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。水素に対する世界的な需要の高まりは、製造方法にもよりますが、燃焼時に唯一の副産物として水を生成し、二酸化炭素の排出を最小限に抑える能力によって推進されています。しかし、水素をさまざまなアプリケーションに統合するには、特に燃焼システムに関しては、独自の課題があります。この記事では、放射ウォールバーナー技術が水素燃料を燃焼プロセスに導入すること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、それがどのように生成されるかにあります。水素の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)によって製造され、その結果として排出されるCO2を回収します。一方、グレー水素はCO2を回収せずに製造されます。持続可能性に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します。
特定のアプリケーションでの水素使用量の増加
水素燃料としての使用への関心が高まっている一方で、特定のアプリケーションでは何年にもわたって高レベルの水素が使用されています。例えば、エタン原料からエチレンを製造する場合、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、その自然な状態では、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、質量ベースでは高い発熱量ですが、密度が低いため体積ベースでは低い発熱量など、独自の特性を持っています。この低い体積発熱量は、より高い体積流量とより高い燃料ガス圧力をもたらし、特定の設計上の課題につながります。
さらに、水素は多くの一般的な燃料と比較し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、設計調整が必要になります。ただし、水素燃焼には、炭素が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ために、バーナーは天然ガス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、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。水素を燃焼させるように設計されたバーナーは、最初は天然ガスで起動されますが、SMRプロセスが確立されて水素が製造されるまでです。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。水素と他の燃料との燃焼特性は大きく異なるため、バーナーの設計コンセプトや運転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は、燃料混合物に高レベルの水素を使用する場合に問題の影響を受けやすくなっています。課題には以下が含まれます:
- フラッシュバック:水素の火炎速度がかなり速いと、フラッシュバックのリスクが高まり、バーナー内の内燃や破壊につながる可能性があります。
- 熱NOx:水素の断熱火炎温度が高いと、熱NOxの排出に影響を与える可能性があり、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:予混合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、エチレン分解炉などの高温用途に特化したプロセスヒーター用のWALFIRE Radiant Wall Burnerを開発しました。WALFIREは、燃焼前に空気と燃料ガスが予混合されていない拡散スタイルのバーナーとして機能します。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に運転することができます。この技術は、炉の負圧を使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
米国の石油化学プラントでは、エチレン分解炉で超低NOx(ULN)放射ウォールバーナーを使用する際に、メンテナンス間隔が長く、フラッシュバックが頻繁に発生していました。これらのウォールバーナーをWALFIREバーナーに置き換えることで、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要件を削減しました。
結論
高レベルの水素を燃焼システムに組み込むことで、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、水素のユニークな特性には、革新的なソリューションが必要な課題があります。WALFIREのような技術は、水素を燃料源として安全に受け入れる能力を実証し、より環境に優しく、より持続可能なエネルギーの未来への道を開きます。水素の需要が高まる中、よりクリーンで環境に優しい世界を実現するためには、創造的な燃焼ソリューションが不可欠です。
