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隨著全球氣候變化壓力的不斷增大,世界各國(guó)都在加大可再生能源的研究利用,作為促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的氫能產(chǎn)業(yè)也日益受到重視,美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼將氫能發(fā)展列入國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃,產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的開(kāi)發(fā)、利用水平也日趨成熟。自2011年以來(lái),我國(guó)也一直在積極鼓勵(lì)和引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,多個(gè)政府機(jī)構(gòu)部門(mén)從戰(zhàn)略路線、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技、財(cái)政等方面制定了系列的規(guī)劃路線和政策措施,特別是在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中,氫能和燃料電池被列為需要集中攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

另一方面天然氣發(fā)電作為電力結(jié)構(gòu)的重要組成部分,《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》已明確了天然氣發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo),2020年將實(shí)現(xiàn)氣電裝機(jī)容量占比超過(guò)5%,總體規(guī)模達(dá)110GW。如果能將以上兩者結(jié)合,用清潔的氫燃料替換天然氣通過(guò)使用升級(jí)改造后的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,那么每年將會(huì)減少巨量的碳排放。

1、氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

上世紀(jì)80～90年代開(kāi)始,多個(gè)國(guó)家和國(guó)際機(jī)構(gòu)制定了氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫能相關(guān)研究計(jì)劃。2005年美國(guó)能源部(DOE)同時(shí)啟動(dòng)為期6年的“先進(jìn)IGCC/H2燃?xì)廨啓C(jī)”項(xiàng)目和“先進(jìn)燃?xì)渫钙降陌l(fā)展”項(xiàng)目,這2個(gè)項(xiàng)目以NOx排放小于3ppm的燃?xì)廨啓C(jī)為目標(biāo),主要研究?jī)?nèi)容包括富氫燃料/氫燃料的燃燒、透平及其冷卻、高溫材料、系統(tǒng)優(yōu)化等。2007年歐盟在其第七框架協(xié)議(FP7)中啟動(dòng)了“高效低排放燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)”重大項(xiàng)目,以氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)為主要研究對(duì)象。2008年歐盟第七框架又把“發(fā)展高效富氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)”作為一項(xiàng)重大項(xiàng)目,旨在加強(qiáng)針對(duì)富氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的研究。日本將高效富氫燃料IGCC系統(tǒng)的研究作為未來(lái)基于氫的清潔能源系統(tǒng)的一部分列入其為期28年的“新日光計(jì)劃”中(WE-NET),以效率大于60%的低污染煤基IGCC系統(tǒng)為目標(biāo)展開(kāi)研究[1]。如今世界上富氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)已有較多的應(yīng)用業(yè)績(jī),主要是以合成氣擴(kuò)散燃燒模式的IGCC電廠系統(tǒng)。

日本三菱日立自1970年開(kāi)始研發(fā)含氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī),早期擴(kuò)散燃燒器已被證實(shí)能在含氫0～100%的燃料中安全穩(wěn)定運(yùn)行,截止至2018年含氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī)業(yè)績(jī)已達(dá)29臺(tái),運(yùn)行小時(shí)數(shù)超過(guò)3.57百萬(wàn)小時(shí),以M系列和H系列機(jī)型為主。2018年三菱日立在700MW輸出功率的J系列重型燃?xì)廨啓C(jī)上使用含氫30%的混合燃料測(cè)試成功,測(cè)試結(jié)果證實(shí)該公司最新研發(fā)的新型預(yù)混燃燒器可實(shí)現(xiàn)30%氫氣和天然氣混合氣體的穩(wěn)定燃燒,二氧化碳排放可降低10%,NOx排放在可接受范圍內(nèi)。

美國(guó)GE公司的燃?xì)錃廨啓C(jī)開(kāi)發(fā)是在7FA燃機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的,上世紀(jì)九十年代其中以合成氣擴(kuò)散燃燒+N2/水蒸氣稀釋為主的7FB機(jī)組已完成開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用,隨后也推廣到6B機(jī)組中[2]。在小型機(jī)中,最近澳大利亞領(lǐng)先的氫氣基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)商H2U與GE貝克休斯簽署協(xié)議,將部署NovaLT燃機(jī)為PortLincoln項(xiàng)目提供100%的氫氣運(yùn)行,打造綠色氫能發(fā)電廠。在富氫燃料干式低氮燃燒器研發(fā)方面,GE目前仍在研究測(cè)試中。

德國(guó)西門(mén)子的燃?xì)錃廨啓C(jī)則是以SGT-6000G(W501G)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)合成氣/氫氣燃?xì)廨啓C(jī)。對(duì)于富氫燃料干式低排放燃燒器的研究,目前第4代DLE燃燒系統(tǒng)富氫燃燒已完成多次試驗(yàn),試驗(yàn)表明,氫濃度在35%時(shí)該系統(tǒng)的NOx排放可控制到20PPM內(nèi)。

2、氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)

