수소 – 대체 연료

수소의 연소 특성은 천연가스와 크게 다릅니다.

100% 수소 가스 연소 ZEECO GB 저녹스 버너

오늘날의 증기 발전 시장은 연료 비용 상승과 탄소 배출 감소를 요구하는 새로운 규제로 인해 지속적으로 개편되고 있습니다. 새로운 규정은 증기 발생기가 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO₂) 배출을 줄이도록 요구합니다. CO 및 CO₂ 배출을 줄이기 위해 존재하는 두 가지 주요 방법은 연료 가스 내의 탄소를 포획 및 격리하거나 소성 전에 연료에서 탄소를 제거하도록 설계되었습니다. 연료로부터의 탄소 포집은보다 비용 효율적인 방법이되고 있습니다. 소성 전에 탄소를 제거하는 것은 천연가스 (주로 메탄 (CH₄))를 개혁하고 수소 (H₂) 원자를 연료원으로 활용하면서 탄소 원자를 포획하는 것을 포함합니다. 연소 전에 탄소를 포집하면 각 보일러에 탄소를 포집하고 격리하는 데 필요한 값 비싼 장비를 장착 할 필요가 없습니다.

연료 비용 불안정은 또한 최종 사용자가 다양한 개혁 및 정제 공정에서 남겨진_H2 와 같이 이미 처분 할 수있는 대체 연료 소스를 고려하도록 유도하는 요인이됩니다. 이러한 과량의_H2를 플레어링하거나 방출하는 대신에, 주 연료 공급을 보충하기 위해 연료 가스 스트림 내로 주입될 수 있다. 적절한 전문 지식과 경험을 적용하면 증기 생성 시스템에서_H2 를 태우면 운영 연료 비용을 크게 절감하는 동시에 새로운 탄소 배출 규정을 충족하는 데 도움이 될 수 있습니다.

버너 설계 고려 사항

A ZEECO GB 저NOX 버너 발사 20 % CO2 및 80 % H2 연료 가스.

버너 설계는 발사 중에 적절하고 안전한 작동을 보장하기 위해 H2 발사와의 호환성을 평가해야합니다. H2의 연소 특성은 천연가스의 연소 특성과 크게 다릅니다. H2 연소의 화염 속도는 초당 약 5.7 피트이며 천연가스의 화염 속도는 1.3 피트 / s로 상당히 느립니다. H2 소성은 또한 3,960 ° F의 더 높은 화학량론적 단열 화염 온도를 특징으로하는 반면, 천연가스는 단열 화염 온도가 3,518 ° F입니다 (이러한 측정은 Irvin Glassman (1987)의 "연소 - 두 번째 판"에서 인용되었습니다). 연소 특성의 이러한 중요한 차이는 엔지니어가 버너 건설에 사용되는 재료와 사용 된 버너의 유형을 평가해야합니다.

일반적인 버너 구조는 금속 구성 요소와 내화 목구멍 또는 타일로 구성되며 H2 발사에 대한 재료 적합성을 결정하기 위해 검사가 필요합니다. 화염 온도가 상승하면 노즐 건설, 목구멍 구조 및 화염 안정제에 사용되는 강재를 이러한 상승 된 작동 온도를 견딜 수있는 고급 스테인레스 또는 합금으로 업그레이드해야합니다. 또한, 버너 내에서 사용되는 내화물은 신중하게 평가되어야하며 H2 소성의 고온 특성을 견딜 수 있도록 조성을 수정해야합니다.

H2 소성 버너에 사용되는 강재는 고온을 견디는 것 외에도 수소 취성 및 고온 수소 공격에 취약하지 않도록 신중하게 선택해야합니다. 두 현상 모두 부적절하게 선택된 강철을 조기에 분해하여 버너 부품이 조기에 고장날 수 있습니다.

