연료 비용 상승, 탄소 배출량 저감을 요구하는 새로운 규제 및 글로벌 순탄소 이니셔티브는 정제 및 화학 산업 시장에 계속해서 압력을 가하고 있습니다. CO와 CO2 배출을 줄이는 두 가지 주요 방법은 연료 가스 내의 탄소를 포집하여 격리하거나 연소 전 연료에서 탄소를 제거하는 것입니다.
많은 조직에서는 기존 화력 설비에 지속 가능한 저탄소 연료로 연료를 보급하는 것을 고려하고 있습니다. 그러한 연료 중 하나는 재생 가능 에너지 원 (녹색 수소) 또는 천연가스 (청색 수소)를 개혁하여 생산 될 수있는 수소 (H2)입니다. 연소 전에 탄소를 제거하면 소성 중에 탄소를 포집하고 격리하기 위해 값 비싼 장비가 필요하지 않습니다.
물론 녹색 또는 청색 공급원을 통해 생산되거나 기존 플랜트 공정에서 회수된 것일지라도, 수소(H2)는 기존 연료 가스 네트워크에 주입되어 고농도 수소 혼합물을 생산하거나 연소 히터 및 공정 용광로에 연료를 공급하기 위해 순수한 형태로 사용할 수 있습니다. 연료 구성에서 탄화수소를 수소로 대체하면 탄소 원자의 수는 감소합니다. 100% 수소로 구성된 연료 스트림은 연소 반응에서 탄소가 부족하기 때문에 연소 부산물로 CO 또는 CO2를 생성할 수 없습니다. 따라서 연료의 수소 함량이 높을수록 전체 CO 및 CO2 배출량이 낮아집니다.
수소는 기존 탄화수소 연료 가스와 크게 다른 연소 특성으로 인해, 수소 연소로의 전환 시 플랜트 소유주와 운영자들이 고려해야 할 몇 가지 과제가 있습니다.
설계 과제
오늘날 존재하는 대부분의 소성 히터 및 공정 용광로는 수소, 불활성 가스 및 기타 화합물의 흔적으로 구성된 포화 탄화수소의 비율이 높은 천연가스 또는 정유 연료 가스를 발사하도록 설계되었습니다. 정유 연료 가스의 일반적인 수소 함량은 부피 기준으로 20 ~ 40 % 사이에서 다양 할 수 있습니다. 수소 급유의 경우 H2 농도가 90 ~ 100 %일 가능성이 큽니다. 이 양의 수소는 버너의 작동 매개 변수를 변경하므로 히터 작동이 해로운 영향을받지 않도록 버너 설계에 특별한주의를 기울여야합니다. 첫째, 수소의 층상 화염 속도는 탄화수소 연료보다 훨씬 높기 때문에 연소 공정이 더 빨라지고 단위 부피 당 열 방출이 증가합니다. 이 사실을 더 높은 단열 피크 화염 온도와 결합하면 화염에 국부적으로 상승 된 온도가 상승하여 NOX 배출 속도가 최대 세 배까지 직접 증가합니다. 초저 NOX 버너 기술을 사용하면 높은 H2 연료를 발사 할 때 입법 된 NOX 배출 요구 사항을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그림 1: 고속의 수소 화염에 대응하는 데 필요한 난류와 혼합 영역을 생성하기 위해 단계별 연료 라이저를 보여주는 ZEECO FREE JET 버너의 등척도 및 절단면도.
예를 들어, H2 연소의 화염 속도는 약 5.7 피트 / 초이며, 천연가스의 화염 속도는 1.3 ft / sec에서 상당히 느립니다. H2 소성은 3960°F의 더 높은 화학량론적 단열 화염 온도를 갖는 반면, 천연가스는 단열 화염 온도가 3518°F입니다.1 연소 특성의 이러한 현저한 차이는 엔지니어가 버너 건설에 사용되는 재료와 사용된 버너 유형을 평가해야 합니다. 전형적인 버너 구조는 다양한 금속 구성 요소와 내화 목구멍 또는 타일을 포함합니다. H2의 화염 온도가 상승하면 노즐 건설, 목구멍 구조 및 화염 안정제에 사용되는 강철을 고급 스테인레스 또는 합금으로 업그레이드해야합니다. 버너 내에서 사용되는 내화물은 신중하게 평가되어야하며 H2 소성의 고온 특성을 견딜 수 있도록 조성을 수정해야합니다. H2를 발사하는 버너에 사용되는 강철은 수소 취성 및 고온 수소 공격에 취약해서는 안됩니다. 두 현상 모두 부적절하게 선택된 강철을 조기에 저하시켜 버너 부품의 조기 고장으로 이어질 수 있습니다. 연료 가스의 수소 함량을 증가시키면 연료의 비중이 낮아져 연료 가스 질량 유량이 감소합니다. 결과적으로, 동일한 버너 열 방출을 달성하기 위해 연료 가스 압력을 증가시키는 것이 종종 필요하다. 따라서 버너 가스 팁 설계 및 연료 가스 배관 유압을 평가하고 필요에 따라 크기를 조정해야합니다. 또한 기존의 히터 안전 인터록 및 트립 설정을 검토하고 높은 수소 연료에 맞게 수정해야 합니다. 예를 들어, UV/IR 감지 기능이 있는 용광로 TDL 시스템 및 불꽃감지기는 더 이상 적합하지 않을 수 있으며 높은 수소 화염을 감지할 수 있는 대체 기술을 고려해야 할 수 있습니다. 이러한 측면은 히터 충격 연구를 통해 다루어집니다.
