Progressi nella tecnologia dei bruciatori
Eric Pratchard e Todd Grubb, Zeeco, Inc. (USA), insieme a Hector Ayala, Aloke Sarkar e HS Lee, della ExxonMobil Technology and Engineering Company (USA), analizzano l’impatto che i progressi nella tecnologiadei bruciatori a emissioni ultra-bassedi NOx potrebbero avere sulla combustione a idrogeno esulle emissioni di NOx .
Bruciatore ZEECO JET® Gen 3 alimentato al 100% con idrogeno
Il rispettodegli impegni globali in materia di zero emissioni nette richiede una significativa decarbonizzazione del settore petrolifero e del gas, nonché di altre industrie pesanti. Un modo per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione consiste nell’utilizzare l’idrogeno come combustibile per i bruciatori di processo a concentrazioni vicine al 100% in volume, in sostituzione dei combustibili a base di idrocarburi.Gli attualibruciatori a bassissimeemissioni di NOx (ULNB) e i nuovi modelli di bruciatori possono incontrare difficoltà con elevate concentrazioni di idrogeno a causa dell’aumentato rischio di ritorno di fiamma e dei costi elevati per la gestionedelle emissioni di NOx , poiché la maggiore temperatura della fiamma dell’idrogeno porta auna produzione più adiabaticadi NOx . Con l’aumentare della domanda di soluzioni migliori con minoriemissioni di carbonio eNOX , il settore necessita di un bruciatore ULNB adatto alla combustione al 100% di idrogeno, in grado di mantenereemissioni di NOX molto più basse e che sia facile da integrare nei riscaldatori a combustione esistenti, al fine di ridurre al minimo l’esborso di capitale necessario per decarbonizzare i processi chiave delle raffinerie.
Per soddisfare tale domanda, Zeeco ExxonMobil hanno collaborato alla progettazione, allo sviluppo, al collaudo e all’implementazione di un nuovo modello ULNB di nuova generazione in grado di bruciare idrogeno al 100% oltre a un’ampia gamma di composizioni di gas combustibile, producendo al contempoemissioni di NOX significativamente inferiori senza ricorrere a sistemi di controllo aggiuntivi complessi o costosi né a soluzioni per la riduzione delle emissioni. Il nuovo bruciatore non utilizza il ricircolo esterno dei gas di combustione né la tecnologia di premiscelazione magra e soddisfa gli obiettivi sia nei sistemi a tiraggio naturale che in quelli a tiraggio forzato, con aria di combustione ambiente o preriscaldata.
Le aziende hanno condotto congiuntamente una serie di test sui bruciatori, sia in configurazione singola che multipla, in un’ampia gamma di condizioni di processo. I risultati dei test hanno evidenziato una buona stabilità della fiamma, ottime prestazioni e una riduzione delle emissioni, con dimensioni della fiamma simili a quelle degli ULNB di attuale generazione. ExxonMobil ha installato i nuovi bruciatori, denominati FREE JET 3™, in un riscaldatore di processo presso il proprio stabilimento di Baytown, in Texas (USA). I primi risultati operativi sono stati in linea con i test sulle prestazioni dei bruciatori, i quali stanno garantendo la riduzione delle emissioni e la flessibilità operativa previste.
Le attuali tecnologie emergenti e i sistemi di riduzione catalitica selettiva (SCR), considerati possibili alternative a questo nuovo modello di bruciatore, possono risultare complessi, costosi e richiedere sistemi di protezione aggiuntivi o particolari requisiti operativi.
La combustione di combustibili a base di idrocarburi contenenti fino all’80% di idrogeno riduce della metàle emissioni di CO₂ . Per ottenere riduzioni ancora maggiori delle emissioni di carbonio, è necessaria una concentrazione di idrogeno più elevata, probabilmente vicina al 95%, al fine di raggiungere gli obiettivi di emissioni nette pari a zero. Pertanto, per soddisfare gli obiettivi del settore in materia di decarbonizzazione, è necessario che sia disponibile in commercio un bruciatore di processo in grado di bruciare in modo sicuro ed economicamente vantaggioso quasi il 100% di idrogeno.
