氢能利用 | 氢能发电技术的开发
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摘 要：氢被用作火箭、FCV（燃料电池汽车和公交车）等运输设备的燃料。川崎重工正在利用燃气轮机发动机的燃料多样性优势，开发使用纯氢为燃料的燃烧技术和发电技术，以实现低碳化和未来氢能社会。2018年，在全球首次成功实现了城市地区的氢能发电，目前正在进行改良以实现更高性能以及清洁发电。
关键字：氢能利用、氢能发电、氢供应链、氢混烧、氢专烧、氢燃气轮机发电技术
为了构建氢供应链，其重要的一点是获得更廉价的氢，使其与现在的石油、天然气等化石燃料的成本相当。因此，需要大幅增加氢需求，并通过规模经济效应降低氢成本。
传统上，氢被用作火箭推进燃料、FCV（燃料电池汽车和公交车）燃料、或燃气轮机发电装置和锅炉燃料。根据日本氢能·燃料电池战略路线图，2030年左右将正式启动氢能发电。如果氢能可替代天然气用作发电燃料，则可以大量利用氢，为氢供应链的实现作出巨大贡献。
为使各燃气轮机制造商推广使用氢能，正在发挥燃气轮机燃料多样性优势，推进天然气与氢混合燃料和纯氢燃料的燃烧技术开发、燃气轮机发电装置的实用化等项目。
川崎重工以中小型燃气轮机发电装置的纯氢发电为目标，正在进行清洁氢气燃烧技术的开发和氢能发电实证。
小型燃气轮机的结构如图1所示。在燃烧器中，将燃料与由压缩机压缩的高压空气混合燃烧，生成高温、高压的燃烧气体。通过该燃烧气体的流动驱动涡轮机旋转获得输出。燃烧器的作用是稳定、清洁地生成超过金属部件熔点的燃烧气体。
由于燃气轮机可以处理多种燃料，因此可以使用氢气作为燃料气体，但需要符合氢气特有燃烧特性的燃烧技术。实现氢能发电的关键是开发适合的燃烧技术和燃烧器部件，能够同时实现氢气的稳定燃烧以及减少大气污染物质——氮氧化物NOx的排放1）。
（1）氢的稳定燃烧
氢气比天然气更具反应性，并且燃烧过程中的火焰接近燃烧器部件，因此极有可能引起部件的高温化和燃烧的不稳定。使用天然气燃料喷嘴进行天然气和氢气混烧试验时燃烧器内部的火焰状态如图2所示。混合氢气燃烧时，氢气火焰和燃烧气体接近燃料喷嘴部件，喷嘴部件发出红光，表明温度极高。
在燃气轮机中，燃烧器后部有一个高速旋转的涡轮，因此如果发生燃烧器部件脱落等损坏，则会破坏涡轮部件，发动机将停止运行。因此，为了使氢气也能保持稳定的燃烧状态而不会引起异常燃烧，燃烧器部件的形状设计十分重要。
（2）氮氧化物的抑制
为了研究在燃烧器中形成的天然气和氢气混合气的火焰，用玻璃圆柱体取代一部分燃烧器部件，制造出可视化燃烧器，并用高速相机拍摄火焰状态，如图3所示。
如图3（b）所示，当天然气比例高时，火焰在远离燃料喷嘴的地方形成；而如图3（c）所示，当氢气比例高，火焰则会在燃料喷嘴附近形成。由于这种反应区的变化和火焰温度的局部升高，燃气轮机燃烧器中使用氢气作为燃料时生成的NOx量是天然气的2-2.5倍，因此抑制NOx的生成量也是一个很大的课题。
燃气轮机使用的燃烧方法和NOx抑制方法有以下两种：1）对于燃烧稳定性优异的扩散燃烧，向燃烧器内喷射水或蒸汽从而抑制NOx的“湿法”；以及2）通过空气和燃料的混合来抑制NOx的“干式低NOx法”。
对于将燃料气体送入空气中燃烧的扩散燃烧，通过防止燃烧器部件升温也能够实现氢气燃烧。川崎重工采用“湿法”确立了氢燃气轮机发电装置的整体技术。
但湿法需要引入提供水和蒸汽的纯水制造设备，导致运行成本增加。因此，对采用符合氢燃烧特性的新型干式低NOx法的燃烧器也进行了研究开发。
（1）氢燃气轮机发电技术的实证
在新能源产业技术综合开发机构NEDO助成项目“氢CGS活用智能社区技术开发项目”中，川崎重工负责以氢专烧/混烧燃气轮机开发为核心的氢热电联产系统1），2）。
