燃氣輪機摻氫燃燒 這項“老技術(shù)”成為天然氣發(fā)電領(lǐng)域新熱潮

燃氣輪機摻氫燃燒，這項“老技術(shù)”近年來成為了天然氣發(fā)電領(lǐng)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(shè)備基礎(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)橥耆闾寂欧诺娜細漭啓C。

對于全球可再生能源領(lǐng)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(jīng)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(lǐng)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(shù)落地的重要目標(biāo)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(wù)中國區(qū)總經(jīng)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(shù)，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(biāo)，是在2030年前實現(xiàn)HA級燃機100%燒氫能力。 既然有技術(shù)和實踐基礎(chǔ)，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(chǎn)品技術(shù)總經(jīng)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(shù))，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(yù)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(shù)儲備。GE當(dāng)時申請到美國能源局專門針對氫氣燃燒技術(shù)研發(fā)的國家課題，開發(fā)出微孔預(yù)混燃燒器，并于2016年將該款燃燒器應(yīng)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(yīng)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(shù)又支撐了氫和天然氣的結(jié)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(shù)難題處于研發(fā)過程中，總體上包括燃燒技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)、氮氧化物的控制技術(shù)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(shè)施，譬如輔機、密封、管道、通風(fēng)、危險氣體探測，以及火焰檢測等一系列技術(shù)，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(chǎn)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(nèi)，滿足環(huán)保規(guī)范，也是一個技術(shù)難題。

上述關(guān)鍵核心技術(shù)需要分步驟、按階段不斷突破，和其它技術(shù)在燃機的應(yīng)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(shù)開發(fā)和驗證中持續(xù)進步。

據(jù)悉，總體上，GE已經(jīng)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(zhuǎn)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(yīng)用的先河，其燃機當(dāng)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(wǎng)供電，該公司還計劃將這種“低碳”電力供應(yīng)給周邊一些耗電量極高的數(shù)據(jù)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(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。

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(nèi)的氫產(chǎn)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(jīng)濟性。

但許欣看好中國氫能產(chǎn)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(yīng)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(yīng)創(chuàng)造了條件。如果制氫的效率和經(jīng)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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