Sviluppo di bruciatori industriali ad ammoniaca e di capacità di modellizzazione

SINTESI 

L’ammoniaca, utilizzata come combustibile per il riscaldamento industriale e la produzione di vapore, viene presa in considerazione come opzione per contribuire alla riduzione delle emissioni industriali di gas a effetto serra, specialmente nelle regioni prive di gas naturale locale o di spazi porosi per il sequestro_{della CO₂}. L’ammoniaca risulta interessante come combustibile a basse emissioni di carbonio grazie alla sua densità energetica e alla conseguente trasportabilità rispetto all’idrogeno e ad altre alternative; alla presenza di protocolli, standard e infrastrutture già esistenti per il trasporto dell’ammoniaca; e alla possibilità di eliminare la necessità di impianti aggiuntivi e il consumo energetico necessario per convertire l’ammoniaca da mezzo vettore (ammoniaca/idrocarburi) a combustibile (idrogeno).  

A causa della sua bassa velocità di propagazione della fiamma laminare e della tendenza a formare elevate concentrazioni di ossidi di azoto (_NOx), l’ammoniaca presenta alcune difficoltà come combustibile rispetto ai combustibili gassosi a base di idrocarburi e idrogeno. Il presente articolo descrive lo sviluppo, fino ad oggi, di un bruciatore commerciale basato sui vari concetti di bruciatore Zeeco, destinato ad applicazioni di riscaldamento industriale e generazione di vapore. Inoltre, descrive lo sviluppo di strumenti di modellazione che consentono di prevedere le prestazioni di combustione dell’ammoniaca in un bruciatore destinato ad applicazioni commerciali.  

Il lavoro di sviluppo tecnico qui descritto fa parte di un programma più ampio sulla combustione dell’ammoniaca guidato da ExxonMobil, che comprende attività di ricerca di base condotte dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dalla Stanford University, volte ad approfondire la comprensione dei processi di combustione dell’ammoniaca per consentire lo sviluppo di un bruciatore a ammoniaca destinato a specifiche applicazioni commerciali.

In questo articolo vengono presentati i risultati delle prove condotte sul bruciatore GLSF FREE JET® modificato Zeeco, selezionato in seguito alla valutazione di vari modelli di bruciatori. Le prove sono state eseguite con diverse miscele di ammoniaca e idrogeno o gas naturale in condizioni operative variabili, dimostrando i progressi compiuti nello sviluppo di un bruciatore a ammoniaca in grado di fornire una fiamma stabile con_{livelli di NOx} gestibili. Il presente articolo include i dati relativi alle prove sulle emissioni di ammoniaca ottenuti da tre modelli di bruciatori commerciali, insieme alle analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) a supporto e a una discussione su come la CFD possa essere utilizzata per prevedere le prestazioni di combustione durante la combustione dell’ammoniaca. L’utilizzo combinato di prove di combustione e CFD è essenziale per lo sviluppo di nuove tecnologie e per prevedere le prestazioni nelle applicazioni commerciali con ragionevole certezza. Infine, questo articolo delinea i prossimi passi nel programma di sviluppo dei bruciatori commerciali a ammoniaca.

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INTRODUZIONE

L’interesse per la combustione dell’ammoniaca come combustibile a zero emissioni di carbonio per i sistemi energetici sta acquisendo sempre più slancio, specialmente in aree geografiche in cui il gas naturale (GN) locale e il sequestro_{della CO₂} sono limitati o non disponibili. L’elevata densità energetica dell’ammoniaca, la sua bassa intensità di carbonio e la conseguente trasportabilità la rendono un combustibile interessante rispetto a molte alternative, compreso l’idrogeno. Inoltre, sebbene non sia ancora ampiamente diffusa, l’industria dispone già di protocolli, standard e infrastrutture per la gestione e il trasporto dell’ammoniaca. Infine, la combustione diretta dell’ammoniaca elimina la necessità di impianti e del consumo energetico aggiuntivo richiesto per convertire l’ammoniaca in idrogeno. Tra i primi ad adottare la combustione a base di ammoniaca figurano le centrali elettriche a carbone in Asia, dove l’ammoniaca viene testata come combustibile supplementare. Questa configurazione riduce le emissioni_{di CO₂}, ma si affida comunque alla tecnologia di riduzione catalitica selettiva (SCR) per ridurre sia le emissioni termiche che_{quelle di NOx} legate al combustibile.

