氫作為燃料在現(xiàn)有能源設(shè)備中直接來(lái)“燒”是否可行？
這個(gè)問(wèn)題的答案是肯定的。沒有什么根本障礙使氫不能在燃?xì)廨啓C(jī)、加熱器、鍋爐或發(fā)電等其他能源應(yīng)用中燃燒、氫與天然氣的混合燃燒，或作為純氫燃燒。
事實(shí)上，氫已經(jīng)在意大利福西納氫電站（100%氫氣）、韓國(guó)大山石化廠（95%氫氣）、中國(guó)武漢鋼廠（60%氫氣）等多個(gè)發(fā)電廠作為燃料使用。目前還有一些計(jì)劃中的項(xiàng)目使用100%的氫氣作為燃料，例如荷蘭瓦滕法爾的Magnum工廠和猶他州的Vattenfall發(fā)電廠。
那么，在現(xiàn)有的能源系統(tǒng)中，以氫氣為燃料有什么約束條件？
雖然氫燃燒提供了一個(gè)很有前途的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換途徑，但對(duì)于當(dāng)今的天然氣能源轉(zhuǎn)換裝置來(lái)說(shuō)，這并不是一種“隨時(shí)可用”燃料。燃料處理系統(tǒng)、閥門和管道以及燃燒室硬件需要進(jìn)行更改，以解決污染物排放、可操作性和成本等問(wèn)題。
我們還需要解決污染物排放問(wèn)題。氫燃燒不會(huì)排放任何微?；蛞谎趸迹?yàn)樗缓荚?，這是氫作為燃料的另一個(gè)主要好處。然而，氫燃燒會(huì)產(chǎn)生氮氧化物（NOx）排放。本質(zhì)上，當(dāng)空氣加熱到高溫時(shí)，空氣中的N2和O2開始相互反應(yīng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生NOx。因此，與使用氫氣有關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是低NOx燃燒系統(tǒng)。
還有可操作性問(wèn)題，即設(shè)備在不停機(jī)、不損壞或性能不合格的情況下可靠運(yùn)行的能力。氫從幾個(gè)方面影響可操作性，其中回火是將氫氣用于天然氣的系統(tǒng)中最嚴(yán)重問(wèn)題，氫的火焰速度比天然氣高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)榛鹧鏁?huì)向上游傳播并嚴(yán)重?fù)p壞硬件。
此外，氫燃料燃燒產(chǎn)物的傳熱系數(shù)高于天然氣。由于燃?xì)廨啓C(jī)中的峰值溫度是由到旋轉(zhuǎn)渦輪的熱傳遞控制的，這可能需要隨著氫含量的增加而降低渦輪進(jìn)口溫度。雖然高氫燃料可以提高循環(huán)效率，但這會(huì)被降低渦輪進(jìn)口溫度來(lái)抵消。
總之，氫無(wú)疑是一種可接受的、非常清潔的燃料。目前存在H2水平50%，與天然氣共同使用的低NOx燃?xì)廨啓C(jī)；也已經(jīng)開發(fā)出了用純氫操作的系統(tǒng)。未來(lái)的關(guān)鍵發(fā)展挑戰(zhàn)是低NOx、燃料柔性系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在純天然氣到從純氫氣之間等多種燃料成分下輕松操作。下圖概述了這些不同技術(shù)使用氫氣的成熟度、研發(fā)需求和NOx合規(guī)性。