La maggior parte dei riscaldatori a combustione e dei forni di processo odierni è stata progettata per la combustione di gas naturale o di gas combustibili da raffineria, che contengono un’elevata percentuale di idrocarburi oltre a idrogeno, gas inerti e tracce di altri composti. Il contenuto di idrogeno nei tipici gas combustibili da raffineria può variare tra il 20 e il 40%. Quando si convertono i bruciatori per la combustione di gas ad alto tenore di idrogeno, sono necessarie concentrazioni comprese tra il 90 e il 100%, il che modifica i parametri di funzionamento del bruciatore, richiedendo adeguamenti al progetto per garantire un funzionamento ottimale del bruciatore e del generatore di calore.
La velocità di propagazione della fiamma dell’idrogeno è significativamente superiore a quella dei tipici combustibili idrocarburici, il che comporta una combustione più rapida e un maggiore rilascio di calore per unità di volume. La velocità di propagazione della fiamma nella combustione dell’idrogeno è di circa 1,7 m/s (5,6 ft/s), mentre quella del gas naturale è significativamente più lenta, pari a soli 0,4 m/s (1,3 ft/s). Inoltre, la temperatura adiabatica stechiometrica della fiamma dell’idrogeno (2182 °C o 3960 °F) è superiore a quella del gas naturale (1937 °C o 3520 °F). L’elevata velocità della fiamma dell’idrogeno fa sì che la combustione avvenga più rapidamente rispetto a quella del gas naturale. Questo rapido processo di combustione rilascia l’energia di combustione in un volume più ridotto, determinando temperature elevate localizzate in prossimità della fiamma, il che aggrava l’effetto delle temperature di picco adiabatiche della fiamma, intrinsecamente elevate, sui tassidi emissione di NOx . Qualsiasi zona con temperature superiori a 760 °C (1370 °F) favoriscela formazione di piccole quantitàdi NOX e, a temperature superiori a 1100 °C (2000 °F),i NOX aumentano in modo esponenziale.1
Gli attuali ULNB producono spesso il 50% in piùdi emissioni di NOX quando si passa da combustibili a basso tenore di idrogeno a quelli ad alto tenore. Si prevede che i requisiti normativi locali relativi ai limitidi emissione di NOX continuino ad aumentare, indipendentemente dall'utilizzo dell'idrogeno come combustibile. Pertanto, i modelli ULNB di nuova generazione, adatti alla combustione al 100% di idrogeno, devono anche ridurrele emissioni di NOX in misura maggiore rispetto alla generazione attuale di ULNB.
Tecnologie ULNB attuali
Nel corso dei decenni, la progettazione dei bruciatori di processo è migliorata e sono state implementate diverse tecnologie per ridurrele emissioni di NOx , concentrandosi principalmente sulla manipolazione di aree localizzate della miscela aria/combustibile al fine di creare zone di combustione ricche o povere di combustibile, con l’obiettivo di abbassare la temperatura di picco della fiamma e ridurrela formazione di NOx . La modulazione dell’aria, la modulazione del combustibile, il ricircolo interno dei gas di combustione (IFGR) e la premiscelazione povera sono state le tecniche principali per ridurregli NOX con gli ULNB attualmente disponibili. Tuttavia, queste tecniche non sono in grado di soddisfare le esigenze della combustione ad alto contenuto di idrogeno mantenendole emissioni di NOX entro i limiti consentiti.
Le tecnologie emergenti hanno cercato di utilizzare combinazioni di questi metodi, e concetti come la “combustione senza fiamma” si sono dimostrati promettenti. Tuttavia, questi modelli di bruciatori richiedono l’aggiunta di hardware complesso, controlli sofisticati e sistemi di protezione alle apparecchiature esistenti. Inoltre, questi bruciatori sono tipicamente limitati alle installazioni a tiraggio forzato, il che li rende inadatti alla maggior parte degli interventi di retrofit senza un investimento significativo, poiché la maggior parte dei riscaldatori a combustione funziona a tiraggio naturale. Alcuni di questi modelli utilizzano anche tecnologie di premiscelazione povera, che possono presentare potenziali limitazioni relative al ritorno di fiamma quando si bruciano combustibili ad alto contenuto di idrogeno, specialmente nella fascia più bassa del rilascio di calore del bruciatore (cioè a regimi di funzionamento ridotti del bruciatore).
