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近年來，燃氣輪機摻氫燃燒這項老技術(shù)已成為天然氣發(fā)電領(lǐng)域的新熱潮。在天然氣中添加氫氣可以顯著減少溫室氣體的總排放，并減少天然氣作為化石燃料的消耗。依托成熟的燃氣發(fā)電設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施，逐步加大摻氫比例向氫能源過度，最終將靈活高效的燃氣輪機轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆闾寂欧诺娜細漭啓C。
對于世界可再生能源領(lǐng)頭羊中國來說，燃氣輪機摻氫和純氫燃燒的價值更具想象力：大規(guī)模清潔能源的發(fā)展有望加速綠色氫氣制備的效率和經(jīng)濟性，采用富氫燃料通過燃氣輪機發(fā)電，有助于減少天然氣的外部依賴，減少發(fā)電領(lǐng)域的二氧化碳排放。近年來，世界主要燃氣輪機廠商正在積極提高燃機的摻氫燃燒能力，開辟新的市場空間。中國是加快新技術(shù)實施的重要目標市場。
“燃機燒氫不是一個新鮮事物，在化工、煉鋼流程里產(chǎn)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(jīng)理許欣近日表示，氫能是近年來的熱門話題，但實際上，燃氫本身并不是一項全新的技術(shù)。GE在韓國服役的6B燃機使用了70%-95%的含氫燃料(按體積計算)已經(jīng)運行了20多年。目前，GE在全球已有100多臺低熱值含氫燃料機組運行，累計運行時間超過800萬小時，部分機組燃料含氫量超過50%。
從不同的機型來看，GE的E/B級燃機具有100%的燃氫能力，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年之前實現(xiàn)100%的HA級燃氣發(fā)動機燒氫能力。既然有技術(shù)和實踐的基礎(chǔ)，為什么最新的燃機還需要近10年的時間才能實現(xiàn)50%到100%的摻氫跨越？
GE燃氣發(fā)電集團中國區(qū)產(chǎn)品技術(shù)總經(jīng)理閻福華表示，不同型號的燃氫能力差異主要來自不同的燃燒系統(tǒng)。E/B級燃機上使用的MNQC(即多噴嘴靜音燃燒系統(tǒng)和擴散燃燒技術(shù))可以實現(xiàn)100%的燒氫，但在排放控制和能源效率方面存在一定的局限性。HA級燃機中使用的DLN2.6e微孔預混燃燒器可以在控制氮氧化物排放的同時實現(xiàn)高效率、高比例的摻氫燃燒。
2005年，頁巖氣革命爆發(fā)前夕，美國將氫氣作為一種低熱值燃料納入技術(shù)儲備。當時，GE向美國能源局申請開發(fā)一種微孔預混燃燒器，該微孔預混燃燒器專門用于氫燃燒技術(shù)的研究和開發(fā)。2016年，該燃燒器應用于9HA燃氣輪機，即DLN 2.6e燃燒器。通過這種方式，這種最初由于燃燒氫氣而產(chǎn)生的燃燒器首先應用于以天然氣為燃料的燃機中。隨著碳中和的發(fā)展，氫在過去兩年中持續(xù)走紅，該技術(shù)支持氫與天然氣的結(jié)合燃燒。
閻福華進一步分析，在研發(fā)過程中，摻氫由50%到100%仍存在許多技術(shù)問題，包括燃燒技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)和氮氧化物控制技術(shù)。
首先，在燃燒方面，氫氣的比例越高，燃燒面臨的挑戰(zhàn)就越高。在GE格林威爾試驗臺的嚴格試驗中，DLN2.6E燃燒器實現(xiàn)了50%的摻氫燃燒能力，但從試驗臺到電廠現(xiàn)場還有很長的路要走。輔機、密封、管道、通風、危險氣體檢測、火焰檢測等多種配套設(shè)施仍需在各類型機組上進行驗證。
此外，隨著燃料中氫比例的增加，氫對管道金屬材料的氫脆性腐蝕會增加；控制不僅針對燃機本身，而是針對整個聯(lián)合循環(huán)電廠；燃燒溫度越高，產(chǎn)生的氮氧化物越多。隨著摻氫比例的逐步提高，如何將氮氧化物排放控制在一定范圍內(nèi)，符合環(huán)保規(guī)范也是一個技術(shù)難題。
上述關(guān)鍵核心技術(shù)需要逐步突破。與燃機在其他技術(shù)應用中遵循的規(guī)律一樣，燃機的摻氫能力將逐步提高，并在持續(xù)的技術(shù)開發(fā)和驗證中不斷進步。
據(jù)報道，總體而言，GE開發(fā)了“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)控制等方面，已在示范電廠現(xiàn)場驗證。GE認為，隨著氫源供應的增加，示范項目正在加速進入下一階段。
位于俄亥俄州的美國Long Ridge Energy旗下的HA級燃氣電廠正試圖通過將氫氣混合到天然氣燃料中來實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。這不僅是美國第一座氫燃料燃機電廠，也是世界上第一座實現(xiàn)摻氫燃燒的HA級聯(lián)合循環(huán)燃料電廠。Long Ridge Energy開創(chuàng)了行業(yè)應用的先河。目前，其燃機已經(jīng)實現(xiàn)了15%-20%的摻氫燃燒，并計劃在2030年實現(xiàn)100%的燒氫能力。除了為電網(wǎng)供電，該公司還計劃向周邊一些耗電量極高的數(shù)據(jù)中心供電。
中國第一座摻氫燃燒9HA電廠即將落地廣東省惠州市，該電站由廣東省能源集團子公司惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站建造，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(chǎn)后，兩臺燃機將采用10%的氫氣摻混比例與天然氣混合燃燒。
上述項目的示范意義居多，氫氣的成本和碳價格將直接決定未來燃氫燃機的市場規(guī)模。由于全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟，目前氫的價格讓摻氫并不經(jīng)濟。
然而，許欣對中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和燃氫輪機在整個能源系統(tǒng)中的市場空間持樂觀態(tài)度?！澳壳埃茪湫什桓?，規(guī)模效應尚未形成。中國可再生能源的大規(guī)模發(fā)展為綠氫的可及性和規(guī)模效應創(chuàng)造了條件。如果能夠突破制氫的效率和經(jīng)濟性，只有中國能夠在彎道上超車。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?！?/span>
