火力发电中氢/氨燃料发动机、燃气轮机的测量与评估

HORIBA 为氢(H₂)和氨(NH₃)燃烧研究和开发提供广泛的气体分析解决方案，满足客户的测量需求。我们不仅提供 H₂ 和 NH₃ 的测量解决方案，还提供 NOx, N₂O, O₂ 和 CO 的测量解决方案，以及测试设施建设的交钥匙解决方案，包括将现有发动机台架转换为氢发动机台架。

在汽车和船舶领域，以日本和欧洲为中心，利用氢气燃烧的动力驱动发动机(内燃机)的“氢发动机”再次受到关注。

在发电领域，正在进行混合燃烧发电(氢气与常规化石燃料混合发电)和纯燃烧发电(氢气单独发电)的研发和示范。氨如氢一样是零碳能源，它的能量密度是液态氢的1.7倍，因此储存和运输效率很高。

目录

• 氢气/氨气燃烧的期望与挑战
• 全球合作
  • 法国: 与CRMT建立战略合作关系
• 氢气/氨气燃烧评价需要的“分析与测量”
• 火力发电中的燃气轮机性能评估需要的“分析与测量”
• “分析与测量”氢气和氨气对周围物质产生的影响
• 工程技术支持和案例学习
  • 更新已有的发动机测试实验室，使其兼容氢气发动机
  • 交钥匙工程
  • 新的风险评估方法（符合ISO 12100机器安全标准）

为了实现碳中和，火力发电和发动机必须“完全燃烧”(氢和氨都以100%燃烧)来避免二氧化碳排放。另一方面，通过改造现有设备、设施和基础设施以及混合燃烧(化石燃料与传统燃料混合燃烧)的方式来减少二氧化碳排放，也有望成为迈向碳中和的过渡步骤。

氢由于它比常规燃料燃烧速度更快，热值更低，绝热火焰温度更高，因此面临应对异常燃烧和NOx生成并提高燃烧效率的技术问题。此外，与常规燃料相比，氨燃烧的燃烧速度慢，热值低，氮含量低，因此需要采取措施应对不稳定燃烧和NOx和N₂O(其全球变暖潜力约为CO₂的298倍)的产生，并提高燃烧效率。

* 我们的构想基于NEDO "燃料氨供应链的建立"

法国:与CRMT建立战略伙伴关系

CRMT是一家致力于开发替代能源发动机和汽车的工程私营公司，并计划与HORIBA合作在法国率先建立第一个“氢技术中心”，使客户能够在开发过程的每一步获得最先进的氢能解决方案，满足他们在整个氢能产业链上的所有需求和挑战，从生产到存储和利用。

通过这种合作关系，法国Ardèche地区的一家中小型公司 Pipo Moteurs 与CRMT公司和HORIBA法国子公司HORIBA France合作，对新开发的氢燃料发动机进行评估。该发动机将安装在一辆将参加2023年达喀尔拉力赛的车辆上，以评估其在恶劣驾驶条件下的表现。

有关我们与CRMT合作的更多信息，请参阅此新闻稿.

氢发动机有望成为汽车的新动力源。汽油和柴油发动机的组件和开发环境，以及内燃机方面的高水平专业知识，都可以被转移和利用，而且氢发动机有可能比燃料电池汽车更便宜。此外，作为燃料的氢不需要像燃料电池那样的高纯度，因此被认为是有效利用氢的另一种手段。另一方面，氢发动机也面临各种问题，如过度早燃导致的异常燃烧和冷却损失，以及在重载运行中减少NOx排放。

国际航运业一直致力于减少二氧化碳和其他温室气体(GHG)排放。国际航运被计入国际海事组织(IMO)排放量，而国内航运被计入国家排放量，每个国家都在考虑根据《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)做出回应。国际海事组织的长期目标是在21世纪尽早实现国际航运的零温室气体排放。在此背景下，航运业也将重视氢和氨燃料发动机的使用。

参考链接: 国土、基础设施、交通和旅游部, "Jisedai sempaku no kaihatsu project no kenkyukaihatsu/ shakaijissou keikaku (an) ni tsuite"【 "新一代船舶开发”项目的研发和社会事实草案”】

HORIBA与许多客户一起开发了各种应用，包括汽车和船舶内燃机的发动机性能和废气的测量和评估，发电设施的气体和水质测量，以及纳米级材料分析。结合我们积累的专业测量知识，我们为使用氢和氨作为燃料的发动机和用于发电的燃气轮机的开发和演示提供全面的性能评估解决方案。

