不断上涨的燃料成本，要求减少碳足迹的新法规，以及全球零碳倡议，继续对炼油和化学工业市场造成压力。减少一氧化碳和二氧化碳排放的两个主要方法是捕获和封存燃料气体中的碳，或在燃烧前从燃料中去除碳。
许多组织正在考虑用可持续的、低碳的燃料来为现有的燃烧设备加油。其中一种燃料是氢气（H2），它可以通过可再生能源（绿色氢气）或通过改造天然气（蓝色氢气）来生产。在燃烧前去除碳，就不需要在燃烧过程中使用昂贵的设备来捕获和封存碳。
无论是通过绿色或蓝色资源生产的，还是从现有工厂工艺中回收的，H2都可以注入现有的燃料气体网络，以生产高氢气混合物，或以纯粹的形式用于燃烧加热炉和工艺炉的燃料。随着H2取代燃料成分中的碳氢化合物，碳原子的数量减少。由于燃烧反应中缺乏碳，由100%的H2组成的燃料流不能产生CO或CO2作为燃烧的副产品。因此，燃料的H2含量越高，整体的CO和CO2排放量就越低。
由于氢气的燃烧特性与传统的碳氢化合物燃料气体相比有很大的不同，工厂负责人和操作员在切换到燃烧氢气时需要考虑几个挑战。
设计挑战
目前存在的大多数燃烧式加热炉和工艺炉是为燃烧天然气或炼油厂燃料气体而设计的，这些气体含有高比例的饱和碳氢化合物，并含有氢气、惰性气体和微量的其他化合物。炼油厂燃料气体的氢含量按体积可在20-40%之间变化，H2浓度可能达到90-100%。这种数量的氢气会改变燃烧器的运行参数，因此必须特别注意燃烧器的设计，以确保加热炉的运行不受不利影响。首先，氢气的层状火焰速度明显高于碳氢化合物燃料，促进了更快速的燃烧过程，增加了单位体积的热量释放。将这一事实与更高的绝热火焰峰值温度结合起来，导致火焰局部温度升高，这直接增加了氮氧化物排放率，最高可达3倍。采用超低氮氧化物燃烧器技术可以帮助在燃烧高氢燃料时保持在法律规定的氮氧化物排放 。
图1：柘科FREE JET燃烧器的等距和剖面图，显示了分级的燃料立管，以创造必要的湍流和混合区，抵消氢气火焰的高速。
例如，H2燃烧的火焰速度约为5.7英尺/秒，而天然气的火焰速度则明显较慢，只有1.3英尺/秒。H2燃烧具有较高的绝热火焰温度3960°F，而天然气的绝热火焰温度为3518°F。1 这些燃烧特性的显著差异要求工程师评估燃烧器结构中使用的材料和使用的燃烧器类型。典型的燃烧器结构包括各种金属部件和耐火材料喉部或烧嘴砖。H2的火焰温度升高，需要将用于喷嘴结构、喉部结构和火焰稳定器的钢材升级为更高等级的不锈钢或合金。燃烧器内使用的耐火材料应仔细评估，并修改其成分，以承受H2燃烧的高温特性。燃烧H2的燃烧器中使用的钢不应该容易受到氢脆和高温氢气侵蚀的影响。这两种现象都会使选择不当的钢过早退化，导致燃烧器部件的早期失效。增加燃料气体中的氢气含量会降低燃料的比重，导致燃料气体的质量流速下降。因此，往往需要增加燃料气体的压力以达到相同的燃烧器热量释放。因此，应评估燃烧器喷嘴的设计和燃料气体管道，并根据需要重新调整尺寸。此外，现有的加热炉安全联锁和跳车设置也需要进行审查，并根据高氢燃料的情况进行修改。例如，炉子的TDL系统和带有UV/IR检测的火焰检测器可能不再适用，需要考虑能够检测高氢火焰的替代技术。这些方面都是通过加热炉影响研究来涵盖的。
用于高氢燃烧的改造燃烧器
为了利用高氢燃料并保持在法律规定的氮氧化物排放，有必要利用超低氮氧化物燃烧器技术。在燃烧高氢燃料时，扩散型燃烧器与预混合型燃烧器存在不同的挑战；我们将单独讨论每种类型的燃烧器。
超低氮扩散式燃烧器
柘科超低氮氧化物FREE JET燃烧器利用内部烟气再循环，在与助燃空气混合之前用惰性燃烧产物对燃料气体进行修复。翻新的燃料混合物延长了燃烧反应的时间，从而降低了火焰的峰值温度和热氮氧化物的产生。该燃烧器使用90%氢燃料，无需蒸汽喷射或燃烧后排放控制，可实现氮氧化物排放量低于50mg/Nm3。其原理是依靠从喷头喷出的燃料气体的动量转换来夹带烟气。为了实现这一目标，通过烧嘴砖外侧的气嘴环，注入离散的高速气体射流。这些气体射流有助于抵消氢气火焰的高火焰速度，确保在广泛的操作范围内有一个稳定和强大的火焰。在燃烧高氢燃料气体时，另一个考虑因素是使用低质量气体喷嘴的燃烧器。在FREE JET燃烧器的例子中，气体喷嘴突出炉底约25毫米，因此气体喷嘴轮廓上的热强度大大降低。这意味着气嘴的设计适合于承受氢气燃烧时特有的高温，并延长操作寿命。
