导读：据powermag网站10月20日报道，由于环境压力越来越大。各国已经制定了减少甚至消除使用传统化石燃料的目标，以减少CO2等温室气体的排放。燃气轮机原始设备制造商 (OEM) 正在通过投资氢气燃烧来应对。他们在燃烧器和其他组件的开发上投入巨资，这些组件将使燃气轮机能够与氢燃料混合物一起运行。一些公司已经发布了关于他们最终将如何使用氢燃料运营其整个机组的路线图，这被视为正在进行的脱碳努力的一个关键方面。
随着越来越多的电厂将氢气与天然气混合，余热锅炉将不得不升级以应对。
西门子能源公司的销售经理理查德·萨博（Richard Saab）表示：“按体积计算，氢气含量为30%的天然气发电可减少11%的CO2排放。”
虽然氢燃料燃气轮机是个大新闻，但人们对于氢燃料对燃气发电供应链其他领域影响的关注却少得多，例如余热锅炉 (HRSG)。然而，全球大部分燃气轮机机组都以联合循环模式运行，由于燃气轮机连接着余热锅炉，如果燃气轮机将燃料改为了氢燃料，那么余热锅炉也将不得不面对以下因素：
Ø氢气的火焰温度高于天然气。
Ø燃烧氢气时烟气的水露点升高。
Ø余热锅炉与烟道气接触的较冷部分将遭受高水平的冷凝。
Ø氢气燃烧会生产比天然气更高体积的废气流量。
Ø氢气引入了必须处理的额外安全问题。
“锅炉制造商在处理氢气方面拥有数十年的经验。”余热锅炉制造商Rentech Boiler Systems 的副总裁凯文·斯莱皮卡（Kevin Slepicka）表示：“余热锅炉带来了一些额外的挑战，但这些都在供应商的能力范围内。”
余热锅炉基础知识
余热锅炉是高效换热器，用于从废气流中提取热量，将水转化为蒸汽，用于联合循环发电，或生产用于工业过程的蒸汽。它们由复杂的管道组成，水流过它们，当水与热气体进行热交换时，它会转化为蒸汽。余热锅炉的主要部件是过热器、蒸发器和省煤器。管道燃烧器通常安装在过热器之前，而选择性催化还原 (SCR) 装置通常用于降低NOx水平。
余热锅炉的主要元件是过热器、蒸发器和省煤器。
余热锅炉的温度差异很大。省煤器温度远低于过热器部分。送入省煤器的水被预热并通过蒸发器转化为蒸汽。顾名思义，过热器用于过热供给汽轮机的蒸汽。
当氢气混合物被引入为天然气燃烧而设计的余热锅炉中时，必须考虑到某些因素。氢是比甲烷轻得多的分子。它的每单位体积的热值较低——天然气的每单位体积的热值大约是其五倍，这意味着燃烧过程需要大量的氢气，这会影响为燃气轮机机组供电的管道和计量站。
“氢气的质量相关热值为51,600 Btu/磅，密度比甲烷低8倍。”萨博说。
氢气的较高火焰温度（大约4,000F对3,600F）意味着NOx成为一个更大的问题。燃烧器也可能需要修改。
余热锅炉修改
John Zink Hamworthy等燃烧器公司通常会确定氢气燃料喷射器的最佳尺寸。根据引入的氢气量，可能需要对余热锅炉管道燃烧器进行少量修改。由于热值和供应压力的差异，还需要安装单独的氢气阀组和点火元件。
该电厂由炼油厂气体燃烧，其中燃料中的氢含量可以在30%~80%之间，但通常为50%左右。余热锅炉与一台22兆瓦的燃气轮机相连。
“氢气的存在可能会降低性能，这必须通过更好的燃烧器和一些设计修改来弥补。”斯莱皮卡表示。“因此，余热锅炉管道燃烧器可能比基于天然气的余热锅炉产品更昂贵。”
Rentech公司已经为想要燃烧氢气的公司提供了至少八台余热锅炉，主要是化工厂。有些用户用它来产生更多的电力，有些用户用它来生产更多蒸汽。
“压力较低时，有一个专用燃料喷射器。” 斯莱皮卡表示。“另一个能够使用现有的燃料喷射器。”