HORIBA 解决方案 >>
用于测量燃料气体流量：气体流量计 (详情请联系我们)
用于测试发动机性能：发动机测功机
用于测量多组份气体：FTIR-傅里叶变换红外光谱气体分析仪 FTX-ONE
用于测量氮气，如 N₂O 和 NH₃: 整车排放气体分析仪 MEXA-ONE
用于测量含氮化合物：含氮化合物分析仪 MEXA-ONE-QL-NX
用于直接测量发动机的废气流速：超声波尾气流量 EXFM-ONE
用于测量排气中的固体颗粒的数量：固体颗粒计数系统 MEXA-2000SPCS 系列
用于测量氢气浓度：氢分析仪 HyEVO
测试集成平台：测试自动化系统 STARS 系列

在火力发电领域， 以氢气和氨气为燃料，燃烧过程中不排放二氧化碳的大型发电系统的开发正在被推进。预计特殊燃烧的燃气轮机将成为未来发电转变的方向，同时混合燃烧发电将逐步投入实际应用，从而逐步减少CO2的排放。

目前，小型专用氢能发电的论证评估已经完成，大型混合燃烧发电的燃烧器正处于研制论证阶段。在氨发电领域，正在开展利用现有燃煤设施进行混合燃烧发电的示范;在燃气轮机联合循环发电领域，正在开发利用氨热解得到的H2与天然气混合燃烧发电的技术。

氢发电面临的技术挑战是防止回火*、燃烧器燃烧振动和减少空气污染物氮氧化物排放。在氨发电中，主要的挑战是减少NOx(特别是由于氧气供应过剩而产生的NO)和N₂O的排放。

*回火:是指在气体燃烧时，当气体流速小于火焰传播速度时，火焰或其根部返回到管道、储罐或烧嘴里去的现象。

HORIBA 一直为火力发电设施的新技术发展，减少空气和水污染排放和提高设施运行效率提供不同的解决方案。在氢和氨的燃烧评估中，我们将气体分析仪和采样相结合，利用我们积累的专业知识，为需要高精度测量的研发工作和需要在恶劣环境条件下长期稳定运行的示范评估提供最佳解决方案。

●氢混合燃烧发电 
燃烧器的开发是为了提高燃烧效率，同时防止回火和燃烧振荡，减少空气污染物NOx。在氢能发电燃气轮机的开发中，需要通过连续的气体测量来评价作为燃料的氢气和未燃烧的氢气和NOx。

●氨混合燃烧发电
在开发方法提高燃煤发电设施和燃气轮机联合循环（GTCC）火力发电设施的氨混烧燃烧效率的同时，我们也开发连接专用燃烧发电的技术。我们正在进行将氨气与催化剂结合，热分解生成氢气的氨分解器的开发以及通过利用氨分解器和氢气燃烧器开发火力发电新方式。

●现有热电厂氨混烧示范工程及氨发电领域涡轮机的开发
除了对包括NOx在内的空气污染物的常规气体测量外，还特别需要测量未燃烧的NH₃和N₂O。此外，对于示范设施中燃气轮机的性能评估，气体分析仪和采样设备在恶劣的现场条件下仍能长期稳定运行，不会出现故障或性能下降这一点十分重要。

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测量氢气浓度: 氢气分析仪 HyEVO
测量高浓度氢气/在危险区域测量氢气: 防爆气体分析仪 TCA-51d/p
测量燃烧气体/废气 (用于 R&D): 多组分 气体分析仪 VA-5000 系列 
测量空气污染物: 烟气分析仪 ENDA-640ZG 系列
便携式分析仪测量氮氧化物: 便携式气体分析仪 PG-300 系列

当氢和氨作为燃料用于发动机和燃气轮机发电时，由于氢脆*和氨腐蚀而导致的材料降解发生在各个位置，包括存储设施和燃烧设备。为了分析和评估氢脆和氨腐蚀对各种材料的影响，选择合适的分析方法和设备是很重要的。

^{*氢脆:由于氢气进入，如使用环境腐蚀或接触氢气等，在一定时间后，钢在应力作用下突然断裂。}

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用于分析和评价金属中的氢:辉光放电光学发射光谱仪 GD-Profiler 2
用于分析金属表面:异物拉曼分析

更新现有的发动机测试实验室以兼容氢气发动机

HORIBA将多年来应客户要求而培养的内燃机废气测量技术与新获得的氢气和燃料电池评估技术相结合，提供广泛的解决方案，从为开发氢气发动机而建造或改造发动机试验室，到提供氢气表和氮化物分析仪，以及防止氢气脆化所需的金属的分析仪。

如需获取更多信息，请联系我们。