承诺10年内实现重型燃氢轮机发电商业化！一文读懂日本三菱技术路线
日本政府预测，发电将成为日本氢能源增长的最大驱动因素，未来将占日本氢消耗量的64%左右。目前三菱重工集团正在推进天然气混合氢气和纯氢重型燃气轮机的研发，以解决能源行业的三难困境（能源安全、能源公平和环境可持续性）。已成功实现了在工业规模下燃气轮机联合循环发电（GTCC）发电掺氢30%的燃烧试验。 
根据巴黎协议的承诺，日本在2050年的温室气体排放要减少80%。而风电、光伏、水电等可再生能源发电因气候、天气状况而波动。自然环境的差异也使全球可再生能源发电量分布不均。另一方面，将可再生能源转化为氢进行储用是解决能源波动的有效路线，同时也使可再生能源的洲际运输成为可能。因此，在远离可再生能源大规模发电区的日本，新加坡等地区构建氢供应链和应用开发显得重要而紧迫。（延伸阅读：澳大利亚与日本合作开发41万吨/年绿色氢能项目）
日本政府与企业的合作包括三个阶段：首先，扩展现有的燃料电池计划，以帮助降低制氢和燃料电池的价格；其次，大规模引进氢能发电和氢供应基础设施；最后，在整个制造过程中建立零碳排放供应系统。其中氢能发电的商业化目标定在2030年左右实现。
为了在更短时间内促进商业化（从技术开发到电力公司的设备引进）三菱重工公司设计了一个系统，使现有的燃气轮机进行燃氢发电。该系统不需要对燃气轮机燃烧器以外的发电设备进行大规模更新。用于发电的重型燃气轮机可以使用成本较低的低纯度氢气。自1970年以来，三菱重工已经制造了29台燃氢燃气轮机，它们燃烧的燃料氢含量在30%～90%之间，总测试时间超过350万小时。一个主要挑战是如何在氢燃烧中减少NOx排放，同时又不降低效率。与天然气相比，氢气的火焰传播速度更快，还需要降低较高氢气含量燃料中容易出现的燃烧振荡和“回火”（逆火）风险。
氨裂解GTCC
为了稳定供应大型燃气轮机发电所需的大量氢气，先决条件是建立氢气的生产、运输、储存等供应链。但氢的运输和储存都非常不易，因此新的燃气轮机联合循环发电（GTCC)系统，还包括氨或者其他有机氢化物能量载体的利用。自2017年以来，三菱重工一直参与日本内阁府战略创新促进计划SIP，并研究使用氨作为能源载体的燃气轮机系统。氨的体积密度是液化氢的1.5倍，能够利用现有液化石油气运输和储存基础设施。在SIP计划中，三菱重工已经研究了直接燃烧氨的微型燃气轮机和小型燃气轮机，但是直接在大型燃气轮机中直接使用氨燃烧仍存在一些难以解决的问题。
三菱重工的解决办法是开发一种将氨热裂解为氢气并在燃气轮机中燃烧的系统。氨裂解是一个典型的吸热反应，需要在催化剂条件下将氨加热。由于该反应热导致后续气体的总热值增加，因此原则上不会降低效率。裂解后残留的微量氨会导致燃烧器中形成NOx，三菱重工目前研究的重点是减少残余氨量的新型裂解器和高效裂解催化剂。
该系统的特点是可应用于高效率、大容量的GTCC系统，通过应用该系统，不仅可以利用目前正在开发的燃气轮机燃氢燃烧器，还可以将开发的氨裂解装置作为氢供应链基础设施的组成部分。
GTCC的燃氢燃烧器
氢气在空气中燃烧时最大火焰速度：2.65m/s，火焰温度：1430℃。为了应对随着燃烧温度升高而呈指数增长的NOx排放量，三菱重工通过干式低NOx（又称DLN）燃烧器的方法解决该问题，其采用预混燃烧方法进行发电。预混燃烧法是将燃料和空气预先混合后送入燃烧室。由于与扩散燃烧法相比火焰温度较为均匀，因此不需要水蒸汽注入来降低燃烧火焰温度，并且不会降低联合循环发电效率。但是，预混燃烧的稳定燃烧范围窄，存在发生燃烧振荡和回火的风险。同时，氢气与天然气相比燃烧速度更快，因此天然气与氢气共燃时发生回火的风险要远高于天然气。在传统DLN燃烧器上，从鼓风机供应到燃烧器内部的空气通过旋流器并形成旋流，燃料从旋流器翼面的一个小孔供应，由于旋流效应与周围空气迅速混合。三菱重工的新型燃烧器特点是从喷嘴尖端喷射空气，以提高涡核的流速，注入的空气补偿了涡核的低流速区域并防止了回火的发生。三菱重工使用一台全尺寸新燃烧器在实际燃气轮机运行压力下进行燃烧试验，其试验结果表明即使在掺氢30%的条件下，NOx仍在要求的排放范围内，而且运行时没有发生回火或燃烧振荡。
用于高浓度氢气燃烧的多簇燃烧器
随着氢气浓度越高，回火的风险就越大。如果针对纯氢燃料使用上述的DLN燃烧器，将需要非常大的物理尺寸空间，而且也会增加回火的风险。为了保证在现有设备空间内短时间混合高浓度氢燃料和空气，三菱重工设计了一种新型混合燃烧系统，可以分散火焰并将燃料以更小更细的气体形式吹出。
三菱重工设计的多簇燃烧器，其喷嘴数量比DLN燃烧器的燃料供应喷嘴（8个）更多。采用了小喷嘴孔的系统，将空气和氢气混合。可以在不使用涡流的情况下以较小的规模混合空气和氢气，这可以实现高抗回火性和低NOx燃烧的兼容性。
对外合作
除此之外，还与瓦腾福公司合作，计划在2023年将位于荷兰的1.3GW马格南联合循环电站中三个机组之一转换为燃氢机组。该项目主要是针对一台440MW功率的M701F燃气轮机进行改造，通过使用新的燃烧技术达到保持和天然气发电同样NOx排放的前提下，燃烧100%的氢燃料，并且无需蒸汽和水注入。三菱重工CEO表示，在未来10年内将实现燃烧100%的氢燃料的目标。当被问及该技术将如何与电池存储的发展竞争时，其表示：“我们认为，如果想在较短的时间尺度内存储电能，锂电池可能是正确的选择，氢则会在更长时间尺度上发挥作用”
