使用天然气的发电用燃气轮机燃烧室以降低 NOx 为目的，大部分采用稀薄预混合燃烧技术，而现有的使用合成气等含氢燃料的燃气轮机为了避免回火等危险，全部采用非预混合方式燃烧室。在这种情况下，为了使扩散火焰引起的 NOx 增加最小化，采用了大量蒸汽或氮气喷射的方式。但最新或今后的氢气涡轮机在全世界燃气轮机先进制造商中都已开始或正在研究采用预混合燃烧或微型搅拌（micro-mixer）方式的燃烧技术。本文拟对几大整机公司（排名不分先后）氢燃机燃烧室开发进展情况进行考察。
MHPS日本代表性的燃机制造企业 MHPS 除了合成气以外，还拥有炼油气（refinery gas）、焦炉煤气（coke oven gas）、高炉煤气（blast furnace gas）等多种形式的氢燃烧的多型号燃机开发和运营业绩。大多数现有的氢燃机燃烧室采用扩散火焰方式，通过大量蒸汽和氮气喷射来降低 NOx 。
但为了满足整个系统效率的提高和日益加强的 NOx 管制要求，其最终在氢气燃烧系统中也加快了预混合燃烧室的开发。该开发考虑了两个方面，一个是体积标准为 30% 的氢气-天然气体混烧燃烧系统，另一个是 100% 氢燃烧室的开发。MHPS 认为，从经济状况和成本角度来看，目前运营中的天然气和煤炭火力发电完全被氢能发电取代是不可能的。另外，即使氢基础设施的建设在日本迅速进行，也不可能确保能够 100% 使用氢燃料运行大型燃气轮机。自此，致力于开发 30% 氢气混烧技术，该技术可在 2030 年之前对现有天然气发电站基础设施的修改最小化，同时起到向 100% 氢气发电过渡的作用。
图1 MHPS 的氢-天然气混烧概览图
图 1 是 MHPS 的氢-天然气混烧概览图，通过一系列实验，为了减少燃烧室入口再循环区域低流动速度引起的回火危险，在燃烧室中央部分喷射额外的高速流动，成功减少了回火的危险性。目前已经通过该方式完成了 30% 燃烧室的实证试验，正在进行除燃烧室外的附带零部件开发和发电厂燃料混烧的运营技术开发。
图2 MHPS的多簇燃烧室用于100%氢燃烧
西门子能源西门子能源是对预混合式氢-天然气混烧技术开发最积极的制造商之一。从各种开发结果来看，在 15% 氢气混烧的情况下，现有天然气燃烧室可以照样适用，无需进行大的改动。西门子能源为实现高加氢裂化，特别结合 3D 打印技术设计/制造了燃烧室和喷嘴。图 3 和 4 介绍了为加氢混烧而开发的 Simens 第三代和第四代 DLE （干式低排放燃烧技术）燃烧室的概览图，第三代燃烧室采用环形方式。西门子能源根据燃料组成的变化，通过预先测试控制空气和燃料通过各个油路的喷射率的方式，以优化火焰位置和燃烧温度。另外，如果氢含量增加，可以增加向燃烧室下游方向的轴向流动速度，以抵消燃烧室中中央再循环区域（central recirculation zone）引起的回火的危险性。截至 2018 年，西门子能源使用第三代燃烧室的 SGT-600、700、800 型号成功实现了加氢率至 50% 的混烧燃烧的实证。
图3 西门子第三代DLE燃烧室
图4 西门子第四代DLE燃烧室
GE Gas Power拥有全球最大燃气轮机销售业绩的 GE Gas Power 也在很长一段时间里，在氢电烧或氢-天然气混烧技术开发上不惜投入大量人力。2019 年，其正在生产的氢-天然气混烧用燃烧技术包括如图 5 所示，可以划分为三类系统。首先，适用于航改燃机的 SAC（单环燃烧室）在全世界约有 2600 台在运营，根据发动机型号，以体积为基准，可以实现 30%~85% 水平的氢混燃烧。此外，大型燃机上应用的固有燃烧室型号 MNQC（多喷嘴静音燃烧室）目前主要应用于 E 和 F 级燃气轮机上，全世界有 1700 台正在运营中，正在进行 100% 氢燃烧的验证阶段。这种 SAC 和 MNQC 基本上是扩散火焰方式，不可避免地产生大量的 NOx 排放，为了减少这种排放，运行过程中伴随着大量的氮气和蒸汽喷射。在预混合方式 DLN 燃烧室的情况下，DLN 2.6 e 燃烧室已经商用，能达到 15% 水平的混烧，实际操作中限制在 5% 氢混烧。
图5 GE的氢燃烧室
GE Gas Power 满足日益加强的 NOx 限制的同时，从 2000 年代中期开始进行了氢电烧的技术开发。最具代表性的是，在美国能源部的支持下，“Advanced IGCC /Hydrogen Gas Turbine Development”计划从2005年开始，到 2015 年为止，作为一个长期项目进行了 10 年以上。
Ansaldo Energia总部位于意大利的Ansaldo Energia的子公司Power Systems Mfg开发了“ FlameSheetTM ”燃烧室，这是一种用于氢-天然气混烧的预混系统。独特之处在于这个开发方案并不是开发整个燃机，以只开发燃烧室为目的开始，并称其适用于现有燃机型号，如 GE Gas Power 的6F、7E、7F、9E、9F 和 Siemens/MHPS的 501F、501G、701F、701G 等。图 6 和 7 是 FlameSheet 燃烧室的概览图和用 CFD 表示的速度和温度分布。
图6 整体流量设计
图7 CFD速度分布（上）和温度分布（下）
本系统分为两条流动路径，空气-燃料混合气从燃烧室入口进入，另一方面，主油流（红色箭头）沿燃烧室衬垫背面流入，通过主燃油喷射室，形成燃油-空气混合气，旋转 180 度后流入燃烧室。由两条不同的流动路径形成的火焰场相互分离，并由强大的再循环区域稳定火焰。与现有其他燃气轮机制造商的预混系统相比，提供更加均质的预混器，更称由于预混器出口面积减少，流动速度增加，可以防止回火。从这些设计结果可以看出，在传统 7F DLN 系统中只有 5% 的氢气燃烧，但在同一燃气轮机上更换为 FlameSheet 燃烧室后，在保持相同 NOx 排放性能的情况下，氢气可增至 40%。
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