天然气发电成领域新热潮 100%燃氢发电难在哪?

燃气轮机掺氢燃烧,这项“老技术”近年来成为了天然气发电领域的新热潮。在天然气中加入氢气可以显著削减温室气体的总排放量,并减少作为化石燃料的天然气的消费量。依托于燃气发电成熟的设备基础设施,逐步加大掺氢比例向氢能源过渡,最终将使发电灵活、高效的燃气轮机转变为完全零碳排放的燃氢轮机。

对于全球可再生能源领头羊中国而言,燃气轮机掺氢和纯氢燃烧的价值更具想象空间:大规模清洁能源开发有望加速提高绿氢制备的效率和经济性,采用富氢燃料通过燃气轮机发电,有助于在降低天然气对外依赖的同时,减少发电领域的二氧化碳排放。近年来,全球主要燃气轮机厂商都在积极提高燃机的掺氢燃烧能力、开拓新的市场空间,中国是其加速新技术落地的重要目标市场。

“燃机烧氢不是一个新鲜事物,在化工、炼钢流程里产生的低热值伴生气,含氢比例非常高。”氢能是近些年新兴的热门话题,但实际上烧氢本身并不是一个全新的技术,GE在韩国服役的一台6B燃机,采用70%-95%含氢量(按体积计)的燃料已运行20余年。目前,GE在全球已有超过100台采用低热值含氢燃料机组在运行,累计运行小时数超过800万小时,其中部分机组的燃料含氢量超过50%。

从不同机型看,GE旗下E/B级燃机已具备100%燃氢能力,其功率最大、最高效的HA级燃机燃氢能力为50%。GE的目标,是在2030年前实现HA级燃机100%烧氢能力。 既然有技术和实践基础,为什么最新型燃机仍需要近10年时间才能实现掺氢从50%到100%的跨越?

不同机型燃氢能力的差异主要来自于其燃烧系统的不同。E/B级燃机上采用的MNQC(即多喷嘴静音燃烧系统,扩散燃烧技术),已可以实现100%烧氢,但在排放的控制和能效上有一定的局限性。而HA级燃机使用的DLN2.6e微孔预混燃烧器可以实现高效率的高比例掺氢燃烧,同时控制氮氧化物排放。

2005年,就在页岩气革命爆发前夜,美国将氢作为低热值燃料列入技术储备。GE当时申请到美国能源局专门针对氢气燃烧技术研发的国家课题,开发出微孔预混燃烧器,并于2016年将该款燃烧器应用在了9HA燃气轮机上,即DLN 2.6e燃烧器。就这样,这款最初因烧氢而生的燃烧器率先被应用到以天然气为燃料的燃机上。随着碳中和形势推进,氢在近两年持续走红,该技术又支撑了氢和天然气的结合燃烧。

掺氢从50%到100%,依然有许多技术难题处于研发过程中,总体上包括燃烧技术、材料技术、控制技术、氮氧化物的控制技术四大类。

首先燃烧方面,氢的比例越高、燃烧面临的挑战就越高。DLN 2.6e燃烧器在GE格林威尔试验台的严苛测试中实现了50%的掺氢燃烧能力,但从试验台到电厂现场,仍有较长的路要走,很多配套设施,譬如辅机、密封、管道、通风、危险气体探测,以及火焰检测等一系列技术,仍需要在各类型机组上进行验证。

此外,随着燃料中氢比例的提高,氢对管道金属材料造成的氢脆腐蚀会加重;控制不仅仅针对燃机本身,而是整个联合循环电厂;燃烧温度越高,氮氧化物的产生会越多,掺氢比例逐步提高后,如何将氮氧化物的排放控制在一定范围内,满足环保规范,也是一个技术难题。

上述关键核心技术需要分步骤、按阶段不断突破,和其它技术在燃机的应用中遵循的规律一样,燃机的掺氢能力提高会按照阶梯式上升,在不断技术开发和验证中持续进步。

据悉,总体上,GE已经研发出“氢气掺混控制到燃烧再到尾气的处理和排放”一套完整的燃机电厂燃氢方案,涉及主机、辅机、系统控制等各方面,这套方案在示范电厂的现场已进行验证。随着氢源供给越来越丰富,示范项目正加快向下一阶段迈进。

美国Long Ridge Energy旗下位于俄亥俄州的一座HA级燃气电厂,正尝试通过向天然气燃料中混合氢气的方式来实现低碳转型。这不仅是美国首座氢燃料燃机电厂,也是全球首座实现掺氢燃烧的HA级联合循环燃机电厂。Long Ridge Energy开创了行业应用的先河,其燃机当下已实现15%-20%比例的掺氢燃烧,并计划在2030年具备100%燃氢能力。除了为电网供电,该公司还计划将这种“低碳”电力供应给周边一些耗电量极高的数据中心。

中国首座掺氢燃烧9HA电厂即将落地广东惠州,该电站由广东省能源集团旗下的惠州大亚湾石化区综合能源站打造,包括两台 9HA.01 重型燃气轮机的联合循环机组。2023年项目投产后,两台燃机将采用10%的氢气掺混比例与天然气混合燃烧。

以上项目的“示范”意义居多,氢的成本和碳价将直接决定燃氢燃机未来的市场规模。由于全球范围内的氢产业链都尚未成熟,目前氢的价格在40美元百万英热单位,掺氢并不具备经济性。

但许欣看好中国氢能产业的发展前景及燃氢轮机在整体能源系统中的市场空间。“目前制氢的效率并不高,规模效应也未形成。中国可再生能源的大规模发展为绿氢的可及性及规模效应创造了条件。如果制氢的效率和经济性能够突破,实现弯道超车的只有中国。未来,实现纯氢燃烧的燃机会是新型电力系统的重要支撑,也是解决能源安全问题的可行方案。”

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责任编辑:王石_HN348
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