에너지의 미래는 수소가 유망한 친환경 연료원으로 부상하면서 중요한 변화를 겪고 있습니다. 수소에 대한 전 세계 수요 증가는 생산 방법에 따라 이산화탄소 배출을 최소화하면서 연소 중 유일한 부산물로 물을 생성할 수 있는 능력에 의해 주도됩니다. 그러나 다양한 응용 분야에 수소를 통합하는 것은 특히 연소 시스템과 관련하여 고유한 문제를 야기합니다. 이 기사에서는 복사 벽 버너 기술이 연소 과정에 수소 연료를 도입하는 것과 관련된 문제를 어떻게 해결하는지 살펴봅니다.
수소 연료의 중요성
수소 연료의 중요성은 수소 연료를 생산하는 방법에 있습니다. 수소 생산 방법은 여러 범주로 분류할 수 있으며 가장 일반적인 것은 블루 수소, 그레이 수소 및 그린 수소입니다. 블루 수소는 증기 메탄 개질(SMR)에 의해 생성되며 이로 인한 CO2 배출량을 포집합니다. 반면에 회색 수소는 CO2 배출을 포집하지 않고 생산됩니다. 지속 가능성에 대한 가장 유망한 녹색 수소는 풍력 또는 태양 에너지와 같은 재생 가능한 에너지원을 사용하여 전기 분해 공정에 전력을 공급하여 생성됩니다.
특정 응용 분야에서 높은 수소 사용 수소를
연료로 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있지만 특정 응용 분야에서는 수년 동안 높은 수준의 수소를 사용해 왔습니다. 예를 들어, 에탄 공급 원료에서 에틸렌을 생산할 때 배출 가스에는 70-85%의 수소가 포함되어 있으며, 이는 분해로의 연료로 사용됩니다.
수소 연소의 과제
기존 연소 시스템에 대량의 수소를 통합하는 것은 간단한 전환이 아닙니다. 자연 상태의 수소는 밀도가 낮은 기체 원소로 배관 시스템에서 누출되기 쉽습니다. 또한 기존 탄화수소 연료에 비해 질량 기준으로는 발열량이 높지만 밀도가 낮기 때문에 부피 기준으로는 발열량이 낮은 등 독특한 특성을 가지고 있습니다. 이 낮은 체적 발열량은 더 높은 체적 유량과 더 높은 연료 가스 압력을 초래하여 특정 설계 문제를 야기합니다.
또한 수소는 많은 일반 연료에 비해 화염 속도와 점화 온도가 높기 때문에 역화에 더 취약하고 설계 조정이 필요합니다. 그러나 수소 연소는 탄소가 없어 그을음, 일산화탄소(CO) 및 미연소 탄화수소의 배출을 줄이는 등의 이점을 제공합니다.
설계 고려 사항
수소의 복잡한 연소 특성을 해결하기 위해 버너는 천연 가스와 고수소 연료에서 모두 연소할 수 있어야 할 수 있으며, 이는 설계 및 작동을 복잡하게 만들 수 있습니다. 이는 수소 생산에 SMR을 사용할 때 특히 관련이 있습니다. 수소를 연소하도록 설계된 버너는 SMR 공정이 확립되고 수소가 생산될 때까지 처음에는 천연 가스로 시동됩니다. 이는 버너가 천연 가스와 높은 수준의 수소를 함유한 연료 모두에서 발사할 수 있어야 할 수 있음을 의미합니다. 수소와 다른 연료 간의 연소 특성이 크게 다를 수 있으므로 버너 설계 개념 및 작동이 복잡해질 수 있습니다.
프리믹스 프로세스 버너의 과제
기존의 프리믹스 버너 설계는 연료 혼합물에 높은 수준의 수소를 사용할 때 문제가 발생하기 쉽습니다. 과제는 다음과 같습니다.
- 플래시백: 수소의 상당히 높은 화염 속도는 플래시백의 위험을 증가시켜 버너 내부의 내부 연소 및 잠재적인 파괴로 이어집니다.
- 열 NOx: 수소의 단열 화염 온도가 높을수록 열 NOx 배출에 영향을 미칠 수 있으므로 사례별로 평가해야 합니다.
- 소음 수준: 연료 가스 압력이 증가하면 더 높은 소음 수준이 생성됩니다.
- 공기 흡인: 미리 혼합된 버너의 공기 흡인은 연소 효율에 영향을 줄 수 있는 연료 가스 압력에 따라 달라집니다.
WALFIRETM 기술 소개
이러한 한계를 극복하기 위해 John Zink Hamworthy는 에틸렌 분해로와 같은 고온 응용 분야를 대상으로 하는 프로세스 히터용 WALFIRE 복사 벽 버너를 개발했습니다. WALFIRE는 공기와 연료 가스가 연소 전에 미리 혼합되지 않는 확산 스타일 버너로 작동합니다. 이를 통해 역화의 위험을 제거하여 연료 가스의 수소 농도에 관계없이 안전한 작동을 보장합니다. 이 기술은 용광로의 음압을 사용하여 공기를 흡입함으로써 연료 가스 압력 및 구성에 영향을 받지 않도록 하여 작동 중 연료 품질 조정을 단순화합니다.
사례 연구: 미국의 석유화학 플랜트
미국의 한 석유화학 공장은 에틸렌 분해로에서 초저 NOx(ULN) 복사벽 버너를 사용할 때 유지보수 간격이 길고 역화가 잦았습니다. 이러한 벽 버너를 WALFIRE 버너로 교체함으로써 공장은 운영 창을 넓혀 역화 위험을 제거하고 유지 관리 요구 사항을 줄이면서 배기 가스 성능을 유지했습니다.
결론
: 높은 수준의 수소를 연소 시스템에 통합하면 기존 탄화수소 연료에 비해 CO2 배출량을 크게 줄이거나 없앨 수 있습니다. 그러나 수소의 고유한 특성으로 인해 혁신적인 솔루션이 필요한 문제가 발생합니다. WALFIRE와 같은 기술은 수소를 연료원으로 안전하게 수용하여 보다 친환경적이고 지속 가능한 에너지 미래를 위한 길을 닦을 수 있는 능력을 보여줍니다. 수소에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 창의적인 연소 솔루션은 보다 깨끗하고 환경 친화적인 세상을 위해 필수적입니다.
