Le caratteristichedi combustionedell'H2 sono molto diverse da quelle del gas naturale.
Un bruciatore ZEECO GB a basse emissioni di NOx che brucia il 100% di gas H2.
Il mercato odierno della generazione di vapore è continuamente rimodellato dall'aumento dei costi dei combustibili e dalle nuove normative che richiedono la riduzione dell'impronta di carbonio. Le nuove normative impongono ai generatori di vapore di ridurre le emissioni di monossido di carbonio (CO) e di anidride carbonica (CO2). I due principali metodi esistenti per ridurre le emissioni di CO eCO2 sono progettati per catturare e sequestrare il carbonio nel gas combustibile o per rimuovere il carbonio dal combustibile prima della combustione. La cattura del carbonio dal combustibile sta diventando il metodo più conveniente. La rimozione del carbonio prima della combustione comporta il reforming del gas naturale - principalmente metano (CH4) - e la cattura dell'atomo di carbonio, mentre gli atomi di idrogeno (H2) vengono utilizzati come fonte di combustibile. La cattura del carbonio prima della combustione elimina la necessità di dotare ogni caldaia delle costose apparecchiature necessarie per catturare e sequestrare il carbonio.
L'instabilità del costo del combustibile spinge i clienti finali a considerare fonti di combustibile alternative che potrebbero già avere a disposizione, come l'H2 residuo di vari processi di reforming e raffinazione. Invece di bruciare o rilasciare l'H2 in eccesso, è possibile iniettarlo nel flusso di gas combustibile per integrare la fornitura di combustibile principale. Applicando le competenze e l'esperienza adeguate, la combustione diH2 nei sistemi di generazione di vapore può ridurre notevolmente i costi operativi del carburante, contribuendo al contempo a soddisfare le nuove normative sulle emissioni di carbonio.
Considerazioni sulla progettazione del bruciatore
Un bruciatore ZEECO GB a bassa emissione di NOX che brucia il 20% di CO2 e l'80% di gas combustibile H2.
I progetti dei bruciatori devono essere valutati per la compatibilità con la combustione dell'H2 per garantire un funzionamento corretto e sicuro durante la combustione. Le caratteristiche di combustione dell'H2 sono molto diverse da quelle del gas naturale. La velocità della fiamma nella combustione dell'H2 è di circa 5,7 piedi al secondo, mentre la velocità della fiamma del gas naturale è significativamente più lenta, solo 1,3 piedi al secondo. La combustione dell'H2 è inoltre caratterizzata da una temperatura di fiamma adiabatica stechiometrica più elevata, pari a 3.960°F, mentre il gas naturale ha una temperatura di fiamma adiabatica di 3.518°F (queste misure sono citate da "Combustion - Second Edition" di Irvin Glassman (1987). Queste differenze significative nelle caratteristiche di combustione impongono agli ingegneri di valutare i materiali utilizzati nella costruzione dei bruciatori e il tipo di bruciatore impiegato.
La struttura tipica del bruciatore è costituita da componenti metallici e da una gola o una tegola refrattaria, che richiedono un esame per determinare l'idoneità del materiale per la combustione di H2. L'aumento della temperatura della fiamma richiederà che l'acciaio utilizzato per la costruzione dell'ugello, della gola e degli stabilizzatori di fiamma sia migliorato con una lega o un acciaio inossidabile di grado superiore in grado di sopportare queste elevate temperature di esercizio. Inoltre, il refrattario utilizzato all'interno del bruciatore dovrà essere valutato attentamente e la sua composizione dovrà essere modificata per resistere alle elevate temperature caratteristiche della combustione di H2.
Oltre a resistere a temperature elevate, l'acciaio utilizzato nei bruciatori ad H2 deve essere scelto con attenzione per garantire che non sia suscettibile all'infragilimento da idrogeno e all'attacco di idrogeno ad alta temperatura. Entrambi i fenomeni possono degradare prematuramente un acciaio scelto in modo improprio, portando a un guasto precoce delle parti del bruciatore.
La velocità di fiamma dell'idrogeno, che è quasi cinque volte quella del gas naturale, è una causa fondamentale di preoccupazione quando si valuta la progettazione di un bruciatore. I progetti di bruciatori che utilizzano premiscelazione magra, premiscelazione o premiscelazione rapida non sono adatti a un flusso di combustibile che varia nella composizione di H2. Con l'aumento della composizione di H2 nel flusso di combustibile, questi tipi di bruciatori diventano più suscettibili al ritorno di fiamma. Il ritorno di fiamma si verifica quando la velocità del gas in uscita dall'ugello del bruciatore è inferiore alla velocità della fiamma in un'applicazione premiscelata. Il ritorno di fiamma può danneggiare i componenti del bruciatore.