L'installazione di un sistema SCR rappresenta un'alternativa per far frontealle maggioriemissioni di NOX dovute a un elevato utilizzo di idrogeno come combustibile. Un sistema SCR è un sistema di post-combustione installato nel condotto dei fumi a valle della sezione di convezione. I sistemi SCR possono ridurrele emissioni di NOX fino al 95%, ma la loro installazione comporta una spesa in conto capitale significativa e presenta sfide operative a lungo termine. Inoltre, il fabbisogno di spazio aggiuntivo richiesto da un sistema SCR può rappresentare una sfida, specialmente in caso di adeguamento di impianti esistenti. Infine, i sistemi SCR devono essere utilizzati entro i limiti specificati di temperatura dei fumi e di portata di iniezione di ammoniaca/urea per evitare il deterioramento del letto catalitico e/o la fuoriuscita di ammoniaca nell’atmosfera.
Tecnologia ULNB avanzata
Per affrontare queste sfide del settore è necessario un bruciatore di processo compatibile al 100% con l’idrogeno, senza controlli complessi, sistemi aggiuntivi o requisiti specifici in termini di spazio e forma. ExxonMobil e Zeeco alla progettazione di un nuovo bruciatore in grado di soddisfare i requisiti sopra indicati e di passare da una varietà di miscele di combustibili all’idrogeno al 100% e viceversa. Il bruciatore risultante è un progetto in attesa di brevetto che incorpora una nuova configurazione quadrata delle piastrelle del bruciatore e un adattamento della collaudata tecnologia ULNB per ridurre significativamentele emissioni di NOX . Le due aziende hanno collaborato alla progettazione, ai test prestazionali e alle prove sul campo del progetto per verificare che fosse in grado di raggiungere, in modo sicuro ed economicamente vantaggioso, gli obiettivi prestazionali e di emissioni prefissati.
Le precedenti generazioni di bruciatori di processo basati FREE JET presentavano ugelli di alimentazione a più stadi con un unico orifizio di alimentazione. Ciò ottimizzava il vantaggio dell’IFGR nel rendere più magra la miscela di combustibile e, in combinazione con la forma circolare delle piastrelle, produceva una composizione della miscela di combustibile quasi universalmente magra lungo il bordo di combustione del bruciatore. Le punte di combustione primarie, situate lungo il diametro interno della gola del bruciatore, garantivano la stabilità del bruciatore, mentre la temperatura uniforme della fiamma derivante dalla miscela di combustibile ha generatoprestazioni positive in termini diNOx per oltre due decenni.
Il nuovo design del bruciatore a piastrelle quadrate si basa sui consolidati FREE JET , ma introduce anche un nuovo modo di distribuire il combustibile e l’aria per ridurre ulteriormentela generazione termicadi NOx . Il nuovo bruciatore riduce il numero di ugelli di alimentazione a più stadi, ma aggiunge a ciascun ugello più aperture che erogano la miscela di combustibile lungo la superficie delle piastrelle. Il minor numero di punti di immissione del combustibile e la nuova forma quadrata delle piastrelle creano aree non uniformi con miscele di combustibile ricche e magre. Queste aree non uniformi fanno sì che gli ugelli primari che generano
È possibile individuare livelli più elevati diNOX termico in una zona a miscela magra, al fine di ridurre la temperatura complessiva della fiamma prodotta dal combustibile primario e da quello a iniezione graduale. La zona situata tra le punte primarie presenta una miscela più ricca di combustibile che rimane stabile senza l’ausilio della punta primaria.
Il nuovo design a piastrelle quadrate garantiscevalori di NOx a una cifra durante la combustione di combustibili tipici delle raffinerie e mantiene prestazioni elevate anche con combustione al 100% di idrogeno. Le prestazioni stabili, affidabili e pratiche con un’ampia varietà di combustibili consentono agli operatori di utilizzare idrogeno al 100%, un’ampia varietà di composizioni di gas combustibile da raffineria/petrolchimico, gas naturale al 100% e grandi volumi di gas a basso potere calorifico (LBG), nonché di passare più facilmente da un combustibile all’altro. Il bruciatore è in grado di raggiungere un rapporto di regolazione (turndown) di 5:1 nella potenza termica. Le dimensioni delle piastrelle del bruciatore sono paragonabili a quelle dei bruciatori esistenti con potenza termica simile e utilizza un unico collegamento del gas combustibile primario al bruciatore per limitare le modifiche alle tubazioni del gas combustibile. Questo design non richiede controlli aggiuntivi del combustibile o dell’aria, né sistemi di protezione. La Figura 1 mostra il nuovo design del bruciatore installato in un’unità operativa che è in funzione da quasi un anno.