超低氮的预混合辐射墙式燃烧器
预混辐射墙式燃烧器，如乙烯裂解炉中常用的，在燃烧高氢燃料时，由于有回火的倾向，会带来完全不同的挑战。正因为如此，燃烧器设计者必须考虑每种特定燃料成分的可燃性窗口和火焰速度。纯甲烷的可燃性窗口在5%和17%之间，火焰速度为1.3英尺/秒。这意味着，当与空气混合的浓度在5%和17%之间时，甲烷将以该速度支持燃烧。氢气的可燃性窗口在4%和74%之间，火焰速度为5.7英尺/秒。随着工业界将氢气浓度推高，设计燃烧器的出口速度能够克服这种火焰速度的增加变得越来越困难，特别是考虑到燃烧器在天然气和高氢气混合燃料上运行的共同要求。如果设计者弄错了这种平衡，火焰将在燃烧器内部传播。这被称为回火，会对燃烧器部件的机械完整性和热氮氧化物排放水平造成损害。为了克服这一技术挑战，柘科开发了一种辐射墙式燃烧器设计，能够燃烧90%以上的氢气燃料组合，同时产生低于100mg/Nm3的氮氧化物排放水平。这种燃烧器的设计采用了专有的燃料分级设计，产生了两个独立的混合区，从喷嘴出来。这种组合允许燃烧器在贫气区产生所需的出口速度，以防止回火，同时在富气区延迟燃烧足够长的时间，使燃料与惰性烟气产品混合。
图2：柘科长明灯燃烧高氢燃料的例子
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.
火焰检测器
传统的火焰扫描仪被配置为检测紫外、可见和红外光谱中的燃烧辐射。确切的光谱范围是基于碳氢化合物燃料燃烧时的波长特征。紫外线和红外线成分根据所使用的特定类型的燃料而变化；因此，传统的扫描器有很宽的光谱范围，允许在各种气态和液态燃料上操作。当燃烧高氢燃料时，没有碳意味着燃烧过程中产生的辐射光谱范围明显变窄，并更多地向紫外线光谱转移。因此，依靠紫外和红外光谱范围的扫描仪会遇到火焰峰值信号减弱的情况，导致干扰性跳闸。对于只利用紫外光谱范围进行火焰检测的扫描仪（没有红外成分），峰值响应发生在OH-自由基还原波长处。因此，火焰中没有碳并不妨碍扫描仪检测来自目标燃烧器的辐射的能力。一个例子是柘科ProFlame扫描仪，它可以可靠地检测100%的氢气火焰，这是燃烧高氢燃料时的一个关键的炉子安全联锁。在燃烧高氢燃料时，由于火焰速度增加，燃烧器的火焰可能变得更短。因此，正确瞄准火焰扫描仪以确保其与目标火焰对齐是非常重要的。这将减少火焰扫描仪检测到不必要的背景信号的机会。
长明灯
燃烧式加热炉上使用的大多数长明灯都是自吸式的，这意味着空气在燃烧前会自然诱导与燃料气体混合。当使用高氢长明灯时，长明灯管内发生回火的机会增加。长明灯关键是要采用能够在长明灯气体成分高达90%的氢气上燃烧而不发生闪回的设计，以避免对长明灯本身和任何内部组件的损害。例如，一些长明灯设计利用一个可调节的空气门来手动控制气流，并在燃烧高氢燃料时防止闪回。随着氢含量的增加，空气门必须进一步关闭，以保持喷射速度并防止回火。
长明灯火焰检测
许多用于燃烧加热炉的长明灯都配备了离子杆，用于长明灯火焰检测。火检杆通过电离/矫正过程来完成电路的工作。当火检杆通电时，电流产生正电荷，吸引火焰中的负离子。燃烧过程中产生的正离子被吸引到长明灯喷头的接地区域。通过吸引更多的正离子到地面，电子流被整流并向一个方向流动。这就产生了一个直流电信号，表明火焰的存在。为了使电离系统正常工作，火焰中必须有大量的离子存在。与有机化合物相比，氢气火焰产生的离子很少，所以产生的电流很弱，不能被火焰电离模块检测到。因此，对于高氢燃料来说，火检杆并不是一种合适的长明灯火焰检测方法，必须考虑其他的长明灯火焰检测方法。长明灯火焰检测的一种方法是使用安装在长明后端的火焰检测器。火焰检测器的视线在长明灯喷头以检测火焰。长明灯喷头的防护罩可以进行特殊的修改，这样火焰检测器就不会检测到来自主燃烧器火焰的信号。
仪表和控制方面的考虑
利用H2作为燃料来源时，需要考虑的最后一个问题是安全燃烧所需的控制和仪表。任何燃烧器，只要被设计成具有从天然气到高H2含量的不同燃料成分，都应该具有完全计量的燃烧控制系统，在某些情况下还应该有一个Wobbe指数计或比重计。沃贝指数仪监测变化的燃料流成分，并向控制系统提供必要的输入，以适当调整燃烧控制系统中的燃料/空气比控制。如果无法监测燃料流成分并根据这些变化调整燃烧控制系统，就会导致潜在的不安全的燃料富集状况。