천연가스의 거의 다섯 배에 달하는 수소의 화염 속도는 버너 설계를 평가할 때 우려되는 근본적인 원인입니다. 린 프리믹스, 프리믹스 또는 신속한 프리믹스 설계를 활용하는 버너 설계는 H2 조성이 다양한 연료 스트림에 적합하지 않습니다. 연료 스트림에서 H2의 구성이 증가함에 따라 이러한 유형의 버너는 플래시백에 더 취약 해집니다. 플래시백은 버너 노즐을 빠져나가는 가스 속도가 사전 혼합된 응용 제품의 화염 속도보다 느릴 때 발생합니다. 버너 구성 요소가 손상되면 플래시백이 발생할 수 있습니다.

배출 고려 사항

ZEECO GB 저NOX 100% 천연가스 연소 버너

H2 발사를 고려할 때 이해해야 할 다음 필수 주제는 버너 배출에 미치는 영향입니다. 수소의 높은 화염 전파 속도는 연소 과정이 천연가스보다 더 빠르게 일어날 수있게합니다. 빠른 연소 공정은 작은 영역에서 연소 에너지를 방출하여 국부적으로 상승 된 근거리 화염 영역 온도로 이어지며, 이는 본질적으로 높은 단열 화염 온도가 NOx 배출 속도에 미치는 영향을 복합적으로 나타냅니다. 온도가 2,500 ° F 이상인 모든 지역은 NOx 형성에 도움이됩니다. 현장 및 테스트 시설 데이터에 따르면 H2를 발사하는 표준 저 NOx 버너는 일반적으로 NOx 배출 속도가 최대 3 배 증가한 것으로 나타났습니다.

연도 가스 재순환(FGR), 증기 주입 및/또는 초저 NOx(ULN) 버너 기술은 NOx를 줄이기 위해 필요합니다. FGR은 보일러에서 배출되는 연도 가스의 일부(일반적으로 이코노마이저 이후)를 전환하여 연소 공기 공급 장치로 유입하는 프로세스입니다. 연소 공기 공급은 연소 된 연소 생성물로 희석되어 연소 중 피크 화염 온도를 낮 춥니 다. 조심스럽게 배치 된 소량의 증기 주입은 화염을 냉각시키고 소량의 이너팅을 도입하여 NOx를 연마하는 데 도움이 될 수 있습니다.

스테이징 된 ULN 버너는_H2 발사와 관련된 증가 된 NOx 배출 특성에 대처할 수있는 또 다른 옵션입니다. 이러한 유형의 버너는 일반적으로 피크 화염 온도를 낮추기 위해 공기 및 연료 스테이징 메커니즘을 모두 사용합니다. 적절하게 준비된 연료는 공기와 상호 작용하기 전에 연료 스트림으로 연입 될 수있는 용광로 가스의 양을 증가시킵니다. 용광로 가스를 연료 스트림으로 유입시키는 것은 FGR이 NOx를 완화하는 방식과 유사합니다. 연소 구역 내에서 공기를 적절하게 스테이징하면 연료와 공기의 혼합이 지연되어 연소 과정이 용광로의 길이에 걸쳐 늘어납니다. 인출된 연소 공정은 전체 피크 연소 온도를 감소시켜 NOx 형성을 감소시킵니다.

스테이징된 ULN 버너와 프리믹스 ULN 버너의 차이점에 유의해야 합니다. 앞에서 설명한 바와 같이, 프리믹스 ULN 버너는 일반적으로_H2 발사를 견딜 수 있는 재료로 구성되지 않으며, 높은_H2 연료를 발사하는 동안 플래시백을 방지할 수 없습니다.

연료 스트림의 H2 함량은 또한 CO 및_CO2 배출에 상당한 영향을 미칩니다. H2_가 연료 조성물 내의 탄화수소를 대체함에 따라, 탄소 원자의 수는 감소한다. 100% H2로 구성된 연료 스트림은 연소 반응에서 탄소가 부족하기 때문에 연소의 부산물로서 CO나_CO2를 생성할 수 없다. 따라서, 연료의 H2 함량이 높을수록, 전체 CO 및_CO2 배출량_이 낮아진다. 탄화수소계 연료, 천연가스의 기본 화학량론적 연소 반응 및 순수_H2의 연소 반응은 아래를 참조하십시오.

천연가스 연소 반응:
CH4 + 2(O2 = 3.76N2) =
CO2 +_2H2O+_7.52N2 수학식 1

수소 연소 반응:
_2H2 + (O2 + 3.76N2) =
_2H2O+ 3.76N2 방정식 2

보일러 영향 고려 사항

보일러에서 사용하기 위해 새로운 연료가 고려 될 때마다 보일러 성능에 해를 끼치 지 않도록 보일러 충격 연구가 권장 될 수 있습니다. 마찬가지로_H2를 연료원으로 고려할 때 보일러 성능을 평가해야합니다. H2의 연소 특성은 보일러 내에서 복사 및 대류 열 전달이 발생하는 위치와 방법의 변화를 초래할 수 있으며, 이는 증기 생성 속도 및 증기 온도에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

방정식 1과 2에 따르면, 천연가스에 대한 화학량론적 공기 요구량은 공기/MMBtu의 ~720 lbs.이고,_H2 에 대한 화학량론적 공기 요구량은 공기/MMBtu의 ~560 lbs.이다. 따라서 H2 소성은 천연가스에 비해 약 30 % 적은 질량 공기 흐름을 필요로합니다. 또한,_H2는 더 높은 가연성 한계로 인해 천연가스보다 낮은 과잉 공기 비율로 작동 할 수 있습니다. 더 낮은 초과 공기 비율은 천연가스에 비해 필요한 공기 질량 흐름을 더욱 감소시킵니다. _H2 소성은 또한 주로 더 높은 화염 온도로 인해 용광로 가스 출구 온도 (FEGT)를 증가시킵니다.

H2를 발사 할 때, 보일러를 통한 질량 유량 감소는 더 높은 FEGT와 결합하여 보일러의 대류 열 전달 부분에 악영향을 미쳐 증기 생산과 증기 품질을 위태롭게 할 수 있습니다. 그러나, 외부 FGR을 통해 시스템에 질량 유동을 첨가하는 것은 더 높은 FEGT 및 감소된 대류 열 전달에 대한 우려를 완화시킬 수 있다. 추가적인 FGR 질량 흐름은 FEGT를 낮추고 대류 열 전달에 대한 악영향을 무효화합니다.

계측 및 제어 고려 사항

H2를 연료원으로 사용할 때 고려해야 할 마지막 주제는 안전한 발사에 필요한 제어 및 계측입니다. 천연가스에서 높은_H2 함량에 이르기까지 다양한 연료 조성을 갖도록 설계된 버너에는 경우에 따라 Wobbe Index 미터 또는 비중 측정기와 결합 된 완전 계량 연소 제어 시스템이 있어야합니다. 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.

버너의 상류에 있는 연료 전달 장비도 용량 제약에 대해 평가되어야 합니다. _H2는 동등한 열 방출을 제공하기 위해 천연가스에 비해 세 배의 체적 연료 흐름을 필요로합니다. 파이프 크기 및 엔지니어링 된 연료 전차 구성 요소는 특히_H2와 함께 사용할 때 모든 연료와의 적절한 작동을 보장하기 위해 평가되어야합니다.

화염 감지는 중요한 버너 보호 장치이며 모든 현재 보일러 작동 코드에 필요합니다. H2가 연소 과정에 존재할 때, 수증기를 생성합니다. H2 함량이 연료 스트림에서 80%에 근접함에 따라 오늘날 사용 가능한 대부분의 불꽃감지기는 높은 수준의 수증기가 존재하기 때문에 화염을 구별하고 검증하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 적절한 화염 감지 장비를 선택하는 것이 중요합니다.

운영 관할 구역의 환경 한계를 충족하면서_H2의 안전한 발사를 보장하기 위해 다른 고려 사항을 분석해야합니다. H2 발사에 정통한 숙련 된 버너 공급 업체와의 상담은 성공을 확보하는 데 필수적입니다.

존 Guarco, 기술 이사, 보일러 버너; Bob Langstine, Regional Sales Manger (미국 남동부 및 E. Canada), 북미; 마이클 터너, 디자인 엔지니어, ZEECO 주식회사