Figura 1: Nuovi bruciatori installati in un'unità in funzione
Questo progetto non utilizza la tradizionale metodologia della premiscelazione povera, eliminando così il rischio di ritorno di fiamma nel bruciatore. Non è necessario alcun ricircolo esterno dei fumi. Inoltre, il bruciatore può funzionare sia in modalità a tiraggio forzato che a tiraggio naturale e con aria di combustione ambiente o preriscaldata.
La figura 2 illustra le prestazioni in terminidi emissioni di NOX rispetto ai moderni bruciatori ULNB. Questo nuovo modello di bruciatore garantisce una riduzione delleemissioni di NOX di circa il 50%, consentendo al contempo di bruciare fino al 100% di idrogeno senza compromettere la stabilità della fiamma.
Figura 2: Risultati dei test sui bruciatori relativi alle prestazioni in termini diNOx del FREE JET 3 su una gamma di miscele di idrogeno come combustibile, confrontate con i valoridi NOx misurati su vari UNLB di attuale generazione
Risultati dei test delle prestazioni
Il nuovo progetto del bruciatore è stato sottoposto a rigorosi test in varie condizioni operative per verificarne le prestazioni e perfezionarne la progettazione. L’ampio programma di sviluppo delle aziende ha incluso prove su bruciatori singoli e multipli, con aria ambiente e preriscaldata, in applicazioni a tiraggio forzato e naturale; nonché la combustione di gas naturale, miscele tipiche di gas combustibile da raffineria/petrolchimico, idrogeno al 100% e gas di scarico LBG. I test sul progetto definitivo hanno evidenziato buone prestazioni e stabilità della fiamma in un ampio intervallo di composizioni del gas combustibile. Le tabelle da 1 a 4 riassumono i risultati delle prove sui bruciatori nelle varie condizioni.
La figura 3 mostra i test su un singolo bruciatore condotti con diverse concentrazioni di idrogeno nelle miscele di combustibile. Come si può notare dalle immagini, il bruciatore sottoposto a test era dotato di un ugello per la combustione di LBG (il grande ugello circolare al centro del bruciatore), ma l’LBG non era in funzione al momento dello scatto delle fotografie.
Figura 3: Prova su un singolo bruciatore che mostra diversi livelli di idrogeno nel gas naturale
I risultati dei test dimostrano che il bruciatore è pienamente in grado di funzionare al 100% con idrogeno e garantisce una riduzione delleemissioni di NOx pari a circa il 50%, con valoridi emissione di NOx a una cifra nel funzionamento a gas naturale. Anche con alimentazione al 100% di idrogeno,le emissioni di NOx si sono attestate a valori vicini a una cifra, pari a circa 10 ppm(v) nell’applicazione a tiraggio naturale e a 9 ppm(v) in quella a tiraggio forzato, valori corretti al 3%di O₂ in condizioni di secco . È stato osservato chele emissioni di NOX aumentano all’aumentare del contenuto di idrogeno nel gas combustibile, ma raggiungono il picco a circa l’80% di idrogeno per poi diminuire oltre tale soglia fino alla combustione al 100% di idrogeno, come evidenziato dai dati relativi al Combustibile C nella Figura 3. Le analisi del CO ei profili di O₂ hanno verificato che la lunghezza e la larghezza della fiamma sono paragonabili a quelle degli ULNB di attuale generazione. I test sul CO hanno verificato la stabilità dei bruciatori indipendentemente dalla composizione del combustibile.