Rispetto ai gas combustibili industriali comunemente utilizzati, le proprietà dell’ammoniaca sono piuttosto diverse e sono riportate nella Tabella 1 qui di seguito. Presenta una bassa velocità di combustione, una temperatura di combustione inferiore, limiti di infiammabilità ristretti e una cinetica chimica più lenta. Queste caratteristiche rendono l’ammoniaca un combustibile molto più difficile da bruciare. Inoltre, poiché l’ammoniaca si decompone ad alte temperature, l’azoto reagisce con l’ossigeno libero, i radicali idrossilici e altri composti, producendo elevate quantità di ossidi di azoto (NO,_NO₂,_N₂O). Per consentire un ampio utilizzo dell’ammoniaca come combustibile privo di carbonio per il riscaldamento industriale e la produzione di energia elettrica, è necessario superare queste sfide legate alla combustione.

Tabella 1. Confronto tra l'ammoniaca e i gas combustibili più comuni.

ExxonMobil e Zeeco avviato una collaborazione per lo sviluppo di un bruciatore a ammoniaca commerciale utilizzabile in impianti di riscaldamento industriali sia nuovi che esistenti (riscaldamento di processo, generazione di vapore, ecc.). Il programma di sviluppo mira a realizzare un bruciatore che garantisca flessibilità nella composizione del combustibile, offra prestazioni stabili in tutte le condizioni operative e miri a ridurre le emissioni di gas serra. Gli obiettivi di emissione previsti dal progetto includono un livello di_NOx inferiore a 200 ppm (idealmente inferiore a 100 ppm) e una perdita di ammoniaca inferiore a 50 ppm (preferibilmente inferiore a 10 ppm) con un contenuto di_O₂ del 3% in condizioni di secco. Il presente documento descrive le attività di sviluppo svolte fino ad oggi.

SVILUPPO DEI BRUCIATORI, PIANO DI PROVA E STRUTTURE DI PROVA

Piano di sviluppo e collaudo:

Sono stati individuati tre modelli di bruciatore come punti di partenza per lo sviluppo di un bruciatore a ammoniaca destinato al mercato commerciale:

1. 1. Il bruciatore GBZeeco: un bruciatore convenzionale a gas grezzo con stabilizzazione della fiamma tramite corpo di sezione quadrata su un unico ugello centrale di alimentazione
2. 2. FREE JET GLSF FREE JET Zeeco– un bruciatore_{a emissioni ultra-basse di NOx} (ULNB) dotato di ugelli di combustibile a più stadi stabilizzati su una piastrella refrattaria riscaldata e con fiamma proveniente da ugelli di combustibile ausiliari situati all’interno della piastrella
3. 3. Il bruciatore GLSF DTZeeco– un bruciatore ULNB con lo stesso tipo di ugelli a stadi e ausiliari disposti attorno a una piastrella refrattaria, con una serie aggiuntiva di ugelli a stadi disposti lungo il perimetro del bruciatore

La figura 1 mostra gli schemi dei tre modelli di bruciatore.  

Figura 1. Modelli di bruciatori nelle prove iniziali - (da sinistra a destra) GB, FREE JET, DT.

I test iniziali e l’ottimizzazione della configurazione dei bruciatori sono stati condotti su versioni a tiraggio naturale, con una potenza nominale di 4 MMBtu/hr, di questi tre tipi di bruciatori presso il Global Technology Center (GTC) Zeeco, nei pressi di Tulsa, in Oklahoma. La scelta di testare un bruciatore di dimensioni nella fascia bassa della scala commerciale ha consentito di condurre un gran numero di prove in modo rapido ed economico. La miscelazione più intensa di combustibile e aria, resa possibile dalla maggiore caduta di pressione dell’aria di combustione nei bruciatori a tiraggio forzato, può mascherare le carenze progettuali del bruciatore durante lo sviluppo iniziale del concetto. Pertanto, sono state selezionate prove a tiraggio naturale per consentire una migliore identificazione dei concetti di configurazione del bruciatore finalizzati all’ottimizzazione della stabilizzazione della fiamma e delle emissioni_{di NOx} e_NH3.

Nella fase iniziale di collaudo del bruciatore, il bruciatore GB miscelava l’ammoniaca con un combustibile ausiliario, poiché veniva alimentato un solo flusso di gas. I modelli ULNB (FREE JET DT) utilizzavano flussi di combustibile separati per gli ugelli ausiliari (ugelli al centro) e gli ugelli principali (ugelli attorno alla piastrella del bruciatore), consentendo l’uso al 100% di gas naturale o idrogeno negli ugelli ausiliari centrali e massimizzando al contempo il contenuto_{di NH₃} nel combustibile degli ugelli principali. Come combustibile di supporto sono stati utilizzati gas naturale e idrogeno.  

