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近日，國(guó)家電投荊門(mén)綠動(dòng)電廠實(shí)現(xiàn)了運(yùn)燃機(jī)15%摻氫燃燒改造和商業(yè)運(yùn)行。這是中國(guó)首次在重型燃?xì)鈾C(jī)商業(yè)機(jī)組實(shí)施摻氫燃燒改造試驗(yàn)和科研研究。該項(xiàng)目已成為世界上第一個(gè)在天然氣商業(yè)機(jī)組進(jìn)行摻氫燃燒的聯(lián)合循環(huán)、熱電供應(yīng)示范項(xiàng)目。
世界上許多燃機(jī)廠商已經(jīng)開(kāi)始探索傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)摻氫技術(shù)，并取得了初步的發(fā)展。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，可再生能源的大規(guī)模發(fā)展和氣電行業(yè)的減排需求將促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)摻氫技術(shù)的發(fā)展。摻氫燃?xì)廨啓C(jī)作為大規(guī)模氫燃料發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，將迎來(lái)巨大的發(fā)展空間。
多國(guó)探路燃機(jī)摻氫
在現(xiàn)役天然氣機(jī)組中增加氫燃料來(lái)源，不僅可以有效節(jié)約天然氣消耗，保證冬季供暖的安全穩(wěn)定，而且可以顯著降低碳。根據(jù)國(guó)家電投數(shù)據(jù)，荊門(mén)54兆瓦燃?xì)鈾C(jī)每年可減少二氧化碳排放1.8萬(wàn)噸以上。
事實(shí)上，在全球碳減排的趨勢(shì)下，天然氣的化石能源屬性使得傳統(tǒng)天然氣發(fā)電用大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)市場(chǎng)萎縮，世界各大燃?xì)獍l(fā)電機(jī)制造商找到了新的市場(chǎng)立足點(diǎn)。
近年來(lái)，日本三菱日立、美國(guó)通用電氣、德國(guó)西門(mén)子能源、意大利安薩爾多能源公司等國(guó)際主要燃?xì)鈴S商都為氫燃料燃?xì)鈾C(jī)推出了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃，開(kāi)展了氫燃料甚至純氫燃料燃?xì)鈾C(jī)的研究、開(kāi)發(fā)和示范應(yīng)用，為電力行業(yè)深度脫碳奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2018年，三菱日立電力系統(tǒng)公司對(duì)大型氫燃料燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)行了測(cè)試。氫含量30%的氫燃料測(cè)試結(jié)果表明，新開(kāi)發(fā)的專用燃燒器可以實(shí)現(xiàn)氫混合燃料的穩(wěn)定燃燒，與純天然氣發(fā)電相比，二氧化碳排放可減少10%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高于63%。
與三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司類似，西門(mén)子能源也致力于提高燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)淠芰Α?019年，西門(mén)子能源承諾在2030年前實(shí)現(xiàn)100%燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)，涵蓋從小功率到重型燃?xì)廨啓C(jī)的所有產(chǎn)品組合。
關(guān)注安全問(wèn)題
與氫混合的傳統(tǒng)天然氣燃?xì)廨啓C(jī)意味著燃?xì)庠O(shè)備對(duì)氫的適應(yīng)性和摻氫后的安全性面臨挑戰(zhàn)。
一位天然氣摻氫領(lǐng)域的專家表示，氫燃料的火焰溫度比天然氣高出近300℃，著火延遲時(shí)間比天然氣低三倍以上。當(dāng)燃料中摻氫比例較高時(shí)，燃料的反應(yīng)性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致火焰向上移動(dòng)、燃燒時(shí)間過(guò)多等問(wèn)題，增加氮氧化物的排放，并可能使燃燒室過(guò)熱。因此，有必要測(cè)試燃燒室的使用穩(wěn)定性和廢氣排放，重新設(shè)計(jì)或優(yōu)化傳統(tǒng)燃燒室或燃燒系統(tǒng)。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，與甲烷相比，氫氣具有更高的擴(kuò)散系數(shù)、更低的點(diǎn)火能量和更寬的爆炸極限。因此，一些常規(guī)的天然氣燃燒器輔助系統(tǒng)，如通風(fēng)、氣體泄漏檢測(cè)、管道裂紋檢測(cè)系統(tǒng)等。對(duì)于燃?xì)淙紮C(jī)的安全使用具有更重要的意義，需要注意。
氫燃料的使用也面臨著與整體安全相關(guān)的操作風(fēng)險(xiǎn)。“氫火焰的亮度很低，肉眼很難找到，需要一個(gè)特殊的氫火焰檢測(cè)系統(tǒng)；其次，氫氣比其他氣體具有更強(qiáng)的滲透性，可能不適用于傳統(tǒng)的原始天然氣輸送密封系統(tǒng)；此外，氫氣比甲烷更易燃易爆，氫氣的爆炸極限比甲烷寬得多。因此，氫泄漏會(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮改變操作程序和防爆危險(xiǎn)區(qū)域劃分。”業(yè)內(nèi)人士指出。
經(jīng)濟(jì)性有待提高
“以氫為連接樞紐，燃?xì)廨啓C(jī)和新能源可以起到很好的互補(bǔ)和協(xié)同作用，由它們組成的混合發(fā)電系統(tǒng)具有更好的靈活性和穩(wěn)定性，也可以為純氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電行業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。”上述專家表示，目前氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電受制氫成本、能源轉(zhuǎn)換效率等多種因素影響，面臨經(jīng)濟(jì)性低下的問(wèn)題。目前我國(guó)電解水制氫成本較高，約1.8-3.6元/立方米。但隨著新能源發(fā)電比重的不斷提高，預(yù)計(jì)2025年后電解水制氫成本將降至1.35元/立方米以下。
集中式發(fā)電效率低也制約了氫燃料發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。有業(yè)內(nèi)人士直言，在我國(guó)風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化石能源的情況下，可再生能源生產(chǎn)的綠氫仍主要供應(yīng)給交通、工業(yè)等領(lǐng)域，集中氫燃料發(fā)電進(jìn)展緩慢。雖然混氫或純氫燃料燃機(jī)發(fā)電示范項(xiàng)目將陸續(xù)推出，但在可再生能源尚未實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模發(fā)展的情況下，電－氫－電的轉(zhuǎn)化過(guò)程降低了能源的整體利用效率。如果不解決上述問(wèn)題，將難以廣泛應(yīng)用。
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