中国气候变化信息网

冰凉的洁净火焰技术

　　图注：罗伯特·程正在观察低漩涡注射器发出的火焰。他用手触摸着燃烧器，以此证明它是冰凉的，因为火焰已完全从它的体内释放出来。图片来源：美国能源部劳伦斯·伯克利国家试验室

　　据2007年8月7日《每日科学》网站报道，科研人员成功测试了一种以纯氢为燃料，配备超低排放燃烧技术（即低漩涡注射器）的试验性燃气轮机模拟器。低漩涡注射器可以燃烧不同的燃料，是一种既简便又低本高效的技术。此次试验具有里程碑式的意义，它表明这种燃烧技术有潜力帮助消除发电厂每年排放的数百万吨二氧化碳和数千吨氧化氮。低漩涡注射器很有希望使氧化氮的排放量接近于零，而氧化氮是在发电过程中通过天然气等燃料的燃烧排放出来的。氧化氮简称NOx，它既是一种温室气体，又是构成烟雾的气体之一。

　　美国能源部电力输送和能源可靠性办公室最初投资开发低漩涡注射器是为了使这种技术能够用于实地发电（既分布式发电）的工业燃气轮机。这项研究旨在开发一种可以利用低漩涡注射器技术充分减少氧化氮排放的天然气燃气轮机。

　　罗伯特·程及其同事大卫·小约翰与圣迪亚哥太阳涡轮公司的肯尼思·史密思和瓦甄·纳兹合作，把低漩涡注射器技术运用于可以产生700万瓦特电力的“金牛座70”型燃气轮机。该研究小组的努力使他们获得了“研究与开发100强”的殊荣。他们将继续开发可用于碳中和可再生燃料的低漩涡注射器，这些燃料来源于垃圾掩埋和其它工业处理过程，比如石油加工和垃圾处理。罗伯特·程说：“这是一项飞速发展的科技”。他强调称，这些燃气轮机正被用于发电，其工作方式是燃烧气体燃料，它们的工作原理与喷气式飞机的涡轮发动机相似。   
 
　　美国能源部石化燃料办公室正在资助其它计划，在这些计划中，科研人员将测试低漩涡注射器在先进的整体气化联合循环设施中燃烧合成气体（氢气和一氧化碳组成的混合气体）和氢燃料的能力。整体气化联合循环设施又称未来发电厂，有望成为世界上第一种接近于零排放的煤碳发电厂。未来发电厂将从气化煤中制造出氢气，同时没收这一过程中产生的二氧化碳。装机容量约为2亿瓦特的氢燃气轮机是未来发电厂的关键成分，目前科研人员正在对几种将用于氢燃气轮机的燃烧技术进行评估，低漩涡注射器技术是其中之一。伯克利国家试验室通过与国家能源技术实验室的合作，成功测试了这种以纯氢为燃料的低漩涡注射器装置，从而树立了一座新的里程碑。

　　美国电力研究院燃气轮机技术负责人莱昂纳多·安格罗在致“研究与开发100强”选拔委员会的推荐信中写道：“这种设备的潜力给我留下了深刻的印象，作为下一代煤碳整体气化联合循环发电厂的关键技术，它可以赋予未来发电厂捕获二氧化碳的能力......该技术的应用为研制整体气化联合循环发电厂使用的燃气轮机带来了希望，这种发电厂的运转将依赖于氢含量极高的合成气体燃料或纯氢燃料。”

　　低漩涡注射器是如何工作的

　　低漩涡注射器是一种机械性较为简单的设备，它没有运动机件，可以使气体燃料和混合气体产生适度的旋转，从而使混合气体从燃烧器中扩散出来。流出的气体位于燃烧器喷口的不远处，所产生的火焰是稳定的。不仅它的火焰是稳定的，而且它的燃烧温度低于传统的燃烧装置。由于氧化氮是在高温条件下产生的，因此火焰温度较低将把氧化氮的排放降低到一个极低的水平。“低漩涡注射器的工作原理背离了传统的方法，”罗伯特·程说：“全世界的燃烧专家才刚刚开始接受这种违反常理的概念。要解释这种燃烧现象中隐藏的科学，需要综合分析湍流力学、热力学和火焰化学等学科的相关原理。”

　　装有低漩涡注射器的天然气燃气轮机所排放的氧化氮比传统燃气轮机要少一个数量级。伯克利国家试验室和太阳涡轮公司的试验表明，装有低漩涡注射器的燃烧器仅仅排放出了百万分之二的氧化氮（15%的氧气），比传统燃烧装置少5倍以上。

　　低漩涡注射器技术更重要的意义在于，它不仅能够燃烧天然气和氢气等多种不同燃料，而且比较容易与现有的燃气轮机技术相结合，从而不需要广泛地重新设计燃气轮机。低漩涡注射器将被设计为燃气轮机发电厂的插入式组件。