I risultati di questa fase iniziale di sperimentazione sono stati poi utilizzati per individuare il progetto più promettente, che è stato successivamente ottimizzato per massimizzare la percentuale di ammoniaca nella miscela combustibile che potesse essere utilizzata, garantendo al contempo una fiamma stabile con emissioni ridotte. Questo progetto, ritenuto il più promettente, sarà utilizzato per realizzare un bruciatore a tiraggio forzato su scala più ampia, in linea con la gamma di potenze tipicamente richiesta dalla maggior parte delle applicazioni di riscaldamento industriale.

Lo sviluppo di tecniche di modellazione basate sulla fluidodinamica computazionale (CFD) per la combustione dell’ammoniaca è parte integrante dello sviluppo di bruciatori commerciali a ammoniaca. Mentre la combustione degli idrocarburi e dell’idrogeno è ben compresa grazie a modelli cinetici convalidati, la modellazione della combustione dell’ammoniaca si trova ancora nella fase iniziale di sviluppo. Il lavoro di CFD si è concentrato sul miglioramento dei modelli di cinetica chimica e di turbolenza per simulare meglio la combustione dell’ammoniaca. L’obiettivo del lavoro di CFD è sviluppare strumenti CFD a supporto della progettazione dei bruciatori e per prevedere le prestazioni dei bruciatori nelle applicazioni commerciali.

Strutture di prova: 

Per l’installazione degli impianti necessari alla combustione dell’ammoniaca è stato scelto un forno di prova cilindrico verticale (VC) a bruciatore singolo già esistente presso il GTC Zeeco, dimensionato in modo adeguato per il bruciatore da 4 MMBtu/hr oggetto della prova. Il forno di prova utilizzato presentava un’altezza della camera di irraggiamento di circa 14’ e un diametro del cerchio tubiero di 6’, con un unico bruciatore sottoposto a prova al centro del fondo del forno. La temperatura del focolare del bruciatore veniva controllata tramite il flusso d’acqua attraverso i tubi su un lato del VC, simulando un forno cilindrico verticale commerciale con più bruciatori disposti in cerchio all’interno di un cerchio più ampio di tubi del fluido di processo.  

L’approvvigionamento di combustibile, la vaporizzazione, le tubazioni e i sistemi di dosaggio sono stati tutti aggiunti o modificati per consentire la gestione dell’ammoniaca. Per garantire un funzionamento sicuro, è stata condotta un’analisi dettagliata della sicurezza volta ad assicurare la presenza di strutture adeguate, l’elaborazione delle procedure operative richieste e la formazione del personale operativo al fine di mitigare i rischi associati alla gestione e all’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile. Le procedure operative e la formazione hanno tenuto conto del personale presente nella struttura al momento dei test, delle condizioni ambientali, della velocità e della direzione del vento, ecc.

La misurazione delle emissioni era un altro ambito che richiedeva particolare attenzione. I sistemi tradizionali di misurazione_{degli NOx} che utilizzano la chemiluminescenza possono fornire risultati fuorvianti a causa delle potenziali interazioni con lo slip_{di NH3} presente nel sistema. Inoltre, era importante misurare lo slip_{di NH3} e_l’N2Oper raggiungere gli obiettivi di sviluppo dei bruciatori previsti dal programma. Le emissioni_{di NOx} includono NO e_NO2, ma non tengono conto_dell’N2O. Nella maggior parte dei sistemi di combustione con miscele di combustibili a base di idrocarburi e idrogeno, le emissioni_{di N2O}sono molto basse, in genere inferiori a 5 ppm. Tuttavia, in presenza di un contenuto di azoto legato al combustibile molto elevato in una miscela ad alto tenore di ammoniaca, il potenziale di emissioni significative_{di N₂O}è molto maggiore. Storicamente, le emissioni_{di N₂O}non hanno destato preoccupazione, poiché non causano danni alle vie respiratorie delle persone, a differenza_{degli NOx}, che causano l’ozono atmosferico. Tuttavia,_l’N₂Oè un potente gas serra, pertanto è motivo di particolare preoccupazione quando si utilizza l’ammoniaca come combustibile a basse emissioni di carbonio per ridurre le emissioni_{di CO₂}.  

