前言:目前，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電，從而限制CO2排放已經(jīng)成為全球共識，各國政府和監(jiān)管部門不斷出臺減排措施，與此同時迫切需要靈活的發(fā)電解決方案作為調(diào)節(jié)電源，解決可再生能源發(fā)電帶來的隨機性、間歇性及波動性等問題。通過提高效率、工藝混合、使用低碳燃料或整合CO2捕獲技術(shù)，可以減少新設(shè)計和改造的燃氣輪機CO2排放量，這也鞏固了燃氣輪機行業(yè)的戰(zhàn)略地位。為早日實現(xiàn)脫碳目標，中國航發(fā)燃機深入研究世界各國脫碳技術(shù)路線，對未來燃氣輪機技術(shù)發(fā)展及燃料的適用性進行研究，并編譯了本文，以期引發(fā)行業(yè)內(nèi)更多有益的思考。

燃燒后CO2捕集與燃氣輪機的集成技術(shù)

燃氣輪機脫碳發(fā)電，無論是針對現(xiàn)有的天然氣機組還是未來新建機組，都會對運營成本和可調(diào)度電力水平產(chǎn)生重大影響，因為碳捕獲技術(shù)會產(chǎn)生額外的能量損失。因此，選擇并優(yōu)化最合適的捕集技術(shù)，同時保持工廠靈活性具有重要意義，需進一步研究如何最大限度地降低成本和能量損失。

燃燒后二氧化碳捕集技術(shù)，例如CA循環(huán)或使用壓力或溫度擺動概念的固體吸附劑，可改善熱整合，從而降低運營成本。還應(yīng)研究其他選擇，例如CO2分離膜等。

廢氣再循環(huán)包括增強的再循環(huán)選項(例如使用CO2分離膜)，以挺高廢氣CO2水平，從而降低捕集廠的規(guī)模和成本。這種方法將導(dǎo)致燃燒和熱氣路徑環(huán)境發(fā)生重大變化，還可能影響可操作性、材料和部件壽命。

兩個關(guān)鍵要素對上述技術(shù)非常重要。

1.集成燃氣輪機和捕集過程的能源轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，需要優(yōu)化并最大程度地減少能量損失，同時也與運行靈活性和捕集技術(shù)性能的組合優(yōu)化有關(guān)，需要進一步研究。

2.瞬態(tài)運行對捕獲性能的影響及其對控制策略的影響，尤其是因為燃氣輪機發(fā)電廠被視為平衡電網(wǎng)并為不斷增加的可再生能源份額提供調(diào)節(jié)電源是最靈活的解決方案。

使用氫氣、生物質(zhì)衍生氣體和其他低碳氣體運行

由于有限和沒有升級氣體凈化以降低整體工廠復(fù)雜性，生物質(zhì)衍生氣體通常不如化石衍生氣體清潔。這可能會導(dǎo)致燃燒和熱氣路徑環(huán)境面臨挑戰(zhàn)，這將與旨在提高燃氣輪機燃料靈活性所需的研究相關(guān)聯(lián)。

需要進一步研究氫氣在燃氣輪機中的使用，無論是直接燃燒還是摻氫燃燒。這種氫氣，純的或混合的(甚至可能來自天然氣管網(wǎng))，可以來自多種來源，包括重整天然氣、來自氣化過程的富含H2的合成氣、來自未使用的可再生電力的水電解或生物質(zhì)衍生。要被視為低碳解決方案，前兩個選項需要涉及燃燒前捕集。

使用先進、高效循環(huán)的富氧燃氣輪機

一系列先進、高效的循環(huán)燃氣輪機正在開發(fā)中，從而提供更高效率的替代方案，其固有的CO2分離技術(shù)適用于燃燒后捕獲選項的應(yīng)用。這些使用氧燃燒來提供低N2廢氣，更容易從中分離CO2。在這些循環(huán)中，分離出的CO2被壓縮用于運輸和儲存，并且一些CO2或冷凝蒸汽可以再循環(huán)到燃燒器以適度燃燒。此類循環(huán)在極高的壓力下運行，并帶來了重大的操作和組件制造挑戰(zhàn)。例如超臨界CO2動力循環(huán)，其中廢氣CO2被回收(例如NetPower循環(huán))，或清潔能源系統(tǒng)循環(huán)(包括天然氣/O2燃燒)，其中蒸汽用于緩和燃燒條件。

雖然為產(chǎn)生低成本、低碳電力提供巨大潛力，但這些循環(huán)需要在燃燒、熱氣路徑環(huán)境(由于高蒸汽/CO2水平的影響)、材料、機械要求、控制策略方面取得重大進展等。這些與傳統(tǒng)系統(tǒng)非常不同，并存在許多挑戰(zhàn)和不確定性，可能會限制循環(huán)的潛在性能并嚴重阻礙其發(fā)展。研究這些改變運行環(huán)境的影響將有助于識別那些最具潛力的循環(huán)，從而為未來的燃氣輪機開發(fā)提供一條可能的路徑。

此外，燃氣輪機與必要的O2生產(chǎn)過程的集成是一個研究領(lǐng)域，旨在優(yōu)化更大的系統(tǒng)以實現(xiàn)整體效率和靈活性，其與綠色制氫等其他過程的整合也需要評估。