氢作为燃料在现有能源设备中直接来“烧”是否可行？

这个问题的答案是肯定的。没有什么根本障碍使氢不能在燃气轮机、加热器、锅炉或发电等其他能源应用中燃烧、氢与天然气的混合燃烧，或作为纯氢燃烧。

事实上，氢已经在意大利福西纳氢电站（100%氢气）、韩国大山石化厂（95%氢气）、中国武汉钢厂（60%氢气）等多个发电厂作为燃料使用。目前还有一些计划中的项目使用100%的氢气作为燃料，例如荷兰瓦滕法尔的Magnum工厂和犹他州的Vattenfall发电厂。

那么，在现有的能源系统中，以氢气为燃料有什么约束条件？

虽然氢燃烧提供了一个很有前途的储能和转换途径，但对于当今的天然气能源转换装置来说，这并不是一种“随时可用”燃料。燃料处理系统、阀门和管道以及燃烧室硬件需要进行更改，以解决污染物排放、可操作性和成本等问题。

我们还需要解决污染物排放问题。氢燃烧不会排放任何微粒或一氧化碳，因为它不含碳原子，这是氢作为燃料的另一个主要好处。然而，氢燃烧会产生氮氧化物（NOx）排放。本质上，当空气加热到高温时，空气中的N2和O2开始相互反应时，就会产生NOx。因此，与使用氢气有关的关键挑战是低NOx燃烧系统。

还有可操作性问题，即设备在不停机、不损坏或性能不合格的情况下可靠运行的能力。氢从几个方面影响可操作性，其中回火是将氢气用于天然气的系统中最严重问题，氢的火焰速度比天然气高一个数量级，因为火焰会向上游传播并严重损坏硬件。

此外，氢燃料燃烧产物的传热系数高于天然气。由于燃气轮机中的峰值温度是由到旋转涡轮的热传递控制的，这可能需要随着氢含量的增加而降低涡轮进口温度。虽然高氢燃料可以提高循环效率，但这会被降低涡轮进口温度来抵消。

总之，氢无疑是一种可接受的、非常清洁的燃料。目前存在H2水平50%，与天然气共同使用的低NOx燃气轮机；也已经开发出了用纯氢操作的系统。未来的关键发展挑战是低NOx、燃料柔性系统，该系统可以在纯天然气到从纯氢气之间等多种燃料成分下轻松操作。下图概述了这些不同技术使用氢气的成熟度、研发需求和NOx合规性。