燃烧丨中国能建：燃气轮机掺氢燃烧技术研究

文章摘要

随着中国能源行业碳达峰和碳中和目标的提出，对电站燃气轮机低碳排放技术的需求不断增加。贫预混燃烧技术是降低NOx排放的关键，而掺混氢气燃烧能有效减少化石能源消耗和碳排放。通过Chemkin-Pro软件模拟，研究发现掺氢燃烧提高了燃烧效率，但高火焰温度可能增加NOx生成，低当量比下CO排放增多。研究为掺氢燃烧技术提供了关键数据，有助于优化燃气轮机燃烧过程，减少污染物排放，推动发电行业的低碳转型。

正文

随着国家为能源行业设立了碳达峰、碳中和的宏伟目标，对电站燃气轮机低碳排放技术改进的需求日益增长。国内对该目标的关键技术路径的探索亟待展开。燃气轮机的贫预混燃烧技术能使燃烧偏离理论空气量，是目前降低NOx 排放主要技术，同时通过在天然气中掺混氢气燃烧，能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。[方法]采用Chemkin-Pro 软件建立一维预混自由传播火焰模型，比较不同当量比、初始温度、初始压力、掺氢比对燃烧温度、燃烧速率、污染物生成浓度、燃烧自由基、链式反应等的影响；模拟燃烧过程的温度分布、燃料组分变化及其排放特性。[结果]发现了通过在天然气中掺混氢气燃烧，能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。但天然气掺氢的贫预混燃烧所带来的较高的火焰温度反而会促进NOx 的生成，同时，在较低的当量比下将会产生更多的CO。[结论]基于以上研究，获得了掺氢燃烧的关键数据，为掺氢燃烧技术路径的完成奠定了基础。

在全球温室气体的诸多来源中，电力尤其是发电行业无疑是温室气体排放的主要来源。由此，发电行业被普遍认为是降低二氧化碳排放的重点行业之一。一场脱碳引发的变革正在电力行业中如火如荼地进行。电网电源每千瓦时的碳强度[1]如图1 所示。然而，在未来的几十年，发电行业的主要能源来源仍将依赖于传统的化石能源燃料和以碳氢化合物燃料为主的生物能源。根据伍德麦肯兹公司的预测：即使到2040年，通过燃烧化石燃料的方式获取的能源数量仍占世界能源总需求量的85%。到目前为止，总装机量约1 TW 的风电以及太阳能仅占世界总发电量的8%左右。同时，考虑到发展中国家经济增长和人口膨胀的情况，电力总需求量上升，而发展中国家必然会选择较便宜及更稳定的化石燃料作为首选能源，这抵消了可再生能源的增加幅度。随着化石燃料的短缺和《巴黎协定》等严格排放法规的颁布，减少污染物气体排放，提高电厂的发电效率，已经成为燃烧领域越来越多学者的主要研究方向[2]。

图1 电网电源每千瓦时的碳强度[1]

Fig.1 Carbon intensity of grid power supply per kWh[1]

图2 制取氢气的技术路线[6]

Fig.2 The technology route of hydrogen production[6]

迄今为止，重型以及航改型燃气轮机（用于发电）主要使用的燃料多为天然气或轻油等。近些年来，越来越多燃气轮机方面的专家与学者对拓宽燃气轮机多燃料的适应性进行了深入地研究。其中，对燃气轮机进行掺氢燃烧直到燃用纯氢和集成气化联合循环（IGCC）是拓宽燃料性能的重点方向。有着操作灵活、过程可控、零碳排放等优点的掺氢燃烧额燃气轮机必将成为国家“双碳”战略中改造新型电网的重要组成，图3 详细描述了氢气与空气微混合的燃烧原理[7]。

图3 加入氢气的微混合气燃烧原理图[7]

Fig.3 Schematic of micro-mixing gas combustion with hydrogen added[7]

由于甲烷和氢气的化学属性与物理特性差异较大，对燃气轮机燃烧室影响较大的是氢气和甲烷的沃泊指数，氢气和甲烷的沃泊指数如图4 所示[8]，如果需要提供与天然气相同的热负荷，掺氢气天然气需要更大的体积流量。同时，因为氢气具有较高的扩散系数、火焰速度以及绝热火焰温度，这些都给燃烧室的安全稳定运行带来挑战，这些挑战包括燃料自燃、回火、火焰不稳定特性以及更高的污染物排放等。

