氢气混燃作为脱碳策略

近年来，全球众多以燃气轮机为基础的发电厂已宣布将氢气混燃计划作为更广泛脱碳路线图的一部分。已有多家发电厂成功完成了示范项目，让燃气轮机使用不同浓度的富氢天然气（HENG）燃料运行。

与天然气燃烧不同，使用氢气不会排放二氧化碳。例如，以体积计含 30% 氢气的富氢天然气混合物运行的燃气轮机，其碳足迹比使用纯天然气降低 10% 以上。对于大型发电厂而言，这意味着每年可减少数十万吨的二氧化碳排放。

氢气燃气轮机技术的进展与挑战

在过去十年中，包括三菱动力在内的燃气轮机原始设备制造商（OEMs）在使燃气轮机技术适应高氢气含量方面取得了重大进展。三菱动力所有的先进级燃气轮机都能够燃烧高达 30% 的氢气混合物，并计划到 2030 年实现 100% 氢气燃烧。

尽管如此，仍需要开展更多工作来解决关键技术挑战，并使氢气混燃获得广泛的商业认可。这包括进一步研究以了解氢气 - 天然气燃料混合物在不同条件下的行为。

对于电厂设计和运行安全而言，燃料气体混合物的一个特定特性至关重要，那就是自燃温度（AIT）。

什么是 AIT 及其重要性？

理解自燃温度

AIT（或自燃温度）是指物质在没有外部点火源（如火焰或火花）的情况下会自发点燃的最低温度。在这个温度下，气体本身的热量提供了足够的能量来启动燃烧所需的化学反应。

燃气轮机中氢气的安全挑战

随着氢气在先进级燃气轮机中使用量的增加，需要确定氢气 - 空气和富氢天然气混合物在不同压力条件下的自燃温度，以便设计工程师能够采取先发制人的措施，避免出现意外点火的情况。例如，在氢气燃料混合系统中，阀门泄漏或系统停机都可能导致未燃烧的燃料 - 空气混合物处于高温高压环境中。

氢分子比甲烷分子小，因此更容易泄漏。此外，氢火焰是肉眼不可见的，这意味着如果发生自燃，工作人员可能在一段时间内都不会察觉，从而增加了关键设备（如管道和阀门）受损的风险。

氢气自燃特性的开创性新研究

高压氢气研究中的数据缺口

2020 年，三菱动力的设计工程师试图量化氢气和天然气燃料-空气混合物自燃的风险。这样做对于确定需要哪些保护措施（如隔离组件和 / 或氮气吹扫系统）以确保电厂安全是必要的。

但是，关于氢气和氢气 - 天然气混合物自燃特性的可用数据非常有限 —— 大多数现有研究都是在接近大气压的气体上进行的。

先进级燃气轮机的运行压力是大气压的 25 倍（或更高）。因此，需要进一步研究，以准确评估氢气 - 天然气混合系统中可能存在的条件所带来的设计风险，并就确保安全所需的措施得出明确结论。

三菱动力与中佛罗里达大学的合作

认识到这一点，三菱动力开始与中佛罗里达大学（UCF）以及 Subith Vasu 教授合作，进行实验，确定天然气和富氢天然气在 1-30 个大气压、温度范围为 350-620°C 的点火边界。

测试揭示了什么？

高压下的惊人结果

在不同的当量比下，对多种氢气 - 空气和富氢天然气混合物进行了数百次测试。还对 100% 天然气进行了实验，以验证先前发表文献中引用的测试结果和数据收集方法。

正如预期的那样，对于所有测试的混合物，自燃温度随着压力的增加而降低。然而，当压力增加时，观察到了一个有些令人惊讶的结果。研究发现，与氢气相比，天然气对高压更为敏感（即，在高压下，天然气的自燃温度下降幅度比氢气更大）。

氢气和天然气在压力下的差异

在大气压下，氢气的自燃温度比纯天然气低约 100°C。但在体积含氢量为 30% 的富氢天然气混合物中，其自燃温度高于 100% 天然气。在 25 和 30 个大气压下，天然气分别在 413°C 和 375°C 时点燃。而在相同压力下，富氢天然气混合物在 438°C 时点燃，纯氢气在 400°C 时点燃。

这些结果与预期相反，表明随着燃料混合物中氢气浓度的增加（在高压下），会达到一个拐点。

对于这种现象，已经提出了几种可能的解释。但确定确切原因的工作仍在进行中。

量化自燃延迟时间

还进行了类似的测试，以量化天然气、氢气 - 空气以及各种富氢天然气混合物的自燃延迟时间（AIDT）。自燃延迟时间是指气体达到自燃所需的温度和压力条件到其自行开始燃烧（无需任何火花或火焰）之间的时间。

与自燃温度一样，更好地理解自燃延迟时间对于设计用于在混燃应用中输送氢气和富氢天然气的系统也很重要。

展望未来：通过氢气混燃加速脱碳

了解可燃极限的重要性

了解氢气和富氢天然气燃料混合物的可燃极限边界，有助于支持系统设计和安全控制，以降低意外燃烧的风险。此类事件可能会对氢气燃料在燃气轮机发电厂中的应用产生负面影响，并阻碍广泛的脱碳努力。

持续研究以推动商业应用

中佛罗里达大学和三菱动力之间的研究仍在进行中。在初始测试阶段观察到的意外结果表明，需要进一步开展工作，以更好地理解富氢天然气燃料在压力下的行为，并促进氢气混燃的商业接受度。

在过去两年中，三菱动力和中佛罗里达大学发表了多篇关于该测试活动的论文，包括提交给美国机械工程师协会（ASME）和美国航空航天学会（AAIA）的论文。最新研究已发表在《美国机械工程师协会期刊》上，该期刊以收录具有高技术价值论文闻名。

决定公开测试结果（而不是内部保密），体现了三菱动力致力于安全、负责任地推进创新氢气解决方案，并加速大规模发电脱碳的决心。

解锁完整研究，探索氢气-天然气混合物在实际条件下的关键点火特性。