Da Industrien weltweit nach nachhaltigen Energielösungen suchen, entwickelt sich Wasserstoff (H2) zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Bei John Zink sind wir führend bei der Entwicklung innovativer Verbrennungstechnologien, die den sich wandelnden Bedürfnissen unserer Kunden gerecht werden. Ein Schwerpunkt ist die Umstellung von tangential befeuerten Kesseln von Erdgas auf Wasserstoff. Dieser Prozess bietet spannende Möglichkeiten, bringt aber auch seine eigenen Herausforderungen mit sich.
Warum Wasserstoff?
Die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff unterscheiden sich deutlich von denen herkömmlicher fossiler Brennstoffe wie Erdgas. Zum einen hat Wasserstoff eine viel schnellere Flammengeschwindigkeit und breitere Entflammbarkeitsgrenzen. Es produziert auch keinen Ruß, Kohlenmonoxid (CO) oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Diese Eigenschaften machen Wasserstoff zu einer attraktiven Option, um Emissionen zu reduzieren und die Verbrennungseffizienz zu verbessern.
Dieselben Eigenschaften stellen jedoch auch erhebliche Herausforderungen an das Design dar. Tangential befeuerte Kessel, die traditionell mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, erfordern sorgfältige Modifikationen, um Wasserstoff effektiv handhaben zu können.
Wichtigste Herausforderungen bei der Wasserstoffumwandlung
Beim Übergang von Erdgas zu Wasserstoff müssen mehrere Designüberlegungen berücksichtigt werden:
- Flammengeschwindigkeit: Die Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff ist deutlich höher als die von Erdgas. Tatsächlich kann die Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff bei einer typischen Betriebstemperatur siebenmal schneller sein als die von Methan. Das bedeutet, dass sich Flammenfronten schneller ausbreiten könnten, was zu Instabilität und lokaler Überhitzung im Kessel führen kann.
- Entflammbarkeitsgrenzen: Wasserstoff hat im Vergleich zu Erdgas einen größeren Entflammbarkeitsbereich. Dadurch kann eine ausgedehntere Zone entstehen, in der das Brennstoffgemisch brennbar ist, was die Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter Zündpunkte im Kessel erhöht.
- Wärmeübertragung: Wasserstoff verbrennt heißer als Erdgas, was sich auf die Wärmeübertragungsdynamik im Kessel auswirken kann. Diese Änderung der Temperaturverteilung kann Anpassungen der Brennerneigung, Änderungen an den Brennermaterialien oder sogar Änderungen an den Überhitzungsmechanismen des Kessels erfordern, um Schäden zu vermeiden.
- NOx-Emissionen: Während die Wasserstoffverbrennung CO- und VOC-Emissionen eliminiert, kann sie aufgrund der höheren Verbrennungstemperaturen die Stickoxide (NOx) erhöhen. Die Bekämpfung von NOx-Emissionen erfordert eine sorgfältige Brennerkonstruktion, um diesen Effekt zu mildern.
Praktische Lösungen und Tests Um diese Herausforderungen
zu meistern, haben wir in unserem Research & Development Test Center in Tulsa, Oklahoma, strenge Tests durchgeführt. Wir haben einen speziellen Brenner entwickelt, der in der Lage ist, die einzigartigen Eigenschaften von Wasserstoff zu bewältigen. Unsere Tests ergaben mehrere wichtige Erkenntnisse:
- Brennerdesign: Modifikationen an der Kraftstoffdüse haben das Risiko einer Überhitzung aufgrund der erhöhten Flammengeschwindigkeit und der breiteren Entflammbarkeitsgrenzen verringert, während die Leistung bei Erdgasbrennstoffen erhalten bleibt. Diese neue Konstruktion reduzierte das Risiko einer Überhitzung und verbesserte die Gesamtstabilität des Brenners.
- Material-Upgrades: Der Übergang zu Wasserstoff erforderte die Aufrüstung der Brennermaterialien auf höherwertigen Edelstahl. Diese Änderung trug dazu bei, den höheren Betriebstemperaturen standzuhalten, ohne die strukturelle Integrität des Brenners zu beeinträchtigen.
- Strategien zur NOx-Reduzierung: Wir haben verschiedene Konfigurationen getestet, um die NOx-Emissionen zu minimieren. Das optimierte Design reduzierte den NOx-Ausstoß um etwa 23 % im Vergleich zu herkömmlichen Setups und machte die Wasserstoffverbrennung umweltfreundlicher.
- Transition Friendly: Unsere T-Fire-Technologie hat sich von 100 % Erdgas bis zu 100 % Wasserstoff bewährt, was bedeutet, dass unsere marktführende Tangential Fire-Gasbrennertechnologie in der Lage sein wird, Endverbraucher bei der Energiewende zu unterstützen.
Die Road Ahead
Wasserstoff ist ein wichtiger Akteur in der Zukunft der sauberen Energie, und tangential befeuerte Kessel können angepasst werden, um die Vorteile dieses Brennstoffs zu nutzen. Der Übergang ist jedoch nicht ohne Hürden. Bei John Zink sind wir weiterhin bestrebt, praktische Lösungen zu entwickeln, die unseren Kunden helfen, diesen Wechsel reibungslos zu vollziehen. Unsere kontinuierliche Forschung und Tests stellen sicher, dass wir nicht nur auf Branchentrends reagieren, sondern diese aktiv mitgestalten.
Wenn Sie mehr über Wasserstoffumwandlungen erfahren möchten oder Unterstützung bei Ihren Verbrennungssystemen benötigen, ist John Zink hier, um Ihnen zu helfen.