Considerazioni sulle emissioni
Un bruciatore ZEECO GB a bassa emissione di NOx che brucia il 100% del gas naturale.
Il prossimo argomento essenziale da comprendere quando si considera la combustione diH2 è l'impatto sulle emissioni del bruciatore. L'elevata velocità di propagazione della fiamma dell'idrogeno consente al processo di combustione di avvenire più rapidamente rispetto al gas naturale. Il rapido processo di combustione rilascia l'energia di combustione in un'area ristretta, portando a temperature localizzate elevate in prossimità della fiamma, che aggravano l'effetto delle temperature di fiamma adiabatiche intrinsecamente elevate sui tassi di emissione di NOx. Qualsiasi regione con temperature elevate superiori a 2.500°F favorisce la formazione di NOx. I dati raccolti sul campo e presso gli impianti di prova hanno dimostrato che i bruciatori standard a bassa emissione di NOx che bruciano H2 presentano in genere un aumento dei tassi di emissione di NOx fino a un fattore 3.
Per ridurre i NOx sono necessari il ricircolo dei gas di scarico (FGR), l'iniezione di vapore e/o la tecnologia dei bruciatori a bassissima emissione di NOx (ULN). L'FGR è un processo che devia una parte dei gas di scarico in uscita dalla caldaia (in genere dopo l'economizzatore) e la introduce nell'aria di combustione. L'aria di combustione si diluisce con i prodotti di combustione esausti, abbassando la temperatura di picco della fiamma durante la combustione. Piccole quantità di iniezione di vapore, accuratamente posizionate, possono anche contribuire a pulire i NOx raffreddando la fiamma ed introducendo una piccola quantità di inertizzazione.
I bruciatori ULN a stadi sono un'altra opzione per combattere l'aumento delle emissioni di NOx associato alla combustione diH2. Questi tipi di bruciatori utilizzano generalmente meccanismi di stadiazione dell'aria e del combustibile per ridurre la temperatura di picco della fiamma. Un combustibile adeguatamente stadiato aumenta la quantità di gas di fornace che può essere convogliata nel flusso di combustibile prima di interagire con l'aria. L'intrappolamento del gas di combustione nel flusso di combustibile è simile al modo in cui l'FGR riduce gli NOx. Una corretta distribuzione dell'aria nella zona di combustione ritarda la miscelazione del combustibile e dell'aria, allungando il processo di combustione sulla lunghezza del forno. Il processo di combustione prolungato riduce le temperature di picco complessive della combustione, riducendo così la formazione di NOx.
Occorre prestare attenzione alle differenze tra i bruciatori ULN a stadi e i bruciatori ULN a premiscelazione. Come spiegato in precedenza, i bruciatori ULN a premiscelazione non sono generalmente costruiti con materiali in grado di resistere alla combustione diH2, né sono in grado di prevenire il ritorno di fiamma durante la combustione di combustibili ad alto contenutodi H2.
Anche il contenuto diH2 nel flusso di carburante ha un impatto significativo sulle emissioni di CO eCO2. Quando l'H2 sostituisce gli idrocarburi nella composizione del carburante, il numero di atomi di carbonio diminuisce. Un flusso di carburante composto al 100% daH2 non può generare CO oCO2 come sottoprodotto della combustione, a causa della mancanza di carbonio nella reazione di combustione. Pertanto, maggiore è il contenuto diH2 di un combustibile, minori sono le emissioni complessive di CO eCO2. Di seguito è riportata la reazione stechiometrica di base della combustione di un combustibile a base di idrocarburi, il gas naturale, e la reazione di combustione dell'H2 puro.
Reazione di combustione del gas naturale:
CH4 + 2(O2 = 3,76N2) =
CO2 + 2H2O + 7,52N2 Equazione 1
Reazione di combustione dell'idrogeno:
2H2 + (O2 + 3,76N2) =
2H2O + 3,76N2 Equazione 2
Considerazioni sull'impatto della caldaia
Ogni volta che si prende in considerazione l'uso di un nuovo combustibile in una caldaia, può essere raccomandato uno studio di impatto sulla caldaia per garantire che non vi siano svantaggi per le prestazioni della caldaia. Allo stesso modo, le prestazioni della caldaia devono essere valutate quando si considera l'H2 come fonte di combustibile. Le caratteristiche di combustione dell'H2 possono portare a cambiamenti nella posizione e nelle modalità di trasferimento del calore radiativo e convettivo all'interno della caldaia, con possibili effetti negativi sulla velocità di generazione del vapore e sulle temperature del vapore.
In base alle equazioni 1 e 2, il fabbisogno stechiometrico di aria per il gas naturale è rispettivamente di ~720 libbre d'aria/MMBtu e il fabbisogno stechiometrico di aria per l'H2 è di ~560 libbre d'aria/MMBtu; pertanto, la combustione dell'H2 richiede un flusso di massa d'aria inferiore di circa il 30% rispetto al gas naturale. Inoltre, l'H2 può funzionare con un rapporto di eccesso d'aria inferiore rispetto al gas naturale, grazie al suo limite di infiammabilità più elevato. Un rapporto di eccesso d'aria più basso riduce ulteriormente il flusso di massa d'aria richiesto rispetto al gas naturale. La combustione dell'H2 aumenta anche la temperatura di uscita del gas dal forno (FEGT), soprattutto a causa delle temperature di fiamma più elevate.
Quando si sparaH2, la conseguente riduzione del flusso di massa attraverso la caldaia, combinata con un FEGT più elevato, può influire negativamente sulle porzioni di trasferimento di calore convettivo della caldaia, mettendo a rischio sia la produzione di vapore che la qualità del vapore. Tuttavia, l'aggiunta di un flusso di massa al sistema tramite FGR esterno può attenuare le preoccupazioni relative all'aumento del FEGT e alla riduzione del trasferimento di calore convettivo. Il flusso di massa aggiuntivo di FGR abbassa il FEGT e annulla gli effetti negativi sul trasferimento di calore convettivo.
Considerazioni sulla strumentazione e sui controlli
L'ultimo argomento da considerare quando si utilizza l'H2 come fonte di combustibile è quello dei controlli e della strumentazione necessari per una combustione sicura. Qualsiasi bruciatore progettato per avere una composizione variabile del combustibile, dal gas naturale all'alto contenuto diH2, deve essere dotato di un sistema di controllo della combustione completamente dosato, abbinato a un misuratore dell'indice di Wobbe o, in alcuni casi, a un misuratore di gravità specifica. Il misuratore dell'indice di Wobbe monitora la composizione variabile del flusso di combustibile e fornisce l'input necessario al sistema di controllo per regolare correttamente il rapporto combustibile/aria nel sistema di controllo della combustione. L'incapacità di monitorare la composizione del flusso di combustibile e di regolare il sistema di controllo della combustione in base a tali variazioni può portare a una condizione di ricchezza di combustibile potenzialmente pericolosa.
Anche l'apparecchiatura di distribuzione del combustibile a monte del bruciatore deve essere valutata per i vincoli di capacità. L'H2 richiede un flusso volumetrico di combustibile tre volte superiore rispetto al gas naturale per fornire un rilascio di calore equivalente. Le dimensioni dei tubi e i componenti del treno di combustibili devono essere valutati per garantire il corretto funzionamento con qualsiasi combustibile, soprattutto se utilizzato in combinazione con l'H2.
Il rilevamento della fiamma è una salvaguardia fondamentale per il bruciatore ed è richiesto da tutti i codici di funzionamento delle caldaie. Quando l'H2 è presente nel processo di combustione, genera vapore acqueo. Quando il contenuto diH2 si avvicina all'80% nel flusso di combustibile, la maggior parte degli scanner di fiamma oggi disponibili ha difficoltà a distinguere e verificare la fiamma a causa dell'elevato livello di vapore acqueo presente. La scelta di un'apparecchiatura di rilevamento della fiamma adeguata è fondamentale.
È necessario analizzare altre considerazioni per garantire una combustione sicura di H2, rispettando al contempo i limiti ambientali della giurisdizione operativa. La consultazione con un fornitore di bruciatori esperto nella combustione di H2 è essenziale per garantire il vostro successo.
Di John Guarco, direttore tecnico, bruciatori per caldaie; Bob Langstine, responsabile vendite regionali (Stati Uniti sudorientali e Canada orientale), Nord America; e Michael Turner, progettista, ZEECO Inc.
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