Fortschritte in der Brenner
Eric Pratchard und Todd Grubb, Zeeco, Inc. (USA), sowie Hector Ayala, Aloke Sarkar und HS Lee, ExxonMobil Technology and Engineering Company (USA), befassen sich mit den Auswirkungen, die Fortschritte bei derBrenner mit extrem niedrigen NOX-Werten auf die Wasserstoffverbrennung und dieNOX-Emissionen haben könnten.
ZEECO FREE JET Gen 3 Brenner 100% Wasserstoff
Die Erfüllung derweltweiten Netto-Null-Verpflichtungen erfordert eine erhebliche Dekarbonisierung der Öl- und Gasindustrie und anderer Schwerindustrien. Eine Möglichkeit, die Dekarbonisierungsziele zu erreichen, ist die Verwendung von Wasserstoff als Brenner in Konzentrationen von nahezu 100 Volumenprozent anstelle von Brennstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis. AktuelleBrenner mit extrem niedrigen NOX-Werten (ULNBs) und neue Brenner haben mit hohen Wasserstoffkonzentrationen Probleme, da das Risiko eines Flammenrückschlags steigt und die Kosten für dasNOX-Emissionsmanagement zunehmen, da die höhere Flammentemperatur von Wasserstoff zu einer höheren adiabatischenNOX-Produktion führt. Da die Nachfrage nach besseren Lösungen mit geringeren Kohlenstoff- undNOX-Emissionen steigt, benötigt die Industrie einen ULNB, der für eine 100%ige Wasserstoffbefeuerung geeignet ist und gleichzeitig deutlich geringereNOX-Emissionen aufweist - und der einfach in bestehende befeuerte Erhitzer nachgerüstet werden kann, um die für die Dekarbonisierung wichtiger Raffinerieprozesse erforderlichen Kapitalkosten zu minimieren.
Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, haben Zeeco und ExxonMobil gemeinsam eine neue ULNB-Konstruktion der nächsten Generation entworfen, entwickelt, getestet und implementiert, die neben einer Vielzahl von Brenngaszusammensetzungen auch 100 % Wasserstoff verfeuern kann und dabei deutlich niedrigereNOX-Emissionen ohne komplizierte oder teure zusätzliche Kontrollsysteme oder Emissionslösungen erzeugt. Der neue Brenner kommt ohne externe Rauchgasrückführung oder Mager-Vormischung aus und erfüllt die Zielvorgaben sowohl in Natur- als auch in Gebläsesystemen mit Umgebungs- oder vorgewärmter Verbrennungsluft.
Die Unternehmen führten gemeinsam Brenner sowohl für Einzel- als auch für Brenner unter einer Vielzahl von Prozessbedingungen durch. Die Testergebnisse zeigten eine gute Flammenstabilität, Leistung und Emissionsreduzierung bei ähnlichen Flammenabmessungen wie bei ULNBs der aktuellen Bauart. ExxonMobil installierte die neuen Brenner mit der Bezeichnung FREE JET® Gen 3TM in einem Prozesserhitzer in seiner Anlage in Baytown, Texas, USA. Die ersten Betriebsergebnisse stimmten mit den Brenner überein, und die Brenner liefern die erwartete Emissionsreduzierung und Betriebsflexibilität.
Derzeitige neue Technologien und selektive katalytische Reduktionssysteme (SCR), die als mögliche Alternativen zu dieser neuen Brenner gelten, können komplex und teuer sein und erfordern zusätzliche Schutzsysteme oder Betriebsanforderungen.
Die Verbrennung von kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoffen, die bis zu 80 % Wasserstoff enthalten, reduziert dieCO2-Emissionen um die Hälfte. Um eine noch stärkere Senkung der Kohlenstoffemissionen zu erreichen, ist eine höhere Wasserstoffkonzentration, wahrscheinlich nahe 95 %, erforderlich, um die Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen. Um die Dekarbonisierungsziele der Industrie zu erreichen, muss also ein Brenner auf dem Markt verfügbar sein, der sicher und kostengünstig nahezu 100 % Wasserstoff verbrennen kann.
Die meisten Erhitzer und Prozessöfen sind heute für die Verbrennung von Erdgas oder Raffineriebrenngasen ausgelegt, die einen hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen sowie Wasserstoff, Inertgasen und Spuren anderer Verbindungen enthalten. Der Wasserstoffgehalt eines typischen Raffineriebrenngases kann zwischen 20 und 40 % liegen. Bei der Umrüstung von Brennern für die Verbrennung von hohem Wasserstoffgehalt sind Konzentrationen von 90 - 100 % erforderlich, was die Betriebsparameter des Brenner verändert und Anpassungen der Konstruktion erfordert, um einen optimalen Betrieb Brenner und Erhitzer zu gewährleisten.
Die Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff ist deutlich höher als die von typischen Kohlenwasserstoffbrennstoffen, was zu einer schnelleren Verbrennung und einer höheren Wärmeabgabe pro Volumeneinheit führt. Die Flammengeschwindigkeit bei der Verbrennung von Wasserstoff beträgt etwa 1,7 m/s (5,6 ft/s), während die Flammengeschwindigkeit von Erdgas mit nur 0,4 m/s (1,3 ft/s) deutlich langsamer ist. Außerdem ist die stöchiometrische adiabatische Flammentemperatur von Wasserstoff (2182 °C) höher als die von Erdgas (1937 °C). Die hohe Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff bewirkt, dass die Verbrennung schneller abläuft als bei der Verbrennung von Erdgas. Durch diesen schnellen Verbrennungsprozess wird die Verbrennungsenergie in einem kleineren Volumen freigesetzt, was zu lokal erhöhten Temperaturen in der Nähe der Flamme führt, die die Auswirkungen der inhärent hohen adiabatischen Flammenspitzentemperaturen auf dieNOX-Emissionsraten verstärken. Jeder Bereich mit erhöhten Temperaturen über 760°C (1370°F) begünstigt dieBildung kleiner Mengen von NOX, und bei Temperaturen über 1100°C (2000°F)steigt NOX exponentiellan .1
Aktuelle ULNBs erzeugen oft 50 % mehrNOX-Emissionen , wenn sie von einem Brennstoff mit niedrigem auf einen mit hohem Wasserstoffanteil umschalten. Es wird erwartet, dass die lokalen gesetzlichen Anforderungen fürNOX-Emissionsgrenzwerte weiter steigen werden, unabhängig von der Verbrennung von Wasserstoff. Daher müssen die ULNBs der nächsten Generation, die für die Verbrennung von 100 % Wasserstoff geeignet sind, auch dieNOX-Emissionen weiter reduzieren als die derzeitige Generation von ULNBs.
Aktuelle ULNB-Technologien
Die Brenner wurden im Laufe der Jahrzehnte verbessert, und es wurden verschiedene Technologien zur Senkung derNOX-Emissionen eingesetzt, wobei der Schwerpunkt auf der Manipulation lokaler Bereiche des Luft/Brennstoff-Gemischs lag, um entweder brennstoffreiche oder brennstoffarme Verbrennungszonen zu schaffen und so die Flammenspitzentemperatur zu senken und dieNOX-Bildung zu verringern. Luftstaffelung, Brennstoffstaffelung, interne Rauchgasrückführung (IFGR) und mageres Vorgemisch sind die wichtigsten Techniken zur NOX-Reduzierungbei den derzeit verfügbaren ULNBs. Diese Techniken sind jedoch nicht in der Lage, die Anforderungen einer hohen Wasserstoffverbrennung zu erfüllen und gleichzeitig dieNOX-Emissionen innerhalb der Grenzwerte zu halten.
Neuere Technologien haben versucht, diese Methoden zu kombinieren, und Konzepte wie die "flammenlose Verbrennung" haben sich als vielversprechend erwiesen. Diese Brenner erfordern jedoch komplizierte Hardware, ausgeklügelte Steuerungen und Schutzsysteme, die zu den bestehenden Anlagen hinzugefügt werden müssen. Außerdem sind diese Brenner in der Regel auf Gebläseanlagen beschränkt, so dass sie für die meisten Nachrüstungen ohne erhebliche Investitionen ungeeignet sind, da die meisten befeuerten Heizgeräte mit Naturzug arbeiten. Einige dieser Konstruktionen verwenden auch Mager-Vormisch-Technologien, die bei der Verbrennung von Brennstoffen mit hohem Wasserstoffanteil, insbesondere am unteren Ende der Brenner (d. h. bei höheren Brenner ), potenziell zu Rückschlägen führen können.