Per la misurazione delle emissioni, sul forno di prova sono stati installati i seguenti analizzatori. Tra questi figuravano:

• • • Un sistema di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) per la misurazione di NO,_NO₂,_N₂O,_NH₃,_O₂,_H₂O,_CO₂, CO
    • Un sistema basato su un laser a diodi sintonizzabile (TDL) per la misurazione di NO,_NH₃ e_H₂O
    • Analizzatori di tipo chemiluminescente e paramagnetico per_NOx,_NO₂,_O₂ (a secco) e CO

Il sistema TDL è stato installato nel camino (Figura 2) su due coppie di raccordi per ugelli. Gli altri due sistemi di analisi utilizzavano sistemi di campionamento riscaldati indipendenti per convogliare il campione di gas di combustione agli analizzatori a livello del suolo.

Figura 2. Analizzatore TDL installato sul camino del forno di prova

La combustione di elevate quantità di ammoniaca ha comportato alcune difficoltà e ha dato adito ad alcune osservazioni, elencate di seguito:

• • Le elevate concentrazioni di umidità nei gas di combustione hanno creato difficoltà per i sistemi FTIR e TDL (interferenza delle lunghezze d’onda). È stata necessaria una configurazione dell’analizzatore in grado di tenere conto dell’intervallo previsto di concentrazione di vapore acqueo nei gas di combustione. Al momento della stesura del presente articolo, la configurazione del sistema TDL che consenta misurazioni validate è ancora in fase di sviluppo; pertanto, tutte le misurazioni_{di NH₃} riportate nel presente articolo provengono dall’analizzatore FTIR. 

  • Ammonia is a “sticky” gas and can stay adhered to the sample line tubing wall for an extended period. This made it challenging to take test point measurements that did not carry ammonia slip from previous test points. A test was conducted where the analyzer initially read <1 ppm NH₃ before ammonia fuel was introduced; upon firing, ammonia measurement spiked to 2000–4000 ppm. The sample line was opened to the atmosphere, and it took 12 minutes for NH₃ levels to drop below 10 ppm and 53 minutes to reach 2 ppm! 
  • Inoltre, l’ammoniaca viene assorbita dall’isolamento del forno. In un test separato, il bruciatore è stato spento e la porta del forno è stata aperta all’atmosfera. Al centro del forno, la lettura_{di NH₃} era pari a zero, ma registrava valori compresi tra 9 e 17 ppm quando misurata a 6” dall’isolamento. Inoltre, si sono verificati casi in cui il riscaldatore è stato avviato a_H₂ (o gas naturale), ma è stato rilevato_NH₃ a causa dell’ammoniaca intrappolata nell’isolamento anche dopo lo spurgo notturno (con il forno aperto in tiraggio naturale). La Figura 3 mostra l’andamento_dell’NH₃ misurato dall’analizzatore FTIR in funzione del tempo dopo lo spegnimento del bruciatore, quando questo bruciava un combustibile ad alto contenuto di ammoniaca (oltre l’80% in volume). 
  • Si erano verificati alcuni casi in cui l’ammoniaca si era condensata nelle tubazioni del combustibile e si era accumulata nella valvola. Il liquido non bruciava bene nel bruciatore a gas e nei fumi di scarico era stata rilevata la presenza di_NH₃. 

Figura 3._NH₃ residuo misurato nel camino in funzione del tempo trascorso dallo spegnimento del bruciatore 

RISULTATI INIZIALI DEI TEST SUL BRUCIATORE

In questa fase iniziale di sviluppo, sono state condotte prove sui bruciatori in un intervallo di livelli di O₂ in eccesso con un tiraggio di base di circa 0,3” WC. La temperatura del focolare è stata mantenuta tra 1600 e 1750F per la maggior parte dei punti di prova. Inizialmente, nessuno dei tre modelli di bruciatore ha dato buoni risultati, poiché ciascuno produceva elevate concentrazioni di ammoniaca nel camino. Ciascuno di essi è stato sottoposto a modifiche per migliorare la stabilità della fiamma, ridurre_{le emissioni di NOx} e la fuoriuscita di ammoniaca e aumentare il contenuto di ammoniaca nel combustibile. 

La tabella 2 riporta una sintesi dei risultati dei test relativi ai tre modelli di bruciatore dopo l’ottimizzazione. Il bruciatore GB convenzionale era in grado di bruciare fino al 20% (*) di ammoniaca se miscelata con gas naturale e fino al 60% se miscelata con idrogeno. Tuttavia, i livelli_{di NOx} rimanevano elevati. Il FREE JET GLSF FREE JET ha mostrato un netto miglioramento, producendo una fiamma stabile con il 100% di ammoniaca attraverso gli ugelli principali, sebbene lo slip di ammoniaca diventasse inaccettabile con una percentuale di ammoniaca come combustibile principale superiore all’80%. Ha inoltre garantito emissioni_{di NOx} inferiori rispetto al bruciatore GB. Il bruciatore DT ha offerto prestazioni simili a quelle del FREE JET, senza presentare alcun vantaggio evidente. Sulla base di questi risultati, si è deciso di concentrarsi sul concetto FREE JET per l’ulteriore sviluppo.

Tabella 2. Risultati iniziali dei test con il massimo contenuto di ammoniaca nel carburante 

Osservazioni preliminari sui test: 

Di seguito sono riassunte alcune osservazioni chiave emerse dai test iniziali:

• • Quando si è aumentato il contenuto_{di NH₃} negli ugelli principali del combustibile oltre l’80% in volume sul GLSF FREE JET, il bruciatore è rimasto stabile, ma la lunghezza della fiamma è aumentata, causando un significativo slittamento_{di NH₃} (da 200 ppm a >1000 ppm) nel camino. Le immagini della Figura 4 mostrano fiamme stabili con un'ampia varietà di tenori di ammoniaca negli ugelli del combustibile principale, fino al 100% di ammoniaca, nonostante la perdita molto elevata in queste condizioni. Nei dati riportati nella Figura 5 si osserva un elevato slittamento di ammoniaca sia con gas naturale che con idrogeno come gas di supporto per i punti di prova con_NH3 negli ugelli del combustibile principale > 80% in volume. Al di sotto dell’80% di ammoniaca negli ugelli del combustibile principale, la maggior parte dei punti dati variava tra 0 e 5 ppm. 
  • Oltre a ridurre_{gli NOx} termici, gli ULNB hanno ridotto anche_{gli NOx} legati al combustibile associati alla combustione di miscele_{di NH₃}. Il bruciatore convenzionale GB ha prodotto emissioni_{di NOx} pari a ≈ 2.400 ppm con una miscela composta dal 60%_{di NH₃} e dal 40% di idrogeno. Con lo stesso combustibile, il FREE JET GLSF FREE JET ha prodotto emissioni_{di NOx} comprese tra 200 e 400 ppm. Si ipotizza che i gas di combustione trascinati nella fiamma dalle ugelli FREE JET del FREE JET creino zone in cui_l’NH₂ riduce l’NO generato in aree favorevoli all’ossidazione_dell’NH₃ (elevata concentrazione_{di O₂} e alta temperatura) trasformandolo in_N₂. 
  • N₂O emission correlated very strongly with NH₃ slip. For test points where NH₃ slip was < 5 ppm, N₂O was less than 10 ppm. Where NH₃ slip was between 5 and 100 ppm, N₂O was between 10 and 50 ppm. For NH₃ slip > 100 ppm, N₂O was 50-150 ppm. Thus, limiting NH₃ slip results in preventing N₂O emissions that erode the CO₂ emission reduction benefit of ammonia fuel. 
  • I risultati delle prove di alimentazione graduale dell’aria hanno dimostrato che, anche con piccole quantità di aria alimentata in modo graduale nelle sezioni superiori del forno, le emissioni_{di NOx} aumentavano di ≈ 25 ppm. Pertanto, l’alimentazione graduale dell’aria nelle regioni superiori del forno potrebbe non rappresentare un metodo efficace per la riduzione_{delle emissioni di NOx}. Inoltre, ciò ha dimostrato che, nel caso dei riscaldatori di processo e di altre applicazioni in cui il forno funziona in depressione, le perdite d’aria possono avere un impatto significativo sulle emissioni_{di NOx} in condizioni operative reali. 
  • La misurazione dell’ammoniaca durante FREE JET a 3,4 MMBtu/hr, con i bruciatori principali alimentati al 10% in volume di gas naturale e al 90% in volume_{di NH₃}, e con il 20% del calore generato dal gas naturale nei bruciatori ausiliari, ha rilevato 1100 ppm_{di NH₃} a 15’ dal pavimento e 5,5 ppm nel camino. L’aggiunta_{di NH₃} sopra la fiamma per simulare la riduzione selettiva non catalitica (SNCR) al fine di ridurre_{gli NOx} non era un’opzione praticabile in condizioni di combustione ad alto contenuto di ammoniaca. L’obiettivo era invece quello di ridurre l’altezza della fiamma. 

Figura 4. Test iniziali del GLSF FREE JET ripartizione del combustibile nella punta principale 

Figura 5. Confronto tra le emissioni in camino del FREE JET GLSF FREE JET con gas naturale e idrogeno utilizzati come combustibile di supporto 

SVILUPPO E COLLAUDO FREE JET GLSF A TIRA NATURALE OTTIMIZZATO

Al termine dei test iniziali, era evidente che il FREE JET migliorato GLSF FREE JET si fosse dimostrato il più promettente tra i tre concetti testati. Il bruciatore è stato sottoposto a ulteriori sviluppi per migliorarne le prestazioni nella combustione dell’ammoniaca. Come affermato in precedenza, nei test iniziali sono stati utilizzati il 100% di GN o il 100%_{di H₂} negli ugelli ausiliari per garantire la stabilità della fiamma. Gli ugelli principali utilizzavano una miscela di_NH₃ e un combustibile di supporto (GN o_H₂).   

Nello sviluppo e nei test del bruciatore migliorato, sia gli ugelli ausiliari che quelli principali sono stati collegati alla stessa alimentazione, ottenendo così la stessa composizione per entrambe le serie di ugelli. I parametri di progettazione esaminati/migliorati durante lo sviluppo iniziale sono stati ulteriormente rivalutati in modo da poter aumentare_{la percentuale} complessiva_{di NH₃} al bruciatore, cercando al contempo di soddisfare le prestazioni previste. È risultato difficile mantenere la fiamma dell’ugello ausiliario per garantire un’accensione affidabile del gas combustibile principale; sono state quindi testate diverse modifiche alle stesse condizioni del forno utilizzate nella fase di collaudo iniziale.

Risultati dei test sulle prestazioni ottimizzate del bruciatore:

La concentrazione massima_{di NH₃} raggiunta, pur soddisfacendo i criteri prestazionali desiderati, è stata del 70%_{di NH₃} e del 30% di gas naturale. Sebbene questo contenuto complessivo_{di NH₃} nel combustibile del bruciatore fosse simile a quello delle prove iniziali, l’eliminazione della necessità di una fornitura separata di gas naturale al 100% o di idrogeno al 100% per gli ugelli ausiliari ha rappresentato un miglioramento sostanziale verso la realizzazione di un bruciatore adatto all’impiego in ambito industriale. Con un contenuto di ammoniaca superiore al 70%, la perdita di ammoniaca è aumentata rapidamente. Le prestazioni ottimizzate del bruciatore a tiraggio naturale con quantità variabili di_NH₃ sono illustrate nelle Figure 7 e 8 riportate di seguito. 

Figura 6. Rapporto tra_NOx e contenuto_{di NH₃} nel combustibile per un generatore di vapore FREE JET ( ) GLSF a tiraggio naturale ottimizzato con alimentazione singola del combustibile 

Figura 7. Scorrimento_{di NH₃} in funzione del contenuto_{di NH₃} nel combustibile per FREE JET GLSF FREE JET a tiraggio naturale ottimizzato FREE JET alimentazione singola del combustibile 

FREE JET a tiraggio naturale ottimizzato, alimentato con un unico combustibile, ha dimostrato prestazioni affidabili in presenza di elevati livelli di ammoniaca, con livelli ragionevoli di emissioni_{di NOx} e_NH₃. Questo progetto necessita di ulteriori miglioramenti per consentire livelli più elevati di ammoniaca e raggiungere infine una combustione al 100% a base di ammoniaca, adatta ad applicazioni commerciali, che rappresenta l’obiettivo finale di questo progetto. La sezione “Lavori futuri” del presente articolo approfondisce questo argomento. 

SVILUPPO DI STRUMENTI DI MODELLAZIONE CFD PER LA PREVISIONE DELLE PRESTAZIONI DEI BRUCIATORI

L’utilizzo combinato di prove di combustione e della dinamica dei fluidi computazionale (CFD) è essenziale per lo sviluppo di un bruciatore destinato all’uso industriale. Prevedere con ragionevole certezza le prestazioni del bruciatore (forma della fiamma, emissioni, interazioni tra le fiamme, ecc.) in un’applicazione commerciale sarà necessario per garantirne l’adozione nell’industria. Mentre gli strumenti CFD per gli idrocarburi e l’idrogeno sono oggi molto avanzati, quelli relativi all’ammoniaca si trovano ancora in una fase iniziale di sviluppo. Sebbene i singoli bruciatori possano essere valutati rapidamente in un forno di prova, il valore della CFD risiede nella capacità di fornire previsioni accurate sulle prestazioni di impianti a più bruciatori, specialmente per applicazioni nuove o insolite. 

Le attività di CFD si sono concentrate sulla modellizzazione delle emissioni dei forni relative a fenomeni critici ma difficili da prevedere, quali_{le emissioni di NOx} e la fuoriuscita di ammoniaca. Il metodo di modellizzazione CFD sviluppato nel corso di questo progetto offre una prospettiva promettente per applicazioni più complesse, come la combustione dell’ammoniaca in impianti industriali a bruciatori multipli.

Le caratteristiche principali del modello sono le seguenti:

1. 1.k-Ɛ realizzabile, RANS in regime stazionario
2. 2. Il modello di interazione tra turbolenza e chimica “Eddy Dissipation Concept” (Magnussen & Hjertager¹) con parametri ottimizzati per questa applicazione
3. 3. Un meccanismo cinetico chimico semplificato basato sul meccanismo CRECK (Stagni et al.2) per le miscele di gas naturale e ammoniaca e sui meccanismi sviluppati dal MIT per questo progetto (Doner et al.3) relativi alla cinetica H-N-O, in assenza di idrocarburi

Di seguito sono riportati alcuni risultati selezionati della simulazione, con i relativi confronti rispetto ai dati delle prove fisiche.

Figura 8. Risultati CFD per un rilascio di calore di 4 MMBtu/hr con combustibile principale composto al 75% da_{NH₃ e al 25%} da GN e combustibile ausiliario composto al 100% da GN 

La figura 9 mostra i risultati tipici della simulazione CFD per una miscela di combustibile principale composta da ammoniaca e gas naturale nel FREE JET GLSF FREE JET con un rilascio di calore pari a 4 MMBtu/ora. I tubi di raffreddamento situati su un lato del forno di prova determinano una circolazione verso il basso del gas ricco di ossigeno in prossimità dei tubi, con conseguente combustione più rapida del combustibile su questo lato della fiamma e l’inclinazione della fiamma verso il lato più caldo del forno.  

Figura 9. Velocità di reazione netta dell'NO con il modello CRECK RM per FREE JET GLSF a 4 MMBtu/hr con una miscela di combustibile principale composta dal 75%_{di NH₃ e dal 25%} di GN e combustibile ausiliario al 100% di GN 

La figura 9 mostra sia la formazione che la distruzione dell’NO in una fiamma alimentata dal 75%_{di NH₃} e dal 25% di gas naturale. Il modello includeva dettagli cinetici chimici sufficienti a prevedere la formazione di NO dai percorsi del combustibile e termici, nonché la distruzione dell’NO da parte dell’ammoniaca tramite reazioni di riduzione non catalitica selettiva (SNCR). Il risultato di questo modello è qualitativamente coerente con la comprensione Zeecodi come funzionano la graduale immissione del combustibile, il trascinamento dei gas di combustione e la miscelazione ritardata aria-combustibile, combinata con le attuali conoscenze relative all’ossidazione_dell’NH₃ e alla chimica della riduzione dell’NO. La combinazione del ritardo nella miscelazione aria-combustibile e del trascinamento nella fiamma di gas di combustione più freddi e a più basso contenuto di O₂ dà origine a zone adiacenti favorevoli alla produzione di NO dall’ossidazione_dell’NH₃ e alla riduzione dell’NO mediante reazione con_l’NH₃ dissociato e i radicali OH.

Figura 10. Confronto tra le misurazioni dello scorrimento di NO e_NH₃ nello stack per le prove iniziali con combustibile_NH₃/H₂ FREE JET GLSF FREE JET e le previsioni CFD ottenute utilizzando due modelli cinetici 

La figura 10 mette a confronto le emissioni misurate e quelle previste per il NO e la perdita di ammoniaca dal camino. Il modello CFD che ha generato i valori previsti ha utilizzato due diversi meccanismi:  

1. 1. Modello chimico ridotto a 50 specie basato sul meccanismo dettagliato di Stagni et al. 
2. 2. Modello chimico sviluppato dal MIT per questo progetto (Doner et al.) 

I dati misurati riportati nella Figura 10 provengono da prove condotte sul FREE JET GLSF FREE JET , durante le quali sono state bruciate varie miscele di ammoniaca e idrogeno negli ugelli principali, mentre negli ugelli ausiliari è stato utilizzato idrogeno al 100%. Il meccanismo MIT fornisce risultati eccellenti per l’NO nelle miscele_{di NH₃-H₂}, ma sovrastima l’NO per_l’H₂ puro. La CFD che utilizza entrambi i meccanismi prevede uno slip di ammoniaca a una cifra o frazionario in ppm fino all’80% di ammoniaca, ma varia significativamente in caso di combustione di ammoniaca pura, con il meccanismo CRECK che offre prestazioni quantitativamente migliori. 

Figura 11. Confronto tra lo scorrimento di NO e_NH₃ nello stack e le previsioni CFD utilizzando due modelli per FREE JET a tiraggio naturale ottimizzato 

La figura 11 mostra i risultati della simulazione CFD relativi FREE JET GLSF FREE JET ottimizzato. Questo bruciatore è stato testato con gas naturale al 100% e con miscele di combustibile con una percentuale di_NH₃ compresa tra il 60% e il 75% (combustibile unico sia per gli ugelli ausiliari che per quelli principali). Tutte le simulazioni relative a questi test sono state effettuate utilizzando il meccanismo ridotto CRECK a 50 specie, poiché il meccanismo MIT disponibile durante questo lavoro non includeva la chimica degli idrocarburi. 

Il NO è stato previsto in modo ragionevolmente accurato per questo set di dati. Anche la perdita di ammoniaca è stata prevista con buona precisione. Per il FREE JET a tiraggio naturale ottimizzato, il modello CFD ha previsto il superamento della soglia di perdita di ammoniaca al 70%_{di NH₃} nel combustibile_, mentre la misurazione effettiva ha mostrato il superamento della soglia al 75%. L’accuratezza delle previsioni relative alle concentrazioni di NO e_NH₃ nel camino è molto incoraggiante, soprattutto se si considera che la quantificazione dell’incertezza sperimentale non è stata approfondita e che lo sviluppo del modello cinetico è ancora in fase di elaborazione.

LAVORI FUTURI

Sulla scia del successo iniziale ottenuto dai risultati relativi alla combustione dell'ammoniaca presentati sopra, sono previsti i seguenti lavori futuri. 

Sviluppo dei bruciatori:

Progettare e testare un prototipo di bruciatore a tiraggio forzato basato sul FREE JET GLSF FREE JET con le seguenti caratteristiche:

• • In grado di funzionare al 100% con ammoniaca e con un combustibile di riserva costituito da gas naturale o idrogeno 
  • Alimentazione a gas monocombustibile
  • Emissioni di_NOx inferiori a 200 ppm (idealmente inferiori a 100 ppm) e fughe di_NH₃ inferiori a 50 ppm (preferibilmente inferiori a 10 ppm)

Sviluppo di strumenti CFD:

I futuri lavori nel campo della CFD proseguiranno l’implementazione di modelli cinetici ridotti e dettagliati. I gruppi di ricerca del MIT e di Stanford continueranno a mettere a disposizione le proprie competenze per il raggiungimento di questi obiettivi. 

CONCLUSIONI 

Lo sviluppo iniziale del bruciatore ha dimostrato che un bruciatore ULNB a tiraggio naturale è in grado di bruciare con successo una miscela contenente il 70%_{di NH₃} in gas naturale e di raggiungere prestazioni simili in termini_{di NOx} a quel livello di concentrazione di ammoniaca rispetto ai bruciatori convenzionali a gas grezzo alimentati con gas combustibili convenzionali. Lo studio ha inoltre dimostrato che i bruciatori a combustione a più stadi offrono prestazioni significativamente superiori rispetto ai bruciatori convenzionali quando alimentati con ammoniaca.  

La combinazione di sottomodelli selezionati per ottenere una capacità di simulazione CFD della combustione dell’ammoniaca fornisce previsioni accettabili relative alle emissioni di NO e allo slip dell’ammoniaca per applicazioni industriali ed è stata verificata su diverse configurazioni di bruciatori e miscele di ammoniaca con idrogeno e gas naturale. Tra i meccanismi chimici testati, il meccanismo CRECK ridotto ha modellato efficacemente sia la combustione dell’ammoniaca che quella degli idrocarburi, mostrando una ragionevole concordanza con le tendenze sperimentali, sebbene questo rimanga un ambito che richiede ulteriori perfezionamenti. 

In prospettiva, si prevede che il continuo sviluppo dei bruciatori, strettamente integrato con la modellazione CFD avanzata, consentirà una combustione sicura dell’ammoniaca con emissioni di NOx ancora più basse. Lo sviluppo di un bruciatore a tiraggio forzato amplierà ulteriormente le potenzialità. 

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