고수소 연소를 위한 개조 버너
고수소 연료를 사용하고 법적 NOX 배출 규제를 준수하려면 초저 NOX 버너 기술을 활용해야 합니다. 확산형 버너는 고수소 연료를 연소할 때 사전 혼합형 버너와 다른 도전 과제를 안고 있으며. 각 버너의 각 유형에 대해서는 별도로 논의할 예정입니다.
초저녹스 확산 버너
ZEECO의 초저녹스 FREE JET 버너는 연소 공기와 혼합하기 전에 연료 가스를 불활성 연소 생성물로 재조정하기 위해 내부 연도 가스 재순환을 활용합니다. 재조정된 연료 혼합물은 연소 반응을 연장하여 최고 화염 온도와 열적 NOX 생성을 감소시킵니다. 이 버너는 증기 분사 또는 연소 후 배출 제어 없이 90% 수소 연료에 대해 50mg/Nm3 미만의 NOX 배출을 달성할 수 있습니다. 이 원리는 팁에서 배출되는 연료 가스의 운동량을 연도 가스로 전환하는 데 의존합니다. 이를 위해 타일 외부의 가스 팁 링을 통해 개별적인 고속 가스 분사가 분사됩니다. 가스 제트는 수소 화염의 빠른 화염 속도에 대응하여 넓은 작동 범위에서 안정적이고 강력한 화염을 보장하는 데 도움이 됩니다. 높은 수소 연료 가스를 연소할 때 고려해야 할 또 다른 사항은 질량이 낮은 가스 팁이 있는 버너를 사용하는 것입니다. FREE JET 버너의 예에서 가스 팁은 용광로 바닥을 통해 약 25mm 돌출되어 있으므로 가스 팁 프로파일에 대한 열 강도가 크게 감소합니다. 이는 가스 팁이 수소 연소의 특징인 고온을 견딜 수 있도록 적절히 설계되어 작동 수명이 연장되었음을 의미합니다.
초저녹스 사전 혼합형 복사 벽 버너
에틸렌 크래킹 퍼니스에서 일반적으로 사용되는 사전 혼합 방사 벽 버너는 플래시백에 대한 성향으로 인해 높은 수소 연료를 발사 할 때 완전히 다른 도전을 제시합니다. 이 때문에 버너 설계자는 각 특정 연료 구성의 가연성 창과 화염 속도를 고려해야합니다. 순수 메탄의 가연성 창은 5 %에서 17 % 사이이며 화염 속도는 1.3 ft / sec입니다. 즉, 5 %와 17 % 사이의 농도로 공기와 혼합되면 메탄은 그 속도로 연소를 지원합니다. 수소의 가연성 창은 4 %에서 74 % 사이이며 화염 속도는 5.7 ft / sec입니다. 업계가 수소 농도를 높임에 따라 특히 버너가 천연가스와 높은 수소 혼합 연료 모두에서 작동해야한다는 일반적인 요구 사항을 고려할 때 화염 속도의 증가를 극복 할 수있는 출구 속도를 가진 버너를 설계하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 디자이너가이 균형을 잘못 잡으면 화염이 버너 내부로 다시 전파됩니다. 플래시백으로 알려진 이 제품은 버너 부품의 기계적 무결성과 열 NOX 배출 수준에 해로울 수 있습니다. 이러한 기술적 과제를 극복하기 위해 Zeeco는 100mg/Nm3 NOX 배출 수준 미만을 생산하면서 90% 이상의 수소를 혼합한 연료 가스 조합을 발사할 수 있는 방사 벽 버너 설계를 개발했습니다. 이 버너 설계는 팁을 빠져 나가는 두 개의 개별 혼합 영역을 생성하는 독점적 인 연료 스테이징 설계를 사용합니다. 이 조합을 통해 버너는 린 구역에 필요한 출구 속도를 생성하여 플래시백을 방지하면서 부유 한 구역에서 연료를 불활성 연도 가스 제품과 혼합하기에 충분히 오래 연소를 지연시킬 수 있습니다.
그림 2: 높은 수소 연료를 발사하는 ZEECO 파일럿의 예
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.
불꽃감지기
기존의 불꽃감지기는 UV, 가시광선 및 IR 스펙트럼에서 연소 방사선을 감지하도록 구성되어 있습니다. 정확한 스펙트럼 범위는 탄화수소 연료의 연소 특성의 파장을 기반으로합니다. UV 및 IR 성분은 사용되는 연료의 특정 유형에 따라 다릅니다. 따라서 기존의 스캐너는 스펙트럼 범위가 넓어 다양한 기체 및 액체 연료에서 작동 할 수 있습니다. 높은 수소 연료를 발사 할 때, 탄소가 없다는 것은 연소 과정에서 생성 된 방사선의 스펙트럼 범위가 상당히 좁아지고 UV 스펙트럼쪽으로 더 많이 이동한다는 것을 의미합니다. 따라서 UV 및 IR 스펙트럼 범위에 의존하는 스캐너는 피크 화염 신호가 약화되어 성가신 트립을 초래합니다. 화염 검출(IR 성분 없음)을 위해서만 UV 스펙트럼 범위를 활용하는 스캐너의 경우, 피크 반응은 OH 라디칼 완화 파장에서 발생합니다. 따라서 화염에 탄소가 없어도 스캐너가 대상 버너에서 방사선을 감지하는 데 방해가되지는 않습니다. 한 가지 예는 Zeeco의 ProFlame 100 % 수소 화염을 안정적으로 감지 할 수있는 스캐너는 높은 수소 연료를 발사 할 때 중요한 용광로 안전 인터록입니다. 버너 화염은 화염 속도 증가로 인해 높은 수소 연료를 발사 할 때 훨씬 짧아질 수 있습니다. 따라서 불꽃감지기가 대상 화염과 정렬되었는지 확인하기 위해 불꽃감지기를 올바르게 보는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 불꽃감지기에서 원치 않는 배경 신호가 감지될 가능성이 줄어듭니다.
파일럿
발사 히터에 사용되는 대부분의 파일럿은 자체 흡기 유형으로, 연소 전에 연료 가스와 혼합하기 위해 공기가 자연적으로 유도된다는 것을 의미합니다. 높은 수소 파일럿을 사용할 때, 파일럿 튜브 내부의 플래시백 가능성이 증가합니다. 파일럿 자체와 내부 구성 요소의 손상을 피하기 위해 플래시백 없이 최대 90%의 수소의 파일럿 가스 조성으로 발사할 수 있는 파일럿 설계를 사용하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 일부 파일럿 설계는 조정 가능한 공기 도어를 사용하여 공기 흐름을 수동으로 제어하고 높은 수소 연료를 발사 할 때 플래시백을 방지합니다. 수소 함량이 증가함에 따라 제트 속도를 유지하고 플래시백을 방지하기 위해 에어 도어를 더 닫아야합니다.
파일럿 불꽃 감지
연소 히터에 사용되는 많은 버너 파일럿은 파일럿 불꽃의 감지를 위한 이온화 로드를 갖추고 있습니다. 화염로드는 이온화 / 정류 과정을 거쳐 전기 회로를 완성합니다. 화염 로드에 동력이 공급되면 전류는 화염에서 음이온을 끌어들이는 양전하를 생성합니다. 연소 과정에서 생성된 양이온은 파일럿 팁의 접지 영역으로 끌어 당겨집니다. 더 많은 양이온을 땅에 끌어들임으로써 전자의 흐름이 정류되어 한 방향으로 흐르게 됩니다. 이것은 화염의 존재를 나타내는 직류 신호를 생성합니다. 이온화 시스템이 제대로 작동하려면 상당한 수의 이온이 화염에 존재해야합니다. 수소 화염은 유기 화합물에 비해 이온을 거의 생성하지 않으므로 화염 이온화 모듈이 감지할 수없는 약한 전류가 생성됩니다. 따라서 화염 로드는 고수소 연료에 대한 파일럿 불꽃 감지 방법으로 적합하지 않으며, 다른 파일럿 불꽃 감지 대체 수단을 고려해야 합니다. 파일럿 불꽃 감지의 한 가지 방법은 파일럿의 후단에 장착된 불꽃 감지기를 사용하는 것입니다. 불꽃 감지기는 파일럿 팁에 장착됩니다. 파일럿 팁 실드는 별도로 수정할 수 있으므로 불꽃 감지기는 메인 버너 불꽃의 신호를 감지하지 못합니다.
계측 및 제어 고려 사항
H2를 연료원으로 사용할 때 고려해야 할 최종 주제는 안전한 발사에 필요한 제어 및 계측입니다. 천연가스에서 높은 H2 함량에 이르기까지 다양한 연료 조성을 갖도록 설계된 버너는 경우에 따라 Wobbe Index 미터 또는 비중 측정기와 결합 된 완전 계량 연소 제어 시스템을 가져야합니다. Wobbe Index 미터는 다양한 연료 스트림 구성을 모니터링하고 연소 제어 시스템에서 연료/공기 비율 제어를 적절히 조정하기 위해 제어 시스템에 필요한 입력을 제공합니다. 연료 스트림 조성을 모니터링하고 연소 제어 시스템을 이러한 변화에 맞게 조정할 수 없기 때문에 잠재적으로 안전하지 않고 연료가 풍부한 상태가 될 수 있습니다.