日本的氢燃气轮机先进在哪？

日本氢燃气轮机项目由NEDO主导，三菱重工和川崎重工分别研制大型氢燃气轮机与中小型氢燃气轮机。

从技术路线来看，目前都是只改造现有燃气轮机的燃烧器喷嘴或开发新的燃烧器喷嘴。

按燃料细分，可分为以下路线：掺氢燃烧的燃气轮机，纯氢燃烧的燃气轮机，纯氢+纯氧燃烧的燃气轮机。

1.掺氢燃气轮机

（1）川崎重工的掺氢燃气轮机的燃烧器

川崎重工掺氢燃气轮机燃烧器的特点是在燃烧器后半段增加二次燃烧喷嘴，氢气只在二次燃料中掺混，主燃料仍然是天然气。使用天然气进行点火/启动和低负荷运行，当负荷达到DLN运行范围时，向二次燃烧喷嘴供应氢气，进行氢燃烧发电。

实验结果确认使用二次燃烧喷嘴时，掺氢燃气轮机与天然气燃气轮机的运行范围、设计点和NOx排放量几乎相同，且没有发生回火或烧蚀。并且NOx排放量为25ppm（按O2=16%换算）。

（2）三菱重工的掺氢燃气轮机的燃烧器

与川崎重工的燃烧器不同，三菱重工的燃烧器是在主燃料喷嘴就进行氢气混合。压气机排气进入燃烧器内部后通过旋流器叶片成为旋流，与此同时燃料从旋流器叶片表面的小孔喷出，在旋流效应下与周围空气快速混合。目前已了解到在旋流中心存在一个低流速区域，导致火焰逆向蔓延，从而发生回火。

因此新型燃烧器的设计特点是从喷嘴的尖端喷出空气，以增大涡核的流速。喷射的空气补充涡核的低流速区域，从而防止回火的发生。

考虑到最低流速是控制回火现象发生的关键，因此新型燃烧器的最低流速是常规燃烧器的2.5倍以上。

另外，从新型燃烧器喷嘴顶端的小孔喷入的空气量非常少，因此，除了涡核附近区域之外，其他区域几乎不受影响，流速分布与常规燃烧器同等。

2.纯氢燃气轮机

（1）川崎重工的纯氢燃气轮机的燃烧器

川崎重工的纯氢燃气轮机的燃烧器有2种技术路线：扩散燃烧器与干式低NOx燃烧器。

喷水减NOx的扩散燃烧器（纯氢）

目前使用含有高浓度氢气的高反应性燃气作为燃气轮机的燃料进行发电时，多采用火焰稳定性优良的扩散燃烧法。这种燃烧方式稳定性极好，但会产生大量NOx。

因此，为了减少燃烧气体中的NOx，使用喷入水或水蒸气减少火焰高温部分产生的NOx的方法。

干式低NOx燃烧器（纯氢）

天然气通过预混燃烧可以实现低NOx燃烧。但氢气的反应性太强烈，会发生回火。因此川崎重工研究使用微小氢火焰的纯氢干式低NOx燃烧技术及其在工业燃气轮机中的应用。

氢气从一个微小的氢气注入孔（直径1mm或更小）注入，与正交方向的空气射流快速混合，形成氢火焰。通过形成微小的氢气火焰，避免局部高温区的产生，缩短反应时间，从而抑制NOx的产生。

供应氢气的喷嘴呈环形布置，其数量可根据氢气燃烧量（运行负荷）调整，因此可以同时实现从燃气轮机启动后低负荷时的高燃烧效率和高负荷时的低NOx燃烧。

川崎重工已开发出使用纯氢低 NOx 燃烧技术的2MW 级燃气轮机燃烧器的关键技术。

（2）三菱重工纯氢燃气轮机的燃烧器

与川崎重工一样，三菱重工纯氢燃气轮机的燃烧器也有2种技术路线：扩散燃烧器与多点燃烧器（仍然是干式低NOx燃烧器）。

扩散燃烧器

三菱重工正在计划将这种扩散燃烧器应用于荷兰NuonMagnum发电厂改用氢燃料的项目。

用于纯氢燃烧的多点燃烧器

随着氢气浓度的增加，回火风险增大。掺氢燃烧DLN燃烧器使用旋流器混合燃料和空气需要相对大的空间，并且回火的风险增加，需要短时间内在狭窄空间中混合。因此设计了1种微孔喷射燃料使火焰分散且更细长的混合方式。

与传统的DLN燃烧器的燃料喷嘴（8个）相比，多点燃烧器有更多喷嘴且喷嘴孔径更小。空气被送到此处，然后采用吹入氢气混合的方法。可以在不使用旋流器的情况下用较小的体积混合空气和氢气，并且同时实现高回火阻力和低NOx燃烧。目前正在进行燃料喷嘴结构的基础研究。

从目前的情况看，日本氢能主要还是从天然气、石油、煤炭等化石能源加工过程中的副产品获得，可再生能源电解氢只占4%。

氢的储藏和运输主要有液氢、有机氢化物和氨3个方法，送达用户后，先经过气化或脱氢的步骤，产生氢气供利用。

目前日本的100%氢气发电成本为97.3日元/千瓦时，10%氢气和90%天然气混合发电成本为20.9日元/千瓦时，约是普通电力的2倍。

日本政府的目标是到2030年将氢燃料的价格降低到19.4日元/千瓦时（约合人民币1.08元），2050年降为13.7日元/千瓦时（约合人民币0.76元），这样才能与天然气发电进行竞争。