氢燃气轮机新突破

李伟

欧洲的一个联合科研团队，首次成功测试了一款完全由氢气驱动的燃气涡轮发动机——这是氢能应用领域的一项新突破，为减少水泥、钢铁等能源密集型行业的碳排放开辟了一条新途径。

主要应用于“脱碳复杂”的行业

据法新社报道，法国能源公司Engie，德国航空航天中心、西门子能源公司，英国Centrax公司和欧洲一些大学联合组成的Hyflexpower项目团队，在法国利摩日市进行实验，成功实现将100%纯氢注入燃气涡轮发动机来发电的目标。该实验使用西门子能源公司的SGT-400型燃气涡轮发动机，其燃烧系统适用于氢气。

在这项最新的实验中使用的氢气，由现场的电解槽产生，电解槽由可再生能源系统供电。氢气在进入涡轮发动机之前储存在罐中。该系统在点火后成功运行，可持续产出电能。研究团队表示，将继续进行改良实验，以进一步减少氢气燃烧后氮氧化物的排放量。

这项最新的实验表明，氢气罐可以像电池一样，成为一种灵活的储能和供能方式，有望实现能源密集型工业场地的快速“脱碳”。水泥、钢铁、炼油和其他“脱碳复杂”的行业，都是这项创新技术的重要应用目标。

该研究项目负责人表示，如果能够通过简单的调整来改造现有的涡轮发动机，使其可适用于氢气，那么这项技术将具有极为广阔的应用前景。

当前为了实现可持续发展，“脱碳”技术的发展正在加快，使用燃烧时无二氧化碳排放的氢燃料发电，受到业界的广泛关注。不仅利用氢能发电，接下来，更多的科研团队还计划利用氢能来产生热能，令航空和航运业等从中受益。

不过，Engie公司副总裁拉克鲁瓦表示，氢气虽然是极为清洁的能源，但其应用不仅面临多项技术挑战，还面临高成本和缺乏基础设施等阻碍。此外，与目前大量使用的天然气不同，氢气的火焰燃烧得更快、温度更高，这意味着开发者必须克服重大安全障碍，需要考虑的因素包括材料的阻力、燃烧室的保护层和燃烧过程控制等等。纯氢燃气轮机需要攻克的技术难题还有很多。

Hyflexpower项目团队研发的纯氢燃气涡轮发动机

日本移动出行展上的氢燃料概念车

AVL公司开发的氢燃料赛车用发动机

难点所在

据英国《新科学家》杂志报道，燃气轮机主要由压缩机、燃烧器、动力系统组成。当下常用的燃气轮机，只需调整燃烧器的配置即可实现燃料从天然气到氢气的转换，成为氢燃机。在氢燃机中，氢气的稳定燃烧以及减少氮氧化物排放量，是难点所在。

氢气与天然气相比，燃烧速度更快，燃料喷射火焰的温度更高。如果不对燃烧器的喷射阀进行调整，那么零部件在高温状态下就容易氧化发黑。另外，在氢燃机测试中，经常会发生“回火”现象，即出现不稳定燃烧的状态。

氢气燃烧时，如何控制氮氧化物的排放量是另一个难题。在实验中，调整燃气中氢气的占比，观察气体燃烧时氮氧化物的排放量，可以发现当氢气占比为40%时，与天然气燃烧差别不大。当氢气超过60%后，氮氧化物的排放量急剧增加；在氫气占比达到100%后，氮氧化物排放量增加到天然气燃烧产生排放量的两倍。

为了开发氢能燃气轮机，必须开发针对氢气特性的燃烧技术。目前，美国、日本和一些欧洲国家都在开发氢燃机。

因为氢气的燃烧速度快，发生“回火”的风险较大，所以采用100%纯氢气作为燃料时，须引入“干式”燃烧器。其特点是以较小的火焰产生足够大的动力。火焰较小就能降低燃烧器内部的温度，并缩短高温气体的滞留时间，从而控制氮氧化物的生成量。

日本的一个研发项目致力于氮氧化物减排和氢能发动机的开发。利用该项目中开发的氢燃烧器，搭配特定的设备，就有望实现氢能发电。

氢燃料货运车

《新科学家》指出，氢气产量有限，而节能减排的要求不断提高。所以，首先要利用天然气热电联产系统的普及，对天然气发电装置进行改进，既可以使用天然气，又可以使用氢气。加入接近30%的氢实施混烧，可以有效利用现有设备。待真正进入氢气时代后，“干式”燃烧器将成为主流设备。

氢动力赛车

众多行业的公司都对氢气的应用有着浓厚的兴趣。业界知名的内燃机技术公司——奥地利李斯特内燃机设备及测试公司（AVL）新近展示了一款用于赛车的氢燃料发动机，它采用类似燃油的燃烧方式，输出功率为320千瓦。

AVL表示，这款新发动机的技术源自其赛车运动部门，它没有以往氢燃烧率低的弊端，并巧妙地消除了“回火”现象。这款2.0升发动机带有类似汽油内燃机的燃油喷射功能，可将水注入发动机的进气中。这项技术避免了不必要的过早点火，并令燃烧反应实现了量化控制。

该公司于2022年底对外宣布，正在开发一种氢燃料发动机。其初始目标是产生300千瓦的功率和500N的扭矩。今年9月，样机已经在测试台上实现了预定目标。

编辑：姚志刚  winter-yao@163.com