Die Bedeutung von Wasserstoffkraftstoff

Die Bedeutung von Wasserstoffkraftstoff liegt in der Art und Weise, wie er erzeugt wird. Die Methoden zur Herstellung von Wasserstoff können in mehrere Kategorien eingeteilt werden, wobei blauer Wasserstoff, grauer Wasserstoff und grüner Wasserstoff am häufigsten sind. Blauer Wasserstoff wird durch Methandampfreformierung (SMR) hergestellt und bindet die daraus resultierenden CO2-Emissionen. Grauer Wasserstoff hingegen wird ohne Abscheidung von CO2-Emissionen hergestellt. Grüner Wasserstoff, der am meisten Nachhaltigkeit verspricht, wird unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie erzeugt, um Elektrolyseprozesse anzutreiben.

Hoher Wasserstoffverbrauch in bestimmten Anwendungen

Während es ein wachsendes Interesse an der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff gibt, wird in bestimmten Anwendungen seit Jahren ein hoher Wasserstoffgehalt verwendet. Bei der Herstellung von Ethylen aus Ethanrohstoffen enthalten die Abgase beispielsweise 70-85 % Wasserstoff, der als Brennstoff für Cracköfen verwendet wird.

Herausforderungen der Wasserstoffverbrennung

Die Integration großer Mengen an Wasserstoff in bestehende Verbrennungssysteme ist kein einfacher Übergang. Wasserstoff ist in seinem natürlichen Zustand ein gasförmiges Element mit geringer Dichte, was es anfällig für Leckagen in Rohrleitungssystemen macht. Es besitzt auch einzigartige Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenwasserstoffbrennstoffen, darunter einen hohen Heizwert auf Massenbasis, aber einen niedrigen Heizwert auf Volumenbasis aufgrund seiner geringen Dichte. Dieser niedrige volumetrische Heizwert führt zu höheren Volumenströmen und einem höheren Brenngasdruck, was zu spezifischen Herausforderungen bei der Konstruktion führt.

Darüber hinaus hat Wasserstoff im Vergleich zu vielen herkömmlichen Brennstoffen eine höhere Flammengeschwindigkeit und Zündtemperatur, was ihn anfälliger für Flammenrückschläge macht und konstruktive Anpassungen erforderlich macht. Die Wasserstoffverbrennung bietet jedoch Vorteile, wie z. B. die Abwesenheit von Kohlenstoff, was zu geringeren Emissionen von Ruß, Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führt.

Um

den komplexen Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff gerecht zu werden, müssen Brenner möglicherweise in der Lage sein, sowohl mit Erdgas als auch mit Brennstoffen mit hohem Wasserstoffgehalt zu feuern, was ihre Konstruktion und ihren Betrieb erschweren kann. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von SMR für die Wasserstoffproduktion relevant. Brenner, die für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt sind, werden zunächst mit Erdgas gestartet, bis das SMR-Verfahren etabliert ist und Wasserstoff hergestellt wird. Das bedeutet, dass die Brenner in der Lage sein müssen, sowohl mit Erdgas als auch mit Brennstoffen mit einem hohen Wasserstoffgehalt betrieben zu werden. Da die Verbrennungseigenschaften zwischen Wasserstoff und anderen Brennstoffen erheblich unterschiedlich sein können, könnte dies das Konzept und den Betrieb des Brenners erschweren.

Herausforderungen für vorgemischte Prozessbrenner

Herkömmliche Vormischbrennerkonstruktionen sind anfällig für Probleme, wenn ein hoher Wasserstoffgehalt im Brennstoffgemisch verwendet wird. Zu den Herausforderungen gehören:

  1. Flammenrückschlag: Die deutlich höhere Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff erhöht das Risiko eines Flammenrückschlags, der zu einer internen Verbrennung im Brenner und einer möglichen Zerstörung führt.
  2. Thermisches NOx: Die höhere adiabatische Flammentemperatur von Wasserstoff kann die thermischen NOx-Emissionen beeinflussen und muss von Fall zu Fall bewertet werden.
  3. Geräuschpegel: Steigender Brenngasdruck führt zu höheren Geräuschpegeln.
  4. Luftansaugung: Die Luftansaugung in vorgemischten Brennern hängt vom Brenngasdruck ab, was sich auf die Verbrennungseffizienz auswirken kann.

Einführung der WALFIRETM-Technologie

Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat John Zink Hamworthy den WALFIRE Wandstrahler für Prozesserhitzer entwickelt, der speziell für Hochtemperaturanwendungen wie Ethylen-Cracköfen konzipiert ist. WALFIRE arbeitet als Diffusionsbrenner, bei dem Luft und Brenngas vor der Verbrennung nicht vorgemischt werden. Dadurch wird das Risiko eines Flammenrückschlags eliminiert und ein sicherer Betrieb unabhängig von der Wasserstoffkonzentration im Brenngas gewährleistet. Die Technologie nutzt den Unterdruck des Ofens, um Luft anzusaugen, wodurch er unabhängig vom Brenngasdruck und der Zusammensetzung des Brennstoffs ist und so die Anpassung der Brennstoffqualität während des Betriebs vereinfacht wird.

Fallstudie: Petrochemische Anlage in den USA

Eine petrochemische Anlage in den USA erlebte hohe Wartungsintervalle und häufige Rückschläge beim Einsatz von Strahlungswander mit extrem niedrigem NOx (ULN) in einem Ethylen-Crackofen. Durch den Austausch dieser Wandbrenner durch WALFIRE-Brenner vergrößerte die Anlage ihr Betriebsfenster, wodurch das Risiko von Flammenrückschlägen eliminiert und der Wartungsaufwand bei gleichbleibender Emissionsleistung reduziert wurde.

Fazit

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Durch die Integration eines hohen Anteils an Wasserstoff in Verbrennungssysteme können die CO2-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen deutlich reduziert oder eliminiert werden. Die einzigartigen Eigenschaften von Wasserstoff stellen jedoch Herausforderungen dar, die innovative Lösungen erfordern. Technologien wie WALFIRE demonstrieren die Fähigkeit, Wasserstoff sicher als Brennstoffquelle zu nutzen und so den Weg für eine grünere und nachhaltigere Energiezukunft zu ebnen. Da die Nachfrage nach Wasserstoff weiter wächst, sind kreative Verbrennungslösungen für eine sauberere und umweltfreundlichere Welt unerlässlich.