燃烧器技术的进步
来自美国Zeeco公司的埃里克·普拉查德（Eric Pratchard）和托德·格拉布（Todd Grubb），以及来自美国埃克森美孚技术与工程公司的赫克托·阿亚拉（Hector Ayala）、阿洛克·萨卡尔（Aloke Sarkar）和李·HS（HS Lee），共同探讨了 超低氮氧化物（NOX）燃烧器技术的 进步可能对氢气燃烧及氮氧化物排放 产生的影响。
ZEECO FREE JET® 第三代燃烧器正在燃烧100%氢气
要兑现全球“净零”承诺，石油天然气及其他重工业必须实现大幅脱碳。实现脱碳目标的一种途径是，在工艺燃烧过程中使用体积浓度接近100%的氢气作为燃料，以取代碳氢化合物燃料。 当前的超低氮氧化物燃烧器 （ULNB）及新型燃烧器设计在应对高浓度氢气时往往面临挑战，原因在于回火风险增加以及氮氧化物排放 管理成本上升——由于氢气的火焰温度更高，会导致更多绝热氮氧化物的生成 。 随着市场对低碳、低氮氧化物排放 解决方案的需求日益增长，行业亟需一种既能适应100%氢气燃烧、又能将氮氧化物排放量 控制在极低水平的超低氮氧化物燃烧器（ULNB），且该燃烧器应便于改装到现有的燃烧加热器中，从而最大限度地降低实现炼油关键工艺脱碳所需的资本支出。
为满足这一需求，Zeeco 与埃克森美孚通力合作，共同设计、开发、测试并实施了一种新一代 ULNB 设计方案。该方案不仅能够燃烧 100% 氢气，还能适应多种燃料气体成分，同时显著降低NOX 排放 ，且无需采用复杂或昂贵的附加控制系统或排放处理方案。 该新型燃烧器无需采用外部烟气再循环或贫燃预混技术，无论是在自然通风还是强制通风系统中，无论使用环境空气还是预热燃烧空气，均能满足排放目标。
双方公司针对单燃烧器和多燃烧器配置，在各种工艺条件下联合进行了燃烧器测试。测试结果表明，该燃烧器具有良好的火焰稳定性、性能和减排效果，且火焰尺寸与当前设计的超低氮燃烧器（ULNB）相似。 埃克森美孚在美国得克萨斯州贝敦的工厂内，将这款FREE JET Gen 3™的新型燃烧器安装于一台工艺加热器上。初期运行结果与燃烧器性能测试一致，这些燃烧器正如预期般实现减排并提供运营灵活性。
当前的新兴技术以及选择性催化还原（SCR）系统——被视为该新型燃烧器设计的潜在替代方案——往往结构复杂、成本高昂，且需要额外的保护系统或满足特定的运行要求。
燃烧含氢量高达80%的碳氢化合物燃料，可将二氧化碳排放量 减半。为了实现更大的减排效果，需要更高的氢气浓度（可能接近95%），才能达成净零排放目标。因此，为了实现工业脱碳目标，必须推出一种能够安全且经济高效地燃烧接近100%氢气的工艺燃烧器设计，并使其在市场上广泛应用。
如今，大多数燃烧式加热器和工艺炉的设计都是为了燃烧天然气或炼油厂燃料气，这些气体中含有高比例的烃类，以及氢气、惰性气体和微量其他化合物。典型炼油厂燃料气中的氢含量通常在20%至40%之间。 在将燃烧器改造成适用于高氢气燃烧时，氢气浓度需达到90%至100%，这会改变燃烧器的运行参数，因此需要对设计进行调整，以确保燃烧器和加热器能够最佳运行。
氢气的火焰传播速度远高于典型碳氢化合物燃料，因此燃烧速度更快，单位体积的热释放量也更大。氢气燃烧的火焰传播速度约为 1.7 米/秒（5.6 英尺/秒），而天然气燃烧的火焰传播速度则明显较慢，仅为 0.4 米/秒（1.3 英尺/秒）。 此外，氢气的化学计量比绝热火焰温度（2182°C 或 3960°F）高于天然气（1937°C 或 3520°F）。 氢气的高火焰速度导致其燃烧速度比燃烧天然气时更快。这种快速燃烧过程在更小的体积内释放燃烧能量，导致火焰附近局部温度升高，从而加剧了固有的高绝热峰值火焰温度对NOX 排放 的影响。 任何温度高于760°C（1370°F）的区域都容易产生少量NOX ，而在温度超过1100°C（2000°F）时，NOX的 生成量 会 呈指数级增长 。1
当前的超低氮燃烧器（ULNB）排放 将燃料从低氢含量切换为高氢含量排放 NOX 排放 通常会增加 50%。预计当地对NOX 排放 的要求将继续提高，无论是否采用氢气燃烧。因此，适用于 100% 氢气燃烧的下一代超低氮燃烧器（ULNB）设计，其NOX 排放 也必须比当前一代超低氮燃烧器排放 降低。
当前的ULNB技术