该项目使用额定发电输出为1MW级的“PUC17型常用发电装置”，其配备的自产“M1A-17型燃气轮机发动机”带有氢燃烧器，可灵活应对燃料气组成的变化，实现氢气专烧（100%纯氢）、城市燃气专烧、氢气与城市燃气以任意比例混合的混烧运行。
安装在神户市港岛的氢热电联产系统实证设备的全景如图4所示。该设备自2017年12月建成后，进行了燃气轮机发电装置单机试运行和天然气运行试验，还进行了氢与天然气混烧和氢专烧的热电供给的实证试验。
在2018年4月19日和20日实施的实证试验中，仅以流量约2200Nm3/h的氢为燃料，同时向附近的2处设施供给2800kW的热（蒸汽）以及4个设施供给1100kW的电力，世界上首次实现了在城市地区进行氢气专烧燃气轮机发电的热电供给。试验时运行监控装置的监控画面如图5所示。此外，通过注水将NOx值控制在50ppm（O2=16%换算），满足日本为防止大气污染设定的NOx限制值70ppm（O2=16%换算）。
（2）氢专烧干式低NOx燃烧技术的开发
对于天然气，通过预先混合空气和天然气进行稀释预混合燃烧，实现了干式低NOx燃烧。而氢的反应性高，会导致逆火等燃烧不稳定，因此干式低NOx燃烧非常困难。
因此，一直在研究将微混合氢燃烧技术（一种使用微小氢气火焰的氢专烧干式低NOx燃烧方法）应用到工业燃气轮机上。如图6所示，通过从直径1mm以下的微小氢气喷射孔喷射氢气并与正交的空气喷流快速混合，形成燃烧稳定性优异的微小氢气火焰，缩短反应时间，抑制NOx的生成。
2MW级燃气轮机的氢专烧干式低NOx燃烧器如图7所示。氢燃烧器呈环形，使用的环数根据氢气燃烧量（运行负荷）而变化3）、4）。由此，发动机启动后，可以同时实现低负荷时的高燃烧效率和高负荷时的低NOx燃烧。
使用试制燃烧器部件，获得了点火·火焰保持性能和高负荷燃烧状态下的NOx性能等。在可再现与燃气轮机相同的高温高压环境的试验设备中安装试作燃烧器，并且施加相当于100%额定负荷，观察此时燃烧器内部的氢气火焰状态分别如图8（a）和（b）所示。
通过该试验，确认了氢稳定燃烧的同时，从50%负荷到接近额定100%负荷的范围内，NOx产生量为规定值的一半，即35ppm（O2＝16%换算）以下。
2020年5月开始，在图4所示的氢热电联产系统实证设备上安装搭载有该燃烧器的发动机并进行实证运行，在世界上首次成功实现了氢专烧干式低NOx发电。
今后，将继续验证这种氢能发电的性能，如稳定运行、发电效率和环境负荷降低效果等。
作为实现氢供应链的一环，正在开发氢燃烧技术以及氢燃气轮机。这些技术将使氢气像天然气一样用作燃气轮机的燃料，这将为未来低碳社会和氢能社会的实现作出巨大贡献。
参考文献：
1）堀川敦史：川崎重工氢燃气轮机的开发状况，火力核能发电，Vol.70，No.757（2019）
2）NEDO主页https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100945.html
3）专利 第6285081号，“燃气轮机发动机的燃烧装置”
4）A. Horikawa，K. Okada，M. Wirsum，H. Funke, K. Kusterer ：“Application of Low NOx Micro-Mix Hydrogen Combustion to 2MW Class Industrial Gas Turbine Combustor”，IGTC2019 Tokyo（2019）
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翻译：李释云
审校：李 涵
贾陆叶
统稿：李淑珊
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