2023掺氢掺氨燃烧技术开发与工程验证

1、掺氢/掺氨燃烧技术开发与工程验证2022年4月23日报 告 内 容掺氢/掺氨燃烧的背景及意义掺氢/掺氨燃烧燃烧和污染物生成特性掺氢/掺氨燃烧组织方法及其工程验证掺氢/掺氨技术所面临的机遇和挑战2掺氢/掺氨 ： 走向“零碳”的关键“一小步”3v 燃煤掺混富氢燃料：降碳的可选手段 过剩的可再生能源 + 特定储运条件 = 经济性 掺氢/掺氨燃烧都已从概念走向了工程示范能源用氢/氨生产、运输、利用方式JSTv 氢储运：管道掺氢 v.s. 钢瓶运氨密度 5 g/cm3Mg2FeH6BaReH92 g/cm31 g/cm3Al(BH4)30.7 g/cm3LaNi5H6FeTiHNaBHLiBH44液C H1.7MgH2NaAlH4KBH48 18LiH液 NH T=239.7 K3Mg2NiH4LiAlH4液C4H10液态CH4T=112 K5002008060120 8050低温液态储氢T=20.3 K高压气态储氢20 (钢瓶) pMPa201313天然气管网掺氢高压气态储氢(复合材料) pMPa0510152025质量储氢密度 (%)天然气管道掺氢：规模大成本低氨：较高的储氢能量密度和体积密

2、度160体积储氢密度(kg H2/m3)140120100806040200氢 v.s. 氨：气体燃料的两个“极端”v 火焰特性差异大氢/氨和甲烷的基础理化性质参数300氢/甲烷XH2 = 1FFCM-1机理Huang et al.11 Dong et al.12 Halter et al.13XH2 = 0.8XH2 = 0.6XH2 = 0层流火焰传播速度， SL, cm/s250200甲烷150氨1005000.40.81.21.62.02.4当量比， FHan et al. Exp. Okafor et al. Num.CH4氨/甲烷20% NH340% NH360% NH380% NH3NH3燃料氢氨甲烷分子量2.0217.0316.04密度 / (kgm-3)0.090.760.71低位体积热值/ (MJm-3)10.814.335.5低位质量热值/ (MJkg-1)12018.8050.05沸点1 atm / ()-253-33.4-161可燃极限（当量比）0.10-7.100.63-1.400.50-1.70绝热燃烧温度/ ()211018001950当量比层流火焰速度

3、/ (ms-1)2.910.070.37最小点火能/ (mJ)0.0118.0000.280自点火温度/ ()500-577657586辛烷值-130120质量含氢率/ (wt%)10017.82540Laminar flame speed (cm/s)甲烷3020氨1000.81.01.21.41.64氢 v.s. 氨：气体燃料的两个“极端”v 燃烧过程NOx生成控制方法差别大q 氢燃烧：温度高，关注热力型NOx100mg/m3 80mg/m330mg/m3O + N2N + O2= NO + N= NO + O51 GB 13223-2011 火电厂大气污染物排放标准.中华人民共和国环境保护部.2 DB 11/139-2015 锅炉大气污染物排放标准. 北京市环境保护局/北京市质量技术监督局.N + OH = NO + Hq 氨燃烧：燃料氮，关注燃料型NOx环保要求：必须攻克低氮燃烧组织关键技术掺氢/掺氨燃烧组织技术所关注的重点问题燃料天然气氢氨储运安全储运安全+燃烧安全点火安全性+抗吹熄特性+抗回火特性+污染物控制燃料逃逸控制+热力型NOx控制+快速型NOx控制+/燃料型NOx控

4、制/+阀组及控制系统阀组响应特性经验丰富有变化剧烈变化控制系统改造/不改或小改大改6掺氢气体燃料火焰吹熄和回火特性n 定义参数 如下：𝑣𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙7𝛽 =𝑣L𝑆0 𝑣=𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑆LL𝑆0 锅炉和灶具燃烧器总出口流速与火焰传播速度归一化参数的比值； 定量比较锅炉和灶具总出口流速与火焰传播速度的相对变化大小； 值增加，吹熄风险变大； 值减小，回火风险变大。掺氢气体燃料燃烧组织方法 根据各种外部操作条件对燃烧过程影响机制，构建不同燃烧模式相图，控制热力型NOx生成高NOx 高温、稳燃、 传统燃烧技术v 操作参数影响规律分析无量纲预热温度预热温度/燃烧温升Da数停留时间/反应时间预热温度燃烧温度停留时间反应时间MILD燃烧技术烟气再循环技术贫燃预混燃烧技术Un新超低氮技术低NOx、燃烧柔和，稳定性好，调节范围宽stable