他指出，由于余热锅炉中的所有水都凝结，过热器的运行温度会稍低一些。这会影响过热器中的热传递。因此，与天然气相比，那些运行过汽轮机的人可能会注意到性能下降，应该考虑到这一点。如果它是一个新的联合循环电厂，汽轮机的尺寸应该更大，以产生与100% 天然气设施相同的功率。
在排气方面，请注意氢气需要更多体积的气体才能通过燃气轮机。因此，余热锅炉的设计需要避免超过套管的设计压力，较高的压降也可能是降低性能的一个因素。
安全和排放问题
与天然气相比，氢分子的更宽的爆炸范围、更低的点火能量和更轻的重量引发了一些安全问题。任何未燃烧的氢气将上升到余热锅炉的顶部，并可能聚集在某些位置中。现代余热锅炉设计通常留给气体聚集的空间很小。但是，仍然可能需要吹扫循环以消除爆炸风险。任何燃烧氢气的设施还应安装氢气检测技术，以发现泄漏的早期迹象。
水和冷凝是进一步的问题。燃烧氢气时水的露点升高。因此，余热锅炉与废气接触的冷部位会形成冷凝水，尤其是在余热锅炉的后端。设计人员应意识到这一现象，并确保根据需要实施排水和干燥措施。
至于排放，主要担心的是NOx。氢基燃烧和余热锅炉的早期经验表明，由于氢的火焰温度更高，NOx值排放更高。斯莱皮卡表示，如果氢气在整个燃料混合物中的体积保持在5%，这将可以忽略不计。在此之上，NOx将上升，需要采取缓解措施。
SCR系统已经存在于许多余热锅炉中。一旦热气体通过余热锅炉并将水转化为蒸汽，它们需要在释放到大气中之前与氨混合，以确保排放合规。
氢在余热锅炉上的应用历史
事实证明，氢气在成套锅炉和余热锅炉中并不是什么新鲜事。几十年来，成套锅炉一直在使用一些氢气混合物。例如，Valero位于德克萨斯州的亚瑟港炼油厂每天生产超过1亿立方英尺的高纯度氢气，该厂增加了一个带有GE Frame 7EA 80-MW 燃气轮机的联合循环电厂。余热锅炉设计用于高达550,000磅/小时的补充管道燃烧，升温速率为每分钟60,000磅/小时。蒸汽甲烷重整器 (SMR) 制氢装置集成到该设施中，以提供额外的蒸汽。余热锅炉和SMR使用燃气轮机的废气。一台20兆瓦的自动抽汽/背压式汽轮机以两种不同的压力发电并输出蒸汽。
“在未来几年，余热锅炉将需要越来越频繁地使用氢气运行。”斯莱皮卡表示。
改造或更换
新的余热锅炉的设计应始终考虑氢气的潜在存在。谁愿意购买余热锅炉并在两年后发现它需要进行广泛的修改以耐受氢混合物？作为其中的一部分，应该包括SCR的空间。随着更多氢气的添加，NOx的排放量将增加，因此应在新的余热锅炉设计中留出空间，如果需要，将来可以添加SCR。
“那些想在未来燃烧氢气的人应该提前为它设置余热锅炉，”萨博说。“那些确实获得了氢就绪印章的人，这可以帮助融资并将成本降至最低，以后做起来就更难了。”
但是已经存在的数百个余热锅炉呢？有些已经有几十年的历史了。为了能够使用氢混合物运行，许多将需要大量改造才能有效运行。最坏的情况：用专门为氢气燃烧设计的余热锅炉替换旧的余热锅炉可能更容易。特别是考虑到燃气轮机原始设备制造商打算将越来越多的氢气引入其燃气轮机（最终目标是100%），应研制余热锅炉以应对氢气，并应根据最佳情况对较旧的余热锅炉进行评估改造和更换之间的过程。
“将SCR改装到现有的余热锅炉中将极具挑战性。” 斯莱皮卡说。“如果旧的余热锅炉需要大量修改，最好更换它。无论如何，这些装置中的许多都已接近使用寿命。”
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