科普 | 燃气轮机氢燃烧技术浅谈

燃气轮机氢燃烧技术的提出背景？

1.无碳能源趋势：随着全球对气候变化和环境问题的关注日益增强，各国纷纷制定无碳或低碳发展目标。在这一趋势下，氢气作为一种清洁能源备受关注，特别是绿色氢的生产和利用成为一个热点领域。

2.可再生能源的增加：可再生能源如风能和太阳能等在能源生产中的占比逐渐增加。然而，这些能源的不稳定性和间歇性导致了能源储存和平衡的需求，而氢能储存和转化为电力的能力成为一种潜在的解决方案。

3.氢气作为燃料的优势：氢气具有高能量密度、无碳排放、可再生性等优势，使其成为理想的燃料选择。燃气轮机作为一种高效的能量转换设备，能够将氢气的能量转化为电力，并在能源系统中起到关键作用。

4.燃气轮机技术突破的推动：随着科技的进步，燃气轮机氢燃烧技术得到了不断的研究和发展。改进燃气轮机设计、优化燃烧过程、适应氢气特性的材料选择等方面的技术进步促使了这一领域的提升。

氢气燃烧

2.可燃范围：氢气的可燃范围比天然气更宽，点火能量低，燃烧速度快，约为天然气的8倍，这意味着氢气可以通过一个小火花或静电火花迅速点燃，并且火焰迅速扩散，但也存在爆炸风险。

3.燃烧速度与压力脉动：氢气燃烧时产生的热量和气体膨胀会导致燃烧室内的压力脉动。氢气的燃烧速度快，可以在短时间内实现高效燃烧，但化学反应特征时间和火焰形状的差异可能会导致燃烧不稳定，甚至引发热声振荡等问题。

热声振荡机理

4.绝热火焰温度：氢气的绝热火焰温度比传统燃料高出118K以上，这有助于提高燃烧效率和能量利用率。但是，高温度也可能导致氮氧化物的生成，因此需要采取措施控制局部高温区域的产生。

5.对燃烧室设计的影响：由于氢气的热值、火焰传播速度、密度、比热容等特性与天然气不同，当燃烧室用于燃烧氢气时，可能需要对燃烧室结构进行调整，例如腔体大小、射流孔及掺混孔位置等。

GE公司多管微预混喷射器

6.对碳氢燃料的影响：氢气的加入可以拓宽传统碳氢燃料的可燃范围，加快火焰传播速度，提高湍流燃烧中的燃烧速度，避免局部熄火。氢燃料的火焰温度比天然气高近300℃，层流火焰速度是天然气的3倍以上，但是着火延迟时间却比天然气低3倍以上。

GE DLN 2.6e 燃烧系统

7.低污染排放：由于氢气是无碳燃料，它能够有效降低CO2排放，对于缓解全球气候变暖具有重要意义。

氢燃烧技术相较于传统燃料有哪些技术优势？

燃气轮机氢燃烧技术相较于传统燃料具有几项技术优势：

1.高质量热值：氢气的质量热值高于天然气，这意味着单位质量的氢气能够释放更多的能量。

甲烷和氢气混合物的能量含量

2.低碳排放：氢燃烧不产生二氧化碳排放，因此对于减少温室气体排放和应对气候变化具有重要意义。

3.灵活性和兼容性：氢气可以与天然气混合使用，或通过燃烧室改造实现氢燃烧，这为现有的燃气轮机提供了一定程度的互换性和灵活性。

甲烷/氢气混合物中的碳含量

4.高效率：氢燃烧技术可以实现氢-电-热联用效率超过60%，这比传统的燃料效率更高。

5.适用于大规模应用：氢燃料燃气轮机适用于大规模备用电站、发电厂供电等，能够实现大规模的氢-电转换，并扩大氢能的应用规模。

6.可再生能源集成：氢气可以通过电解水制备，而电解水可以利用可再生能源，如风能或太阳能。这使得燃气轮机氢燃烧技术成为将可再生能源整合到能源系统中的有效手段。

氢燃烧技术面临哪些技术挑战？

1.燃烧不稳定性：氢气火焰传播速度快，氢气燃烧容易引起燃烧不稳定性，包括振荡和共振现象。这可能导致设备性能下降、噪音增加，甚至影响设备的可靠性。解决这一挑战需要采用先进的燃烧控制技术和燃烧室设计。

