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2021年4月2日、John Guarco、Bob Langstine、Michael Turnerによって。

H2の燃焼特性は、天然ガスとは大きく異なる。

ZEECO GN低NOxバーナー写真

ZEECO GBの低NOxバーナーで100%H2ガスを燃焼。

今日の蒸気発生器市場は、燃料費の高騰や二酸化炭素排出量削減を求める新たな規制によって絶えず変化しています。新しい規制では、蒸気発生器に一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)の排出量を削減することが求められています。COとCO2の排出量を削減する方法として、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。燃料からの炭素回収は、より費用対効果の高い方法になってきている。燃焼前に炭素を除去する方法は、天然ガス(主にメタン(CH4))を改質し、炭素原子を捕獲し、水素(H2)原子を燃料として利用するものである。燃焼前に炭素を捕捉することで、炭素を捕捉・隔離するために必要な高価な装置をボイラーごとに用意する必要がなくなる。

燃料費が不安定なため、エンドユーザーは、様々な改質・精製プロセスで余った水素のような代替燃料源を検討する必要があります。この余分な水素をフレアリングしたり放出したりする代わりに、燃料ガスの流れに注入して主燃料を補うことができるのです。適切な専門知識と経験により、蒸気発生システムで水素を燃焼させることで、運用燃料費を大幅に削減し、新しい二酸化炭素排出規制にも対応することができます。

 

バーナー設計の考慮点

水素の代替燃料_ABMA_2021年春号_Zeeco掲載記事_H2-Firing vs Natural-Gas-Combustion-2

ZEECO GBの低NOXバーナーで、20%のCO2と80%のH2燃料ガスを焚く。

バーナーの設計は、焼成中に適切かつ安全な運転を確保するために、H2焼成との互換性を評価する必要があります。H2の燃焼特性は、天然ガスとは大きく異なる。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1.3フィート/秒と大幅に遅くなっています。また、H2燃焼では化学量論的断熱火炎温度が3,960°Fと高く、天然ガスの断熱火炎温度は3,518°Fです(これらの測定値はIrvin Glassman著「Combustion - Second Edition」(1987)から引用しています。このように燃焼特性に大きな違いがあるため、技術者はバーナー構造に使用されている材料や使用するバーナーの種類を評価する必要があります。

一般的なバーナー構造は、金属部品と耐火性のスロートまたはタイルで構成されており、H2 焼成に適した材料を調べる必要があります。火炎温度が上昇するため、ノズル構造、スロート部構造、火炎安定剤に使用される鋼鉄を、高温の運転温度に耐えることができる高級ステンレスまたは合金に改良する必要があります。さらに、バーナー内の耐火物についても、H2焼成の特徴である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る。

水素焚きバーナーで使用される鋼材は、高温に耐えるだけでなく、水素脆化や高温水素アタックを起こさないよう慎重に選ぶ必要がある。この2つの現象は、不適切な鋼材を使用した場合、早期に劣化させ、バーナー部品の早期故障につながる可能性があります。

水素の火炎速度は天然ガスのほぼ5倍であり、バーナー設計を評価する際の基本的な懸念材料である。リーン・プレミックス、プレミックス、ラピッド・プレミックスなどのバーナー設計は、水素の組成が変化する燃料流には適さない。燃料中のH2組成が増加するにつれて、これらのタイプのバーナーはフラッシュバックの影響を受けやすくなる。フラッシュバックは、バーナーノズルから出るガスの速度が、予混合されたアプリケーションの火炎速度より遅い場合に発生する。フラッシュバックが発生すると、バーナー部品が損傷することがあります。

 

エミッションへの配慮

ZEECO GB低NOxバーナー

ZEECO GBの低NOXバーナーで100%天然ガスを燃焼。

次に、水素燃焼を検討する上で欠かせないのが、バーナーからの排出ガスへの影響です。水素は火炎伝播速度が速いため、天然ガスよりも急速に燃焼が進みます。この高速燃焼により、燃焼エネルギーが狭い範囲に放出されるため、火炎近傍の温度が局所的に上昇し、もともと高い断熱火炎温度がNOx排出率に与える影響を増幅させる。2,500°Fを超える高温領域は、NOxの発生を助長する。H2を燃焼する標準的な低NOxバーナーでは、NOx排出率が最大で3倍増加することが、現場と試験設備のデータで示されている。

NOx を低減するためには、排ガス再循環(FGR)、蒸気噴射、超低 NOx(ULN)バーナー技術が必要である。FGR は、ボイラーから排出される排ガスの一部(通常はエコノマイザーの後)を分岐させ、燃焼用空気 供給に導入するプロセスである。燃焼空気供給は使用済み燃焼生成物で希釈され、燃焼中のピーク火炎温度を低下させる。少量のスチーム噴射を慎重に行うことで、火炎を冷却し、少量の不活性化を導入することにより、NOxの研磨に役立てることもできます。

