Mentre prosegue l’iniziativa globale volta a raggiungere la neutralità carbonica, l’idrogeno e l’ammoniaca stanno suscitando crescente interesse come combustibili grazie alla loro assenza di emissioni di anidride carbonica. Lungo la catena di approvvigionamento dell’ammoniaca si distinguono la sintesi dell’ammoniaca, che utilizza azoto e idrogeno come materie prime, il trasporto, lo stoccaggio e la distribuzione dell’ammoniaca, nonché l’utilizzo diretto dell’ammoniaca come combustibile o la sua decomposizione in idrogeno per l’impiego. Di conseguenza, i torci di combustione presenti negli impianti lungo tutta la filiera devono essere progettati per gestire una vasta gamma di miscele composte da ammoniaca, azoto e idrogeno. L’ammoniaca presenta delle difficoltà come combustibile a causa della sua bassa velocità di combustione, dei limiti di infiammabilità ristretti e dell’elevata temperatura di accensione, caratteristiche che si aggravano quando viene diluita con azoto. L’arricchimento delle miscele di ammoniaca e azoto con idrogeno può rappresentare una soluzione progettuale efficace per superare queste difficoltà. Il gas naturale o il gas combustibile possono essere utilizzati, e sono stati utilizzati, come flusso di arricchimento; tuttavia, a causa delle emissioni di anidride carbonica associate a questi combustibili, l’idrogeno rappresenta un’alternativa interessante. Inoltre, gli ampi limiti di infiammabilità dell’idrogeno e la sua elevata velocità di propagazione della fiamma consentono di utilizzare una percentuale inferiore di idrogeno per ottenere le prestazioni di combustione desiderate rispetto ad altri gas. Il presente articolo illustra i test su scala reale delle prestazioni di combustione dell’ammoniaca e dell’arricchimento delle miscele di ammoniaca e azoto con idrogeno. Lo scopo di questa ricerca è quello di continuare a sviluppare soluzioni progettuali sicure ed efficienti per la combustione in torcia dei flussi di processo contenenti ammoniaca.
INTRODUZIONE
Storicamente, le torce hanno trattato e smaltito un’ampia gamma di idrocarburi, dal gas naturale alle olefine e agli aromatici. Sono stati condotti e pubblicati numerosi studi sull’efficienza delle torce nel trattamento degli idrocarburi, in particolare lo “Studio sull’efficienza delle torce” di Marc McDaniel negli anni ’80. Alcuni aspetti di tale studio sulle torce sono stati finanziati dall’Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (U.S. EPA) e dall’Associazione dei Produttori di Prodotti Chimici (CMA) e avrebbero successivamente costituito la base per stabilire i valori minimi ammissibili del potere calorifico inferiore e le velocità massime ammissibili di uscita per le torce non assistite, assistite a vapore e assistite ad aria. Tali requisiti sono descritti in dettaglio nei regolamenti 40 CFR 60.18 e 40 CFR 63.670. Molti di questi studi passati sull’efficienza delle torce sono stati condotti utilizzando idrocarburi con velocità di fiamma, temperature di autoaccensione e limiti di infiammabilità relativamente simili (ad esempio, propilene, gas naturale, propano). Man mano che il mondo si orienta verso combustibili a zero emissioni di carbonio come l’ammoniaca e l’idrogeno, i produttori di torce e i loro clienti devono comprendere i parametri di progettazione appropriati per una torcia a ammoniaca. Nel novembre 2024, Zeeco Air Products hanno condotto uno studio sull’efficienza delle torce utilizzando ammoniaca e varie miscele di ammoniaca, idrogeno e azoto. Gli obiettivi dello studio erano determinare l’efficienza di distruzione e rimozione (DRE) dell’ammoniaca, stabilire l’arricchimento minimo di idrogeno rispetto alla diluizione con azoto e registrare le emissioni di ossidi di azoto (NOx).
CONSIDERAZIONI DI PROGETTAZIONE
Le sfide principali nella combustione in torcia dell’ammoniaca consistono nel mantenere una fiamma stabile e nel garantire al contempo un’elevata efficienza di distruzione. Queste sfide sono specifiche rispetto a una tipica torcia (per idrocarburi) a causa della bassa velocità di combustione dell’ammoniaca, della bassa temperatura della fiamma, dell’elevata temperatura di autoaccensione e dell’intervallo di infiammabilità volumetricamente limitato. I fornitori di torce devono implementare metodi di stabilizzazione della fiamma adeguati per prevenire l’instabilità della fiamma, che può comportare una minore efficienza di distruzione (ovvero emissioni inaccettabili di ammoniaca incombusta) o lo spegnimento della fiamma, con potenziali danni all’ambiente e pericoli per il personale. La Tabella 1 elenca le proprietà dell’ammoniaca, dell’idrogeno e di altri combustibili idrocarburici.
