導(dǎo)語 

 “十四五”規(guī)劃提出中國到2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”离览，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”鸡焰。眾所周知，現(xiàn)有火力發(fā)電設(shè)備是碳排放大戶限番，不論是以天然氣為燃料還是使用潔凈煤技術(shù)舱污，都不能從根源上避免CO2產(chǎn)生。而可再生能源發(fā)電又受氣候和氣象條件影響出力波動(dòng)較大扳缕，如何有效利用其剩余電力是一個(gè)問題慌闭。如果以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和水力發(fā)電等綠色能源制造的氫氣和氧氣為燃料來發(fā)電躯舔，沒有CO2排放驴剔，是真正的全過程零碳排放。因此大力發(fā)展氫能發(fā)電以及將現(xiàn)有火力發(fā)電設(shè)備改造為氫能發(fā)電是削減碳排放的有效途徑之一粥庄。

日本在氫能方面的研究走在前列丧失。早在1973年日本就成立“氫能源協(xié)會(huì)”。1995年日本政府出資委托美國Westinghouse公司開展以氫氣和氧氣為燃料的發(fā)電廠研究惜互。2015年日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱NEDO）出臺(tái)氫能源白皮書布讹，正式把氫能源定為國內(nèi)發(fā)電的第三支柱。計(jì)劃到2030年氫供應(yīng)量將達(dá)到300萬噸训堆，其中發(fā)電用氫占?xì)湎牧康?4%左右描验，全面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化氫燃料發(fā)電。2020年9月坑鱼，NEDO宣布于2020-2022年開展“超越傳統(tǒng)技術(shù)的高效氫能發(fā)電技術(shù)研發(fā)”研究課題帘染，開發(fā)發(fā)電效率高達(dá)68%的1400℃級(jí)氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及閉式熱力循環(huán)的通用基礎(chǔ)技術(shù)。

 NEDO資助三菱重工業(yè)公司和川崎重工業(yè)公司研究氫的直接燃燒以及與天然氣混合燃燒的發(fā)電技術(shù)谅璧，至今取得不小的成果耕疟。本文綜述對(duì)比這2家公司各自的技術(shù)特點(diǎn)以作參考。

 1、日本氫燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目 

 日本氫燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目由NEDO主導(dǎo)上互，三菱重工和川崎重工分別研制大型氫燃?xì)廨啓C(jī)與中小型氫燃?xì)廨啓C(jī)睹揍。從技術(shù)路線來看，目前都是只改造現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器噴嘴或開發(fā)新的燃燒器噴嘴匀冈。按燃料細(xì)分责某，可分為以下路線：摻氫燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱摻氫燃?xì)廨啓C(jī)），純氫燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱純氫燃?xì)廨啓C(jī)）既感，純氫+純氧燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱氫氧燃?xì)廨啓C(jī)）坤搂。表1列出這3種技術(shù)路線的特點(diǎn)和參與研制的公司咱缭。

 2挂悲、氫燃?xì)廨啓C(jī)需要解決的若干技術(shù)問題 

 目前研究發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)使用氫為燃料主要有以下技術(shù)問題，需要通過實(shí)驗(yàn)室研究—模型實(shí)驗(yàn)—實(shí)機(jī)驗(yàn)證等過程來解決俊戳。 第一揖赴，與天然氣相比，氫氣的最大燃燒速度更快抑胎，火焰距離更短燥滑。氫火焰更接近燃燒器的燃料噴嘴，因此噴嘴溫度更高阿逃。 第二铭拧，氫氣的可燃范圍很廣，使用預(yù)混燃燒方式有回火的可能恃锉。 第三搀菩，當(dāng)氫氣含量高時(shí)，較短的點(diǎn)火延遲時(shí)間可能會(huì)增加意外自燃的風(fēng)險(xiǎn)破托。 第四肪跋，與天然氣相比，氫氣燃燒的熱聲振幅水平和頻率也不同土砂，對(duì)燃燒穩(wěn)定性有影響州既。 第五，同等體積下糕加，氫氣的熱值（LHV）低于天然氣芜溪，輸出相同熱功率需要更大體積流量的氫氣。 第六烂多，燃燒氫氣還會(huì)增加廢氣中的水分含量明殊，導(dǎo)致向熱端部件的熱傳遞增加，進(jìn)而需要更多的冷卻闻街。而且水分含量的增加還會(huì)使熱腐蝕更容易發(fā)生欧蠢，可能會(huì)縮短某些零部件的使用壽命。