5、combustion常见低氮技术控温、低NOx、进入不稳定燃烧区、调节范围窄8气体燃烧模式相图掺氢气体燃料燃烧组织方法样机的研制9掺氢气体燃料燃烧组织v 掺氢对锅炉能效影响n 管道供气压差不变，锅炉不做任何调整，掺氢后锅炉负荷与燃料华白数变化相关；锅炉热效率先下降，在纯氢燃烧时略有升高；如果保证锅炉负荷和热效率下降偏差在基准工况的5%以内，建议XH2 0.2 保负荷，保过量空气系数，掺氢使锅炉燃烧温度升高，炉膛热负荷上升，省煤器热负荷下降；掺氢比增加导致锅炉热效率逐渐增加；这种运行策略下最大耐受掺氢比的要求主要在于燃烧温度升高对污染物排放的影响10掺氢气体燃料燃烧组织方法P = 1680 kW/m2 = 1.1P = 1680 kW/m2 = 1.2P = 1680 kW/m2 = 1.3P = 1680 kW/m2 = 1.4实验室尺寸30mm30mm11天然气管道掺氢燃烧利用的工程验证13国际天然气掺氢示范项目汇总加拿大年份国家/地区典型项目名称或负责机构应用场景掺氢比(20%)2004欧盟NATURALHY工商业及居民用户终端设备燃料202008荷兰Ameland工商业及居民用户

6、终端设备燃料202013德国电力与天然气公司管网掺氢示范52014法国GRHYD居民用户终端设备燃料202016日本三菱工业用户终端设备燃料302017英国HyDeploy工商业及居民用户终端设备燃料202017俄罗斯天然气工业股份有限公司工业用户终端设备燃料（发电）252019意大利SNAM工业用户终端设备燃料102019中国国家电投集团有限公司管道掺氢示范102020美国HyBlend终端用户供暖及发电、HCNG汽车302020加拿大ACTO工商业及居民用户终端设备燃料52021澳大利亚JGN居民用户终端设备燃料102021乌克兰天然气公司管网掺氢示范202022韩国天然气公司工商业及居民用户终端设备燃料20P2G荷兰英国HyDeploy法国GRHYD德国欧盟AmelandFalkenhagenNaturalhy俄罗斯-天然气工业股份公司中国-天然气掺氢关键技术研发及应用澳大利亚Project H2GO日本三菱类型主体单位地点阶段（计划）投产时间掺氢比掺氢规模氢气来源城燃国家电投集团有限公司辽宁朝阳运行2019.910%100 Nm3/h（掺氢）电解水制氢城燃山西铭石煤层气利用股份

7、有限公司山西晋城运行2019.110%600 Nm3/h（掺氢）煤制氢长输+城燃宁国运集团宁夏设计2021.126-20%-长输国家石油天然气管网集团科学研究总院分公司榆林规划20233%600万方/小时（掺氢）电解水制氢城燃乌海凯洁燃气有限责任公司乌海施工2022.45-20%30000 Nm3/h（掺氢）工业副产制氢城燃张家口鸿华清洁能源科技有限公司张家口设计2021.110-20%440 万方/年（氢气）-城燃上海飞奥燃气设备有限公司上海浦东唐镇设计2022.6.15-20%-城燃中国石油天然气管道工程有限公司广东湛江可研202415.50%470000 Nm3/h（掺氢）电解水制氢城燃内蒙古科技厅通辽启动-5-20%-电解水制氢、工业副产氢城燃四川博能燃气青白江规划20225-20%-城燃深圳燃气深圳规划-520%80 方/天（氢气）光伏制氢HCNG长岭县长润风电有限公司长岭县龙凤湖施工2021.15-20%1500 Nm3/h（氢气）风电制氢-陕煤线掺氢可行性示范项目陕西规划-5%-燃气轮机中国联合重型燃气轮机技术有限公司湖北荆门施工2021.1215-30%-国际天然气掺氢示范项目汇总某钢铁厂富氢燃气项目（ 116MW超高温亚临界锅炉）低氮改造后：清华技术 15 mg/Nm3（改造目标：100 mg/Nm3）

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