燃氣輪機摻氫燃燒 這項“老技術”成為天然氣發(fā)電領域新熱潮

燃氣輪機摻氫燃燒，這項“老技術”近年來成為了天然氣發(fā)電領域的新熱潮。在天然氣中加入氫氣可以顯著削減溫室氣體的總排放量，并減少作為化石燃料的天然氣的消費量。依托于燃氣發(fā)電成熟的設備基礎設施，逐步加大摻氫比例向氫能源過渡，最終將使發(fā)電靈活、高效的燃氣輪機轉變?yōu)橥耆闾寂欧诺娜細漭啓C。

對于全球可再生能源領頭羊中國而言，燃氣輪機摻氫和純氫燃燒的價值更具想象空間：大規(guī)模清潔能源開發(fā)有望加速提高綠氫制備的效率和經濟性，采用富氫燃料通過燃氣輪機發(fā)電，有助于在降低天然氣對外依賴的同時，減少發(fā)電領域的二氧化碳排放。近年來，全球主要燃氣輪機廠商都在積極提高燃機的摻氫燃燒能力、開拓新的市場空間，中國是其加速新技術落地的重要目標市場。

“燃機燒氫不是一個新鮮事物，在化工、煉鋼流程里產生的低熱值伴生氣，含氫比例非常高。”GE燃氣發(fā)電服務中國區(qū)總經理許欣近日對澎湃新聞表示，氫能是近些年新興的熱門話題，但實際上燒氫本身并不是一個全新的技術，GE在韓國服役的一臺6B燃機，采用70%-95%含氫量(按體積計)的燃料已運行20余年。目前，GE在全球已有超過100臺采用低熱值含氫燃料機組在運行，累計運行小時數(shù)超過800萬小時，其中部分機組的燃料含氫量超過50%。

從不同機型看，GE旗下E/B級燃機已具備100%燃氫能力，其功率最大、最高效的HA級燃機燃氫能力為50%。GE的目標，是在2030年前實現(xiàn)HA級燃機100%燒氫能力。 既然有技術和實踐基礎，為什么最新型燃機仍需要近10年時間才能實現(xiàn)摻氫從50%到100%的跨越?

GE燃氣發(fā)電集團中國區(qū)產品技術總經理閻福華對澎湃新聞解釋稱，不同機型燃氫能力的差異主要來自于其燃燒系統(tǒng)的不同。E/B級燃機上采用的MNQC(即多噴嘴靜音燃燒系統(tǒng)，擴散燃燒技術)，已可以實現(xiàn)100%燒氫，但在排放的控制和能效上有一定的局限性。而HA級燃機使用的DLN2.6e微孔預混燃燒器可以實現(xiàn)高效率的高比例摻氫燃燒，同時控制氮氧化物排放。

2005年，就在頁巖氣革命爆發(fā)前夜，美國將氫作為低熱值燃料列入技術儲備。GE當時申請到美國能源局專門針對氫氣燃燒技術研發(fā)的國家課題，開發(fā)出微孔預混燃燒器，并于2016年將該款燃燒器應用在了9HA燃氣輪機上，即DLN 2.6e燃燒器。就這樣，這款最初因燒氫而生的燃燒器率先被應用到以天然氣為燃料的燃機上。隨著碳中和形勢推進，氫在近兩年持續(xù)走紅，該技術又支撐了氫和天然氣的結合燃燒。

閻福華進一步分析稱，摻氫從50%到100%，依然有許多技術難題處于研發(fā)過程中，總體上包括燃燒技術、材料技術、控制技術、氮氧化物的控制技術四大類。

首先燃燒方面，氫的比例越高、燃燒面臨的挑戰(zhàn)就越高。DLN 2.6e燃燒器在GE格林威爾試驗臺的嚴苛測試中實現(xiàn)了50%的摻氫燃燒能力，但從試驗臺到電廠現(xiàn)場，仍有較長的路要走，很多配套設施，譬如輔機、密封、管道、通風、危險氣體探測，以及火焰檢測等一系列技術，仍需要在各類型機組上進行驗證。

此外，隨著燃料中氫比例的提高，氫對管道金屬材料造成的氫脆腐蝕會加重;控制不僅僅針對燃機本身，而是整個聯(lián)合循環(huán)電廠;燃燒溫度越高，氮氧化物的產生會越多，摻氫比例逐步提高后，如何將氮氧化物的排放控制在一定范圍內，滿足環(huán)保規(guī)范，也是一個技術難題。

上述關鍵核心技術需要分步驟、按階段不斷突破，和其它技術在燃機的應用中遵循的規(guī)律一樣，燃機的摻氫能力提高會按照階梯式上升，在不斷技術開發(fā)和驗證中持續(xù)進步。

據悉，總體上，GE已經研發(fā)出“氫氣摻混控制到燃燒再到尾氣的處理和排放”一套完整的燃機電廠燃氫方案，涉及主機、輔機、系統(tǒng)控制等各方面，這套方案在示范電廠的現(xiàn)場已進行驗證。GE認為，隨著氫源供給越來越豐富，示范項目正加快向下一階段邁進。

美國Long Ridge Energy旗下位于俄亥俄州的一座HA級燃氣電廠，正嘗試通過向天然氣燃料中混合氫氣的方式來實現(xiàn)低碳轉型。這不僅是美國首座氫燃料燃機電廠，也是全球首座實現(xiàn)摻氫燃燒的HA級聯(lián)合循環(huán)燃機電廠。Long Ridge Energy開創(chuàng)了行業(yè)應用的先河，其燃機當下已實現(xiàn)15%-20%比例的摻氫燃燒，并計劃在2030年具備100%燃氫能力。除了為電網供電，該公司還計劃將這種“低碳”電力供應給周邊一些耗電量極高的數(shù)據中心。

中國首座摻氫燃燒9HA電廠即將落地廣東惠州，該電站由廣東省能源集團旗下的惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站打造，包括兩臺 9HA.01 重型燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)機組。2023年項目投產后，兩臺燃機將采用10%的氫氣摻混比例與天然氣混合燃燒。

以上項目的“示范”意義居多，氫的成本和碳價將直接決定燃氫燃機未來的市場規(guī)模。由于全球范圍內的氫產業(yè)鏈都尚未成熟，目前氫的價格在40美元百萬英熱單位，摻氫并不具備經濟性。

但許欣看好中國氫能產業(yè)的發(fā)展前景及燃氫輪機在整體能源系統(tǒng)中的市場空間。“目前制氫的效率并不高，規(guī)模效應也未形成。中國可再生能源的大規(guī)模發(fā)展為綠氫的可及性及規(guī)模效應創(chuàng)造了條件。如果制氫的效率和經濟性能夠突破，實現(xiàn)彎道超車的只有中國。未來，實現(xiàn)純氫燃燒的燃機會是新型電力系統(tǒng)的重要支撐，也是解決能源安全問題的可行方案。”

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