簡便高效超凈燃燒發(fā)電技術(shù)誕生
據(jù)2007年8月7日《每日科學(xué)》網(wǎng)站報道，科研人員成功測試了一種以純氫為燃料，配備超低排放燃燒技術(shù)（即低漩渦注射器）的試驗性燃氣輪機模擬器。低漩渦注射器可以燃燒不同的燃料，是一種既簡便又低本高效的技術(shù)。此次試驗具有里程碑式的意義，它表明這種燃燒技術(shù)有潛力幫助消除發(fā)電廠每年排放的數(shù)百萬噸二氧化碳和數(shù)千噸氧化氮。低漩渦注射器很有希望使氧化氮的排放量接近于零，而氧化氮是在發(fā)電過程中通過天然氣等燃料的燃燒排放出來的。氧化氮簡稱NOx，它既是一種溫室氣體，又是構(gòu)成煙霧的氣體之一。
美國能源部電力輸送和能源可靠性辦公室最初投資開發(fā)低漩渦注射器是為了使這種技術(shù)能夠用于實地發(fā)電（既分布式發(fā)電）的工業(yè)燃氣輪機。這項研究旨在開發(fā)一種可以利用低漩渦注射器技術(shù)充分減少氧化氮排放的天然氣燃氣輪機。
羅伯特·程及其同事大衛(wèi)·小約翰與圣迪亞哥太陽渦輪公司的肯尼思·史密思和瓦甄·納茲合作，把低漩渦注射器技術(shù)運用于可以產(chǎn)生700萬瓦特電力的“金牛座70”型燃氣輪機。該研究小組的努力使他們獲得了“研究與開發(fā)100強”的殊榮。他們將繼續(xù)開發(fā)可用于碳中和可再生燃料的低漩渦注射器，這些燃料來源于垃圾掩埋和其它工業(yè)處理過程，比如石油加工和垃圾處理。羅伯特·程說：“這是一項飛速發(fā)展的科技”。他強調(diào)稱，這些燃氣輪機正被用于發(fā)電，其工作方式是燃燒氣體燃料，它們的工作原理與噴氣式飛機的渦輪發(fā)動機相似。
美國能源部石化燃料辦公室正在資助其它計劃，在這些計劃中，科研人員將測試低漩渦注射器在先進的整體氣化聯(lián)合循環(huán)設(shè)施中燃燒合成氣體（氫氣和一氧化碳組成的混合氣體）和氫燃料的能力。整體氣化聯(lián)合循環(huán)設(shè)施又稱未來發(fā)電廠，有望成為世界上第一種接近于零排放的煤碳發(fā)電廠。未來發(fā)電廠將從氣化煤中制造出氫氣，同時沒收這一過程中產(chǎn)生的二氧化碳。裝機容量約為2億瓦特的氫燃氣輪機是未來發(fā)電廠的關(guān)鍵成分，目前科研人員正在對幾種將用于氫燃氣輪機的燃燒技術(shù)進行評估，低漩渦注射器技術(shù)是其中之一。伯克利國家試驗室通過與國家能源技術(shù)實驗室的合作，成功測試了這種以純氫為燃料的低漩渦注射器裝置，從而樹立了一座新的里程碑。
美國電力研究院燃氣輪機技術(shù)負責人萊昂納多·安格羅在致“研究與開發(fā)100強”選拔委員會的推薦信中寫道：“這種設(shè)備的潛力給我留下了深刻的印象，作為下一代煤碳整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的關(guān)鍵技術(shù)，它可以賦予未來發(fā)電廠捕獲二氧化碳的能力......該技術(shù)的應(yīng)用為研制整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠使用的燃氣輪機帶來了希望，這種發(fā)電廠的運轉(zhuǎn)將依賴于氫含量極高的合成氣體燃料或純氫燃料。”
低漩渦注射器是如何工作的
低漩渦注射器是一種機械性較為簡單的設(shè)備，它沒有運動機件，可以使氣體燃料和混合氣體產(chǎn)生適度的旋轉(zhuǎn)，從而使混合氣體從燃燒器中擴散出來。流出的氣體位于燃燒器噴口的不遠處，所產(chǎn)生的火焰是穩(wěn)定的。不僅它的火焰是穩(wěn)定的，而且它的燃燒溫度低于傳統(tǒng)的燃燒裝置。由于氧化氮是在高溫條件下產(chǎn)生的，因此火焰溫度較低將把氧化氮的排放降低到一個極低的水平。“低漩渦注射器的工作原理背離了傳統(tǒng)的方法，”羅伯特·程說：“全世界的燃燒專家才剛剛開始接受這種違反常理的概念。要解釋這種燃燒現(xiàn)象中隱藏的科學(xué)，需要綜合分析湍流力學(xué)、熱力學(xué)和火焰化學(xué)等學(xué)科的相關(guān)原理。”
裝有低漩渦注射器的天然氣燃氣輪機所排放的氧化氮比傳統(tǒng)燃氣輪機要少一個數(shù)量級。伯克利國家試驗室和太陽渦輪公司的試驗表明，裝有低漩渦注射器的燃燒器僅僅排放出了百萬分之二的氧化氮（15%的氧氣），比傳統(tǒng)燃燒裝置少5倍以上。
低漩渦注射器技術(shù)更重要的意義在于，它不僅能夠燃燒天然氣和氫氣等多種不同燃料，而且比較容易與現(xiàn)有的燃氣輪機技術(shù)相結(jié)合，從而不需要廣泛地重新設(shè)計燃氣輪機。低漩渦注射器將被設(shè)計為燃氣輪機發(fā)電廠的插入式組件。
羅伯特·程開發(fā)的低漩渦注射器技術(shù)最近被《研究與開發(fā)》雜志授予了2007年“研究與開發(fā)100強”獎，成為本年度百佳新技術(shù)之一。該技術(shù)已獲準用于燃氣輪機和其它相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。