【百位大咖说】张宏武：氢燃料燃气轮机技术研究

GTF2024第十一届航空发动机和燃气轮机聚焦大会暨展览会 定于 2024年7月10-12日 在成都举办，以“会+展”的形式打造全方位深层次的合作交流展示平台。开设有院士论坛、高层闭门研讨会、青年菁英学者论坛、女性科学家论坛、两机产业参观、一带一路海外专场、产品发布/推介会、行业白皮书/榜单发布等活动，届时将有来自于国资委、工信部、科技部和国家能源局等相关部委部门的领导、两院院士、央企领导、跨国企业高管和知名教授专家等近200位演讲嘉宾、5000位两机行业核心从业者汇聚一堂，以主题演讲、圆桌讨论、一对一专访等多样形式充分进行知识与灵感的交汇、头脑与智慧的碰撞。

同时也将有150家核心参展单位携最前沿的科技创新和应用成果参展展示，预计总展出面积达10000平米，为“两机”行业奉上一场思想的饕餮盛宴！

以“面向低碳社会的燃气轮机技术”为主题，GTF2023第十届燃气轮机聚焦大会在无锡太湖国际博览中心隆重召开，无锡市副市长周文栋，第十届上海市政协主席、第九届中国动力工程学会理事长蒋以任，中国航空学会理事长林左鸣等重要领导出席开幕式并致辞，中国工程院院士倪维斗、中国工程院院士增材制造领域专家卢秉恒，中国工程院院士潘复生出席会议并作主题演讲报告。大会吸引了来自国内外高校、企业、科研机构等645家单位，近3000名嘉宾参会。

中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室主任张宏武就“氢燃料燃气轮机技术研究”发表主题分享。以下内容来源于大会现场速记：

女士们，先生们，朋友们，大家下午好。

我来自中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室。我们这个单位是纯国有的科研机构，所以我的报告内容可能跟其他的报告不是特别地一样，我们主要是针对燃气轮机技术的开发，特别是独创的纯自主研发的技术。

今天要跟大家分享的是氢燃料燃气轮机技术，主要是给大家报告一下，这么多年，我们所在氢燃料针对燃气轮机燃烧做的一些工作。

第二个是预混燃烧，现在市面上看到干式低污染的燃气轮机，比如说三菱、西门子，GE都是采用这种技术，但是在往里面掺氢的时候有一个掺氢的上限，比如说40%。国电投在湖南去年做了西门子掺氢，天然气掺氢大概掺30%，再往上掺就有安全性问题。所以天然气贫预混燃烧是有一个上限，现在主流各大燃机厂商都在做的是微混燃烧，用这种燃烧方式实现纯氢燃烧，同时实现干式低污染，这就是微混燃烧的目的。

紧接着在十一五，我们就做焦炉煤气燃烧室技术，当时是在山西卢安用国产的QD128燃机，我们改了一个烧焦炉煤气的燃烧室。现在第二个项目是河南利源，这是中航发的25MW燃机，烧焦炉煤气的燃烧室也是我们所开发的。

我们所实际上自己也有一款全自主研发的燃机是30MW的叫中科国盛，那个燃机目前是烧天然气的，我们也单独开发了柴油和焦炉煤气双燃料的燃烧室。

接下来说一下贫预混燃烧技术。氢燃烧容易回火，一般氢燃料回火有两种方式，一个是边界层回火，一个是燃烧诱导涡破碎回火，所以我们当时做了基础性研究，当时做到了氢含量60%。

做完机理性研究，我们就会做模型燃烧室的燃烧，这项工作做的也挺早的，大概也有十五六年了，当时是跟上海电气合作的，那会儿他们也想做一点这方面的探索，所以给他们做了一个模型的燃烧室，大概氢含量大概20%，做的效果还不错。

现在大家都是往微混上走了，因为你不是容易回火嘛，我就把射流的速度加快一点，把射流的面积变小一点，射流速度加快。这样的话就可以防止回火，现在不管是GE也好，西门子也好，三菱也好，大概都是走这个技术路线。

这是微混喷嘴的图片，实际上就是把一个大喷嘴变成了N多个小喷嘴，这样能够防止回火，这里面最重要问题是怎么实现低污染，同时防止热声振荡。有很多种结构，有交叉射流，同轴射流的，微扩散的，大家在网上可以搜一下有很多这方面的资料。排列方式也很多，有各种各样的。

我们所大概2017年开始做微混氢燃料的燃烧技术，从几何结构上有很多布局，比如说圆形的，菱形的，矩阵形的，这些东西我们都做过探讨，也做过很多机理性的试验，看一看污染物的排放，包括热声振荡的水平。

从研究计划上来讲，我们是想分阶段做，不是一步到位的，第一阶段是想做到60%掺氢，2026年想做整机试验，因为我们自己有一款30MW的燃机嘛，到2028年做到纯氢微混燃烧室，这就是我们的一个研制计划，现在基本上我们是按照这个计划在走的。

我们为什么能做这些事呢？除了我们机理研究的理论上的认识之外，实际上我们所各种科研条件是很齐全的，这个在廊坊有一个偏基础的纯氢燃烧的实验台，就是做模型燃烧室的实验。

氢燃料报告完之后，下面再说一点氨的事，因为氨分子式是N和H，里面含氢量还是比较高的，为什么大家对氨又有点热了呢？因为现在氢储运不是特别好处理的一件事，所以大家现在就想别的方法，把它先转化成氨再储运，这样的话，把氢储运矛盾稍微回避一下，所以提出了氨，氨的合成和运输是特别成熟的技术，只要有了便宜的氢，做这件事其实没啥难度。但氨作为燃料来燃烧的话就有难度了，因为那里面含氮比较多。氨燃烧速度低，不太容易点着，当然你可以把氢和氨混在一起烧可能会好一点。

我们做了一点纯氨的工作，这个事其实在国外有很多研究，特别是日本，日本为什么对这件事情这么热衷呢？因为日本的燃料只能是进口，运氢很困难，他就想那就运氨吧，所以他做这个事可能比其他国家动力更强一点，它有一个国立研究机构产业技术综合研究所，这个科研机构说氨不是不好烧吗？他就开发了一种叫富燃-贫燃两级燃烧，现在常压下NOx可以做到80PPM，这也是不符合环保要求的，环保要求至少是25PPM，但是因为科研工作嘛，还有进一步拓展的空间，但是目前做到的水平就是这么一个水平，他们在50千瓦小燃机上做了一些试验。

我们甲烷掺氨和纯氨两种燃料现在做到NOx排放是114PPM，做这个工作我们开发了一些方法，比如说可以预测污染物排放，这个本来就是科学院擅长的工作。氨因为做的不是特别多，所以也没有太多的内容跟大家报告。

最后讲一下氢燃料燃机前景和经济性分析，这一块其实也不是我们擅长的工作，但是这个问题要想把氢燃机搞下去又必须要回答的工作。前提2030、2060大家非常清楚了，我就不再赘述了。

实际上氢燃机概念之所以提出，它是一个非常间接的过程，因为要实现2030、2060目标，首先要做的是可再生能源发电，氢燃机完全是为了克服可再生能源的间歇性而引入的。事实上如果这么做的话，氢燃机跟它竞争的对象就变得多了起来，比如说各种各样的储能，只不过目前投入商业运行的储能大多数是短时储能，两三个小时就算长了。要是两三天没有太阳或者五六天不刮风怎么办？有人提出来那就储氢吧，把一部分可再生能源电力转化成氢，其实转化成氢之后又有好多途径，比如说氨和甲醇都可以作为燃料。还有一条技术路线是燃料电池跟氢燃料竞争，从这个链上来讲，可再生能源里面的氢燃机其实是众多技术路线的一个，可能不会像大家想的有那么热。