热声振荡造成的损害

2.回火问题：氢气燃烧过程中可能出现回火现象，特别是在高速流动条件下。回火问题可能导致燃烧不稳定和安全性问题。

常规贫油预混燃烧室回火过程

3.燃烧动力学：氢气的燃烧动力学与传统燃料存在差异，包括火焰速度、点火延迟等方面的变化。了解和控制氢气在燃气轮机中的燃烧动力学是一个挑战，需要深入的研究和模拟。

4.NOx排放控制：尽管氢燃烧主要产生水蒸气，但在高温燃烧条件下仍可能产生氮氧化物（NOx）。降低NOx排放对于符合环保标准至关重要，需要有效的控制和减少技术。

预混燃烧对NOx排放影响

5.材料适应性和氢脆问题：氢气对金属材料具有氢脆效应，可能导致材料的脆性和损伤。在高温高压的氢气燃烧环境下，需要选择和设计能够耐受氢脆的材料，增加了工程的复杂性。

氢脆现象

6.排气中的大量的水蒸气：导致燃气轮机的热端部件中的热交换增加，因此需要额外的冷却。这种蒸汽增加对暴露的热端部件造成热腐蚀，将缩短了部件的使用寿命。

7.氢的高爆炸性：氢气在空气中的爆炸性较高，需要采取特殊的安全措施，确保燃气轮机系统的稳定和可靠运行。

8.氢的储存和输送：在实际应用中，氢的储存和输送也是一个挑战，需要解决安全性、效率和成本等问题。

燃气轮机氢燃烧技术应用情况？

1.德国西门子公司的研究表明，现有的天然气燃气轮机燃烧室可以在不做重大改动的情况下直接使用含氢量为15%~20%的掺氢天然气。

MHPS M701J

4.韩华集团运行了全球首台100%氢能80MW燃气轮机，这款中大型燃气轮机空气污染物 (NOx) 排放量降至不到 6ppm，排放指标遥遥领先，具有广阔的商业运行前景。

韩华集团80MW示范电厂

5.中国重燃在国家电投荆门绿动燃气轮机电厂进行了商用燃气轮机掺氢试验，掺氢比例从5%到30%，分阶段实施。这是全球首次在商业运行的燃气轮机上进行掺氢试验。

控制界面

6.明阳氢燃自主研制推出的30MW级纯氢燃气轮机是全球首款30MW级纯氢燃气轮机，搭载明阳氢燃自主研发的“木星一号”纯氢燃烧室，可实现百分之百的纯氢燃烧和真正意义的“零碳排放”。

木星一号

燃气轮机氢燃烧技术领域的技术前沿是什么样的？

燃气轮机氢燃烧技术领域的技术前沿涉及多个方面：

1.先进的燃烧控制技术：研究人员正在致力于开发更先进的燃烧控制技术，以优化氢燃烧过程，降低NOx排放，并确保燃烧的稳定性。这包括先进的喷嘴设计、智能控制系统和实时监测技术。

2.高氢气含量燃烧：研究人员正在致力于提高燃气轮机对高氢气含量燃料的适应能力。通过改进燃烧室设计、优化燃烧控制系统和引入新型材料，以实现更高比例的氢气混合燃料的高效燃烧。

3.NOx排放控制技术：进一步降低氮氧化物（NOx）排放是一个重要的技术前沿。研究人员正在寻找更先进的燃烧技术和催化还原方法，如微混燃烧，以最小化燃气轮机氢燃烧过程中产生的NOx排放，提高环保性。

展望一下未来燃气轮机氢燃烧技术的应用前景？

未来燃气轮机氢燃烧技术的应用前景仍然充满了潜力和挑战。以下是一些可能的技术前沿和发展方向：

1.先进的燃烧控制技术：研究人员将致力于开发更先进的燃烧控制技术，以实现对氢燃烧过程更精细的控制。这包括利用先进的传感器和反馈系统，以适应不同工况下的燃烧需求。

2.材料创新：进一步的材料研究将专注于寻找更耐受氢环境的新型材料，以解决氢对传统材料脆性和氢脆的影响。这有助于提高系统的可靠性和寿命。

氢气与其他可再生能源的集成： 将氢燃烧技术与其他可再生能源集成，例如风能和太阳能，以实现更可持续的能源转型。这涉及到氢的生产、储存和输送系统的协同发展。

3.碳捕集与利用：结合碳捕集与利用技术，将CO2从掺氢燃烧过程中捕获并进行有效利用，进一步降低碳排放。

结语

随着氢能经济的发展和能源转型的加速，燃气轮机氢燃烧技术有望在未来成为清洁能源领域的重要组成部分，为可持续能源供应和碳中和目标的实现提供强有力的支持。