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摘 要：工业锅炉在工业领域的加热、空调、杀菌/灭菌等各种用途中被广泛使用，是制造廉价且高效的传热介质蒸汽的重要工业机械。本文介绍了三浦工业为实现工业锅炉的碳中和而做出的努力及其背景，以及直流锅炉中的氢燃烧技术。
关键字：氢燃烧技术、工业锅炉、低NOx燃烧技术、氢能社会、碳中和
工业锅炉在工业领域的加热、空调、杀菌/灭菌等各种用途中被广泛使用，是制造廉价且高效的传热介质蒸汽的重要工业机械。在工业锅炉中，多管式直流锅炉的压力容器部主要由管构成，因此具有很高的耐压爆安全性；由于保有水量少，因此蒸汽产生时间短，负荷跟随性优异；此外，其结构紧凑，因此具有散热损失小、热效率高的优点。由于这些优势，如图1所示，该类锅炉在日本市场占有率为80%（蒸发量比例），动态台数占有率为95%以上，成为工业/商用锅炉的主流。
图1 日本蒸汽锅炉市场
另一方面，针对全球变暖引起的气候变化问题，面向碳中和的行动正在加速进行。其中，作为碳中和燃料的氢受到了广泛关注，有望在工业用热的脱碳中发挥重要作用。本文介绍了三浦工业为实现工业锅炉的碳中和而做出的努力及其背景，以及直流锅炉中的氢燃烧技术。
近年来，世界各地频繁发生暴雨、洪水、森林火灾等气象灾害，这被认为是全球变暖的影响。为减少温室气体的排放，2015年签署了《巴黎协定》，世界各国制定了具体的数值目标。在日本，前首相菅义伟在2020年10月26日提出“到2050年温室气体净零排放”的目标，2021年4月又提出2030年与2013年度相比温室气体排放减少46%，同时向更高的50%挑战的目标。
以日本经济产业省为中心制定了“2050年碳中和绿色增长战略”，规划了14个领域中的高目标和行动计划。在包括工业领域在内的非电力部门，示出了以电气化为中心，通过加氢和CO2回收来满足热需求的策略。
此外，2021年10月22日日本内阁通过的《第六次能源基本计划》提出，在工业部门，除了通过彻底节能来提高能源使用效率外，需要通过推广电气化，扩大脱碳电力的利用，以实现碳中和。
在工业用热中也考虑基于电气化技术进行脱碳，但对于大规模的高温热需求，电气化在经济、热量、结构上难以应对。对于这种难以电气化的热需求，可以选择将燃料转换为氢、合成甲烷、合成燃料等碳中和燃料。
氢作为一种清洁能源，不仅在工业部门，在发电、运输等中也得到了广泛应用，有望在实现碳中和方面发挥重要作用。可以认为，降低供应成本并在广泛的领域创造需求对于其普及/扩大非常重要，氢燃料锅炉的开发有助于在工业部门创造氢需求。
基于上述背景，为实现碳中和，三浦工业正在努力进一步提高现有产品的节能性，开发热泵和燃料电池，并且开发可处理碳中和燃料的直流锅炉。
其中，以氢为燃料的直流锅炉于2017年开发并投入市场。目前，由于氢的流通性和经济性原因，该类锅炉还没有得到广泛的普及，几乎全是在生产副产氢的工厂中使用。
除了副产氢工厂的利用之外，其还被用于NEDO在山梨县进行的P2G系统技术开发和实证研究。今后，为了氢能设备的普及/扩大，预计将在各地进行各种实证。
3.1. 氢的特性和技术问题
表1示出了氢和一般气体燃料的燃烧特性。相比其他燃料，氢气的层流燃烧速度快、燃烧范围广、最小点火能量小且极易燃烧，需要一种充分考虑到安全性和燃烧器烧损的设计。此外，由于绝热火焰温度高，容易产生热力型NOx，因此需要一种低NOx燃烧技术。
表1 氢和一般气体燃料的燃烧特性
3.2. 安全设计
氢与一般的气体燃料相比燃烧速度快，可能导致火焰返回燃料管道的回火现象。在氢燃料锅炉中，会在燃料管道中安装防止回火现象的装置，使火焰不返回。此装置被称为回火防止器，根据防火结构的不同有多种类型，三浦工业采用了防火性能最高的波纹板式（卷曲带式），提高了安全性。如图2所示，该波纹板式的类型为组合了金属的波纹板和平板的构造，流路面积非常窄，当火焰通过时，金属吸热使火焰熄灭。
图2 回火防止装置
此外，氢的可燃范围很广，即使少量空气也能燃烧，因此需要注意空气流入氢管道中。但是，当锅炉停止燃烧时，在氢管道中会产生一些残留氢，可能会与从炉膛、供气口流入的空气混合组成可燃混合气。作为安全控制，加入了用惰性气体氮气吹扫管道中残留氢的功能。如图3所示，当燃烧停止时，氢残留在截止阀的二次侧，因此在该位置安装氮气供应管线，以便在燃烧停止时使氮气流动来吹扫残留氢。
图3 氢管道的氮气吹扫
3.3. 低NOx燃烧技术
氢的绝热火焰温度高，因此容易产生热力型NOx，其减少是一个技术问题。为了减少热力型NOx，采用与一般的气体燃料相同的方法，如喷射水或水蒸气、将部分燃烧废气混入助燃空气、浓淡燃烧、分焰燃烧、稀薄燃烧。三浦工业从防止回火的观点出发，采用预混燃烧方式，并利用鼓风机使部分燃烧废气再循环的低NOx燃烧技术，2017年开发出了日本首台100%燃氢的直流锅炉。其NOx产生量为110ppm（O2=5%换算）以下，低于大气污染防治法规定的150ppm（O2=5%）。
然而，仍然无法满足沿海城市的NOx排放限制，且存在成本增加（鼓风机的大型化、循环管道、流量控制设备的安装等）的问题。为了解决这些问题，开发了一种新型低NOx燃氢技术。
作为一种低NOx燃烧技术，采用了燃烧气体再循环方式和分割火焰方式——燃烧气体再循环方式，将助燃空气高速喷入燃烧室，吸引炉内燃烧气体，减缓燃烧反应，以此抑制局部火焰温度上升；分割火焰方式则通过从多个喷嘴喷射燃料来分割火焰，以此抑制火焰温度上升。通过优化空气和燃料喷射位置等，能够在等效蒸发量为2000kg/h（热输出为1254kW）时将NOx产生量控制在50ppm（O2＝0％换算）以下。
通过这种低NOx燃烧技术，首次实现了使用氢燃料的低NOx蒸汽锅炉（图4）。
图4 使用氢燃料的直流蒸汽锅炉
（SI-2000AS-H2A）
三浦工业为了实现工业用热的碳中和，正在推进开发以彻底提高现有产品和系统的节能性能。虽然存在各种技术创新等的不确定性、形势变化的不透明性，但可以预见氢能社会的最终到来，三浦工业将继续面向未来氢能社会需求，推进产品开发。
翻译：李艳雪
审校：李 涵
统稿：李淑珊
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