 3、川崎重工與三菱重工的技術(shù)對(duì)比

表2列出川崎重工的氫燃燒技術(shù)特點(diǎn)和開發(fā)情況榴烦。第1種針對(duì)工業(yè)副產(chǎn)氫的利用需求杀打，在目前的天然氣干式低NOx燃燒器的二次燃燒噴嘴中加入氫氣。第2種是“擴(kuò)散燃燒（噴水減少NOx生成）”绝壹，高濃度氫氣以擴(kuò)散燃燒方式穩(wěn)定燃燒蕉殴，并噴水或水蒸氣來減少NOx生成量。第3種是“純氫燃燒干式低NOx：微小氫火焰”方法判阀，純氫燃燒中無需噴水或蒸汽即可實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒歹嘹。表3列出三菱重工的氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的技術(shù)特點(diǎn)。

多種技術(shù)路線與型號(hào)并進(jìn)孔庭，大中小型機(jī)一起實(shí)驗(yàn)與研制尺上，這是日本推進(jìn)新產(chǎn)業(yè)慣有的特點(diǎn)。

 4摻氫燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與開發(fā)進(jìn)展

 4.1川崎重工的摻氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器

 川崎重工摻氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的特點(diǎn)是在燃燒器后半段增加二次燃燒噴嘴圆到，氫氣只在二次燃料中摻混怎抛，主燃料仍然是天然氣。使用天然氣進(jìn)行點(diǎn)火/啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行芽淡，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到DLN運(yùn)行范圍時(shí)马绝，向二次燃燒噴嘴供應(yīng)氫氣，進(jìn)行氫燃燒發(fā)電挣菲。圖1為原型機(jī)剖面圖富稻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)使用二次燃燒噴嘴時(shí)，摻氫燃?xì)廨啓C(jī)與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行范圍白胀、設(shè)計(jì)點(diǎn)和NOx排放量幾乎相同椭赋，且沒有發(fā)生回火或燒蝕。并且NOx排放量為25ppm（按O2=16%換算）纹笼。

 4.2三菱重工的摻氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器

 與川崎重工的燃燒器不同纹份，三菱重工的燃燒器是在主燃料噴嘴就進(jìn)行氫氣混合，如圖2所示炫允。壓氣機(jī)排氣進(jìn)入燃燒器內(nèi)部后通過旋流器葉片成為旋流培幽，與此同時(shí)燃料從旋流器葉片表面的小孔噴出，在旋流效應(yīng)下與周圍空氣快速混合睛村。目前已了解到在旋流中心（以下簡(jiǎn)稱渦核）存在一個(gè)低流速區(qū)域绎编，導(dǎo)致火焰逆向蔓延，從而發(fā)生回火川骗。因此新型燃燒器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是從噴嘴的尖端噴出空氣演穗，以增大渦核的流速。噴射的空氣補(bǔ)充渦核的低流速區(qū)域伍恼，從而防止回火的發(fā)生垛墙。 

 考慮到最低流速是控制回火現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵籍钱，因此新型燃燒器的最低流速是常規(guī)燃燒器的2.5倍以上，如圖3所示携喳。另外种慕，從新型燃燒器噴嘴頂端的小孔噴入的空氣量非常少，因此巍糯，除了渦核附近區(qū)域之外啸驯，其他區(qū)域幾乎不受影響，流速分布與常規(guī)燃燒器同等祟峦。