图4 修正的所有已知气体燃料的沃泊指数[8]

Fig.4 Modified Wobbe index for all known gaseous fuels[8]

注: ① 1-BFG/COG; ② 2-Air Blown Syngas; ③ 3-O2 Blown Syngas;④ 4-CO2 Capture; ⑤ 5-High H2; ⑥ 6-Refinary Off-gas; ⑦ 7-LPG;⑧ 8-LNG Field (High C2); ⑨ 9-LNG Field (High inert);⑩ 10-NG/LNG Wide Wobbe

燃气轮机低污染燃烧技术实现的主要途径是通过降低火焰温度以达到减小NOx 生成的目的，降低火焰温度的方法又可以分成2 类：第一种是将燃料和稀释剂分别喷入燃烧区的扩散燃烧（以下简称“扩散燃烧”）；第二种是将空气与燃料先按一定比例混合后再进入燃烧区的预混燃烧，其原理图分别如图5 和图6 所示。由于扩散燃烧技术具有工作稳定、燃料调节策略简单等优势，早期的燃气轮机一直采用扩散燃烧方式来控制NOx 的排放。但是，随着国家排放标准的提高，为了使NOx 排放降到50 mg/Nm3以下，需要向燃烧室内注入与燃料体积流量相当的稀释剂。这样做无疑增加了发电设备以及系统的复杂性，抬高了发电设备的造价，还严重影响了发电机组的效率。

图5 扩散燃烧[9]

Fig.5 Diffusive combustion[9]

图6 预混燃烧[9]

Fig.6 Premixed combustion[9]

不需要加入稀释剂的干式低污染燃烧，采用贫燃料预混燃烧方式（即当量比小于1 的预混燃烧），使燃烧偏离理论空气量的贫预混燃烧，是干式低污染燃烧技术的主流，能使NOx 的排放远低于排放标准，目前已经广泛应用于燃用天然气燃料的燃气轮机，然而预混燃烧技术中的火焰不稳定性是其最主要的问题之一。并且氢气与天然气混合后较高的扩散系数、绝热火焰温度以及火焰速度都给燃烧室的安全稳定运行带来了挑战[9]。

贫预混燃烧能有效控制NOx 的排放，但掺氢气贫预混燃烧会迎来2 个新的问题：（1）掺氢气燃料，尤其是富氢燃料燃烧导致更高的绝热火焰温度反而会促进NOx 的生成，正如图7 中Lieuwen[10] 等简化的NOx 生成机制所示，热NO-N2 与在高温下与氧反应促进NO 的生成；（2）在当量比较低时，CO 氧化为CO2 的能力有限，将会产生更多的CO，如图8 所示的富氢合成气在贫预混燃烧时CO 呈现出显著上升的趋势。

图7 NOx 形成机制的简化示意图[10]

Fig.7 Simplified schematic diagram of NOx formation mechanism[10]

图8 甲烷和富氢合成气贫燃烧时的NOx 和CO 排放[8]

Fig.8 Emissions of NOx and CO during lean combustion of methane and hydrogen-rich syngas[8]

注: 图中开放的符号指空心的符号, 封闭的符号指实心的符号。

1 Chemkin Pro 层流预混燃烧模型介绍

图9 层流预混火焰示意图

Fig.9 Schematic diagram of laminar premixed flame

2 化学反应动力学机理的选择及模型验证

为了在前人研究成果的基础上得到最精确的层流预混燃烧模型，选取了3 种被广泛接受和使用的化学反应机理[12-14]。GRI-mech 3.0 用于预测天然气的燃烧化学性质，还考虑了与丙烷和NOx 化学有关的反应，共考虑53 种物质和325 种基元反应；USCMech II 是一种广泛用于预测H2/CO/C1-C4 燃烧化学的反应机理。该机制包括111 种反应和784 种基元反应；San Diego Mechanism 用于模拟多达C4 火焰的燃烧化学，考虑了57 个组分和268 个基本反应。

图10～图13，进行了掺氢比例分别为0，20%，50%，100%，采用以上3 个化学动力学机理对层流燃烧速度模拟计算。为了验证所选化学动力学模型的准确性，将3 种机制计算的层流燃烧速度（Laminar Burning Velocity，LBV）值与相关文献的值进行了比较[15-25]。