几十年来，工艺燃烧器的设计不断改进，各种技术被广泛应用以降低氮氧化物（NOX）排放 ，其主要重点在于调控空气/燃料混合物的局部区域，形成富燃料或贫燃料燃烧区，从而降低火焰峰值温度并减少氮氧化物的生成 。在 目前可用的超低氮燃烧器（ULNB）中， 分级供气、分级供燃、内部烟气再循环（IFGR）以及贫燃预混是降低NOX 的主要技术。然而，这些技术无法在将NOX排放 控制在限值范围内的同时，满足高氢燃烧的需求。
新兴技术曾尝试将这些方法结合使用，“无焰燃烧”等概念也显示出一定潜力。然而，这些燃烧器设计需要在现有设备上加装复杂的硬件、精密的控制系统以及保护系统。此外，此类燃烧器通常仅适用于强制通风装置，由于大多数燃油加热器均为自然通风式，因此若不进行大量投资，这些燃烧器并不适合大多数改造项目。 其中一些设计还采用了贫燃预混技术，但在燃烧高氢燃料时，可能会存在回火风险，尤其是在燃烧器热释放处于较低水平时（即燃烧器调节比较高时）。
安装选择性催化还原（SCR）装置是解决因高氢燃烧导致NOX排放量 增加的一种替代方案。SCR是一种安装在对流段下游烟气管道中的燃烧后处理系统。SCR可将NOX排放量 减少高达95%，但安装该系统需要巨额资本支出，且存在长期的运营挑战。 此外，SCR所需的额外空间可能带来挑战，特别是在对现有设备进行改造时。最后，SCR必须在规定的烟气温度和氨/尿素注入速率范围内运行，以避免催化剂床失活和/或氨向大气中的逸散。
先进的ULNB技术
要应对这些行业挑战，需要一种能够100%使用氢气的工艺燃烧器，且无需复杂的控制系统、额外的系统，也不对空间和形状有特殊要求。埃克森美孚与Zeeco合作设计了一款新型燃烧器，该燃烧器不仅能够满足上述要求，还能在各种燃料混合物与100%氢气之间自由切换。 该燃烧器采用正在申请专利的设计，融合了新型方形燃烧器瓦片 ，并改良了久经考验的ULNB技术，从而显著降低了NOX排放量 。两家公司通力合作，共同完成了该设计方案的研发、性能测试和现场测试，以验证其能否安全且经济高效地实现性能和排放 。
采用FREE JET 上一代工艺燃烧器，其各燃烧器级均配备了带单个燃料口的分级燃料喷嘴。这种设计充分发挥了IFGR技术使燃料混合物变稀的优势，再加上圆形瓷砖的形状，使得燃烧器燃烧台沿线几乎形成了普遍的稀薄燃料混合物组成。 位于燃烧器喉部内径处的主燃烧嘴确保了燃烧器的稳定性，而由该燃料混合物产生的均匀火焰温度，二十多年来一直为NOX排放表现 带来积极影响。
新型方形瓷砖燃烧器设计在成熟的FREE JET 基础上进一步发展，同时引入了一种新的燃料与空气分级喷射方式，以进一步减少热氧化氮（NOX）的生成 。 新型燃烧器减少了分级燃料喷嘴的数量，但为每个喷嘴增加了多个喷口，使燃料混合气沿瓷砖表面输送。较少的燃料引入点以及新型方形瓷砖形状，形成了富燃和贫燃混合气分布不均的区域。这些分布不均的区域意味着产生
在贫油区可 保持较高的热NOX 浓度，从而降低主喷嘴和分级喷嘴产生的综合火焰温度。位于主喷嘴尖端之间的区域，其混合气更富油，即使没有主喷嘴尖端的辅助，也能保持稳定。
新型方形瓷砖设计在燃烧典型炼油厂燃料时，可实现个位数的NOX排放水平 ，即使在燃烧100%氢气时也能保持优异的性能。 在各种燃料下均能保持稳定、可靠且实用的性能，这意味着操作人员能够燃烧 100% 氢气、各种炼油/石化燃料气成分、100% 天然气以及大量低热值气体 (LBG)，并能够更轻松地在各种燃料之间进行切换。 该燃烧器的热释放量调节比可达5:1。燃烧器瓦片 与现有热释放量相当的燃烧器相当，且仅需一条通向燃烧器的主燃气连接管，从而最大限度地减少了燃气管道改造的需求。该设计无需额外的燃气、空气控制装置或保护系统。图1展示了安装在已运行近一年的运行装置上的新型燃烧器设计。
图1：在运行中的机组中安装的新燃烧器
该设计未采用传统的贫燃预混方法，从而消除了燃烧器回火的风险。无需外部烟气再循环。此外，该燃烧器既可在强制通风模式下运行，也可在自然通风模式下运行，并可使用环境空气或预热燃烧空气。
图2展示了该燃烧器与现代ULNB燃烧器相比的NOX 排放 。这种新型燃烧器设计不仅将NOX排放量 降低了约50%，还能在不影响火焰稳定性的前提下，实现最高100%氢气的燃烧。
图2：FREE JET 燃烧器在不同氢燃料混合比下的NOx性能测试结果，与当前各代UNLB的实测NOx值对比
