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氢可以作为能源设备中的燃料来“烧”吗?为什么没推广开来

原创文章 发布时间: 2021-08-14 10:38:08

  氢可以在现有能源设备中作为燃料来“烧”吗?这个问题的答案是肯定的。没有什么根本障碍使氢不能在燃气轮机、加热器、锅炉或发电等其他能源应用中燃烧、氢与天然气的混合燃烧,或作为纯氢燃烧。

  事实上,氢已经在意大利福西纳氢电站(100%氢气)、韩国大山石化厂(95%氢气)、中国武汉钢厂(60%氢气)等多个发电厂作为燃料使用。目前还有一些计划中的项目使用100%的氢气作为燃料,例如荷兰瓦滕法尔的Magnum工厂和犹他州的Vattenfall发电厂。

  那么,在现有的能源系统中,以氢气为燃料有什么约束条件?

  虽然氢燃烧提供了一个很有前途的储能和转换途径,但对于当今的天然气能源转换装置来说,这并不是一种“随时可用”燃料。燃料处理系统、阀门和管道以及燃烧室硬件需要进行更改,以解决污染物排放、可操作性和成本等问题。

  我们还需要解决污染物排放问题。氢燃烧不会排放任何微粒或一氧化碳,因为它不含碳原子,这是氢作为燃料的另一个主要好处。然而,氢燃烧会产生氮氧化物(NOx)排放。本质上,当空气加热到高温时,空气中的N2和O2开始相互反应时,就会产生NOx。因此,与使用氢气有关的关键挑战是低NOx燃烧系统。

  还有可操作性问题,即设备在不停机、不损坏或性能不合格的情况下可靠运行的能力。氢从几个方面影响可操作性,其中回火是将氢气用于天然气的系统中最严重问题,氢的火焰速度比天然气高一个数量级,因为火焰会向上游传播并严重损坏硬件。

  此外,氢燃料燃烧产物的传热系数高于天然气。由于燃气轮机中的峰值温度是由到旋转涡轮的热传递控制的,这可能需要随着氢含量的增加而降低涡轮进口温度。虽然高氢燃料可以提高循环效率,但这会被降低涡轮进口温度来抵消。

  总之,氢无疑是一种可接受的、非常清洁的燃料。目前存在H2水平50%,与天然气共同使用的低NOx燃气轮机;也已经开发出了用纯氢操作的系统。未来的关键发展挑战是低NOx、燃料柔性系统,该系统可以在纯天然气到从纯氢气之间等多种燃料成分下轻松操作。

  为什么氢气作为燃料却不能广泛运用?主要有以下问题:

  1、储存问题,也是最主要的问题,储存难度大,需要高压,密封要求高,不能泄漏,万一泄漏很容易爆炸。

  2、制备成本高。相对于石油,氢气的制取成本要高很多。而且也只能用石油等制取,既然石油能直接使用,当然不会找麻烦来制取。至于电解水,耗费的电能估计比氢气燃烧能利用的能量还多呢。