燃料費の高騰、二酸化炭素排出量の削減を求める新たな規制、そして世界的なネット・ゼロ・カーボン構想は、精製および化学産業市場を圧迫し続けている。COやCO2の排出を減らすには、燃料ガス中の炭素を回収して隔離する方法と、焼成前に燃料から炭素を除去する方法の2つがあります。
多くの企業が、既存の火力発電設備に持続可能な低炭素燃料を充填することを検討しています。水素は、再生可能エネルギー（グリーン水素）や天然ガス（ブルー水素）の改質によって製造することができます。燃焼前に炭素を除去することで、燃焼中に炭素を捕捉・隔離するための高価な装置が不要になります。
グリーンソース、ブルーソース、または既存のプラントプロセスから回収された水素は、既存の燃料ガスネットワークに注入して高濃度の水素混合ガスを製造したり、純粋な形で焼成炉やプロセス炉の燃料として使用したりすることができる。燃料組成においてH2が炭化水素を置き換えると、炭素原子の数が減少する。100%H2の燃料は、燃焼反応に炭素が含まれないため、燃焼の副産物としてCOやCO2を発生させることができない。したがって、燃料のH2含有率が高いほど、COやCO2の排出量は全体として少なくなる。
水素の燃焼特性は従来の炭化水素系燃料ガスとは大きく異なるため、水素の燃焼に移行する際には、プラントオーナーやオペレーターが考慮しなければならないいくつかの課題があります。
設計上の課題
現在あるほとんどの焼成炉やプロセス炉は、天然ガスや精製用燃料ガスの焼成用に設計されたもので、飽和炭化水素の割合が高く、水素、不活性ガス、微量のその他の化合物を含んでいる。精製所燃料ガスの典型的な水素含有量は、体積比で20～40％である。水素充填の場合、水素濃度は90～100％になる可能性がある。このような水素の量はバーナーの動作パラメータを変化させるので、ヒーターの動作に悪影響を与えないようにバーナーの設計に特別な注意を払わなければならない。まず、水素の層流火炎速度は炭化水素燃料よりも著しく速く、より急速な燃焼プロセスを促進し、単位体積当たりの熱放出を増加させる。この事実と、より高い断熱ピーク火炎温度の組み合わせは、火炎の局所温度の上昇につながり、NOX排出率を最大で3倍まで直接増加させる。超低NOXバーナー技術を採用することで、高H2燃料の燃焼時にNOX排出量の法規制値を維持することができます。
図1:ZEECO FREE JET バーナーの等角図と切断面図。水素火炎の高速化に対抗するために必要な乱流と混合帯を作り出すための段階的燃料ライザーを示す。
例えば、H2燃焼の火炎速度は約5.7フィート/秒ですが、天然ガスの火炎速度はわずか1.3フィート/秒と大幅に遅くなっています。このような燃焼特性の大きな違いから、エンジニアはバーナー構造に使用される材料と使用されるバーナーの種類を評価する必要があります。一般的なバーナーの構造には、様々な金属部品と耐火性のスロートまたはタイルが含まれています。H2の火炎温度が上昇するため、ノズル構造、スロート構造、火炎安定剤に使用される鋼鉄は、より高い等級のステンレスまたは合金に改良する必要があります。バーナー内で使用される耐火物は、H2焼成に特有の高温に耐えられるよう慎重に評価し、その組成を変更する必要があります。H2バーナーで使用されるスチールは、水素脆化および高温水素アタックの影響を受けてはならない。この2つの現象は、不適切な鋼材を選択した場合、早期に劣化させ、バーナー部品の早期故障につながる。燃料ガス中の水素濃度が高くなると、燃料の比重が小さくなり、燃料ガスの質量流量が減少する。その結果、同じバーナー熱量を得るためには、燃料ガス圧を上げる必要がある場合が多い。このため、バーナーガス先端の設計や燃料ガス配管の油圧を評価し、必要に応じてサイズを変更する必要があります。さらに、既存のヒーター安全インターロックとトリップ設定を見直し、高水素燃料に適したものに修正する必要がある。例えば、UV/IR 検出による炉の TDL システム及び火炎スキャナーは、もはや適さないかもしれず、高水素火炎を検出する代替技術を検討する必要があるかもしれない。これらの側面は、ヒーター影響調査を通じてカバーされる。