天然氣和氫氣的燃料特性差異決定了燃?xì)廨啓C(jī)采用含氫燃料時(shí),燃機(jī)需要通過(guò)相應(yīng)的升級(jí)改造以適應(yīng)燃料的變化,從需求側(cè)考慮,該升級(jí)應(yīng)是在已有燃?xì)廨啓C(jī)的平臺(tái)上做出有限的改造即能滿足由100%的天然氣到富氫燃料甚至純氫燃料穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)NOx排放又在可控范圍內(nèi),不會(huì)大幅增加脫氮的成本。鑒于目前高效重型燃機(jī)均采用干式低氮燃燒器,為減少改造范圍,采用氮?dú)饣蛩魵庾⑷胂♂尩臄U(kuò)散低氮燃燒技術(shù)已不再適用,DLN預(yù)混燃燒器或更先進(jìn)的燃燒器將是未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。

由于氫氣單位體積的低位熱值小于天然氣,保持出力不變必將使進(jìn)入燃燒器的燃料體積流量增大,同時(shí)氫氣在空氣中的火焰速度高于天然氣,因此燃用氫氣或其混合物需解決如下問(wèn)題:解決回火和火焰震蕩問(wèn)題以增加透平的安全和可操作性;解決在高溫和高壓下富氫/純氫燃料的自動(dòng)點(diǎn)火問(wèn)題;改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)較高的燃料體積流量[3];燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮減少NOx排放技術(shù)。

除燃燒系統(tǒng)升級(jí)以外,當(dāng)常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)改燃燒氫氣時(shí),在維持燃?xì)馔钙降某鯗睾愣ú蛔兊那疤嵯?燃料的質(zhì)量流速和容積流速會(huì)有一定程度的增加,致使有可能使壓氣機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象,因此在改造設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮燃?xì)馔钙脚c壓氣機(jī)工質(zhì)流量的匹配問(wèn)題[4]。

3、氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的安全性分析

由于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)氫能缺乏足夠的了解,再加上發(fā)生氫氣球爆炸的危害性,致使人們談氫色變。燃機(jī)氫能發(fā)電除了技術(shù)上要解決壓氣機(jī)喘振、預(yù)混燃燒回火和燃燒振動(dòng)等燃機(jī)本體安全性問(wèn)題外,對(duì)于氫燃料的生產(chǎn)、輸送和儲(chǔ)存的安全監(jiān)督顯得更為重要。

3.1氫燃料的生產(chǎn)安全

高效重型燃機(jī)發(fā)電需要消納大量的氫燃料,按照目前F級(jí)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)400MW計(jì)算,每小時(shí)需要的天然氣燃料約為8萬(wàn)標(biāo)方,假設(shè)機(jī)組效率不變,天然氣體積低位熱值為氫氣的3.3倍,該燃機(jī)用純氫氣發(fā)電則每小時(shí)需要供氫26.4萬(wàn)標(biāo)方才能保證出力不變。為能滿足如此大規(guī)模的用氫需求,在燃機(jī)電廠現(xiàn)有的條件下,通過(guò)在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)末端加裝催化裝置,用天然氣制氫是眾多制氫技術(shù)中最為合適的。

天然氣制氫主要由天然氣和水蒸汽催化轉(zhuǎn)化、氫氣吸附提純兩部分組成。經(jīng)脫硫凈化后的天然氣與水蒸氣按一定比例混合,在820～950℃的環(huán)境中在氧化鎳的作用下反應(yīng)生成含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的轉(zhuǎn)化氣,轉(zhuǎn)化氣中的一氧化碳和水蒸氣按照工藝流程在中變爐里進(jìn)一步反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣形成變換氣,然后變換氣通過(guò)變壓吸附過(guò)程獲得高純度氫氣。該制氫技術(shù)已在國(guó)內(nèi)已成功運(yùn)用20多年,生產(chǎn)技術(shù)成熟,操作控制程序規(guī)范,自動(dòng)化程度高,運(yùn)行安全可靠,只要嚴(yán)格按照安全規(guī)程操作風(fēng)險(xiǎn)基本可控。

3.2 氫燃料的輸送及儲(chǔ)存安全

不管是遠(yuǎn)端制氫還是末站制氫,氫氣通過(guò)天然氣管道大規(guī)模不間斷的輸送是被認(rèn)為最方便有效的,然而氫氣有著比天然氣更寬的爆炸極限和更快的燃燒速率,再加上氫氣對(duì)金屬材料的劣化作用,利用現(xiàn)有天然氣管輸送混氫或純氫燃料的安全性問(wèn)題亟待解決。

為保證燃機(jī)的出力保持不變,管線中天然氣的體積流量需要提高3.3倍,因此必須要提高管程的壓降,增強(qiáng)燃料的運(yùn)輸能力,而氫氣對(duì)金屬材料的脆化特性和氫氣的滲透等不利因素在高壓運(yùn)行環(huán)境中得到惡性疊加。所以輸送氫氣或混氫燃料對(duì)管材及其處理工藝的要求特別高,一旦將來(lái)要用現(xiàn)有管道輸送氫氣或混氫燃料,就必須對(duì)管道重新進(jìn)行缺陷檢測(cè)、修復(fù)、更新并定期檢驗(yàn)[5]。廠區(qū)大量?jī)?chǔ)存氫氣必然是一個(gè)重大的危險(xiǎn)源,受到各部門(mén)的層層監(jiān)管,為降低風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生,氫氣發(fā)電的最佳模式是即制即用,消除儲(chǔ)存環(huán)節(jié),減少中間過(guò)程的潛在危險(xiǎn)。

4、氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性分析

燃機(jī)發(fā)電的主要成本在于燃料,氫是可再生能源,因此制氫成本將是決定氫能發(fā)電推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。按照中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展技術(shù)線路圖,未來(lái)最理想的模式是規(guī)?；奶?yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源綠色制氫。然而,從技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看,這些技術(shù)方法離工業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路。我國(guó)現(xiàn)階段制氫技術(shù)主要有5大類(lèi):一是電解水法;二是采用煤焦氣化技術(shù);三是采用變壓吸附提純焦?fàn)t氣技術(shù);四是采用天然氣、烴類(lèi)轉(zhuǎn)化、重油裂解等技術(shù);五是甲醇裂解制氫技術(shù)。

目前大規(guī)模的工業(yè)制氫以煤和天然氣等化石能源煉制為主,天然氣和氫燃料發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性在限定條件內(nèi)測(cè)算如下:以2019年9月份能源價(jià)格做對(duì)比測(cè)算,天然氣價(jià)格約2.3元/Nm3,5500kcal的優(yōu)質(zhì)煤價(jià)格約640元/t,對(duì)應(yīng)的制氫價(jià)格分別約為1.20元/Nm3(天然氣制氫)、0.95元/Nm3(煤制氫)?，F(xiàn)在主流使用的F級(jí)重型燃機(jī)每標(biāo)方天然氣可發(fā)電5～5.5口kWh,假設(shè)用氫氣替換天然氣后的效率不變(暫不考慮其他技術(shù)層面限制),在每標(biāo)方天然氣的熱值為氫氣3.3倍條件下,取發(fā)電量的中位數(shù)5.25kWh反算,得出天然氣、天然氣制氫、煤制氫的燃料度電成本分別為0.438kWh/元、0.754kWh/元、0.597kWh/元。因此,化石能源制氫替代天然氣純發(fā)電,在現(xiàn)有政策背景下即使低氮燃燒器能投入應(yīng)用也是沒(méi)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),在未來(lái)化石能源制氫成本可預(yù)見(jiàn)能進(jìn)一步降低,但受限于原材料的不可再生特性也終將會(huì)被淘汰。

電解水制氫是一種清潔、無(wú)污染、可再生的制氫方式,但目前仍存在系列缺點(diǎn),如能耗高、缺乏大規(guī)模生產(chǎn)條件等。按商用電解槽法制氫測(cè)算,能耗約為4.5～5.5kWh/Nm3,轉(zhuǎn)化率在72～82%之間[6],折算后制氫成本為2.7～3.6元/Nm3,成本遠(yuǎn)高于煤制氫、天然氣制氫,用于發(fā)電缺乏經(jīng)濟(jì)性。如果利用可再生能源的棄電制氫,則制氫成本會(huì)有大幅降低(若棄電按0.1元/kWh計(jì)算[6],制氫成本約為0.9元/Nm3),但是適合棄電制氫地區(qū)一般存在長(zhǎng)距離輸送和儲(chǔ)存等問(wèn)題,導(dǎo)致現(xiàn)在總成本依然高昂。盡管現(xiàn)狀如此,但隨著氫能產(chǎn)業(yè)的日漸成熟,中間環(huán)節(jié)的管理、技術(shù)成本的相應(yīng)下降,可再生能源制氫用于發(fā)電將是未來(lái)最理想的燃機(jī)氫能發(fā)電模式。

5、展望分析

清潔能源氫燃料替代天然氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電以減少大量的碳排放,這是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì),氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展除了開(kāi)發(fā)全新的機(jī)型,常規(guī)燃機(jī)上氫燃料替代天然氣的改造也是重要研究方向。就目前而言需重點(diǎn)解決幾個(gè)基礎(chǔ)條件:富氫甚至純氫干式低氮燃燒器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,先進(jìn)的低氮技術(shù)替代傳統(tǒng)的添加稀釋劑低氮技術(shù),能使氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)有更高的效率和更低的排放;大規(guī)模的可再生能源制氫技術(shù)有突破性提高并形成規(guī)?；?yīng),大幅降低氫燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存成本,從源頭上降低氫燃料發(fā)電綜合成本;制氫產(chǎn)能能支撐全社會(huì)氫氣燃機(jī)發(fā)電需求;輸送氫氣的管網(wǎng)等其他配套系統(tǒng)必須得到充分的升級(jí)更新,符合安全要求。

當(dāng)以上所有要素都發(fā)展成熟后,氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電因其零碳、低NOx的排放優(yōu)勢(shì),必將成為電力能源結(jié)構(gòu)的中堅(jiān)力量。

原標(biāo)題：氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的應(yīng)用前景究竟如何？