性能测试结果
新燃烧器设计在各种运行条件下经过了严格测试，以验证其性能并优化设计。各公司开展的广泛研发计划包括：单燃烧器测试、多燃烧器测试、环境空气和预热空气测试、强制通风和自然通风应用；以及燃烧天然气、炼油/石化燃料气的典型混合气、100%氢气和LBG废气等。 最终设计的测试结果表明，在广泛的燃料气体成分范围内，燃烧器表现良好且火焰稳定。表1至表4总结了各种条件下的燃烧器测试结果。
图3展示了在不同氢浓度燃料混合物条件下进行的单燃烧器测试。从图片中可以看出，所测试的燃烧器配备了一个用于燃烧LBG燃料的喷嘴（即燃烧器中央的大圆形喷嘴），但在拍摄照片时，LBG并未投入使用。
图3：单燃烧器测试，展示了天然气中不同浓度的氢气
测试结果表明，该燃烧器完全能够燃烧100%氢气，并可使NOX 排放减少约50%；在燃烧天然气时，其NOX 排放 个位数排放 。 即使在100%氢气燃烧工况下，NOX 排放 个位数，自然通风工况下约为10 ppm(v)，强制通风工况下约为9 ppm(v)，这些数值均已校正为3%O2干基 。 观察到，随着燃料气中氢含量的增加排放 NOX 排放 但在氢含量约为 80% 时达到峰值，之后会逐渐下降，直至 100% 氢气燃烧，如图 3 中的“燃料 C”数据所示。CO 探测和O2 剖面分析 证实，火焰长度和宽度与当前一代 ULNB 相当。CO 测试证实了燃烧器不受燃料成分影响的稳定性。
进行了多燃烧器测试，以考察火焰间相互作用对排放 的潜在不利影响排放 发现这些影响可以忽略不计。 由于许多现有的老式燃烧式加热器，其燃烧器间距比 API 560 建议的更紧密，因此还针对比 API 560 建议更紧密的燃烧器间距进行了额外测试。在包括 100% 氢气在内的广泛燃料燃烧范围内，当燃烧器间距缩小至 API 560 建议间距的 75% 时，NOX 排放 不到 20%。
现场测试结果
2024年初，埃克森美孚在其贝敦工厂的一台立式圆筒形加热器上安装了12台ZeecoFREE JET 燃烧器，用于现场应用。这些燃烧器采用强制通风、预热空气设计，同时也适用于自然通风的室外空气运行，每台的设计热释放量为980万Btu/小时（低热值基准）。 即使在调试期间，一氧化碳（CO）排放 符合标准，无需采取额外的减排措施。
即使在启动运行期间，一氧化碳（CO）排放 每小时滚动平均值50 ppm以下。现场报告证实，即使在低火势和过量氧气高达10 vol%（湿基）的情况下，所有燃烧器仍保持稳定运行。 初步排放 是在燃烧器以设计热释放量的60%至75%运行、燃料气中氢浓度在45%至60%之间、燃烧空气温度在135至230°F的条件下进行的。 经校正至3%O₂（ 干基）和1600°F桥壁温度后，测得的NOX排放量 始终保持在12 ppm或以下。这与性能测试结果一致。
总结
在未来几年内，市场将对新一代ULNB燃烧器产生需求，这类燃烧器需能够实现100%氢气燃烧，同时大幅降低 排放。此类燃烧器应便于改装到现有的燃油加热器上，便于安装在新燃油加热器上，且对硬件和控制系统的要求应尽可能低。
这款新开发的下一代ULNB满足了行业需求，能够让设施从现在起就为即将到来的燃料转换做好氢气使用准备。该燃烧器既适用于自然通风，也适用于强制通风；既可使用环境空气，也可使用预热空气；能够处理各种燃料气体成分，包括100%氢气——并且已在现场安装中得到验证。 该燃烧器在保持当前一代ULNB的性能和火焰尺寸的同时，显著降低了NO 排放。
注释
所有关于氢含量的表述均以体积百分比表示。
埃克森美孚技术与工程公司拥有众多附属公司，其中许多公司的名称中包含“埃克森美孚”、“埃克森”、“美孚”、“埃索”和“XTO”等字样。为方便起见并简化表述，这些术语以及“公司”、“本公司”、“我们的”、“我们”和“其”等术语有时会被用作对一家或多家特定附属公司或附属公司集团的简略指代。 出于方便和简洁的考虑，有时也会使用简略表述来描述全球或区域性的运营组织，以及全球或区域性的业务线。本文中的任何内容均无意凌驾于关联公司的法人独立性之上。
参考文献
- 《技术公报：氮氧化物（NOx）——控制的原因与方法》，美国环境保护署，（1999年11月），https://www3.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf