Da Führungskräfte und Organisationen bestrebt sind, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, taucht die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoffquelle immer mehr als überzeugende Alternative auf. Prozesswärme durch Wasserstoffverbrennung ist nicht unbedingt neu. Die Raffinerie- und Petrochemieindustrie hat den Heizgehalt in Nebenprodukten (von denen viele reich an Wasserstoff sind) genutzt, um den Wirkungsgrad der Einheit zu maximieren, den Verbrauch des gekauften Brennstoffs zu reduzieren und die Freisetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in die Atmosphäre zu verhindern. Während die kohlenstofffreie Natur von Wasserstoff einen scheinbar einfachen Weg zu kohlenstofffreien Emissionen bietet, bringt der Übergang zu Wasserstoff mehrere Herausforderungen mit sich, die, wenn sie nicht abgeschwächt werden, sich negativ auf die Rentabilität von Produkten und Dienstleistungen auswirken werden, die für unser tägliches Leben von entscheidender Bedeutung sind.
Die Grundlagen verstehen
Befeuertes Heizen ist eine effektive und beliebte Methode, um die notwendige Wärme bereitzustellen, um chemische Reaktionen in großen industriellen Prozessen anzutreiben. Raffinations-, Reformierungs- und Crackprozesse sind traditionell auf leicht verfügbare Energiequellen (z. B. Erdgas) angewiesen. Obwohl fossile Brennstoffe bisher eine kostengünstige und effiziente Energiequelle für die Ölraffination und -destillation waren, führt der in diesen Kraftstoffen enthaltene Kohlenstoff zu unerwünschten Emissionen, die langfristige Auswirkungen auf die Umwelt haben. Die Wasserstoffverbrennung mindert jedoch die CO2-Bildung als Verbrennungsprodukt und ist damit eine attraktive Option zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen.
Obwohl
die Mechanik der Wasserstofffeuerung der der meisten anderen Kohlenwasserstoffbrennstoffe ähnlich ist, unterscheidet sich die Brennerleistung bei der Verbrennung von Wasserstoff erheblich. Die Wasserstoffverbrennung hat eine deutlich höhere adiabatische Flammentemperatur, breitere Entflammbarkeitsgrenzen und eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit. Diese Eigenschaften wirken sich auf die Wärmeübertragungsraten, den Gesamtwirkungsgrad des Prozesserhitzers und letztendlich auf den Betrieb von Öfen aus. Darüber hinaus können diese Eigenschaften bei befeuerten Heizgeräten (z. B. Vormischbrennern), die möglicherweise nicht dafür ausgelegt sind, verheerende Auswirkungen haben.
Zuverlässigkeit des Brenners
Die hohe Flammentemperatur, die breiten Entflammbarkeitsgrenzen und die Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff können zu einem erhöhten Verschleiß der in befeuerten Heizgeräten verwendeten Materialien führen. Insgesamt können sich Anlagenkonstruktionen, die mit Erdgas gut umgehen, bei der Wasserstoffverbrennung beschleunigt verschlechtern. Dies erfordert die Entwicklung robusterer Brennerkonstruktionsstrategien sowie verbesserter Konstruktionsmaterialien, um Zuverlässigkeitsbedenken zu reduzieren und die gewünschten Lauflängen zu erreichen.
Sicherheitsbedenken
Wasserstoff hat im Vergleich zu Erdgas einen breiteren Entflammbarkeitsbereich, was das Risiko von Zündungen und Explosionen während der Startbedingungen erhöht. Die Implementierung fundierter Sicherheitsprotokolle und die Entwicklung ausfallsicherer Systeme sind entscheidend, um diese Risiken zu mindern.
Möglichkeiten für Innovationen
Vorteilhaftes Brennerdesign:
Die einzigartigen Eigenschaften der Wasserstoffverbrennung bieten die Möglichkeit, bei der Brennerkonstruktion innovativ zu sein. Die Brenner und Technologien von John Zink vorteilhaften Brenner und Technologien sind darauf zugeschnitten, im jeweiligen Einsatzgebiet erfolgreich zu sein. Aufgrund jahrzehntelanger Erfahrung mit der Verbrennung hoher Wasserstoffgehalte konzentrierte sich die Brennerentwicklung auf zwei Schlüsselprobleme:
- Zuverlässigkeit der Ausrüstung: Verbrauchsmaterialien in einem Prozessbrenner sind in der Praxis unvermeidlich. Daher sind Brennerdesigns vorteilhaft, die die Abhängigkeit von Verschleißteilen erheblich und effektiv reduzieren, ohne die Brennerleistung zu beeinträchtigen.
- Konsistenter Betrieb: Die nächste Leistungsstufe kann erreicht werden, wenn das Fachwissen genutzt wird, um die Verbrennungsleistung in Echtzeit anzupassen und die gewünschte Leistung unabhängig von der Änderung der Kraftstoffzusammensetzung und der Verbrennungslufttemperatur zu erreichen. Der SOLEX-Brenner kann genau das. Durch die Nutzung von zwei unabhängigen Verbrennungszonen kann die Stöchiometrie in strategischen Teilen des Brenners effektiv angepasst werden, um das Risiko eines Flammenrückschlags zu verringern und gleichzeitig die NOx-Leistung zu optimieren.
Abbildung 1 SOLEX Brenner Verbrennungszonen
- Sicherheitssysteme: Der Bedarf an robusten Sicherheitssystemen fördert Innovationen in der Sensorik und Steuerungstechnik. Diese Fortschritte stellen sicher, dass Wasserstoff sicher eingesetzt werden kann, wodurch das Unfallrisiko verringert und die Prozesssicherheit insgesamt erhöht wird.
Wirtschaftliche Überlegungen
Der Umstieg auf Wasserstoff erfordert erhebliche Kapitalinvestitionen. Dazu gehören die Nachrüstung bestehender Infrastruktur, die Entwicklung neuer Geräte und die Sicherstellung der Einhaltung von Sicherheitsstandards. Während die langfristigen Vorteile reduzierter Kohlenstoffemissionen klar sind, können die Anschaffungskosten für viele Anwendungen abschreckend wirken. Regierungen und Regulierungsbehörden können eine zentrale Rolle spielen, indem sie Anreize und Subventionen bereitstellen, um diese Kosten auszugleichen und die Einführung der Wasserstofftechnologie zu fördern. Darüber hinaus können diese Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur die Produktivität der Einheiten steigern und eine Amortisation der Dekarbonisierungsbemühungen bieten.
