能源的未来正在发生重大变革，氢气成为一种有前途的环保燃料来源。全球对氢气的需求不断增长，这是由于氢气在燃烧过程中产生水作为其唯一副产品的能力，并且根据其生产方法，二氧化碳排放量最小。然而，将氢气集成到各种应用中会带来独特的挑战，尤其是在燃烧系统方面。在本文中，我们探讨了辐射壁式燃烧器技术如何解决与将氢燃料引入燃烧过程相关的问题。
氢燃料的重要性
氢燃料的重要性在于它的产生方式。制氢方法可分为几类，其中最常见的是蓝氢、灰氢和绿氢。蓝色氢气通过蒸汽甲烷重整 （SMR） 产生，并捕获由此产生的 CO2 排放。另一方面，灰氢是在不捕获二氧化碳排放的情况下生产的。绿色氢气最有希望实现可持续发展，它是使用风能或太阳能等可再生能源为电解过程提供动力而生产的。
某些应用中的高氢使用量虽然
人们对使用氢作为燃料的兴趣日益浓厚，但某些应用多年来一直在使用高浓度的氢。例如，在从乙烷原料生产乙烯时，废气中含有 70-85% 的氢气，氢气用作裂解炉的燃料。
氢气燃烧的挑战
将大量氢气整合到现有燃烧系统中并不是一个简单的过渡。氢气在自然状态下是一种低密度的气态元素，因此容易从管道系统泄漏。与传统碳氢化合物燃料相比，它还具有独特的特性，包括质量热值高，但由于密度低，体积热值低。这种低体积热值导致更高的体积流量和更高的燃气压力，从而导致特定的设计挑战。
此外，与许多常见燃料相比，氢气具有更高的火焰速度和点火温度，使其更容易发生回火，需要调整设计。然而，氢气燃烧具有无碳等优点，从而减少了烟尘、一氧化碳 （CO） 和未燃烧的碳氢化合物的排放。
设计注意事项
为了解决氢气复杂的燃烧特性，燃烧器可能需要能够同时使用天然气和高氢燃料，这可能会使它们的设计和操作复杂化。这在使用 SMR 制氢时尤其重要。设计为以氢气燃烧的燃烧器最初使用天然气启动，直到 SMR 工艺建立并生产氢气。这意味着燃烧器可能需要能够使用天然气和含氢量高的燃料进行燃烧。由于氢气和其他燃料之间的燃烧特性可能明显不同，这可能会使燃烧器的设计概念和操作复杂化。
预混工艺燃烧器面临的挑战
传统的预混燃烧器设计在燃料混合物中使用高浓度氢气时容易受到问题的影响。挑战包括：
- 回火：氢气的火焰速度要高得多，会增加回火的风险，导致燃烧器内部内燃并可能造成破坏。
- 热 NOx：氢气较高的绝热火焰温度会影响热 NOx 排放，需要根据具体情况进行评估。
- 噪音水平：增加燃气压力会产生更高的噪音水平。
- 空气抽吸：预混燃烧器中的空气抽吸取决于燃气压力，这会影响燃烧效率。
介绍 WALFIRETM 技术
为了克服这些限制，John Zink Hamworthy 开发了用于工艺加热器的 WALFIRE 辐射壁式燃烧器，专门针对乙烯裂解炉等高温应用。WALFIRE 作为扩散式燃烧器运行，其中空气和燃气在燃烧前没有预混合。这消除了回火的风险，无论燃气中的氢气浓度如何，都能确保安全运行。该技术利用炉子的负压抽吸空气，使其不受燃气压力和成分的影响，从而简化了运行过程中的燃料质量调整。
案例研究：美国的石化厂
美国的一家石化厂在乙烯裂解炉中使用超低 NOx （ULN） 辐射壁式燃烧器时，经历了较长的维护间隔和频繁的回火。通过用 WALFIRE 燃烧器替换这些壁式燃烧器，该工厂拓宽了操作窗口，消除了回火风险，并在保持排放性能的同时降低了维护要求。
结论
与传统碳氢化合物燃料相比，将高浓度氢气加入燃烧系统可以显着减少或消除 CO2 排放。然而，氢气的独特特性带来了挑战，需要创新的解决方案。WALFIRE 等技术展示了安全采用氢气作为燃料来源的能力，为更绿色、更可持续的能源未来铺平了道路。随着对氢气的需求不断增长，创造性的燃烧解决方案对于更清洁、更环保的世界至关重要。