高H2焼成用レトロフィットバーナー
高水素燃料を使用し、かつNOX排出規制の範囲内に収めるためには、超低NOXバーナー技術を利用することが必要である。拡散型バーナーは、高水素燃料を燃焼させる際にプレミックスバーナーとは異なる課題をもたらすが、それぞれのバーナーについて個別に説明する。
超低NOX拡散バーナー
ZEECO 超低NOXFREE JET バーナーは、燃焼用空気と混合する前に、不活性燃焼生成物で燃料ガスを再調整するために内部排ガス再循環を利用します。再調整された混合燃料は燃焼反応を長引かせ、ピーク火炎温度と熱NOX発生を低減します。このバーナーは、蒸気噴射や燃焼後の排ガス制御を行うことなく、90％水素燃料で50mg/Nm3以下のNOX排出量を達成することができる。原理は、先端から噴出する燃料ガスの運動量を排ガスの巻き込みに変換することに依存する。これを実現するために、タイルの外側にあるガスチップのリングを通して、個別の高速ガスジェットが噴射される。このガス噴射は、水素火炎の速い火炎速度に対抗するのに役立ち、広い運転範囲にわたって安定した強固な火炎を保証します。高水素燃料ガスを燃焼させる際のもう一つの考慮点は、低質量のガスチップを持つバーナーを使用することである。FREE JET バーナーの例では、ガス先端が炉床から約 25 mm 突出しているため、ガス先端プロファイル上の熱強度が大幅に減少します。つまり、ガスチップは水素燃焼特有の高温に耐えるよう適切に設計されており、運転寿命も長くなっています。
超低NOXプレミックスラジアントウォールバーナー
エチレン分解炉で一般的に使用されているプレミックス・ラジアントウォール・バーナーは、フラッシュバックの傾向があるため、高水素燃料を燃焼させる場合、全く異なる課題が生じる。このため、バーナー設計者は、各燃料組成の燃焼性ウィンドウと火炎速度を考慮する必要があります。純粋なメタンの燃焼性は5%から17%で、火炎速度は1.3 ft/secである。つまり、5%から17%の濃度で空気と混合した場合、メタンはその速度で燃焼する。水素の可燃性は4%から74%で、炎の速さは5.7フィート/秒である。業界が水素濃度を高めるにつれて、この火炎速度の上昇を克服できる出口流速を持つバーナーを設計することはますます難しくなっており、特にバーナーが天然ガスと高水素混合燃料の両方で作動するという一般的な要件を考慮する必要がある。設計者がこのバランスを誤ると、火炎はバーナー内部を伝搬する。フラッシュバックとして知られるこの現象は、バーナー部品の機械的完全性や熱NOX排出レベルに悪影響を及ぼす可能性がある。この技術的課題を克服するため、Zeeco は、90％以上の水素を含む燃料ガスを燃焼させながら、100mg/Nm3以下のNOX排出レベルを実現するラジアントウォールバーナーを開発した。このバーナー設計では、独自の燃料ステージング設計を採用し、先端から2つの独立した混合ゾーンを生成します。この組み合わせにより、リーンゾーンではフラッシュバックを防止するために必要な出口速度を発生させ、リッチゾーンでは燃料を不活性排ガス生成物と混合させるのに十分な時間燃焼を遅らせることができます。
図2：ZEECO 高水素燃料を噴射するパイロットの例
This burner can be retrofitted in existing ethylene furnaces for firing high H2 fuels even in challenging furnace applications with extremely tight burner-to-burner and burner-to-tube spacing, still meeting the <100 mg/Nm3 emissions requirement.
フレイムスキャナー
従来のフレームスキャナーは、紫外、可視、赤外スペクトルの燃焼放射を検出するように構成されている。正確なスペクトル範囲は、炭化水素燃料の燃焼に特徴的な波長に基づいている。UVとIRの成分は、使用する燃料の種類によって異なるため、従来のスキャナーではスペクトル範囲が広く、さまざまな気体燃料や液体燃料での使用が可能です。高水素燃料を燃焼させる場合、炭素がないため、燃焼プロセスで発生する放射線のスペクトル範囲は著しく狭くなり、紫外線スペクトルにシフトする。そのため、UVやIRのスペクトルレンジを利用するスキャナーでは、火炎のピーク信号が弱くなり、不快なトリップが発生する。炎検出のためにUVスペクトルレンジのみを利用するスキャナーの場合（IR成分なし）、ピーク応答はOH-ラジカルリミッション波長で発生する。そのため、炎に炭素が含まれていなくても、スキャナーがターゲットバーナーからの放射線を検出する能力を妨げることはない。一例として、Zeeco'のProFlame スキャナーは、100%水素炎を確実に検出することができる。これは、高水素燃料を焼成する際に重要な炉の安全インターロックである。高水素燃料の燃焼時には、火炎速度が速くなるため、バーナーの火炎が非常に短くなる可能性がある。そのため、フレームスキャナーを適切に照準し、ターゲットフレームに確実に合わせることが重要です。そうすることで、フレームスキャナーによって検出される不要なバックグラウンド信号の可能性を減らすことができます。
パイロットの方々
焚き火に使用されるパイロットの多くは、燃焼前に燃料ガスと混合するために空気が自然に誘導される自己吸引型である。高水素パイロットを使用した場合、パイロットチューブ内でフラッシュバックが発生する可能性が高くなります。このため、パイロットガス組成が90%水素の場合、フラッシュバックを起こさず燃焼できるようなパイロット設計を行うことが重要である。例えば、高水素燃料を燃焼させる際に、空気流を手動で制御してフラッシュバックを防ぐために、調整可能なエアドアを使用するパイロット設計もある。水素濃度が高くなると、ジェットスピードを維持しフラッシュバックを防ぐために、エアドアをさらに閉めなければならない。
パイロットフレーム検出
焼成ヒーターに使用されるバーナーパイロットの多くには、パイロット炎検出用のイオン化ロッドが装備されています。フレームロッドは、イオン化/整流プロセスを通じて電気回路を完成させる働きをします。フレームロッドに通電すると、電流によってプラス電荷が発生し、炎の中のマイナスイオンを引き付けます。燃焼プロセスで生成された正イオンは、パイロットチップの接地部分に引き寄せられます。より多くのプラスイオンをアースに引き寄せることで、電子の流れが整流され、一方向に流れます。これにより、炎の存在を示す直流信号が生成されます。イオン化システムが正しく機能するためには、相当数のイオンが炎中に存在する必要があります。水素炎は有機化合物に比べてイオンが少ないため、微弱な電流が発生し、炎イオン化モジュールで検出することができません。そのため、高水素燃料のパイロットフレーム検出方法としてフレームロッドは適しておらず、別のパイロットフレーム検出方法を検討する必要があります。パイロット火炎の検出方法として、パイロットの後端に取り付ける火炎スキャナーを使用する方法があります。火炎スキャナーをパイロットチップに照準して火炎を検出する。パイロットの先端シールドを特別に加工して、メインバーナーの炎からの信号を検出しないようにすることができます。
計装・制御に関する考慮事項
H2を燃料として使用する場合、最後に考慮すべきは、安全な燃焼に必要な制御と計装である。天然ガスから高濃度のH2まで、様々な燃料組成を持つように設計されたバーナーは、ウォッベ指数計または比重計を備えた完全計量燃焼制御システムを持つ必要があります。ウォッベ指数計は、変化する燃料組成を監視し、燃焼制御システム内の燃料／空気比制御を適切に調整するために必要な入力を制御システムに提供する。燃料組成を監視し、その変化に応じて燃焼制御システムを調整することができないと、安全でない燃料リッチな状態になる可能性がある。