5罚斗、純氫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特點(diǎn)

5.1川崎重工的純氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器

 盡管從化學(xué)反應(yīng)式來看，純氫燃燒不會(huì)有NOX產(chǎn)生宅楞，但是在燃燒室封閉的高溫環(huán)境下针姿，送入的壓縮空氣中的氮?dú)庖矔?huì)與氧氣反應(yīng)生成NOx，生成量甚至高于同等體積的純天然氣燃燒咱筛。所以純氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器同樣要使用各種抑制NOx生成的措施搓幌。 川崎重工的純氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器有2種技術(shù)路線：擴(kuò)散燃燒器與干式低NOx燃燒器杆故。

 5.1.1噴水減NOx的擴(kuò)散燃燒器（純氫）

 目前使用含有高濃度氫氣的高反應(yīng)性燃?xì)庾鳛槿細(xì)廨啓C(jī)的燃料進(jìn)行發(fā)電時(shí)迅箩，多采用火焰穩(wěn)定性優(yōu)良的擴(kuò)散燃燒法。這種燃燒方式穩(wěn)定性極好处铛，但會(huì)產(chǎn)生大量NOx饲趋。因此，為了減少燃燒氣體中的NOx撤蟆，使用噴入水或水蒸氣減少火焰高溫部分產(chǎn)生的NOx的方法奕塑。圖4為擴(kuò)散燃燒器、燃料噴射閥和霧化噴水的示例登凿。

 5.1.2干式低NOx燃燒器（純氫）

 天然氣通過預(yù)混燃燒可以實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒搭吵。但氫氣的反應(yīng)性太強(qiáng)烈，會(huì)發(fā)生回火隘匙。因此川崎重工研究使用微小氫火焰的純氫干式低NOx燃燒技術(shù)及其在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用棒论。

圖5為氫火焰形成模式圖和試驗(yàn)噴嘴中的氫火焰。氫氣從一個(gè)微小的氫氣注入孔（直徑1mm或更兴〕肌）注入委董，與正交方向的空氣射流快速混合，形成氫火焰靴亩。通過形成微小的氫氣火焰血明，避免局部高溫區(qū)的產(chǎn)生，縮短反應(yīng)時(shí)間伪睬，從而抑制NOx的產(chǎn)生腊尤。

 圖6為配備該微小氫火焰噴嘴的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的形狀圖（初始概念設(shè)計(jì)階段）。供應(yīng)氫氣的噴嘴呈環(huán)形布置，其數(shù)量可根據(jù)氫氣燃燒量（運(yùn)行負(fù)荷）調(diào)整揩页，因此可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)從燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)后低負(fù)荷時(shí)的高燃燒效率和高負(fù)荷時(shí)的低NOx燃燒领迈。

 川崎重工已開發(fā)出使用純氫低NOx燃燒技術(shù)的2MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的關(guān)鍵技術(shù)。達(dá)到以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）在從50%負(fù)荷到100%額定負(fù)荷運(yùn)行的燃燒器進(jìn)氣條件下NOx達(dá)到35ppm（按02=16%轉(zhuǎn)化率計(jì)算）或更低碍沐。（2）氫氣燃燒不熄火狸捅、不回火，穩(wěn)定產(chǎn)生500℃以上的燃燒氣體累提，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒尘喝。 

 圖7為2MW純氫燃?xì)廨啓C(jī)制造的純氫干式低NOx燃燒器和噴嘴。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明點(diǎn)火性能斋陪、火焰保持性能和高負(fù)荷燃燒條件下的NOx性能都達(dá)到設(shè)計(jì)要求朽褪。