Tabella 1. Riepilogo delle proprietà del combustibile.
Per arricchire un flusso di gas da torcia è possibile utilizzare vari idrocarburi. Il più comune è il gas naturale; tuttavia, è possibile utilizzare l’idrogeno senza aumentare le emissioni di anidride carbonica. Inoltre, l’idrogeno presenta un’elevata velocità di combustione, un’alta temperatura della fiamma e un ampio intervallo di infiammabilità, il che ne migliora l’efficacia come combustibile di arricchimento. Il gas da torcia contenente idrogeno è stato studiato in modo approfondito per quanto riguarda le proprietà di combustione e le prestazioni. Un esempio di tale lavoro è rappresentato dalla “Dimostrazione di equivalenza della torcia a idrogeno” condotta negli anni ’90 dall’Energy and Environmental Research Corporation. Questi test sono stati effettuati su miscele di idrogeno e azoto con l’aggiunta di piccole percentuali di etilene per misurare l’efficienza di distruzione. È fondamentale comprendere le implicazioni della sostituzione dell’ammoniaca in queste miscele, poiché le scarse caratteristiche di combustione dell’ammoniaca influiranno sulle prestazioni della torcia.
Quando si considera la combustione di un composto contenente azoto legato al combustibile, la generazionedi NOx avviene attraverso due vie:gli NOx termici egli NOx da combustibile. Ci si aspetterebbe che l’arricchimento con idrogeno possa aumentare ulteriormente gliNOx termici, poiché l’idrogeno aumenta la temperatura della fiamma. Storicamente,gli NOx derivanti dalla combustione in torcia hanno rivestito un’importanza minore rispetto all’efficienza di distruzione. Le torce non utilizzano alcun metodo di controllo degli NOx e l’industria si basa su medie delle emissioni di NOx prodotte da vari modelli e composizioni di ugelli; tuttavia, negli ultimi anni è stata data maggiore enfasi a tutti i criteri prestazionali relativi alle torce, comprese le emissioni di NOx. L’EPA pubblica fattori di emissione atmosferica comunemente accettati per varie fonti all’interno dell’AP-42.
I torri di combustione sono descritti in modo specifico nel capitolo 13.5 “Torri di combustione industriali”. Le torri di combustione sopraelevate sono elencate come
0,068 lb/MMBtu sulla base di prove condotte con l’80% di propilene e il 20% di propano [4]. La Commissione per la Qualità Ambientale del Texas (TCEQ) ha pubblicato informazioni relative alle emissionidi NOx dai torci, suddivise nelle categorie “alto BTU” e “basso BTU” per torci assistiti a vapore, assistiti ad aria o non assistiti. Inoltre, la TCEQ osserva che si presume che le emissionidi NOx da combustibile siano pari allo 0,5% in peso della portata massica di ammoniaca in ingresso. La TCEQ precisa che la conversione da ammoniaca aNOx da combustibile è soggetta a valutazione caso per caso [3]. Ad esempio, se la portata in ingresso alla torcia è di 10.000 lb/h di ammoniaca, il tasso di emissione di NOx da combustibile sarebbe pari allo 0,5% di 10.000 lb/h, ovvero 50 lb/h. Lo studio e i test condotti da Zeeco novembre 2024 hanno raccolto dati a supporto delle emissionidi NOx provenienti dai flussi di gas di torcia contenenti ammoniaca.
TEST
Itest sul raccordo svasatosono stati effettuati presso il Global Technology Center (GTC) Zeecoa Broken Arrow, in Oklahoma. È stato utilizzato un torciere da 10 pollici (ZEECO UFW-10), dotato di due (2) accenditori ZEECO HSLF. Durante i test, gli accenditori hanno funzionato a idrogeno. L’ammoniaca e l’azoto sono stati forniti allo stato liquido e vaporizzati prima di essere inviati al torciere. L’idrogeno è stato fornito sotto forma di vapore tramite un rimorchio cisterna. Per il controllo e la misurazione di ogni singolo componente del gas di torciere sono stati utilizzati misuratori di portata a orifizio. Una cappa di campionamento appositamente costruita, che utilizzava aria compressa per aspirare i gas di scarico, è stata sollevata da una gru sopra la fiamma del bruciatore per catturare il pennacchio di combustione. Il campione del pennacchio è stato trasportato tramite una linea di campionamento riscaldata a un laboratorio mobile per l’analisi. I dati sulle emissioni includevano ossigeno [O₂], ammoniaca [NH₃] e ossidi di azoto [NOx].