图10 掺氢比例为0 时的层流燃烧速度曲线

Fig.10 Laminar combustion velocity curve when hydrogen doping ratio is 0

图11 掺氢比例为20%时的层流燃烧速度曲线

Fig.11 Laminar combustion velocity curve when hydrogen doping ratio is 20%

图12 掺氢比例为50%时的层流燃烧速度曲线

Fig.12 Laminar combustion velocity curve when hydrogen doping ratio is 50%

图13 掺氢比例为100%时的层流燃烧速度曲线

Fig.13 Laminar combustion velocity curve when hydrogen doping ratio is 100%

3 不同初始温度下的层流燃烧速度（LBV）、NOx 和CO 排放

图14～图16 显示了不同初始温度(T = 298 K和T = 723 K)下LBV、NO 和CO 排放的变化，与T =298 K 相比，T = 723 K[26]时LBV、NO 和CO 排放要高得多。根据Arrhenius 方程可知，反应的速率与反应的温度呈指数关系。可燃混合物初始温度的升高可以极大地促进反应速率，导致层流燃烧速度的增加。燃烧过程中NO 的形成主要通过热途径，其他途径不太重要。随着初始温度的升高，热路线反应增强，促进NO 排放的形成。此外，CO2 在高温下的解离反应导致CO 产量的增加。因此，初始温度越高，LBV 越高，NOx 和CO 排放也越高。同时，可以看出，在相同的初设温度下，LBV 随着掺氢比例的增加而增大，NOx 排放随着掺氢比例的增加而增大，CO 排放随着掺氢比例的增加而减小。

图14 不同初始温度对流燃烧速度影响

Fig.14 Effect on convective combustion velocity with different initial temperature

图15 不同初始温度对NOx 排放影响

Fig.15 Effect on NOx emission with different initial temperature

图16 不同初始温度对CO 排放影响

Fig.16 Effect on CO emission with different initial temperature

4 不同压力下的层流燃烧速度（LBV）、NOx 和CO 排放

图17～图19 为不同初始压力(P = 1.0 atm 和P =16.5 atm)下LBV、NO 和CO 的变化。压力的增加导致LBV 和CO 的降低，但促进NO 的形成。随着压力的增加，LBV 的降低是由于三体重组反应的增强。从本质上讲，分子碰撞的平均自由程度会随着物质的压力增大而减小，这反过来又增加了分子的碰撞频率，导致三体重组反应增强。初始压力的增加，增加了燃烧的反应速率，从而导致CO 产量的减少。燃烧后区域NO 的生成主要由热路主导。随着初始压力的增加，热路线反应增强，促进总NO 的生成。因此，初始压力对LBV、NOx 排放、CO 排放的作用是不同的。同时，可以看出，在相同的初设压力下，LBV 随着掺氢比例的增加而增大。NOx 排放随着掺氢比例的增加而增大，但压力越高，这种作用越不明显。CO 排放随着掺氢比例的增加而减小。

图17 不同压力对流燃烧速度影响

Fig.17 Effect on convective combustion velocity with different pressure

图18 不同压力对NOx 排放影响

Fig.18 Effect on NOx emission with different pressure

图19 不同压力对CO 排放影响

Fig.19 Effect on CO emission with different pressure

5 掺氢对绝热火焰温度（AFT）和层流燃烧速度（LBV）的影响

绝热火焰温度（Adiabatic Flame Temperature，AFT）是气体在绝热条件下燃烧时的最高温度。AFT 随当量比(0.6 ～ 1.4)的变化如图20 所示。AFT在当量比处于（0.6～1.05）时增加，在φ = 1.05 左右达到峰值，然后随着当量比的增加开始下降。当φ＞1 时，燃烧产物的比热值下降速度快于放热速率。虽然放热不如φ= 1 的情况，机组释放的热量可以提高更多的温度。因此，绝热火焰温度最高出现在φ =1.05 附近。氢的加入使绝热火焰温度略有升高。当pagenumber_ebook=26,pagenumber_book=20从0 增加到100%时，混合物绝热火焰温度峰值提高了7.3%。此外，Arrhenius 公式的反应速率系数具有较强的温度依赖性。因此，氢的加入加速了反应速率，导致AFT 增加。

图20 绝热火焰温度曲线

Fig.20 Adiabatic flame temperature curve

LBV 是表征火焰反应活性的重要指标之一。图21 显示了LBV 随φ (0.6～1.4)的变化情况。可以看出，随着φ 的增加，LBV 先增大后减小。当pagenumber_ebook=26,pagenumber_book=20从0 增加到100% 时，甲烷氢混合物的LBV 在φ＞1 时从37.6 cm/s 增加到229.2 cm/s。

