能源的未來正在發生重大變革，氫氣成為一種有前途的環保燃料來源。全球對氫氣的需求不斷增長，這是由於氫氣在燃燒過程中產生水作為其唯一副產品的能力，並且根據其生產方法，二氧化碳排放量最小。然而，將氫氣集成到各種應用中會帶來獨特的挑戰，尤其是在燃燒系統方面。在本文中，我們探討了輻射壁式燃燒器技術如何解決與將氫燃料引入燃燒過程相關的問題。
氫燃料的重要性
氫燃料的重要性在於它的產生方式。制氫方法可分為幾類，其中最常見的是藍氫、灰氫和綠氫。藍色氫氣通過蒸汽甲烷重整 （SMR） 產生，並捕獲由此產生的CO2排放。另一方面，灰氫是在不捕獲二氧化碳排放的情況下生產的。綠色氫氣最有希望實現可持續發展，它是使用風能或太陽能等可再生能源為電解過程提供動力而生產的。
某些應用中的高氫使用量雖然
人們對使用氫作為燃料的興趣日益濃厚，但某些應用多年來一直在使用高濃度的氫。例如，在從乙烷原料生產乙烯時，廢氣中含有 70-85% 的氫氣，氫氣用作裂解爐的燃料。
氫氣燃燒的挑戰
將大量氫氣整合到現有燃燒系統中並不是一個簡單的過渡。氫氣在自然狀態下是一種低密度的氣態元素，因此容易從管道系統洩漏。與傳統碳氫化合物燃料相比，它還具有獨特的特性，包括品質熱值高，但由於密度低，體積熱值低。這種低體積熱值導致更高的體積流量和更高的燃氣壓力，從而導致特定的設計挑戰。
此外，與許多常見燃料相比，氫氣具有更高的火焰速度和點火溫度，使其更容易發生回火，需要調整設計。然而，氫氣燃燒具有無碳等優點，從而減少了煙塵、一氧化碳 （CO） 和未燃燒的碳氫化合物的排放。
設計注意事項
為了解決氫氣複雜的燃燒特性，燃燒器可能需要能夠同時使用天然氣和高氫燃料，這可能會使它們的設計和作複雜化。這在使用SMR制氫時尤其重要。設計為以氫氣燃燒的燃燒器最初使用天然氣啟動，直到SMR工藝建立並生產氫氣。這意味著燃燒器可能需要能夠使用天然氣和含氫量高的燃料進行燃燒。由於氫氣和其他燃料之間的燃燒特性可能明顯不同，這可能會使燃燒器的設計概念和作複雜化。
預混工藝燃燒器面臨的挑戰
傳統的預混燃燒器設計在燃料混合物中使用高濃度氫氣時容易受到問題的影響。挑戰包括：
- 回火：氫氣的火焰速度要高得多，會增加回火的風險，導致燃燒器內部內燃並可能造成破壞。
- 熱 NOx：氫氣較高的絕熱火焰溫度會影響熱 NOx 排放，需要根據具體情況進行評估。
- 噪音水準：增加燃氣壓力會產生更高的噪音水準。
- 空氣抽吸：預混燃燒器中的空氣抽吸取決於燃氣壓力，這會影響燃燒效率。
介紹WALFIRETM技術
為了克服這些限制，John Zink Hamworthy 開發了用於工藝加熱器的 WALFIRE 輻射壁式燃燒器，專門針對乙烯裂解爐等高溫應用。WALFIRE 作為擴散式燃燒器運行，其中空氣和燃氣在燃燒前沒有預混合。這消除了回火的風險，無論燃氣中的氫氣濃度如何，都能確保安全運行。該技術利用爐子的負壓抽吸空氣，使其不受燃氣壓力和成分的影響，從而簡化了運行過程中的燃料質量調整。
案例研究：美國的石化廠
美國的一家石化廠在乙烯裂解爐中使用超低 NOx （ULN） 輻射壁式燃燒器時，經歷了較長的維護間隔和頻繁的回火。通過用WALFIRE燃燒器替換這些壁式燃燒器，該工廠拓寬了作視窗，消除了回火風險，並在保持排放性能的同時降低了維護要求。
結論
與傳統碳氫化合物燃料相比，將高濃度氫氣加入燃燒系統可以顯著減少或消除 CO2 排放。然而，氫氣的獨特特性帶來了挑戰，需要創新的解決方案。WALFIRE 等技術展示了安全採用氫氣作為燃料來源的能力，為更綠色、更可持續的能源未來鋪平了道路。隨著對氫氣的需求不斷增長，創造性的燃燒解決方案對於更清潔、更環保的世界至關重要。
