非锅炉设备中氨与高活性燃料掺烧5 2.2.天然气-氢掺烧：减少温室气体排放，提高能源利用效率6 2.2.1.天然气掺氢燃烧效率高，应用规模差异化6 2.2.2.天然气-氢掺烧技术进展及项目成就7 3.国内氢氨掺烧项目建设情况9 4.投资建议10 5.风险提示11 图表目录 图1：2019-2023年全国氢产量（万吨）4 图2：2019-2023年全国合成氨产量及同比（万吨，%）4 图3：氨煤掺烧氮转化反应路径4 图4：典型NH3/H2/空气燃烧器与部分预混燃烧器对比6 图5：天然气输运、利用流程及不同掺氢位置模式7 表1：《方案》中涉及绿氢、绿氨的相关内容3 表2：典型的氨煤混燃实验装置5 表3：氢气与天然气的特性参数6 表4：富氢燃烧器研究进展7 表5：国际氢燃料燃机示范项目8 表6：2021-2024年国内氢氨掺烧项目汇总9 1.《煤电低碳化改造建设行动方案（2024—2027年）》出台 7月15日，国家发展改革委和国家能源局在国家发改委网站发布《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027年)》（以下简称“《方案》”）。该文件以统筹推进存量煤电机组低碳化改造和新上煤电机组低碳化建设、提升煤炭清洁高效利用水平、构建清洁低碳安全高效的新型能源体系、实现碳达峰碳中和为目标进行编制。《方案》提到，未来煤电将利用可再生能源富余电力制绿氢并合成绿氨，实施燃煤机组掺烧绿氨发电，改造后煤电机组应具备掺烧10%以上绿氨能力。 表1：《方案》中涉及绿氢、绿氨的相关内容 分类 具体内容 改造和建设方 式 绿氨掺烧 利用可再生能源富余电力制绿氢并合成绿氨，实施燃煤机组掺烧绿氨发电，改造后煤电机组应具备掺烧10%以上绿氨能力。 改造和建设要求 项目布局 实施绿氨掺烧的项目，所在地应具备可靠的绿氨来源，并具有丰富的可再生能源资源以满足绿氨制备需要。 机组条件 鼓励煤炭与煤电联营、煤电与可再生能源联营“两个联营”和沙漠、戈壁、荒漠地区大型风电光伏基地配套煤电项目率先实施绿氨掺烧示范。煤电低碳化改造建设项目应严格执行环境管理制度，确保各类污染物达标排放。绿氨掺烧项目氨存储设施原则上应建于煤电机组厂区外，项目实施单位应进一步明确并严格执行具体管理要求。 保障措施 优化电网运行调度 推动对掺烧生物质/绿氨发电、加装碳捕集利用与封存设施部分电量予以单独计量。 加强技术创新应用 加强煤电掺烧生物质、低成本绿氨制备、高比例掺烧农作物秸秆等技术攻关。 资料来源：国家发改委，华宝证券研究创新部 此前，国家能源局2024年3月18日发布的《2024年能源工作指导意见》指出，要深入探索火电掺烧氢、氨技术，并强化试点示范。除煤-氨掺烧外，国家重视并发展天然气掺氢技术，带动氢能全产业链的科技创新，提升国家能源领域的高端装备制造技术水平，推动能源绿色低碳转型。 根据国家能源局的统计，2023年我国煤炭发电量约为5.35万亿千瓦时，根据氢眼所见的统计，若实现《方案》中10%的完全替代，需要3亿吨氨，对氨的需求高于目前全球氨的总产量，有望打开绿色氨氢能源的消纳空间。《方案》中要求10%的氨煤掺烧比存在科学依据：当氨的混合比例小于10%时，氮氧化物的排放量与仅使用煤炭燃烧时相似；而当氨的混合比例超过10%时，随着氨混合比例的增加，NOx的排放量也会逐渐增加。此外氨的混入位置也会影响NOx的排放量。根据中国煤炭工业协会和国家统计局的统计，2019年以来我国氢气、合成氨产量规模持续增长，《方案》的出台将有助于进一步扩大氢氨的消纳空间，带来发展机遇。 图1：2019-2023年全国氢产量（万吨）图2：2019-2023年全国合成氨产量及同比（万吨，%） 资料来源：中国氢能联盟、国家能源局科技司，华宝证券研究创新部 资料来源：国家统计局，华宝证券研究创新部 2.《方案》的落地有助于氢氨掺烧对传统能源的进一步低碳化改造建设 2.1.绿氨：应用前途广泛的无碳燃料 2.1.1.