图21 层流燃烧速度曲线

Fig.21 Laminar combustion rate curve

由以上分析可知，掺氢能提高绝热火焰温度（AFT）和层流燃烧速度（LBV），促进了燃烧发生的活性。

6 掺氢对H、O 和OH 自由基的影响

图22 掺氢对H 自由基的影响（φ=0.6）

Fig.22 Effect on H radical with hydrogen blending (φ=0.6)

图23 掺氢对H 自由基的影响（φ=0.8）

Fig.23 Effect on H radical with hydrogen blending (φ=0.8)

图24 掺氢对O 自由基的影响（φ=0.6）

Fig.24 Effect on O radical with hydrogen blending (φ=0.6)

图25 掺氢对O 自由基的影响（φ=0.8）

Fig.25 Effect on O radical with hydrogen blending (φ=0.8)

图26 掺氢对OH 自由基的影响（φ=0.6）

Fig.26 Effect on OH radical with hydrogen blending (φ=0.6)

图27 掺氢对OH 自由基的影响（φ=0.8）

Fig.27 Effect on OH radical with hydrogen blending (φ=0.8)

此外，反应速率系数对温度有很强的依赖性。因此，反应速率随着等当比或氢含量的增加而增加，促进H、O 和OH 自由基的形成。

同时，可以明显看出，提高掺氢比例，能促进H、O 和OH 自由基的形成。

7 掺氢对温度分布的影响

图28 和图29 研究了加氢对甲烷-氢气燃烧火焰温度的影响。当pagenumber _ebook=27, pagenumber _book=21从0 升高到100%时，混合物的反应活性增强，火焰温度升高。此外，pagenumber _ebook=27, pagenumber _book=21的增加(0% ～100%)增强了火焰前缘区域的温度梯度。快速温升区域为0.05～0.15 cm，这也是H、O、OH 自由基摩尔分数快速增加的区域，说明氢对火焰温度梯度的影响与H、O、OH 自由基摩尔分数的影响是一致的。综上所述，提高当量比(0.6 ～ 0.8)可以促进甲烷-氢混合物的燃烧速率，导致φ = 0.8 的火焰温度高于φ = 0.6。同时可以看出，提高掺氢的比例，火焰温度也会增加。

图28 掺氢对温度分布的影响（φ=0.6）

Fig.28 Effect on distribution of temperature with hydrogen blending (φ=0.6)

图29 掺氢对温度分布的影响（φ=0.8）

Fig.29 Effect on distribution of temperature with hydrogen blending (φ=0.8)

8 支链反应和链生长反应分析

图30 掺氢对H 自由基生成速率的影响（φ=0.6）

Fig.30 Effect on production rate of H radical with hydrogen blending (φ=0.6)

图31 掺氢对H 自由基生成速率的影响（φ=0.8）

Fig.31 Effect on production rate of H radical with hydrogen blending (φ=0.8)

图32 掺氢对O 自由基生成速率的影响（φ=0.6）

Fig.32 Effect on production rate of O radical with hydrogen blending (φ=0.6)

图33 掺氢对O 自由基生成速率的影响（φ=0.8）

Fig.33 Effect on production rate of O radical with hydrogen blending (φ=0.8)

图34 掺氢对OH 自由基生成速率的影响（φ=0.6）

Fig.34 Effect on production rate of OH radical with hydrogen blending (φ=0.6)

图35 掺氢对OH 自由基生成速率的影响（φ=0.8）

Fig.35 Effect on production rate of OH radical with hydrogen blending (φ=0.8)

从图中分析可得燃烧过程的主要反应区域位于自由基浓度峰值发生的位置。随着氢含量(pagenumber _ebook=29, pagenumber _book=23=0%、40%、80%、100%) 和等效比(0.6～0.8)的增加，自由基生成率显著增加。此外，随着氢的加入，H、O 和OH 生成速率的峰位向上移动。pagenumber _ebook=29, pagenumber _book=23 的增加可以加速(R84)的反应，产生更多的H 自由基，从而进一步促进(R38)的反应。

9 结论

3）降低当量比（从1.2 到0.6）可以显著降低 NO排放。添加氢气可以提高燃料稀薄条件下的燃烧稳定性。可以为燃气轮机掺氢贫预混燃烧提供一定的理论经验。