エネルギーの未来は大きな変革を遂げており、水素は有望で環境に優しい燃料源として浮上しています。世界的な水素需要の高まりは、製造方法によっては二酸化炭素排出量を最小限に抑え、燃焼中の唯一の副産物として水を生成する能力によって推進されています。ただし、水素をさまざまな用途に統合するには、特に燃焼システムに関しては特有の課題が生じます。この記事では、放射壁バーナー技術が燃焼プロセスへの水素燃料の導入に関連する問題にどのように対処しているかを探ります。
水素燃料の重要性
水素燃料の重要性は、その生成方法にあります。水素製造方法はいくつかのカテゴリに分類でき、最も一般的なのはブルー水素、グレー水素、グリーン水素です。ブルー水素は水蒸気メタン改質(SMR)によって生成され、結果として生じるCO2排出量を回収します。一方、グレー水素はCO2排出量を回収せずに製造されます。持続可能性が最も期待されているグリーン水素は、風力や太陽エネルギーなどの再生可能エネルギー源を使用して生成され、電気分解プロセスに電力を供給されます。
特定の用途での水素の使用量が多い
水素を燃料として使用することへの関心が高まっている一方で、特定の用途では長年にわたって高レベルの水素が使用されてきました。たとえば、エタン原料からのエチレンの製造では、オフガスには70〜85%の水素が含まれており、これは分解炉の燃料として使用されます。
水素燃焼の課題
大量の水素を既存の燃焼システムに統合することは簡単な移行ではありません。水素は、自然状態では密度の低い気体元素であるため、配管システムから漏れが発生しやすくなります。また、従来の炭化水素燃料と比較して、質量ベースでは発熱量が高いが、密度が低いため体積ベースでは発熱量が低いなど、独自の特性も備えています。この低い体積発熱量により、体積流量が大きくなり、燃料ガス圧力が高くなり、特定の設計上の課題が生じます。
さらに、水素は多くの一般的な燃料に比べて火炎速度と発火温度が高いため、フラッシュバックの影響を受けやすく、設計の調整が必要になります。ただし、水素燃焼には炭素が含まれていないなどの利点があり、すす、一酸化炭素 (CO)、未燃炭化水素の排出量が削減されます。
設計上の考慮事項水
素の複雑な燃焼特性に対処するには、バーナーが天然ガス燃料と高水素燃料の両方で燃焼できる必要がある場合があり、その設計と操作が複雑になる可能性があります。これは、水素製造に SMR を使用する場合に特に重要です。水素で燃焼するように設計されたバーナーは、SMR プロセスが確立され水素が生成されるまで、最初は天然ガスで始動されます。これは、バーナーが天然ガスと高レベルの水素を含む燃料の両方で燃焼できる必要がある可能性があることを意味します。水素と他の燃料の燃焼特性は大きく異なる可能性があるため、バーナーの設計コンセプトと操作が複雑になる可能性があります。
プレミックスプロセスバーナーの課題
従来のプレミックスバーナーの設計では、燃料混合物に高レベルの水素を使用する場合に問題が発生しやすくなります。課題は次のとおりです。
- フラッシュバック: 水素の火炎速度がかなり速いため、フラッシュバックのリスクが高まり、バーナー内で内燃が発生し、破壊の可能性があります。
- 熱 NOx: 水素の断熱火炎温度が高いと、熱 NOx 排出量に影響を与える可能性があるため、ケースバイケースで評価する必要があります。
- 騒音レベル: 燃料ガス圧力を上げると、騒音レベルが高くなります。
- 空気吸引: プレミックスバーナーの空気吸引は燃料ガス圧力に依存し、燃焼効率に影響を与える可能性があります。
WALFIRETM テクノロジーの紹介
これらの制限を克服するために、John Zink Hamworthy は、特にエチレン分解炉などの高温用途を対象としたプロセス ヒーター用の WALFIRE ラジアント ウォール バーナーを開発しました。WALFIREは拡散型バーナーとして作動し、燃焼前に空気と燃料ガスが予め混合されない。これによりフラッシュバックのリスクがなくなり、燃料ガス中の水素濃度に関係なく安全な運転が保証されます。この技術は炉の負圧を利用して空気を吸引し、燃料ガスの圧力や組成に依存しないため、運転中の燃料品質調整が簡素化されます。
ケーススタディ: 米国の石油化学プラント米国
のある石油化学プラントでは、エチレン分解炉で超低 NOx (ULN) 放射壁バーナーを使用すると、メンテナンス間隔が長くなり、フラッシュバックが頻繁に発生しました。これらの壁バーナーを WALFIRE バーナーに交換することで、プラントは運転ウィンドウを広げ、フラッシュバックのリスクを排除し、排出性能を維持しながらメンテナンスの必要性を軽減しました。
まとめ
高レベルの水素を燃焼システムに組み込むと、従来の炭化水素燃料と比較して CO2 排出量を大幅に削減または排除できます。しかし、水素の独特の特性は、革新的なソリューションを必要とする課題を引き起こします。WALFIRE のようなテクノロジーは、水素を燃料源として安全に採用する能力を実証し、より環境に優しく持続可能なエネルギーの未来への道を切り開きます。水素の需要が高まり続ける中、よりクリーンで環境に優しい世界には創造的な燃焼ソリューションが不可欠です。