Der Einbau einer SCR-Anlage ist eine Alternative, um die höherenNOX-Emissionen aufgrund der hohen Wasserstoffverbrennung zu reduzieren. Eine SCR-Anlage ist ein Nachverbrennungssystem, das im Rauchgaskanal hinter dem Konvektionsbereich installiert wird. SCR-Anlagen können dieNOX-Emissionen um bis zu 95 % reduzieren, aber die Installation einer solchen Anlage ist mit erheblichen Investitionskosten verbunden und stellt langfristig eine Herausforderung für den Betrieb dar. Außerdem kann der zusätzliche Platzbedarf einer SCR eine Herausforderung darstellen, insbesondere bei der Nachrüstung bestehender Anlagen. Schließlich müssen SCR-Anlagen innerhalb der vorgeschriebenen Rauchgastemperaturen und Ammoniak-/Harnstoff-Einspritzmengen betrieben werden, um eine Verschlechterung des Katalysatorbetts und/oder ein Abgleiten von Ammoniak in die Atmosphäre zu vermeiden.
Fortschrittliche ULNB-Technologie
Die Bewältigung dieser industriellen Herausforderungen erfordert einen 100% wasserstofftauglichen Brenner ohne komplizierte Steuerungen, zusätzliche Systeme oder besondere Platz- und Formanforderungen. ExxonMobil und Zeeco arbeiteten gemeinsam an einem neuen Brenner , das die oben genannten Anforderungen erfüllt und den Übergang von einer Vielzahl von Kraftstoffmischungen zu 100 % Wasserstoff und umgekehrt ermöglicht. Das Ergebnis ist eine zum Patent angemeldete Brenner , die eine neue quadratische Brenner und eine Anpassung der bewährten ULNB-Technologie beinhaltet, um dieNOX-Emissionen erheblich zu reduzieren. Die beiden Unternehmen arbeiteten gemeinsam an der Entwicklung, der Leistungsprüfung und dem Praxistest des Designs, um sicherzustellen, dass die Leistungs- und Emissionsziele sicher und kostengünstig erreicht werden können.
Frühere Generationen von Prozessbrennern, die nach der Freistrahltheorie arbeiten, hatten einzelne Brenner mit einer einzigen Brennstofföffnung. Dies optimierte den Nutzen der IFGR für ein mageres Brennstoffgemisch und führte in Verbindung mit der runden Kachelform zu einer nahezu universellen Zusammensetzung des mageren Brennstoffgemischs entlang der Brenner . Entlang des Innendurchmessers des Brenner angeordnete Primärbrennspitzen sorgten für Brenner , und die aus dem Brennstoffgemisch resultierende gleichmäßige Flammentemperatur hat mehr als zwei Jahrzehnte lang für eine positiveNOX-Leistung gesorgt.
Das neue Brenner mit quadratischen Kacheln baut auf den bewährten Freistrahlkonzepten auf, führt aber auch eine neue Art der Aufteilung von Kraftstoff und Luft ein, um die thermischeNOX-Bildung weiter zu reduzieren. Der neue Brenner reduziert die Anzahl der gestaffelten Kraftstoffspitzen, fügt aber mehrere Öffnungen zu jeder Spitze hinzu, die das Kraftstoffgemisch entlang der Kacheloberfläche zuführen. Weniger Einlasspunkte und die neue quadratische Kachelform schaffen ungleichmäßige Bereiche mit fetten und mageren Kraftstoffgemischen. Diese ungleichmäßigen Bereiche bedeuten, dass die Primärspitzen, die die
Ein höherer thermischer NOX-Gehaltkann in einem Bereich mit magerem Brennstoff liegen, um die kombinierte Flammentemperatur aus Primärbrennstoff und gestuftem Brennstoff zu senken. Der Bereich zwischen den Primärspitzen weist ein brennstoffreicheres Gemisch auf, das ohne die Unterstützung durch die Primärspitze stabil bleibt.
Das neue quadratische Kacheldesign führt zu einerNOX-Leistung im einstelligen Bereich bei der Verbrennung typischer Raffineriebrennstoffe und bietet auch bei der Verbrennung von 100 % Wasserstoff eine hohe Leistung. Stabile, zuverlässige und praktische Leistung bei einer Vielzahl von Brennstoffen bedeutet, dass die Betreiber 100 % Wasserstoff, eine Vielzahl von Raffinerie-/Petrochemiebrenngaszusammensetzungen, 100 % Erdgas und große Mengen von Gas mit niedrigem BTU-Wert (LBG) verfeuern und leichter zwischen verschiedenen Brennstoffen hin- und herwechseln können. Der Brenner ist in der Lage, die Wärmeabgabe im Verhältnis 5:1 zu reduzieren. Die Größe der Brenner ist vergleichbar mit bestehenden Brennern mit ähnlicher Wärmeabgabe, und es wird nur ein einziger primärer Brenngasanschluss für den Brenner verwendet, um Änderungen an den Brenngasleitungen zu begrenzen. Diese Konstruktion erfordert keine zusätzlichen Brennstoff-, Luftsteuerungs- oder Schutzsysteme. Abbildung 1 zeigt die neue Brenner in einer Betriebseinheit, die seit fast einem Jahr in Betrieb ist.
Abbildung 1: Neue Brenner in einer Betriebseinheit
Bei dieser Konstruktion wird keine herkömmliche Mager-Vormischung verwendet, so dass Brenner ausgeschlossen sind. Es ist keine externe Rauchgasrezirkulation erforderlich. Darüber hinaus kann der Brenner entweder mit erzwungenem oder natürlichem Zug und mit Umgebungsluft oder vorgewärmter Verbrennungsluft betrieben werden.
Abbildung 2 veranschaulicht dieNOX-Emissionsleistung im Vergleich zu modernen ULNBs. Diese neue Brenner reduziert dieNOX-Emissionen um etwa 50 % und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, bis zu 100 % Wasserstoff zu verbrennen, ohne die Flammenstabilität zu beeinträchtigen.
Abbildung 2: Brenner der NOx-Leistung des FREE JET Gen 3 über eine Reihe von Wasserstoff-Kraftstoffmischungen im Vergleich zu den gemessenen NOx-Werten verschiedener UNLBs der aktuellen Generation
Ergebnisse des Leistungstests
Die neue Brenner wurde unter verschiedenen Betriebsbedingungen eingehend getestet, um ihre Leistung zu prüfen und ihre Konstruktion weiterzuentwickeln. Das umfangreiche Entwicklungsprogramm der Unternehmen umfasste Tests mit einem Brenner , mit Brenner Brennern, mit Umgebungsluft und vorgewärmter Luft, mit erzwungenem Zug und natürlichem Zug sowie die Verbrennung von Erdgas, typischen Gemischen aus Raffinerie-/Petrochemiebrenngas, 100 % Wasserstoff und LBG-Abgasen. Die Prüfung der endgültigen Konstruktion ergab eine gute Leistung und Flammenstabilität über einen breiten Bereich von Brenngaszusammensetzungen. Die Tabellen 1 - 4 fassen die Brenner für verschiedene Bedingungen zusammen.
Abbildung 3 zeigt einzelne Brenner mit verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen in den Brennstoffmischungen. Wie auf den Bildern zu sehen ist, enthielt der getestete Brenner eine Düse für die Verbrennung von LBG-Kraftstoff (die große runde Düse in der Mitte des Brenner), aber LBG war zum Zeitpunkt der Aufnahmen nicht in Betrieb.
Abbildung 3: Brenner , die verschiedene Wasserstoffgehalte im Erdgas zeigt
Die Testergebnisse zeigen, dass der Brenner zu 100 % mit Wasserstoff befeuert werden kann und dieNOX-Emissionen um etwa 50 % reduziert, wobei dieNOX-Emissionen bei Erdgasbefeuerung im einstelligen Bereich liegen. Selbst bei 100%iger Wasserstoffbefeuerung lagen dieNOX-Emissionen im einstelligen Bereich bei etwa 10 ppm(v) im Naturzugbetrieb und 9 ppm(v) im Saugzugbetrieb, korrigiert auf 3%O2 trocken . Es wurde beobachtet, dass dieNOX-Emissionen mit steigendem Wasserstoffgehalt im Brenngas zunehmen, jedoch bei etwa 80 % Wasserstoff einen Spitzenwert erreichen und danach bis zur 100 %igen Wasserstoffbefeuerung abfallen, wie aus den Brennstoff-C-Daten in Abbildung 3 ersichtlich ist. Die CO-Sondierung und dieO2-Profilierung bestätigten, dass die Flammenlänge und -breite mit ULNBs der aktuellen Generation vergleichbar sind. Die CO-Tests bestätigten die Stabilität der Brenner unabhängig von der Brennstoffzusammensetzung.
Es wurden Brenner durchgeführt, um mögliche nachteilige Auswirkungen von Wechselwirkungen zwischen Flamme und Brenner auf dieNOX-Emissionen zu untersuchen. Da viele ältere, bereits befeuerte Erhitzer einen engeren Brennerabstand als die API 560-Empfehlungen haben, wurden zusätzliche Brenner mit einem engeren Brenner als den API 560-Empfehlungen durchgeführt. DieNOX-Emissionen stiegen um weniger als 20 % an, wenn der Brenner auf 75 % des nach API 560 empfohlenen Abstands reduziert wurde, und zwar über einen breiten Bereich von Brennstofffeuerungen, einschließlich 100 % Wasserstoff.
Ergebnisse des Feldtests
ExxonMobil installierte 12 FREE JET Gen 3-Brenner von Zeecoin einem der vertikalen zylindrischen Erhitzer in seiner Anlage in Baytown, die Anfang 2024 in Betrieb genommen werden sollen. Bei den Brennern handelt es sich um Gebläsebrenner mit vorgewärmter Luft, die auch für den Betrieb mit natürlicher Zugluft geeignet sind und eine Wärmeabgabe von jeweils 9,8 Millionen Btu/h (LHV-Basis) aufweisen. Die CO-Emissionen blieben auch während der Inbetriebnahme konform, ohne dass zusätzliche Minderungsmaßnahmen ergriffen werden mussten.
Die CO-Emissionen blieben auch während des Anfahrbetriebs unter einem gleitenden Stundenmittelwert von 50 ppm. Erfahrungsberichte bestätigten, dass alle Brenner auch bei niedrigen Feuerungsraten und einem Sauerstoffüberschuss von bis zu 10 Vol% (feucht) stabil blieben. Vorläufige Emissionstests wurden mit Brennern durchgeführt, die zwischen 60 und 75 % der vorgesehenen Wärmeabgabe, einer Wasserstoffkonzentration im Brenngas von 45 bis 60 % und einer Verbrennungslufttemperatur von 135 bis 230 °F betrieben wurden. Die gemessenenNOX-Emissionen blieben bei einer Korrektur auf 3 %O2 ( trocken) und einer Brückentemperatur von 1600°F bei oder unter 12 ppm. Dies entsprach den Ergebnissen der Leistungstests.
Schlussfolgerung
In den kommenden Jahren wird es eine Nachfrage nach ULNBs der nächsten Generation geben, die für eine 100%ige Wasserstoffbefeuerung geeignet sind, jedoch wesentlich geringereNOX-Emissionen aufweisen. Diese Brenner müssen sich leicht in bestehende befeuerte Heizgeräte nachrüsten lassen, einfach in neue befeuerte Heizgeräte einzubauen sein und minimale Anforderungen an die Hardware/Steuerung haben.
Dieser neu entwickelte ULNB der nächsten Generation erfüllt die Anforderungen der Industrie und kann eine Anlage schon heute für die bevorstehende Brennstoffumstellung wasserstofftauglich machen. Der Brenner eignet sich sowohl für Anwendungen mit natürlichem Zug als auch mit erzwungenem Zug, sowohl für Umgebungsluft als auch für vorgewärmte Luft, und kann mit einer Vielzahl von Brenngaszusammensetzungen umgehen, einschließlich 100 % Wasserstoff - und hat sich in der Praxis bewährt. Der Brenner bietet die gleiche Leistung und Flammengröße wie die ULNBs der aktuellen Generation und reduziert gleichzeitig dieNOX-Emissionen erheblich.
Anmerkungen
Alle Angaben zum prozentualen Wasserstoffgehalt sind in Volumenprozent angegeben.
ExxonMobil Technology and Engineering Company hat zahlreiche Tochtergesellschaften, viele mit Namen wie ExxonMobil, Exxon, Mobil, Esso und XTO. Der Einfachheit halber werden diese Begriffe und Begriffe wie "Corporation", "Unternehmen", "unser", "wir" und "sein" manchmal als abgekürzte Verweise auf eine oder mehrere bestimmte Tochtergesellschaften oder Gruppen von Tochtergesellschaften verwendet. Der Einfachheit halber werden manchmal auch abgekürzte Bezeichnungen verwendet, die globale oder regionale Betriebsorganisationen und globale oder regionale Geschäftsbereiche beschreiben. Keine der hierin enthaltenen Angaben soll die unternehmerische Eigenständigkeit der verbundenen Unternehmen aufheben.
Referenz
- Technisches Bulletin: Stickstoffoxide (NOx), warum und wie sie kontrolliert werden", US Environmental Protection Agency, (November 1999), https://www3.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf