生物氢与沼气驱动燃气轮机的性能参数对比评估及其在可再生能源中的应用研究

本研究针对化石燃料环境污染问题，探索了生物氢（biohydrogen）与沼气（biogas）作为燃气轮机（GTPP）替代燃料的可行性。通过AC GRET软件构建数学模型，对比分析了两种燃料的能源效率（15-19 MW功率范围）及CO2/NOx排放特性，发现沼气燃料消耗量较天然气高6300 kg/h，但显著降低碳足迹。研究成果为可再生能源在燃气轮机中的应用提供了技术支撑，助力实现"双碳"目标。

　　

随着全球能源需求激增和气候变化加剧，传统化石燃料的局限性日益凸显。燃烧煤炭、天然气等常规能源不仅导致CO₂等温室气体排放，还面临资源枯竭风险。在此背景下，开发基于有机废弃物（如畜禽粪便、农作物残余）的生物氢（biohydrogen）和沼气（biogas）等可再生能源技术，成为破解能源与环境双重困局的关键路径。

鞑靼斯坦科学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，系统评估了燃气轮机动力装置（GTPP）采用生物氢与沼气替代天然气的可行性。通过AC GRET软件平台建立数学模型，对比分析了15-19 MW功率范围内的燃料消耗、热效率及污染物排放特性。结果显示，沼气燃料需配置32个生物质转化（BI）模块，流量达2.32 m³/s时热效率较天然气低12%，但CO₂排放减少40%；而采用暗发酵（DF）技术制备的生物氢在燃烧稳定性方面展现出独特优势。

关键技术方法包括：1）基于燃气轮机实际运行参数构建AC GRET数学模型；2）采用组分分析法确定沼气（含60% CH₄/40% CO₂）与生物氢的燃烧特性；3）通过数值模拟对比不同功率下的燃料消耗率与排放指标；4）评估生物质转化系统（含畜禽粪便等有机废弃物原料）的工程可行性。

【研究结果】

1. 能源特性比较：在15-19 MW负荷区间，沼气燃料消耗量较天然气平均增加6300 kg/h，热效率下降12%，主要归因于其较低热值（LHV）特性。

2. 环境效益分析：生物燃料使CO₂排放降低40%，NO_x生成量减少25%，这得益于沼气中CO₂的稀释效应与生物氢的清洁燃烧特性。

3. 技术挑战：研究发现燃烧室设计需优化以适应甲烷含量波动（60-99% CH₄），同时喷嘴结构需改进燃料-空气混合效率以解决燃烧不稳定问题。

【结论与意义】
该研究证实生物氢与沼气可作为燃气轮机的可行替代燃料，尽管存在热效率损失，但其环境效益显著。特别值得注意的是，采用本地化生物质原料（如畜禽粪便、农业废弃物）不仅能降低能源进口依赖，还能实现废弃物资源化利用。研究为开发适配生物燃料的燃烧室设计提供了理论依据，对推动俄罗斯等生物质资源丰富地区的能源转型具有重要实践价值。未来研究应聚焦于金属纳米颗粒（如Fe/Ni）对暗发酵产氢效率的提升，以及多燃料混合燃烧技术的优化。