中国航发燃机：燃气轮机多燃料适用发展方向

前言：未来能源系统中，天然气作为发电和储备能源仍将是不可或缺的。目前，燃气轮机普遍以天然气作为主体燃料，预计到2030年燃气轮机燃料的使用将更加灵活。世界各大燃气轮机厂商正大力研发可燃烧100%氢气的燃气轮机，在天然气到氢能等替代燃料转换的过程中，燃气轮机可以通过燃烧合成甲烷或其他相关燃料高效发电，成为支持间歇性可再生能源发电的首选技术。通过这种方式，燃气轮机联合循环电厂代表了一项可持续投资，也是碳中和过程中理想的能源工具。为更好地响应国家“双碳”战略，中国航发燃机研究世界各国脱碳技术路线，对燃气轮机未来燃料适用性进行研究，并编译了本文，以期引发行业内更多有益的思考。

燃气轮机的燃料资源

现代燃气轮机必须符合经济和环境要求：操作的灵活性、高可用性和可靠性、燃料的灵活性和低排放的高效率长期目标是实现零碳排放，同时保持低氮氧化物/一氧化碳），必须使用范围更广的气体和液体燃料。

基于燃气轮机的新工艺和新燃料资源（生物燃料、页岩气、液化天然气）将被用于电力，燃料气体混合物（合成气、氢气）和稀释剂（二氧化碳、水）出现于发电和工业应用领域。这些增加了种类繁多的天然气质量规格，包括具有更高含量的高级烃或具有更高惰性物质含量的气体成分指分别具有超过1%体积的所谓C2+，如乙烷C2H6、丙烷C3H8和丁烷C4H10，或大于10%volN2、CO2)，涵盖了广泛的沃泊指数值（35 - 55 MJ/Nm3)。此外，液体燃料仍然对移动应用（航空发动机、船用发动机）、石油和天然气工业、岛屿/离网操作以及作为备用燃料作用显著。

同时，燃料的范围通过来自生物质液化和电力到X(PtX）生产计划的碳中性产品扩展 - 包括氢或各种碳氢化合物产品/合成燃料。这些可以逐步添加到化石燃料中，直到它们完全取代化石燃料作为主要能源。为无碳发电、行业耦合提供了机会。

燃气轮机的广泛燃料范围能力的机会与运营挑战密切相关，例如火焰稳定性和排放合规性，如果考虑灵活的燃料转换程序，则可能会加剧。目前主要的研发重点是将氢气灵活混合到燃料中，甚至高达100%，以及符合排放标准的氨燃烧（尤其是NOX）。

通常，实现超高效率需要非常窄的燃料规格，而使用质量波动的燃料通常需要权衡转化为略低的性能，并重新设计在这方面需要解决的关键问题。

天然气/氢气混合物

随着风能和太阳能光伏安装容量的增加，间歇性产生的剩余电力的存储将是一个重要的挑战。通过水电解制氢和随后的电气化（电转气转电）进行储存是正在考虑的一种选择。这将要求消费者应对天然气中不断增加的H2含量，尤其是在分散的小型天然气网或专用氢气网中。这种方法还需要提高现代燃气轮机的氢燃烧能力（纯、预混或带有惰性气体稀释的扩散燃烧），这涉及解决诸如燃烧性能和控制（火焰稳定性、回火、燃烧器冷却、热声学）、氮氧化物排放行为和操作安全。特别是安全性不能妥协，需要进一步的发展来解决泄漏、自燃和材料脆化的风险。

为了保证操作的灵活性，现代燃烧系统最终应该能够处理整个燃料变化范围：从100%的甲烷到100%的氢气，适用于所有操作点（从扩展的最小环境负荷到峰值运行、斜坡和快速启动）。但是高氢浓度（> 50% vol.）需要对燃气轮机系统中燃料空气混合和燃烧室设计进行重大改变。目前欧洲首个项目正在开发低排放、可靠（安全点火、稳定火焰）燃烧技术在全尺寸/全压力下的适用性验证。

低热值气体

虽然大多数燃气轮机将使用天然气和氢气运行，但它们的燃料灵活性和稳定性也可以使用众多种低热值气体。这些气体变得越来越重要，特别是对于分布式的应用，因为燃料源是分布式的，并且运输到大型发电厂在经济上是不可行的。

生物质衍生的合成气——来自生物质或木材气化的CO/H2混合物——被认为是CO2中性的，因此可以在未来的发电场景中发挥作用。在大型燃气联合循环设备中混合燃烧此类合成气可提供高电力转换效率。由于共燃占能源比例高达20%，燃烧性能会受到影响，因此需要解决安全燃烧性能问题（火焰稳定性、回火、燃烧室冷却、热声学），以及排放行为（氮氧化物、一氧化碳）和燃料污染物（颗粒、腐蚀性物质，如硫、氯、钠）等材料的降解。

