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如表中所示,氢气具有如下特性:
燃料特性:与甲烷相比,氢气单位体积热值是10.8MJ/NM3,是甲烷的30%,而单位质量热值是120MJ/kg,是甲烷的2.4倍。同样热值,燃料体积大幅增加,但修正华白指数与甲烷相比变化不大。
燃烧特性:可燃范围大,燃烧速度非常快,~200−300cm/sec,是甲烷的5-10倍,燃烧速度快意味着回火风险高。修正华白指数与甲烷相差15%左右,变化不算大。
排放特性:氢气燃烧温度高,比甲烷燃烧高出约170摄氏度,NOx排放高。
扩散燃烧与预混燃烧
如图所示,当燃机采用扩散燃烧技术时,其当量空燃比接近于1,意味着燃烧具备充足的燃料与空气,而此时燃烧温度较高,NOx排放也较高。
为了降低NOx排放,满足环保要求,当前的燃机在燃烧天然气时大多采用预混燃烧技术,也就是将燃料与空气提前混合,再点火燃烧,此时燃烧温度相对较低,NOx排放也较低。
扩散燃烧的特点:
当量空燃比接近或等于1
火焰稳定,不易灭火
火焰温度高
NOx排放在200-600ppm,需要喷水(蒸汽)或氮气来稀释,进而降低NOx排放
预混燃烧的特点:
当量空燃比较小,属于贫燃料燃烧
无需喷水(蒸汽)或氮气,NOx排放可以满足环保要求,实现25ppm或更低
燃烧容易不稳定,燃烧脉动不易控制,对燃烧技术要求较高
GE HA级燃机燃氢技术
基于GE对氢燃料特性与燃氢技术持续且深入的研究,当前GE最先进的HA级燃机燃氢能力已实现了两大突破:
首先是燃料上的突破,以往采用的低热值燃料不但单位体积的热值低,单位质量的热值也很低,其主要来源是煤化工、石油化工或是高炉煤气、焦炉煤气,除了氢气还含有一氧化碳以及惰性气体等,我们通常称之为蓝氢或灰氢。而现在所提倡的含氢燃料,是指氢气与天然气的混合燃料,氢气由可再生能源制造产生,比如电解氢,也就是绿氢,或是来源于化工行业的高浓度氢气,这种燃料的特点是主要成分是甲烷和氢气,随氢气含量增加,单位体积的热值降低,但是单位质量的热值却是增加的。
其次是燃烧技术的突破,以往的低热值燃料会采用扩散燃烧的燃烧技术,扩散燃烧系统燃烧稳定,可以燃烧高活性的含氢燃料,但是NOx排放很高,需要喷水(蒸汽)或氮气来降低NOx排放。基于以往含氢低热值燃料的特性,GE在过去采用MNQC(即多喷嘴静音燃烧系统,扩散燃烧技术)达到稳定燃烧,NOx的排放则通过稀释的方法来降低。随着绿氢与天然气混合燃料的普及,GE在最新型的HA级燃机上采用了DLN2.6e微孔预混燃烧技术。这种干式预混燃烧的燃烧技术既要稳定燃烧高活性的含氢燃料,防止回火,又要满足电厂所在地对NOx排放的需求,还要满足同一款燃烧器既能烧天然气又能烧含氢的混合气,所以对燃烧技术的要求很高。
而说起GE这项先进的微孔预混燃烧技术的由来,我们还要将时间拨回到十六年前。2005年,GE申请到了美国能源局专门研究烧氢的国家课题,开发出了微孔预混燃烧器,并将该先进的燃烧器应用在了9HA燃气轮机上, 也就是我们熟知的DLN 2.6e燃烧器。这款先进的低氮燃烧器具备多重优势:
燃料适应性强,华白指数变化范围可做到+/-15%。这很好地满足了同一款燃烧器既可以烧纯甲烷,也可以烧纯氢气的需求。从华白指数的定义可以看出,若以纯甲烷作为燃料设计基础,纯氢相对的华白指数变化在+/-15%之内。
预混效率高。相比于以往带旋流器的大尺寸喷嘴,DLN2.6e采用不带旋流器的小尺寸喷嘴(直径为毫米级别),不仅预混充分,而且可以保持燃料速度快的特点,当燃料速度快于燃烧速度时,可以很好地避免回火的发生。
NOx排放控制能力强。采用小尺寸喷嘴,预混充分,将燃烧器与过渡段结合成一体,减少高温烟气滞留的时间;采用分级燃烧,使火焰高温区域更加均匀,降低NOx排放(如下图所示)。
GE燃氢成绩单
GE燃气轮机使用氢气和类似低热值燃料运行已超过30年,在燃气轮机燃氢技术上积累了丰富的经验。在此期间,全球已有超过75台GE燃氢燃气轮机在运行,在全球使用氢燃料燃气轮机设备中占据一半份额,这些燃气轮机累计运行时间超过600万小时。我们会在接下来的氢系列文章中分享更多GE掺氢燃机的应用实践。
面向中国市场,GE将持续投入更多前沿技术,通过技术创新助力客户顺利实现能源转型,共同迈向可持续发展的未来。
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