氫燃?xì)廨啓C(jī)新突破

李偉

歐洲的一個(gè)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，首次成功測(cè)試了一款完全由氫氣驅(qū)動(dòng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)——這是氫能應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)新突破，為減少水泥、鋼鐵等能源密集型行業(yè)的碳排放開辟了一條新途徑。

主要應(yīng)用于“脫碳復(fù)雜”的行業(yè)

據(jù)法新社報(bào)道，法國(guó)能源公司Engie，德國(guó)航空航天中心、西門子能源公司，英國(guó)Centrax公司和歐洲一些大學(xué)聯(lián)合組成的Hyflexpower項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，在法國(guó)利摩日市進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)將100%純氫注入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)發(fā)電的目標(biāo)。該實(shí)驗(yàn)使用西門子能源公司的SGT-400型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒系統(tǒng)適用于氫氣。

在這項(xiàng)最新的實(shí)驗(yàn)中使用的氫氣，由現(xiàn)場(chǎng)的電解槽產(chǎn)生，電解槽由可再生能源系統(tǒng)供電。氫氣在進(jìn)入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)之前儲(chǔ)存在罐中。該系統(tǒng)在點(diǎn)火后成功運(yùn)行，可持續(xù)產(chǎn)出電能。研究團(tuán)隊(duì)表示，將繼續(xù)進(jìn)行改良實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步減少氫氣燃燒后氮氧化物的排放量。

這項(xiàng)最新的實(shí)驗(yàn)表明，氫氣罐可以像電池一樣，成為一種靈活的儲(chǔ)能和供能方式，有望實(shí)現(xiàn)能源密集型工業(yè)場(chǎng)地的快速“脫碳”。水泥、鋼鐵、煉油和其他“脫碳復(fù)雜”的行業(yè)，都是這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的重要應(yīng)用目標(biāo)。

該研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，如果能夠通過簡(jiǎn)單的調(diào)整來(lái)改造現(xiàn)有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，使其可適用于氫氣，那么這項(xiàng)技術(shù)將具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，“脫碳”技術(shù)的發(fā)展正在加快，使用燃燒時(shí)無(wú)二氧化碳排放的氫燃料發(fā)電，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。不僅利用氫能發(fā)電，接下來(lái)，更多的科研團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃利用氫能來(lái)產(chǎn)生熱能，令航空和航運(yùn)業(yè)等從中受益。

不過，Engie公司副總裁拉克魯瓦表示，氫氣雖然是極為清潔的能源，但其應(yīng)用不僅面臨多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，還面臨高成本和缺乏基礎(chǔ)設(shè)施等阻礙。此外，與目前大量使用的天然氣不同，氫氣的火焰燃燒得更快、溫度更高，這意味著開發(fā)者必須克服重大安全障礙，需要考慮的因素包括材料的阻力、燃燒室的保護(hù)層和燃燒過程控制等等。純氫燃?xì)廨啓C(jī)需要攻克的技術(shù)難題還有很多。

Hyflexpower項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的純氫燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

日本移動(dòng)出行展上的氫燃料概念車

AVL公司開發(fā)的氫燃料賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)

難點(diǎn)所在

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓縮機(jī)、燃燒器、動(dòng)力系統(tǒng)組成。當(dāng)下常用的燃?xì)廨啓C(jī)，只需調(diào)整燃燒器的配置即可實(shí)現(xiàn)燃料從天然氣到氫氣的轉(zhuǎn)換，成為氫燃機(jī)。在氫燃機(jī)中，氫氣的穩(wěn)定燃燒以及減少氮氧化物排放量，是難點(diǎn)所在。

氫氣與天然氣相比，燃燒速度更快，燃料噴射火焰的溫度更高。如果不對(duì)燃燒器的噴射閥進(jìn)行調(diào)整，那么零部件在高溫狀態(tài)下就容易氧化發(fā)黑。另外，在氫燃機(jī)測(cè)試中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生“回火”現(xiàn)象，即出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)。

氫氣燃燒時(shí)，如何控制氮氧化物的排放量是另一個(gè)難題。在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整燃?xì)庵袣錃獾恼急龋^察氣體燃燒時(shí)氮氧化物的排放量，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣占比為40%時(shí)，與天然氣燃燒差別不大。當(dāng)氫氣超過60%后，氮氧化物的排放量急劇增加；在氫氣占比達(dá)到100%后，氮氧化物排放量增加到天然氣燃燒產(chǎn)生排放量的兩倍。

為了開發(fā)氫能燃?xì)廨啓C(jī)，必須開發(fā)針對(duì)氫氣特性的燃燒技術(shù)。目前，美國(guó)、日本和一些歐洲國(guó)家都在開發(fā)氫燃機(jī)。

因?yàn)闅錃獾娜紵俣瓤欤l(fā)生“回火”的風(fēng)險(xiǎn)較大，所以采用100%純氫氣作為燃料時(shí)，須引入“干式”燃燒器。其特點(diǎn)是以較小的火焰產(chǎn)生足夠大的動(dòng)力。火焰較小就能降低燃燒器內(nèi)部的溫度，并縮短高溫氣體的滯留時(shí)間，從而控制氮氧化物的生成量。

日本的一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目致力于氮氧化物減排和氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。利用該項(xiàng)目中開發(fā)的氫燃燒器，搭配特定的設(shè)備，就有望實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電。

氫燃料貨運(yùn)車

《新科學(xué)家》指出，氫氣產(chǎn)量有限，而節(jié)能減排的要求不斷提高。所以，首先要利用天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的普及，對(duì)天然氣發(fā)電裝置進(jìn)行改進(jìn)，既可以使用天然氣，又可以使用氫氣。加入接近30%的氫實(shí)施混燒，可以有效利用現(xiàn)有設(shè)備。待真正進(jìn)入氫氣時(shí)代后，“干式”燃燒器將成為主流設(shè)備。

氫動(dòng)力賽車

眾多行業(yè)的公司都對(duì)氫氣的應(yīng)用有著濃厚的興趣。業(yè)界知名的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)公司——奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)設(shè)備及測(cè)試公司（AVL）新近展示了一款用于賽車的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，它采用類似燃油的燃燒方式，輸出功率為320千瓦。

AVL表示，這款新發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)源自其賽車運(yùn)動(dòng)部門，它沒有以往氫燃燒率低的弊端，并巧妙地消除了“回火”現(xiàn)象。這款2.0升發(fā)動(dòng)機(jī)帶有類似汽油內(nèi)燃機(jī)的燃油噴射功能，可將水注入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣中。這項(xiàng)技術(shù)避免了不必要的過早點(diǎn)火，并令燃燒反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了量化控制。

該公司于2022年底對(duì)外宣布，正在開發(fā)一種氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。其初始目標(biāo)是產(chǎn)生300千瓦的功率和500N的扭矩。今年9月，樣機(jī)已經(jīng)在測(cè)試臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com