锅炉设备中的煤氨掺烧 煤-氨掺烧将一定量氨掺入煤炭中混烧，增强燃料的可燃性和稳定性，同时减少NOx等有害气体的排放,从而实现减排的目的。在掺烧过程中氮以NH2自由基为主要中间体，向生成NO和N2两种方向进行转换，具体转换路径受燃料和氧气量决定。此外，氨喷入方式及喷入位置也显著影响NOx排放。 图3：氨煤掺烧氮转化反应路径 资料来源：汪鑫等《燃煤电站锅炉掺氨燃烧与排放特性综述》，华宝证券研究创新部 煤-氨掺烧在工业锅炉中进行，目前已实现从8.3MW到40MW的跨越，氨气掺烧率从0突破至25%，并在此范围内实现了稳定燃烧，然而，仍难以实现在燃煤电厂的大规模掺氨燃烧。目前，针对高掺氨比条件下的燃烧困难以及氮氧化物排放等问题，国内外学者利用不同设 备装置模拟实际锅炉环境，例如一维炉可最大程度地还原燃料在实际锅炉内燃烧的实际状况，而平焰燃烧器具有良好的光学可视性，可针对不同气氛下煤粉着火及火焰形态进行研究。借助不同实验装置，氨煤混燃的点火、燃尽、火焰传播、污染物排放、颗粒物生成等不同研究目标得以被研究突破。 表2：典型的氨煤混燃实验装置 实验仪器 平焰燃烧器 热重分析仪 滴管炉 一维炉 规模 实验室 微型 小试 中试 给料速度 5-10g/h 3-10mg/次 5-20g/h 1-5g/h 反应器类型 颗粒分散在气流中 固定床 颗粒分散在气流 中 气流床/悬浮窗 控制类型 分子扩散 动力学 分子扩散 分子扩散、湍流扩散、对流换热 热源 燃烧产物加热 外部加热 外部加热 自维持燃烧 加热速度/（K·s-1） 10^5 10-10^3 10^4-10^5 10^5-10^6 与实际锅炉相似程度 良好 低 中/低 高 研究颗粒物生成与积 灰的能力 良好 弱 弱 强 用途 火焰特性及点火过程 燃料反应性 反应性、颗粒物生成 燃烧特性、颗粒物生成、结渣沾 污特性 主要研究与优势 不同气氛下煤粉着火、燃烧，具有良好的光学可视性 煤粉反应性 煤粉热解，亚微米颗粒物生成特性 煤粉燃烧特性、细颗粒物生成、积灰沾污特性 研究 资料来源：王圣烨等《氨煤混燃技术在工业应用中的研究进展》，华宝证券研究创新部 2.1.2.非锅炉设备中氨与高活性燃料掺烧 除氨煤的锅炉混燃外，氨还可以与其他燃料在非锅炉设备，如内燃机、燃气轮机中进行混燃反应。内燃机通常被分为点燃式发动机和压燃式发动机2类，在氨燃烧上各有优势：NH3辛烷值高达130且抗爆震性能良好的特性更适用于点燃式发动机；同时压燃式发动机拥有更大的压缩比和更高的热效率。内燃机中氨较易稳定燃烧，但NOx排放偏高，且氨本身的燃烧强度低，需要通过调整运行参数或简单改造发动机结构实现NH3的高效燃烧，以及将NH3与原有内燃机燃料或H2等混合燃烧来改善燃烧性质。相比内燃机，燃气轮机采用定容燃烧，更有利于火焰传播，同时燃烧器能够有适应不同燃料的结构改造。目前NH3在燃气轮机中的燃烧主要采取极贫燃和微富燃2种方案，其中采用非预混燃烧技术既可实现NH3完全燃烧,也可降低NOx排放，提高燃烧稳定性。 图4：典型NH3/H2/空气燃烧器与部分预混燃烧器对比 资料来源：张瑞方等《氨燃料在燃烧设备中的应用及展望》，华宝证券研究创新部 2.2.天然气-氢掺烧：减少温室气体排放，提高能源利用效率 2.2.1.天然气掺氢燃烧效率高，应用规模差异化 天然气-氢掺烧将一定量氢气掺入天然气进行混烧，能够有效改善燃气燃烧质量和烟气排放。物化性质上，与天然气相比，氢气扩散速度更快、着火点更低、火焰传播速度较高，温度峰值较高，燃烧效率更高。 表3：氢气与天然气的特性参数 特性参数 氢气 天然气 气体密度/(kg·m-3) 0.0899 0.7174 液体密度/(kg·L-1) 0.071 0.43~0.47 液化温度/℃ -252.5 -161.5 低热值[MJ·(Nm)-3] 18 38.5 低热值/[MJ·(kg)-1] 143 50.1 爆炸极限/% 4.1~75 5.3~15 燃点/℃ 570 270-5