燃气轮机也能3D打印了？黑科技让氢气甲醇随便烧

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Enlit World

撰文|小澜

编辑 | 小澜

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当前能源行业正处在一个颇为微妙的转型期。

太阳能和风能的装机规模持续扩大，但其发电量随天气波动；同时，电网必须时刻保持供需平衡，这就需要一种能够快速启停、灵活响应的备用电源。

燃气轮机正是承担这一角色的主力——当可再生能源出力不足时，它可以迅速启动发电，稳定电网频率。

然而，传统燃气轮机大多依赖天然气，燃烧过程会产生二氧化碳，这与全球减碳的大方向之间存在张力。

于是，一个现实的课题摆在面前：能否让燃气轮机掺烧氢气、甲醇、电子燃料（e-fuels）等绿色低碳燃料的同时，又不牺牲燃烧效率和排放表现？

这个问题的核心，恰恰落在了一个看似不起眼却至关重要的部件上——喷射器。

喷射器的作用，是把燃料以极细的雾状形式喷入燃烧室，并与空气充分混合。混合得越均匀，燃烧就越充分，产生的碳烟和氮氧化物就越少。

来源：YouTube，@GE Vernova

但问题在于，不同燃料的物理和化学性质差异极大。

氢气燃烧速度极快、点火能量极低，容易发生回火，火焰可能逆流窜入上游管路；天然气密度低、黏度小，流动特性与液体燃料截然不同；煤油和甲醇则黏度较高，需要精确的雾化和蒸发才能稳定燃烧。

正因如此，传统燃气轮机的喷射器通常是“专油专用”——为某一种燃料量身定制。一旦要换燃料，往往需要更换整套喷射硬件，成本高、周期长，严重制约了燃气轮机的燃料灵活性。

来自德国斯图加特大学和德国航空航天中心（DLR）斯图加特分部的研究团队，正在尝试用一种全新的思路打破这一局限。

他们所在的AMFlexInj项目，目标是开发一种增材制造（也就是3D打印）的微型喷射器，在不更换硬件的前提下，兼容氢气、天然气、甲醇、e-fuels和煤油等多种燃料。

为实现这一目标，他们巧妙地将航空发动机上的一种喷射原理“移植”到了紧凑型燃气轮机上，同时借助3D打印金属粉末床熔融工艺，实现了微型化。

金属粉末床熔融工艺并不复杂，薄薄的金属粉末铺在构建平台上，激光按照数字设计选择性地熔化粉末，凝固后再铺下一层，如此逐层堆叠，最终形成完整的零件。

这种工艺的最大优势，是能够制造出传统机械加工难以实现的集成内部通道和复杂几何形状。

研究团队利用这一点，在喷射器内部设计了微米级的燃料通道，让气体或雾化液体能够均匀分布，从而在进入燃烧区之前形成一致的混合气。

同时，针对3D打印件表面粗糙度较高的问题，研究人员通过调整通道形状来补偿流动阻力，确保燃料在微小通道中仍能可靠流动。

整个喷射器被设计成紧凑形态，可以直接集成到同样用增材制造的燃烧器中，减少零件数量和装配接口，理论上也能降低泄漏风险。

此外，为了适配不同燃油混合物的燃烧情况，研究团队还建立了喷射器几何形状的数字孪生模型。

他们通过计算流体力学来优化每种燃料的流动路径，在虚拟环境中模拟燃料-空气混合和火焰稳定过程，从而减少物理原型的数量，提高效率。

一旦某个设计在仿真中达到性能目标，就可以直接发送到粉末床熔融设备进行打印，把燃烧研究与数字化制造紧密连接起来。

这种“数字设计+增材制造”的组合，不仅加快了迭代速度，也为未来根据燃料市场变化快速调整设计提供了可能。

目前，研究团队已经在实验室中完成了初步测试。

接下来他们还将在高压条件下验证氢气、天然气、甲醇、e-fuels和煤油的喷雾和混合性能；在真实燃烧器装置中定量测量不同燃料的氮氧化物、一氧化碳和碳烟排放。

只有当材料的性能、热循环效应以及可重复的生产良率等指标全部达标，才能考虑商业部署。

与此同时，排放测量、认证和安全方面的法规要求也必须得到满足，才能获得市场准入。

对于目前的能源系统而言，可调度燃气轮机仍然是平衡可再生能源波动的关键资产。

而斯图加特研究团队开发的燃料喷射器，可以让单个机组随着基础设施和不同绿色燃料价格的变化进行灵活切换。

运营商无需更换整台设备就可以过渡到低碳燃料，有望减少停机时间和改造成本。

从生命周期排放看，使用绿氢或碳中和e-fuels则可以显著降低净二氧化碳排放，具体效果取决于燃料的生产路径。

从更广阔的视角看，这项技术的影响可能不限于大型电厂。紧凑型燃气轮机本身适用于分布式发电、工业热电联产，甚至可能延伸到航空发动机领域。

在航空业，燃料灵活的喷射器或许能够支持可持续航空燃料或氢混合燃料，帮助未来飞机发动机降低生命周期排放。

斯图加特大学强调，如果高压测试能够证实实验室的发现，这种增材制造的燃料灵活喷射器将吸引那些寻求脱碳电力和工业供热的运营商。

当全世界的电力生产商都在寻找既可调度又低碳的选项时，一种能够在低碳燃料之间灵活切换的喷射器，无疑将成为更清洁、更灵活的燃气轮机机队的关键使能技术。

参考资料：

[1]https://www.uni-stuttgart.de/en/university/news/all/Cleaner-gas-turbines-using-additive-manufacturing/

[2]https://www.validierungsfoerderung.de/validierungsprojekte/amflexinj

[3]https://www.hydrogenfuelnews.com/additively-manufactured-gas-turbine-injector-promises-fuel-flexibility/8576809/

[4]https://interestingengineering.com/energy/3d-printed-gas-turbine-injector-burn-hydrogen

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