 川崎重工在神戶市港島建設(shè)了一個(gè)氫能熱電聯(lián)產(chǎn)示范電廠。電廠自2017年12月建成以來无虚，先進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)使用天然氣的運(yùn)行試驗(yàn)缔赠，隨后進(jìn)行了一次氫氣天然氣混合燃燒及純氫燃燒的熱電聯(lián)產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)。在2018年4月19～20日進(jìn)行的示范試驗(yàn)中友题，以純氫氣為燃料向鄰近4個(gè)設(shè)施同時(shí)供應(yīng)熱電嗤堰，成為世界上第1個(gè)使用氫燃?xì)廨啓C(jī)為城市供應(yīng)熱電的電廠。氫氣流量約為2200Nm3/h（此時(shí)天然氣流量為ONm3/h面镣，氫燃料占比100%）卒抖，噴水時(shí)NOx值為50ppm（按O2=16%轉(zhuǎn)化率計(jì)算）。從2020年開始甩宣，在該機(jī)組中進(jìn)行不噴水（用于減少NOx）的純氫干式低NOx燃燒器的驗(yàn)證試驗(yàn)運(yùn)行栏葬。由于不需要噴水，因此降低了運(yùn)行成本杯削。

 5.2三菱重工純氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器

 與川崎重工一樣抚言，三菱重工純氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器也有2種技術(shù)路線：擴(kuò)散燃燒器與多點(diǎn)燃燒器（仍然是干式低NOx燃燒器）。 5.2.1擴(kuò)散燃燒器 三菱重工的擴(kuò)散燃燒器如圖8所示褐泊。正在計(jì)劃將這種擴(kuò)散燃燒器應(yīng)用于荷蘭NuonMagnum發(fā)電廠改用氫燃料的項(xiàng)目芦槽。

 5.2.2用于純氫燃燒的多點(diǎn)燃燒器

 隨著氫氣濃度的增加，回火風(fēng)險(xiǎn)增大响友。摻氫燃燒DLN燃燒器使用旋流器混合燃料和空氣需要相對(duì)大的空間详不，并且回火的風(fēng)險(xiǎn)增加，需要短時(shí)間內(nèi)在狹窄空間中混合扳辉。因此設(shè)計(jì)了1種微孔噴射燃料使火焰分散且更細(xì)長的混合方式妖救。與傳統(tǒng)的DLN燃燒器的燃料噴嘴（8個(gè)）相比，多點(diǎn)燃燒器有更多噴嘴且噴嘴孔徑更小粒梦×梁剑空氣被送到此處荸实，然后采用吹入氫氣混合的方法〗闪埽可以在不使用旋流器的情況下用較小的體積混合空氣和氫氣准给，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)高回火阻力和低NOx燃燒。目前正在進(jìn)行燃料噴嘴結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究重抖。圖9為三菱重工的多點(diǎn)燃燒器（開發(fā)中）露氮。

 6、成本考慮 

 從上文可知钟沛，現(xiàn)階段的氫燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)主要改造現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器或者設(shè)計(jì)制造新的燃燒器畔规，整個(gè)開發(fā)過程的成本不是很高，需要考慮的是燃料成本恨统。從目前的情況看叁扫，日本氫能主要還是從天然氣、石油畜埋、煤炭等化石能源加工過程中的副產(chǎn)品獲得莫绣，可再生能源電解氫只占4%。氫的儲(chǔ)藏和運(yùn)輸主要有液氫镀材、有機(jī)氫化物和氨3個(gè)方法妆浅，送達(dá)用戶后，先經(jīng)過氣化或脫氫的步驟赌置，產(chǎn)生氫氣供利用押逾。

 目前日本的100%氫氣發(fā)電成本為97.3日元/千瓦時(shí)，10%氫氣和90%天然氣混合發(fā)電成本為20.9日元/千瓦時(shí)蓝捌，約是普通電力的2倍。日本政府的目標(biāo)是到2030年將氫燃料的價(jià)格降低到19.4日元/千瓦時(shí)（約合人民幣1.08元）蟀披，2050年降為13.7日元/千瓦時(shí)（約合人民幣0.76元）饵朱，這樣才能與天然氣發(fā)電進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

（文/鄒昆 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司巫碍，東方汽輪機(jī)）

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