Sono state condotte prove con più bruciatori per esaminare i potenziali effetti negativi delle interazioni tra le fiamme sulleemissioni di NOX e si è riscontrato che tali impatti erano trascurabili. Poiché molti riscaldatori a combustione esistenti di vecchia generazione presentano bruciatori distanziati in modo più ravvicinato rispetto alle raccomandazioni della norma API 560, sono state condotte ulteriori prove sui bruciatori con una distanza tra i bruciatori inferiore a quella raccomandata dalla norma API 560. L’aumentodelle emissioni di NOX è risultato inferiore al 20% quando la distanza tra i bruciatori è stata ridotta al 75% di quella raccomandata dalla norma API 560 in un ampio intervallo di combustibili, compreso l’idrogeno al 100%.
Risultati delle prove sul campo
ExxonMobil ha installato 12 bruciatori FREE JET 3 di Zeecoin uno dei riscaldatori cilindrici verticali del proprio impianto di Baytown per l’applicazione sul campo all’inizio del 2024. I bruciatori sono a tiraggio forzato con aria preriscaldata, adatti anche al funzionamento a tiraggio naturale con aria ambiente, e hanno una potenza termica nominale di 9,8 milioni di Btu/ora (su base LHV) ciascuno. Le emissioni di CO sono rimaste conformi anche durante la messa in servizio, senza la necessità di adottare ulteriori misure di mitigazione.
Le emissioni di CO sono rimaste al di sotto di una media mobile oraria di 50 ppm anche durante le operazioni di avviamento. I rapporti sul campo hanno confermato che tutti i bruciatori sono rimasti stabili anche a basse potenze di combustione e con un eccesso di ossigeno fino al 10% in volume (umido). I test preliminari sulle emissioni sono stati effettuati con i bruciatori che funzionavano tra il 60 e il 75% del rilascio di calore previsto, con una concentrazione di idrogeno nel gas combustibile compresa tra il 45 e il 60% e con una temperatura dell’aria di combustione compresa tra 135 e 230 °F.Le emissioni di NOX misurate, una volta corrette al 3%di O₂ ( a secco) e a una temperatura della parete del ponte termico di 1600 °F, sono rimaste pari o inferiori a 12 ppm. Ciò ha confermato i risultati dei test prestazionali.
Conclusione
Nei prossimi anni ci sarà una domanda di bruciatori ULNB di nuova generazione adatti alla combustione al 100% con idrogeno, ma conemissioni di NOx notevolmente inferiori. Questi bruciatori devono essere facili da integrare nei riscaldatori a combustione esistenti, facili da installare sui nuovi riscaldatori a combustione e devono avere requisiti minimi in termini di componenti hardware e sistemi di controllo.
Questo bruciatore ULNB di nuova generazione, di recente sviluppo, soddisfa le esigenze del settore e consente di rendere un impianto pronto per l’idrogeno già oggi, in vista del prossimo passaggio a questo combustibile. Il bruciatore è adatto sia ad applicazioni a tiraggio naturale che a tiraggio forzato, sia con aria ambiente che con aria preriscaldata, ed è in grado di gestire un’ampia gamma di composizioni di gas combustibile, compreso l’idrogeno al 100% – ed è stato collaudato in installazioni sul campo. Il bruciatore mantiene le prestazioni e le dimensioni della fiamma degli ULNB di attuale generazione, riducendo al contempo in modo significativole emissioni di NOx .
Note
Tutti i riferimenti al contenuto di idrogeno in % si intendono in % in volume.
ExxonMobil Technology and Engineering Company ha numerose affiliate, molte delle quali con nomi che includono ExxonMobil, Exxon, Mobil, Esso e XTO. Per comodità e semplicità, tali termini e altri quali “Corporation”, “società”, “nostro”, “noi” e “sua” vengono talvolta utilizzati come riferimenti abbreviati a una o più affiliate specifiche o a gruppi di affiliate. Talvolta, per comodità e semplicità, vengono utilizzati anche riferimenti abbreviati che descrivono organizzazioni operative globali o regionali e linee di business globali o regionali. Nulla di quanto contenuto nel presente documento è inteso a prevalere sulla separazione societaria delle società affiliate.
Riferimento
- “Bollettino tecnico: Ossidi di azoto (NOx), perché e come vengono controllati”, Agenzia per la protezione dell’ambiente degli Stati Uniti, (novembre 1999), https://www3.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf