Wasserstoff - der alternative Kraftstoff

DieVerbrennungseigenschaftenvon H2 unterscheiden sich erheblich von denen des Erdgases.

Ein ZEECO GB Brenner mit niedrigem NOx-Gehalt, der 100% H2-Gas verbrennt.

Der heutige Dampferzeugungsmarkt wird durch steigende Brennstoffkosten und neue Vorschriften, die eine Verringerung des CO2-Ausstoßes vorschreiben, ständig neu gestaltet. Neue Vorschriften schreiben vor, dass Dampferzeuger ihre Kohlenmonoxid- (CO) und Kohlendioxid- (_CO2) Emissionen reduzieren müssen. Die beiden wichtigsten Methoden zur Verringerung der CO- und_{CO2-Emissionen} bestehen entweder in der Abscheidung und Bindung des Kohlenstoffs im Brenngas oder in der Entfernung des Kohlenstoffs aus dem Brennstoff vor der Verbrennung. Die Abscheidung von Kohlenstoff aus dem Brennstoff ist die kostengünstigere Methode. Bei der Entfernung des Kohlenstoffs vor der Verbrennung wird Erdgas - hauptsächlich Methan (CH4) - reformiert und das Kohlenstoffatom abgeschieden, während die Wasserstoffatome (_H2) als Brennstoffquelle genutzt werden. Durch die Abtrennung des Kohlenstoffs vor der Verbrennung entfällt die Notwendigkeit, jeden Kessel mit kostspieliger Ausrüstung auszustatten, die zur Abtrennung und Sequestrierung des Kohlenstoffs erforderlich ist.

Die Instabilität der Brennstoffkosten ist ein weiterer Faktor, der die Endverbraucher dazu veranlasst, alternative Brennstoffquellen in Betracht zu ziehen, über die sie möglicherweise bereits verfügen, wie z. B._H2, das bei verschiedenen Reformierungs- und Raffinierungsprozessen übrig bleibt. Anstatt dieses überschüssige_H2 abzufackeln oder freizusetzen, kann es in den Brenngasstrom eingespeist werden, um die Hauptbrennstoffversorgung zu ergänzen. Mit dem richtigen Fachwissen und der entsprechenden Erfahrung kann die Verbrennung von_H2 in Dampferzeugungssystemen die Betriebskosten für Brennstoffe erheblich senken und gleichzeitig dazu beitragen, die neuen Vorschriften für Kohlenstoffemissionen einzuhalten.

Überlegungen zur Brennerkonstruktion

Ein ZEECO GB Brenner mit niedrigem NOx-Gehalt, der mit 20 % CO2 und 80 % H2-Brenngas betrieben wird.

Die Brennerkonstruktion muss auf ihre Kompatibilität mit der H2-Befeuerung geprüft werden, um einen ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb während der Befeuerung zu gewährleisten. Die Verbrennungseigenschaften von H2 unterscheiden sich erheblich von denen des Erdgases. Die Flammengeschwindigkeit bei der H2-Verbrennung beträgt ca. 5,7 Fuß pro Sekunde, während die Flammengeschwindigkeit von Erdgas mit nur 1,3 Fuß pro Sekunde deutlich langsamer ist. Die H2-Verbrennung zeichnet sich auch durch eine höhere stöchiometrische adiabatische Flammentemperatur von 3.960°F aus, während Erdgas eine adiabatische Flammentemperatur von 3.518°F hat (diese Messungen stammen aus "Combustion - Second Edition" von Irvin Glassman (1987). Diese signifikanten Unterschiede in den Verbrennungseigenschaften machen es erforderlich, dass Ingenieure die in der Brennerkonstruktion verwendeten Materialien und die Art des verwendeten Brenners bewerten.

Die typische Brennerkonstruktion besteht aus Metallkomponenten und einer feuerfesten Kehle oder Kachel, die eine Untersuchung erfordern, um die Materialeignung für die H2-Feuerung zu bestimmen. Die erhöhte Flammentemperatur macht es erforderlich, dass der für die Düsenkonstruktion, die Halskonstruktion und die Flammenstabilisatoren verwendete Stahl auf eine höhere Edelstahlqualität oder Legierung aufgerüstet wird, die diesen erhöhten Betriebstemperaturen standhält. Darüber hinaus muss das im Brenner verwendete Feuerfestmaterial sorgfältig geprüft und in seiner Zusammensetzung so verändert werden, dass es den für die H2-Befeuerung charakteristischen hohen Temperaturen standhält.

Der in H2-Brennern verwendete Stahl muss nicht nur hohen Temperaturen standhalten, sondern auch sorgfältig ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass er nicht anfällig für Wasserstoffversprödung und Wasserstoffangriff bei hohen Temperaturen ist. Beide Phänomene können einen ungeeigneten Stahl vorzeitig zersetzen und zu einem frühzeitigen Ausfall der Brennerteile führen.

Die Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff, die fast fünfmal so hoch ist wie die von Erdgas, ist ein grundlegender Grund zur Besorgnis bei der Bewertung der Brennerkonstruktion. Brennerkonstruktionen, die eine magere Vormischung, eine Vormischung oder eine schnelle Vormischung verwenden, eignen sich nicht für einen Brennstoffstrom, dessen H2-Zusammensetzung variiert. Je höher die H2-Zusammensetzung im Brennstoffstrom ist, desto anfälliger sind diese Brennertypen für Flammenrückschlag. Ein Flammenrückschlag tritt auf, wenn die aus der Brennerdüse austretende Gasgeschwindigkeit langsamer ist als die Flammengeschwindigkeit bei einer Vormischanwendung. Ein Flammenrückschlag kann zu Schäden an den Brennerkomponenten führen.

Überlegungen zur Emission

Ein ZEECO GB Low-NOX-Brenner, der zu 100 % mit Erdgas betrieben wird.

Das nächste wichtige Thema, das bei der_{H2-Befeuerung} berücksichtigt werden muss, sind die Auswirkungen auf die Brenneremissionen. Aufgrund der hohen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von Wasserstoff verläuft der Verbrennungsprozess schneller als bei Erdgas. Durch den schnellen Verbrennungsprozess wird die Verbrennungsenergie in einem kleinen Bereich freigesetzt, was zu lokal erhöhten Temperaturen in der Nähe der Flamme führt, was die Auswirkungen der inhärent hohen adiabatischen Flammentemperaturen auf die NOx-Emissionsraten verstärkt. Jeder Bereich mit erhöhten Temperaturen über 2.500°F ist der NOx-Bildung förderlich. Daten aus der Praxis und aus Testanlagen haben gezeigt, dass standardmäßige Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß, die mit H2 befeuert werden, in der Regel einen Anstieg der NOx-Emissionsraten um bis zu einem Faktor 3 aufweisen.

Rauchgasrückführung (FGR), Dampfeinspritzung und/oder ULN-Brennertechnologie (Ultra-Low-NOx) sind erforderlich, um NOx zu reduzieren. Bei der Rauchgasrückführung wird ein Teil des aus dem Kessel austretenden Rauchgases (in der Regel nach dem Economizer) abgezweigt und in die Verbrennungsluftzufuhr eingeleitet. Die Verbrennungsluftzufuhr verdünnt sich mit den verbrauchten Verbrennungsprodukten, wodurch die Flammenspitzentemperatur während der Verbrennung gesenkt wird. Kleine Mengen sorgfältig platzierter Dampfeinspritzung können ebenfalls zur NOx-Reinigung beitragen, indem sie die Flamme abkühlen und eine geringe Menge an Inertisierung einbringen.

Gestufte ULN-Brenner sind eine weitere Option zur Bekämpfung der erhöhten NOx-Emissionen, die mit der Verbrennung von_H2 einhergehen. Bei diesen Brennern werden im Allgemeinen sowohl Luft- als auch Brennstoffstufungsmechanismen eingesetzt, um die Flammenspitzentemperatur zu senken. Durch die richtige Brennstoffabstufung wird die Menge an Brenngas erhöht, die in den Brennstoffstrom eingeschlossen werden kann, bevor sie mit der Luft in Kontakt kommt. Die Einmischung von Brenngas in den Brennstoffstrom ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie die FGR die NOx-Emissionen reduziert. Durch die richtige Einbringung der Luft in die Verbrennungszone wird die Vermischung von Brennstoff und Luft verzögert und der Verbrennungsprozess über die gesamte Länge des Ofens ausgedehnt. Der langwierige Verbrennungsprozess senkt die Gesamtverbrennungsspitzentemperaturen und verringert so die NOx-Bildung.

Es sollte auf die Unterschiede zwischen gestuften ULN-Brennern und Premix-ULN-Brennern geachtet werden. Wie bereits erläutert, bestehen Vormischbrenner in der Regel nicht aus Materialien, die einer_H2-haltigen Verbrennung standhalten, und sind auch nicht in der Lage, einen Flammenrückschlag bei der Verbrennung von Brennstoffen mit hohem_{H2- Anteil} zu verhindern.

Der_H2-Gehalt im Kraftstoffstrom hat ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die CO- und_{CO2-Emissionen}. Wenn_H2 die Kohlenwasserstoffe in der Kraftstoffzusammensetzung ersetzt, sinkt die Anzahl der Kohlenstoffatome. Ein Kraftstoffstrom, der zu 100 % aus_H2 besteht, kann weder CO noch_CO2 als Nebenprodukt der Verbrennung erzeugen, da bei der Verbrennungsreaktion kein Kohlenstoff vorhanden ist. Je höher der_H2-Gehalt eines Kraftstoffs ist, desto geringer sind daher die CO- und_{CO2-Emissionen} insgesamt. Nachstehend finden Sie die grundlegende stöchiometrische Verbrennungsreaktion eines Brennstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis, Erdgas, und die Verbrennungsreaktion von reinem_H2.

Erdgas Verbrennungsreaktion:
CH4 + 2(_O2 = 3,76N2) =
_CO2 + 2H2O + 7,52N2 Gleichung 1

Wasserstoff-Verbrennungsreaktion:
2H2 + (_O2 + 3,76N2) =
2H2O + 3,76N2 Gleichung 2

Überlegungen zu den Auswirkungen von Kesseln

Wenn ein neuer Brennstoff für die Verwendung in einem Kessel in Betracht gezogen wird, kann eine Studie über die Auswirkungen auf den Kessel empfohlen werden, um sicherzustellen, dass es keine Beeinträchtigungen der Kesselleistung gibt. Ebenso sollte die Kesselleistung bewertet werden, wenn_H2 als Brennstoffquelle in Betracht gezogen wird. Die Verbrennungseigenschaften von_H2 können dazu führen, dass sich der Ort und die Art der Strahlungs- und Konvektionswärmeübertragung im Kessel ändern, was sich negativ auf die Dampferzeugungsrate und die Dampftemperaturen auswirken kann.

Basierend auf den Gleichungen 1 und 2 beträgt der stöchiometrische Luftbedarf für Erdgas ~720 lbs. of air/ MMBtu und der stöchiometrische Luftbedarf für_H2 ~560 lbs. of air/MMBtu; daher benötigt die H2-Befeuerung im Vergleich zu Erdgas etwa 30% weniger Luftmassenstrom. Darüber hinaus kann_H2 aufgrund seiner höheren Entflammbarkeitsgrenze mit einem geringeren Luftüberschussverhältnis als Erdgas betrieben werden. Ein geringeres Luftüberschussverhältnis reduziert den erforderlichen Luftmassenstrom im Vergleich zu Erdgas weiter. Bei der_{H2-Befeuerung} erhöht sich auch die Ofengasaustrittstemperatur (FEGT), vor allem aufgrund der höheren Flammentemperaturen.

Bei der Verbrennung von_H2 kann sich die daraus resultierende Verringerung des Massenstroms durch den Kessel in Verbindung mit einer höheren FEGT negativ auf die konvektiven Wärmeübertragungsanteile des Kessels auswirken und sowohl die Dampfproduktion als auch die Dampfqualität gefährden. Durch die Zuführung eines zusätzlichen Massenstroms in das System über eine externe FGR können jedoch die Bedenken hinsichtlich einer höheren FEGT und einer geringeren konvektiven Wärmeübertragung entkräftet werden. Der zusätzliche FGR-Massenstrom senkt die FEGT und hebt alle nachteiligen Auswirkungen auf die konvektive Wärmeübertragung auf.

Überlegungen zur Instrumentierung und Steuerung

Der letzte Punkt, der bei der Verwendung von_H2 als Brennstoff zu beachten ist, ist die für eine sichere Verbrennung erforderliche Steuerung und Instrumentierung. Jeder Brenner, der für eine wechselnde Brennstoffzusammensetzung ausgelegt ist, die von Erdgas bis zu hohem_H2-Gehalt reicht, sollte über ein vollständig dosiertes Verbrennungssteuerungssystem verfügen, das in einigen Fällen mit einem Wobbe-Index-Messgerät oder einem Messgerät für das spezifische Gewicht gekoppelt ist. Das Wobbe-Index-Messgerät überwacht die schwankende Zusammensetzung des Brennstoffstroms und liefert die notwendigen Daten für das Regelsystem, um das Brennstoff-Luft-Verhältnis im Verbrennungsregelsystem richtig einzustellen. Die Unfähigkeit, die Zusammensetzung des Kraftstoffstroms zu überwachen und das Verbrennungssteuerungssystem an diese Veränderungen anzupassen, kann zu einem potenziell unsicheren, kraftstoffreichen Zustand führen.

Die dem Brenner vorgeschaltete Brennstoffzufuhr sollte ebenfalls auf Kapazitätsengpässe hin überprüft werden._H2 erfordert im Vergleich zu Erdgas den dreifachen volumetrischen Brennstofffluss, um die gleiche Wärmeabgabe zu erreichen. Die Größe der Rohre und die technischen Komponenten des Brennstoffstrangs müssen bewertet werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb mit jedem Brennstoff zu gewährleisten, insbesondere bei der Verwendung in Kombination mit_H2.

Die Flammenerkennung ist eine wichtige Sicherheitsmaßnahme für den Brenner und wird von allen aktuellen Kesselbetriebsvorschriften gefordert. Wenn_H2 im Verbrennungsprozess vorhanden ist, erzeugt es Wasserdampf. Wenn sich der_H2-Gehalt im Brennstoffstrom 80 % nähert, haben die meisten heute erhältlichen Flammenfühler aufgrund des hohen Wasserdampfanteils Schwierigkeiten, die Flamme zu erkennen und zu überprüfen. Die Wahl des richtigen Flammenwächters ist entscheidend.

Weitere Überlegungen müssen angestellt werden, um die sichere Verbrennung von_H2 zu gewährleisten und gleichzeitig die Umweltgrenzwerte des jeweiligen Landes einzuhalten. Die Beratung durch einen erfahrenen Brennerlieferanten, der sich mit der_{H2-Verbrennung} auskennt, ist für Ihren Erfolg unerlässlich.

Von John Guarco, Technischer Direktor, Kesselbrenner; Bob Langstine, Regionaler Verkaufsleiter (Südost-USA & Ost-Kanada), Nordamerika; und Michael Turner, Entwicklungsingenieur, ZEECO Inc.