I test sono iniziati con ammoniaca al 100%, variando da una velocità di uscita bassa a una elevata. A differenza dei torci di idrocarburi, il torcio di ammoniaca richiede la comprensione e la valutazione delle prestazioni sia a bassa che ad alta velocità di uscita. Un torcio di idrocarburi è tipicamente limitato solo da una velocità di uscita massima consentita. Tuttavia, a causa delle scarse proprietà di combustione dell’ammoniaca, è necessario prendere in considerazione due diversi meccanismi. Ad alta velocità di uscita, la fiamma può destabilizzarsi perché la velocità del gas di torcia supera la velocità turbolenta della fiamma. All’aumentare della velocità di uscita, aumenta l’entrainment d’aria nella torcia, portando a una zona di combustione più diluita. Pertanto, ad alta velocità di uscita, il meccanismo limitante è la velocità di reazione dei componenti all’interno della zona di combustione. A bassa velocità di uscita, la miscelazione diventa il meccanismo limitante poiché il gas di torcia ha una quantità di moto inferiore. Il gas di torcia deve miscelarsi e formare una miscela combustibile con l’aria ambiente con sufficiente rapidità mentre si trova in prossimità della fonte di accensione (ad esempio, le fiamme pilota). La Figura 1 e la Figura 2 illustrano una combustione di ammoniaca riuscita a bassa e ad alta portata.
Figura 1. Combustione in torcia a bassa portata di ammoniaca al 100%. Figura 2. Combustione in torcia ad alta portata di ammoniaca al 100%.
I test sono proseguiti variando la quantità di azoto e idrogeno presenti nel gas di torcia, al fine di valutare l’arricchimento minimo di idrogeno necessario a mantenere una fiamma stabile e di osservare l’impatto sull’efficienza di distruzione. Per determinare il DRE dell’ammoniaca è stata utilizzata l’equazione 1.
L’idrogeno è un composto prezioso; pertanto, è importante prevedere con precisione l’arricchimento minimo di idrogeno necessario per ridurre i costi operativi della torcia, mantenendo al contempo un livello accettabile di distruzione dell’ammoniaca. La Figura 3 illustra l’efficienza di distruzione dell’ammoniaca in funzione della temperatura caratteristica per tutti i punti di prova analizzati. Tali punti di prova variano da una concentrazione di ammoniaca del 100 mol% a una dello 0,7 mol%, miscelata con azoto e idrogeno. È stata determinata una temperatura caratteristica, che presentava una correlazione con l’efficienza di distruzione. Per ottenere una distruzione accettabile del componente in questione, la temperatura caratteristica deve raggiungere o superare il valore minimo, come illustrato dalla linea verticale rossa nella Figura 3. Un punto di prova è stato classificato come valore anomalo, come indicato dalla «X» blu. Durante il punto di prova, è stato utilizzato un orifizio di grandi dimensioni per iniettare una portata ridotta di idrogeno, che risultava inferiore all’intervallo controllabile per un orifizio di quelle dimensioni. Una miscela di gas di torcia simile è stata utilizzata in un punto di prova successivo con un orifizio di dimensioni adeguate, ottenendo un’efficienza di distruzione più elevata.
Figura 3. Efficienza di rimozione dell’ammoniaca in funzione della temperatura caratteristica.
Come menzionato nella sezione “Considerazioni progettuali”, esistono fattori di emissionedi NOx comuni pubblicati dall’EPA e da altri enti sulla base di prove storiche di combustione in torcia. Questi studi passati sulla combustione in torcia hanno riguardato principalmente gli idrocarburi, mentre la combustione in torcia dell’ammoniaca non è stata studiata nella stessa misura. Ad esempio, il documento AP-42 dell’EPA statunitense indica un valore di 0,068 lb/MMBtu per gli ossidi di azoto provenienti da torce ad alta temperatura, basato su una miscela di propilene grezzo contenente l’80% di propilene e il 20% di propano [4]. La TCEQ ha elaborato ulteriormente i dati, fornendo i fattori di emissionedi NOx in base alla combustione assistita da vapore rispetto a quella in aria (non assistita) per flussi di gas a basso o alto potere calorifico (Btu) [2]. La Tabella 2 riporta tali fattori di emissione. La TCEQ definisce “alto Btu” un valore superiore a 1.000 Btu/scf e “basso Btu” un valore compreso tra 192 e 1.000 Btu/scf.