H2 の燃焼に伴う NOx 排出量の増加に対しては、ステージド ULN バーナーも選択肢の一つです。このタイプのバーナーでは、ピーク火炎温度を下げるために、空気と燃料の両方のステージング機構を使用するのが一般的です。燃料のステージングを適切に行うことで、空気と相互作用する前に燃料流に取り込むことができる炉内ガスの量が増加します。炉心ガスを燃料に取り込むことは、FGR が NOx を低減させるのと同じである。燃焼領域内の空気を適切にステージングすることで、燃料と空気の混合を遅らせ、燃焼プロセスを炉の長さ以上に引き延ばすことができます。燃焼プロセスが長くなることで、燃焼のピーク温度が下がり、NOxの発生を抑制することができます。

段階式ULNバーナーと予混合式ULNバーナーの違いに注意する必要がある。先に説明したように、プレミックスULNバーナーは一般的にH2燃焼に耐えられる材料で作られておらず、高H2燃料の燃焼時のフラッシュバックを防止することができない。

燃料中のH2含有量も、COとCO2の排出量に大きな影響を与える。燃料組成の中で炭化水素がH2に置き換わると、炭素原子の数が減少する。100%H2の燃料では、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濃度が高いほど、COとCO2の排出量は少なくなる。炭化水素系燃料である天然ガスの基本的な化学量論的燃焼反応と、純粋なH2の燃焼反応を以下に示す。

天然ガスの燃焼反応。
CH4 + 2(O2 = 3.76N2) =
CO2+ 2H2O + 7.52N2 方程式1

水素の燃焼反応:
2H2 + (O2 + 3.76N2) =
2H2O + 3.76N2 方程式2

 

ボイラーの影響に関する考察

新しい燃料をボイラーで使用することを検討する場合、ボイラー性能に悪影響がないことを確認するた めに、ボイラー影響調査が推奨される場合がある。同様に、H2を燃料源として検討する場合にも、ボイラー性能を評価する必要がある。H2の燃焼特性により、ボイラー内の放射および対流熱伝達の場所と方法が変化し、蒸気発生率および蒸気温度に悪影 響を与える可能性がある。

式 1 および 2 に基づき、天然ガスの化学量論的空気要件は約 720 lbs of air/ MMBtu であり、H2 の化学量論的空気要件は約 560 lbs of air/MMBtu です。したがって、H2 の燃焼には、天然ガスに比べて約 30% 少ないマスフローの空気が必要とされます。さらに、H2は燃焼限界が高いため、天然ガスよりも低い空気過剰率で運転することができます。空気過剰率が低いと、必要な空気の質量流量は天然ガスよりもさらに少なくなります。また、H2焚きは、火炎温度が高いため、炉内ガス出口温度(FEGT)が上昇します。

H2 を燃焼させる場合、ボイラの質量流量が減少し、FEGT が上昇すると、ボイラの対流熱伝達部に悪影響を与え、蒸気生産と蒸気品質の両方が損なわれる可能性があります。しかし、外部 FGR による質量流量の追加により、FEGT の上昇と対流熱伝達の低下に関する懸念が緩和される。FGR による質量流量の追加は、FEGT を低下させ、対流熱伝達への悪影響を排除する。

 

計装・制御に関する考察

H2を燃料として使用する際に考慮すべき最後のトピックは、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べきである。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、潜在的に安全でない燃料リッチな状態につながる可能性がある。

バーナーの上流にある燃料供給装置も、容量の制約がないか評価する必要があります。H2 は、同等の熱放出を得るために、天然ガスと比較して 3 倍の体積燃料流量を必要とする。どのような燃料でも、特に H2 と組み合わせて使用する場合、適切な運転を確保するために、配管サイズと燃料系統の設計を評価する必要があります。

炎検知はバーナーの重要な安全装置であり、現在のすべてのボイラー運転規則で義務付けられている。H2が燃焼過程で存在すると、水蒸気が発生します。H2が燃料の80%に近づくと、水蒸気が多くなるため、ほとんどの炎スキャナーは炎を識別し確認することが難しくなります。適切な火炎検出器を選択することが重要です。

H2 の安全な燃焼を確保しつつ、管轄区域の環境規制を満たすには、その他の検討事項を分析する必要があります。H2焼成に精通した経験豊富なバーナーサプライヤーとの相談は、お客様の成功に欠かせません。

ボイラー・バーナー、テクニカル・ディレクター、ジョン・グアルコ、北米地域セールス・マネージャー、ボブ・ラングスティン(米国南東部・カナダ東部)、設計技師、マイケル・ターナー(ZEECO Inc.

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