氫燃氣輪機新突破

李偉

歐洲的一個聯(lián)合科研團隊，首次成功測試了一款完全由氫氣驅(qū)動的燃氣渦輪發(fā)動機——這是氫能應(yīng)用領(lǐng)域的一項新突破，為減少水泥、鋼鐵等能源密集型行業(yè)的碳排放開辟了一條新途徑。

主要應(yīng)用于“脫碳復(fù)雜”的行業(yè)

據(jù)法新社報道，法國能源公司Engie，德國航空航天中心、西門子能源公司，英國Centrax公司和歐洲一些大學(xué)聯(lián)合組成的Hyflexpower項目團隊，在法國利摩日市進行實驗，成功實現(xiàn)將100%純氫注入燃氣渦輪發(fā)動機來發(fā)電的目標(biāo)。該實驗使用西門子能源公司的SGT-400型燃氣渦輪發(fā)動機，其燃燒系統(tǒng)適用于氫氣。

在這項最新的實驗中使用的氫氣，由現(xiàn)場的電解槽產(chǎn)生，電解槽由可再生能源系統(tǒng)供電。氫氣在進入渦輪發(fā)動機之前儲存在罐中。該系統(tǒng)在點火后成功運行，可持續(xù)產(chǎn)出電能。研究團隊表示，將繼續(xù)進行改良實驗，以進一步減少氫氣燃燒后氮氧化物的排放量。

這項最新的實驗表明，氫氣罐可以像電池一樣，成為一種靈活的儲能和供能方式，有望實現(xiàn)能源密集型工業(yè)場地的快速“脫碳”。水泥、鋼鐵、煉油和其他“脫碳復(fù)雜”的行業(yè)，都是這項創(chuàng)新技術(shù)的重要應(yīng)用目標(biāo)。

該研究項目負責(zé)人表示，如果能夠通過簡單的調(diào)整來改造現(xiàn)有的渦輪發(fā)動機，使其可適用于氫氣，那么這項技術(shù)將具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，“脫碳”技術(shù)的發(fā)展正在加快，使用燃燒時無二氧化碳排放的氫燃料發(fā)電，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。不僅利用氫能發(fā)電，接下來，更多的科研團隊還計劃利用氫能來產(chǎn)生熱能，令航空和航運業(yè)等從中受益。

不過，Engie公司副總裁拉克魯瓦表示，氫氣雖然是極為清潔的能源，但其應(yīng)用不僅面臨多項技術(shù)挑戰(zhàn)，還面臨高成本和缺乏基礎(chǔ)設(shè)施等阻礙。此外，與目前大量使用的天然氣不同，氫氣的火焰燃燒得更快、溫度更高，這意味著開發(fā)者必須克服重大安全障礙，需要考慮的因素包括材料的阻力、燃燒室的保護層和燃燒過程控制等等。純氫燃氣輪機需要攻克的技術(shù)難題還有很多。

Hyflexpower項目團隊研發(fā)的純氫燃氣渦輪發(fā)動機

日本移動出行展上的氫燃料概念車

AVL公司開發(fā)的氫燃料賽車用發(fā)動機

難點所在

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道，燃氣輪機主要由壓縮機、燃燒器、動力系統(tǒng)組成。當(dāng)下常用的燃氣輪機，只需調(diào)整燃燒器的配置即可實現(xiàn)燃料從天然氣到氫氣的轉(zhuǎn)換，成為氫燃機。在氫燃機中，氫氣的穩(wěn)定燃燒以及減少氮氧化物排放量，是難點所在。

氫氣與天然氣相比，燃燒速度更快，燃料噴射火焰的溫度更高。如果不對燃燒器的噴射閥進行調(diào)整，那么零部件在高溫狀態(tài)下就容易氧化發(fā)黑。另外，在氫燃機測試中，經(jīng)常會發(fā)生“回火”現(xiàn)象，即出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)。

氫氣燃燒時，如何控制氮氧化物的排放量是另一個難題。在實驗中，調(diào)整燃氣中氫氣的占比，觀察氣體燃燒時氮氧化物的排放量，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣占比為40%時，與天然氣燃燒差別不大。當(dāng)氫氣超過60%后，氮氧化物的排放量急劇增加；在氫氣占比達到100%后，氮氧化物排放量增加到天然氣燃燒產(chǎn)生排放量的兩倍。

為了開發(fā)氫能燃氣輪機，必須開發(fā)針對氫氣特性的燃燒技術(shù)。目前，美國、日本和一些歐洲國家都在開發(fā)氫燃機。

因為氫氣的燃燒速度快，發(fā)生“回火”的風(fēng)險較大，所以采用100%純氫氣作為燃料時，須引入“干式”燃燒器。其特點是以較小的火焰產(chǎn)生足夠大的動力。火焰較小就能降低燃燒器內(nèi)部的溫度，并縮短高溫氣體的滯留時間，從而控制氮氧化物的生成量。

日本的一個研發(fā)項目致力于氮氧化物減排和氫能發(fā)動機的開發(fā)。利用該項目中開發(fā)的氫燃燒器，搭配特定的設(shè)備，就有望實現(xiàn)氫能發(fā)電。

氫燃料貨運車

《新科學(xué)家》指出，氫氣產(chǎn)量有限，而節(jié)能減排的要求不斷提高。所以，首先要利用天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的普及，對天然氣發(fā)電裝置進行改進，既可以使用天然氣，又可以使用氫氣。加入接近30%的氫實施混燒，可以有效利用現(xiàn)有設(shè)備。待真正進入氫氣時代后，“干式”燃燒器將成為主流設(shè)備。

氫動力賽車

眾多行業(yè)的公司都對氫氣的應(yīng)用有著濃厚的興趣。業(yè)界知名的內(nèi)燃機技術(shù)公司——奧地利李斯特內(nèi)燃機設(shè)備及測試公司（AVL）新近展示了一款用于賽車的氫燃料發(fā)動機，它采用類似燃油的燃燒方式，輸出功率為320千瓦。

AVL表示，這款新發(fā)動機的技術(shù)源自其賽車運動部門，它沒有以往氫燃燒率低的弊端，并巧妙地消除了“回火”現(xiàn)象。這款2.0升發(fā)動機帶有類似汽油內(nèi)燃機的燃油噴射功能，可將水注入發(fā)動機的進氣中。這項技術(shù)避免了不必要的過早點火，并令燃燒反應(yīng)實現(xiàn)了量化控制。

該公司于2022年底對外宣布，正在開發(fā)一種氫燃料發(fā)動機。其初始目標(biāo)是產(chǎn)生300千瓦的功率和500N的扭矩。今年9月，樣機已經(jīng)在測試臺上實現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com