“氢”洁气电 | GE HA级燃机燃氢知多少

随着中国“3060”双碳目标的提出，各家电力企业都在努力探寻符合自身长期发展的低碳转型方案。在这一进程中，氢作为一种近乎零碳排放的绿色能源，越来越受到大家的关注与重视。通过技术改造燃气轮机使其向燃氢方向转化、最终实现100%燃氢，无疑成为各大燃气电厂在未来实现净零碳排放的可行途径之一。

氢气具有怎样的特性？燃气轮机的扩散燃烧和预混燃烧有什么区别？针对现有含氢燃料的特点，GE HA级燃机采用了什么样的燃烧器与燃烧技术？针对各位电厂同仁当下最关心的燃氢话题，《“氢”洁气电》系列第一期将为大家进行细致说明与解答，助力各位电厂同人及时get燃机低碳环保运行的核心秘籍，掌握燃机燃氢技术的最新干货！

氢气的特性

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。