非常规天然气，如页岩气或煤层气，是另一种惰性物质浓度高但不含氢气的气体燃料。由于惰性物质N2、CO2也可以根据勘探条件暂时变化。对于这些气体，必须改进火焰稳定性和燃烧系统的操作范围。

LNG（液化天然气，LNG蒸发气）和LPG（液化石油气）在再气化后用作燃气轮机运行的燃料气体时具有非常奇特的成分。LNG主要由甲烷组成，因此减少了惰性物质造成的任何影响，但较高的碳氢化合物（例如C2H6/C2H4）虽然含量较低，但由于以下原因可能会导致可操作性问题，燃料的反应性降低。液化石油气由各种比例的丙烷和丁烷组成，并表现出非常不同的物理特性和化学性质，与甲烷相比，极大地改变了燃烧特性。火焰稳定性、火焰速度和点火延迟时间可能大不相同，以至于需要重新设计关键的燃烧器部件。在没有天然气供应的地方，气化的LPG可能是液体燃料最有吸引力的替代品。

源自生物质气化或电转气工艺的合成气可用于生产液体燃料，例如加氢酯和脂肪酸 (HEFA)、醇、二甲醚 (DME) 或费托产品。其他液体燃料如热解油可以在各种类型的生物质的热解过程中直接形成。所有这些液体燃料在质量和体积上都具有高能量密度，但它们的物理特性（黏度、润滑性）和化学特性（燃烧化学、火焰速度）的显着范围变化很大，尚未完全表征。需要进一步的工作来评估它们相关的操作限制，例如稀燃和回火，或 NO、CO、SO排放。

提到基于生物质的燃料很可能供应有限，因此将它们的使用范围缩小到分散应用——这也将限制运输需求并允许更高的净CO2减少率。必须考虑这些燃料的其他差异，例如S/N/Cl含量或酸度和腐蚀性。燃料的成分受生物质的类型和质量的影响，并且可能随时间而变化，因此强大的燃烧系统对于广泛的燃料范围是必要的。

另一方面，Power-to-X燃料可以提供新的可能性，因为它们的物理和化学特性可以针对特定应用量身定制。燃料和燃烧器设计的共同优化可能允许更低的排放和更高的燃烧稳定性。 PtX燃料在未来替代大量化石燃料方面具有巨大潜力。

非碳燃料

氨的燃烧特性与传统的碳氢燃料和氢燃料有很大不同——这种差异包括燃料转化率的显着降低。氨对能量储存很有吸引力，因为它不含碳，并且可以在中等温度和压力下液化和储存。燃气轮机可用于将氨转化为电能，基本上有两种方法：直接使用氨作为燃料，或通过热裂解等方式将氨重新转化为氮/氢混合物。使用氨进行燃烧的主要缺点是由于氨气中含有与燃料结合的氮，所以会产生大量的氮氧化碳：如果纯氨是燃烧，如果存在任何残留的氨，它仍然存在于裂解气中。需要探索特殊的低NOX燃烧过程，以最大限度地减少燃料结合氮的转化。对于直接用作燃料，氨已被证明具有非常缓慢的反应，因此火焰速度较低，因此一种选择是用更具反应性的分子（例如氢）掺杂燃料，这可以方便地从氨的（部分）裂解获得或来自天然气的重整。

氨的燃烧是欧盟资助的某项目目前正在研究的一个主题，该项目将开发创新、经济、可行和可复制的powerto-X-to-power 解决方案，将电力转化为氢或氨。一种小型电转氨转电解决方案将开发并与微型燃气轮机支柱相结合。

早期改造为燃烧氨。基于该项目的结果，需要进一步调查以了解更多关于燃气轮机先进燃烧系统中氨燃烧的信息，包括：燃烧动力学、燃烧器和燃烧系统设计、安全问题、燃料处理、排放等。

燃料预处理的特殊燃料

经济原因可能会推动使用特殊燃料发电。尽管燃料预处理通常是避免燃气轮机出现问题的必要条件，但低等级燃料（例如重燃料油、原油、酸性气体）的供应成本低廉且足以满足此用途。

由于其含有硫、碱金属和重金属盐，在燃气轮机中使用低等级液体燃料（例如原油）特别困难，会导致严重的热气路径腐蚀，从而导致显著的维护成本或效率损失。在燃气轮机中需要使用酸性气体的情况下，解决有毒/或腐蚀性元素（如硫）的处理问题至关重要。除了硫物质的侵蚀性外，燃烧硫化氢会产生超出可接受水平的SOx排放。

有害成分及其燃烧产物的排放通常受立法控制，从而限制其对环境的影响。去除这些不需要的成分的燃料预处理通常是最佳选择，因为它有望显著降低维护成本、提高电厂发电效率并减少排放。