Tabella 2. Riepilogo dei fattori di emissionedi NOx riportati nel documento TCEQ RG-360/21.
Come già discusso, nel caso della combustione in torciadell’NH₃ occorre tenere conto siadegli NOx termici chedegli NOx derivanti dal combustibile, poichél’NH₃ è un composto contenente azoto. La TCEQ stabilisce chegli NOx derivanti dal combustibileprodotti dall’NH₃ ammontino allo 0,5% in pesodell’NH₃ in ingresso, previa valutazione caso per caso [3]. L’equazione 2 riporta la formula per determinare le emissionidi NOx sulla base del documento della TCEQ relativo ai calcoli delle emissioni NSR.
Le emissionidi NOx sono state calcolate per ciascun punto di prova utilizzando l’equazione 2 e sono state rappresentate graficamente in funzione delle emissioni effettivedi NOx misurate durante le prove nella Figura 4. I dati delle prove sono stati suddivisi in tre diversi insiemi di dati, come indicato dai colori. I punti dati blu indicano il 100% di ammoniaca, quelli rosa un contenuto di ammoniaca compreso tra il 50 e il 56% molare, mentre quelli gialli un contenuto compreso tra lo 0,6 e il 26% molare. I punti di prova inclusi hanno mostrato un DRE superiore al 90%. Man mano che il DRE diminuisce, i risultati diventano imprecisi poiché una parte significativa del gas bruciato in torcia rimane non reagita. Come mostrato, si può concludere che la previsione della TCEQ pergli NOx sia ragionevolmente accurata.
Figura 4. Tasso di emissionedi NOx calcolato [lb/h] secondo le linee guida della TCEQ rispetto al tasso di emissionedi NOx misurato [lb/h] durante i test.
MODELLAZIONE CON LA DINAMICA DEI FLUIDI COMPUTAZIONALE (CFD)
Sono stati selezionati diversi punti di prova per il confronto con la modellazione CFD. Le prove su scala reale delle apparecchiature rappresentano in genere il metodo più affidabile per confermare le prestazioni. Tuttavia, le prove presentano anche alcune difficoltà, quali le considerazioni relative alla sicurezza, i costi potenzialmente elevati e la pianificazione. Pertanto, è fondamentale disporre di un metodo alternativo per convalidare le prestazioni e la progettazione dei torri di combustione. Sebbene la raccolta dei dati delle prove su scala reale fosse l’obiettivo primario, la convalida dei parametri e della metodologia del modello CFD rispetto ai dati delle prove rappresentava un importante obiettivo secondario, poiché è fondamentale per la comprensione e il miglioramento continui del processo di combustione in torcia dell’ammoniaca. I dati delle prove sono stati confrontati con la modellazione CFD per quanto riguarda la lunghezza della fiamma, l’efficienza di distruzione del gas di torcia composto al 100% da ammoniaca in un intervallo di velocità di uscita e l’efficienza di distruzione dei flussi di gas di torcia arricchiti con idrogeno.
Sono stati selezionati tre punti di prova per l’ammoniaca al 100% in un intervallo di velocità di uscita. Sono stati selezionati due punti di prova per l’arricchimento di idrogeno, con una diluizione con azoto compresa tra il 39% molare e il 54% molare. Tutti i modelli erano di tipo Navier-Stokes con media di Reynolds (RANS) e utilizzavano il modello di interazione tra turbolenza e chimica basato sul concetto di dissipazione dei vortici (EDC) [5] e il recente meccanismo cinetico chimico H-N-O di Doner et al. [6]. La mesh CFD conteneva circa 8,4 milioni di celle.
La forma della fiamma è stata il primo elemento del modello ad essere valutato. La stima della lunghezza della fiamma di una torcia è un dato fondamentale per diverse considerazioni progettuali, tra cui la radiazione e la dispersione del gas non bruciato della torcia. Poiché non sono presenti composti contenenti carbonio, i metodi tradizionali di stima della forma della fiamma tramite isosuperfici di monossido di carbonio non sono applicabili. Il modello in regime stazionario è stato confrontato con le riprese video delle prove per determinare l’isosuperficie di quantità appropriata a rappresentare il confine visibile della fiamma. Il confronto tra i risultati delle prove e quelli della CFD è riportato nella Tabella 3. Inoltre, la Figura 5 illustra le isosuperfici selezionate per rappresentare il confine visibile della fiamma nel modello CFD per il flaring al 100% di ammoniaca.
Tabella 3. Lunghezza media della fiamma misurata durante le prove e la modellazione CFD.
Figura 5. Isosuperfici per la determinazione della forma della fiamma nella combustione in torcia di ammoniaca al 100%.
Un altro obiettivo dei test era quello di determinare l’efficienza di distruzione dell’ammoniaca al 100% a diverse velocità di uscita. La figura 6 illustra la differenza tra l’efficienza di distruzione misurata e quella del modello CFD in funzione della velocità di uscita.
Durante i test con ammoniaca al 100%, si è ipotizzato che un punto di prova fosse un valore anomalo, in base alla diminuzione dell’efficienza di distruzione nonostante presentasse la velocità di uscita più bassa. La simulazione CFD ha contribuito a confermare questa ipotesi, evidenziando la differenza maggiore nell’efficienza di distruzione prevista proprio per il punto di prova con bassa velocità di uscita. All’aumentare della velocità di uscita, l’efficienza misurata e i risultati della simulazione CFD hanno mostrato una ragionevole concordanza.
Figura 6. Differenza tra il DRE misurato e quello calcolato con il metodo CFD per prove con ammoniaca al 100% in funzione della velocità all’uscita della torcia.
L’ultimo obiettivo della sperimentazione era quello di utilizzare i risultati dei test di arricchimento con idrogeno per convalidare il modello CFD in merito all’efficienza di distruzione dell’ammoniaca in un intervallo di composizioni. Per questa analisi sono stati selezionati tre punti di prova che hanno raggiunto un’elevata efficienza di distruzione. La Figura 7 illustra la differenza tra l’efficienza di distruzione misurata e quella del modello CFD in relazione all’arricchimento di idrogeno. L’arricchimento di idrogeno ha notevolmente migliorato l’efficienza di distruzione dell’ammoniaca nel gas di torcia, nonostante la significativa diluizione con azoto. Il modello CFD ha riprodotto con successo gli effetti dell’idrogeno e ha mostrato una ragionevole concordanza nell’intero intervallo delle condizioni di prova.
Figura 7. Differenza tra i valori DRE e CFD misurati per miscele di idrogeno, azoto e ammoniaca.
INSTALLAZIONE DEL PROGETTO
Zeeco l’opportunità di fornire sistemi di torcia ad Air Products per il complesso di idrogeno verde NEOM situato nel Regno dell’Arabia Saudita. Questo progetto innovativo si avvale di tecnologie collaudate per la produzione di idrogeno verde. Il progetto utilizzerà energie rinnovabili (ovvero solare ed eolica) per produrre idrogeno verde tramite elettrolisi dell’acqua e azoto tramite unità di separazione dell’aria. L’idrogeno e l’azoto saranno convertiti in ammoniaca per la distribuzione e l’utilizzo a valle [7]. I test sui torci e la successiva modellazione CFD hanno rappresentato una fase fondamentale per verificare le prestazioni dei torci e supportare una metodologia per determinare l’arricchimento minimo di idrogeno.
CONCLUSIONE
I test sono stati condotti presso il Global Technology Center Zeecocon l’obiettivo di raccogliere dati sulle emissioni a supporto delle applicazioni di combustione in torcia dell’ammoniaca. L’arricchimento con idrogeno del gas di combustione in torcia è stato utilizzato per compensare la diluizione con azoto, al fine di mantenere una fiamma stabile e ottenere un livello accettabile di distruzione dell’ammoniaca. Il test ha permesso di convalidare con successo la quantità minima di idrogeno necessaria in questi progetti, con ulteriore conferma da parte della modellazione CFD. I risultati dei test e la modellazione CFD hanno mostrato una concordanza nelle tendenze generali e una concordanza ragionevole per quanto riguarda l’efficienza di distruzione.
Le applicazioni dell’ammoniaca continuano ad aumentare, il che richiede ulteriori ricerche per garantire una combustione efficace dei flussi di processo associati. Sebbene la combustione dell’ammoniaca venga praticata da diversi decenni, i test su scala reale e la modellazione CFD convalidata rappresentano strumenti utili per migliorare la progettazione e il funzionamento dei torri di combustione, nonché per ridurre al minimo l’impatto ambientale. I test Zeecohanno fornito dati fondamentali in questa direzione. Zeeco sviluppato un metodo per testare i torci a cielo aperto per l’ammoniaca e ha utilizzato i dati di prova ottenuti per verificare un modello CFD accurato per le applicazioni con l’ammoniaca, confermare un progetto sicuro e affidabile della punta del torchio e supportare una metodologia operativa appropriata per la combustione in torchio dell’ammoniaca. Inoltre, i test hanno dimostrato con successo che l’arricchimento con idrogeno è un metodo efficace per migliorare l’efficienza di distruzione dell’ammoniaca diluita con azoto.