日本的氫燃氣輪機先進在哪？

日本氫燃氣輪機項目由NEDO主導，三菱重工和川崎重工分別研制大型氫燃氣輪機與中小型氫燃氣輪機。

從技術路線來看，目前都是只改造現有燃氣輪機的燃燒器噴嘴或開發(fā)新的燃燒器噴嘴。

按燃料細分，可分為以下路線：摻氫燃燒的燃氣輪機，純氫燃燒的燃氣輪機，純氫+純氧燃燒的燃氣輪機。

1.摻氫燃氣輪機

（1）川崎重工的摻氫燃氣輪機的燃燒器

川崎重工摻氫燃氣輪機燃燒器的特點是在燃燒器后半段增加二次燃燒噴嘴，氫氣只在二次燃料中摻混，主燃料仍然是天然氣。使用天然氣進行點火/啟動和低負荷運行，當負荷達到DLN運行范圍時，向二次燃燒噴嘴供應氫氣，進行氫燃燒發(fā)電。

實驗結果確認使用二次燃燒噴嘴時，摻氫燃氣輪機與天然氣燃氣輪機的運行范圍、設計點和NOx排放量幾乎相同，且沒有發(fā)生回火或燒蝕。并且NOx排放量為25ppm（按O2=16%換算）。

（2）三菱重工的摻氫燃氣輪機的燃燒器

與川崎重工的燃燒器不同，三菱重工的燃燒器是在主燃料噴嘴就進行氫氣混合。壓氣機排氣進入燃燒器內部后通過旋流器葉片成為旋流，與此同時燃料從旋流器葉片表面的小孔噴出，在旋流效應下與周圍空氣快速混合。目前已了解到在旋流中心存在一個低流速區(qū)域，導致火焰逆向蔓延，從而發(fā)生回火。

因此新型燃燒器的設計特點是從噴嘴的尖端噴出空氣，以增大渦核的流速。噴射的空氣補充渦核的低流速區(qū)域，從而防止回火的發(fā)生。

考慮到最低流速是控制回火現象發(fā)生的關鍵，因此新型燃燒器的最低流速是常規(guī)燃燒器的2.5倍以上。

另外，從新型燃燒器噴嘴頂端的小孔噴入的空氣量非常少，因此，除了渦核附近區(qū)域之外，其他區(qū)域幾乎不受影響，流速分布與常規(guī)燃燒器同等。

2.純氫燃氣輪機

（1）川崎重工的純氫燃氣輪機的燃燒器

川崎重工的純氫燃氣輪機的燃燒器有2種技術路線：擴散燃燒器與干式低NOx燃燒器。

噴水減NOx的擴散燃燒器（純氫）

目前使用含有高濃度氫氣的高反應性燃氣作為燃氣輪機的燃料進行發(fā)電時，多采用火焰穩(wěn)定性優(yōu)良的擴散燃燒法。這種燃燒方式穩(wěn)定性極好，但會產生大量NOx。

因此，為了減少燃燒氣體中的NOx，使用噴入水或水蒸氣減少火焰高溫部分產生的NOx的方法。

干式低NOx燃燒器（純氫）

天然氣通過預混燃燒可以實現低NOx燃燒。但氫氣的反應性太強烈，會發(fā)生回火。因此川崎重工研究使用微小氫火焰的純氫干式低NOx燃燒技術及其在工業(yè)燃氣輪機中的應用。

氫氣從一個微小的氫氣注入孔（直徑1mm或更小）注入，與正交方向的空氣射流快速混合，形成氫火焰。通過形成微小的氫氣火焰，避免局部高溫區(qū)的產生，縮短反應時間，從而抑制NOx的產生。

供應氫氣的噴嘴呈環(huán)形布置，其數量可根據氫氣燃燒量（運行負荷）調整，因此可以同時實現從燃氣輪機啟動后低負荷時的高燃燒效率和高負荷時的低NOx燃燒。

川崎重工已開發(fā)出使用純氫低 NOx 燃燒技術的2MW 級燃氣輪機燃燒器的關鍵技術。

（2）三菱重工純氫燃氣輪機的燃燒器

與川崎重工一樣，三菱重工純氫燃氣輪機的燃燒器也有2種技術路線：擴散燃燒器與多點燃燒器（仍然是干式低NOx燃燒器）。

擴散燃燒器

三菱重工正在計劃將這種擴散燃燒器應用于荷蘭NuonMagnum發(fā)電廠改用氫燃料的項目。

用于純氫燃燒的多點燃燒器

隨著氫氣濃度的增加，回火風險增大。摻氫燃燒DLN燃燒器使用旋流器混合燃料和空氣需要相對大的空間，并且回火的風險增加，需要短時間內在狹窄空間中混合。因此設計了1種微孔噴射燃料使火焰分散且更細長的混合方式。

與傳統的DLN燃燒器的燃料噴嘴（8個）相比，多點燃燒器有更多噴嘴且噴嘴孔徑更小。空氣被送到此處，然后采用吹入氫氣混合的方法。可以在不使用旋流器的情況下用較小的體積混合空氣和氫氣，并且同時實現高回火阻力和低NOx燃燒。目前正在進行燃料噴嘴結構的基礎研究。

從目前的情況看，日本氫能主要還是從天然氣、石油、煤炭等化石能源加工過程中的副產品獲得，可再生能源電解氫只占4%。

氫的儲藏和運輸主要有液氫、有機氫化物和氨3個方法，送達用戶后，先經過氣化或脫氫的步驟，產生氫氣供利用。

目前日本的100%氫氣發(fā)電成本為97.3日元/千瓦時，10%氫氣和90%天然氣混合發(fā)電成本為20.9日元/千瓦時，約是普通電力的2倍。

日本政府的目標是到2030年將氫燃料的價格降低到19.4日元/千瓦時（約合人民幣1.08元），2050年降為13.7日元/千瓦時（約合人民幣0.76元），這樣才能與天然氣發(fā)電進行競爭。