El futuro de la energía está experimentando una transformación significativa, con el hidrógeno emergiendo como una fuente de combustible prometedora y ecológica. La creciente demanda mundial de hidrógeno está impulsada por su capacidad de generar agua como único subproducto durante la combustión, con emisiones mínimas de dióxido de carbono, dependiendo de su método de producción. Sin embargo, la integración del hidrógeno en diversas aplicaciones presenta desafíos únicos, particularmente cuando se trata de sistemas de combustión. En este artículo, exploramos cómo la tecnología de quemadores de pared radiante está abordando los problemas asociados con la introducción de combustibles de hidrógeno en los procesos de combustión.
La importancia del combustible de hidrógeno
La importancia del combustible de hidrógeno radica en cómo se genera. Los métodos de producción de hidrógeno se pueden clasificar en varias categorías, donde los más comunes son el hidrógeno azul, el hidrógeno gris y el hidrógeno verde. El hidrógeno azul se produce mediante el reformado de metano con vapor (SMR) y captura las emisiones de CO2 resultantes. El hidrógeno gris, por su parte, se produce sin capturar emisiones de CO2. El hidrógeno verde, que es el más prometedor para la sostenibilidad, se genera utilizando fuentes de energía renovables como la eólica o la solar para impulsar los procesos de electrólisis.
Alto uso de hidrógeno en ciertas aplicaciones
Si bien existe un creciente interés en el uso de hidrógeno como combustible, ciertas aplicaciones han estado utilizando altos niveles de hidrógeno durante años. Por ejemplo, en la producción de etileno a partir de materia prima de etano, los gases residuales contienen entre un 70 y un 85% de hidrógeno, que se utiliza como combustible para los hornos de craqueo.
Desafíos de la combustión de hidrógeno
La integración de grandes volúmenes de hidrógeno en los sistemas de combustión existentes no es una transición sencilla. El hidrógeno, en su estado natural, es un elemento gaseoso de baja densidad, lo que lo hace propenso a las fugas de los sistemas de tuberías. También posee propiedades únicas en comparación con los combustibles de hidrocarburos convencionales, incluido un alto poder calorífico en masa pero un bajo valor calorífico en volumen debido a su baja densidad. Este bajo valor calorífico volumétrico da como resultado caudales volumétricos más altos y una mayor presión de gas combustible, lo que genera desafíos de diseño específicos.
Además, el hidrógeno tiene una velocidad de llama y una temperatura de ignición más altas en comparación con muchos combustibles comunes, lo que lo hace más susceptible al retroceso de llama y requiere ajustes de diseño. Sin embargo, la combustión de hidrógeno ofrece ventajas, como la ausencia de carbono, lo que reduce las emisiones de hollín, monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados.
Consideraciones de diseño
Para abordar las complejas características de combustión del hidrógeno, es posible que los quemadores deban ser capaces de funcionar tanto con gas natural como con combustibles con alto contenido de hidrógeno, lo que puede complicar su diseño y funcionamiento. Esto es particularmente relevante cuando se utiliza SMR para la producción de hidrógeno. Los quemadores que están diseñados para funcionar con hidrógeno se ponen en marcha inicialmente con gas natural, hasta que se establece el proceso SMR y se produce hidrógeno. Esto significa que es posible que los quemadores deban ser capaces de funcionar tanto con gas natural como con combustibles que contengan un alto nivel de hidrógeno. Dado que las características de combustión entre el hidrógeno y otros combustibles pueden ser significativamente diferentes, esto podría complicar el concepto de diseño y el funcionamiento del quemador.
Desafíos para los quemadores de proceso premezclado
Los diseños tradicionales de quemadores de premezcla son susceptibles a problemas cuando se utilizan altos niveles de hidrógeno en la mezcla de combustible. Los desafíos incluyen:
- Flashback: La velocidad de la llama considerablemente más alta del hidrógeno aumenta el riesgo de flashback, lo que lleva a la combustión interna dentro del quemador y a la posible destrucción.
- NOx térmico: La mayor temperatura de la llama adiabática del hidrógeno puede influir en las emisiones térmicas de NOx, lo que requiere una evaluación caso por caso.
- Nivel de ruido: El aumento de la presión del gas combustible genera niveles de ruido más altos.
- Aspiración de aire: La aspiración de aire en los quemadores premezclados depende de la presión del gas combustible, lo que puede afectar la eficiencia de la combustión.
Para
superar estas limitaciones, John Zink Hamworthy ha desarrollado el quemador de pared radiante WALFIRE para calentadores de proceso, específicamente dirigido a aplicaciones de alta temperatura, como los hornos de craqueo de etileno. WALFIRE funciona como un quemador de difusión, donde el aire y el gas combustible no se mezclan previamente antes de la combustión. Esto elimina el riesgo de retroceso de llama, lo que garantiza un funcionamiento seguro independientemente de la concentración de hidrógeno en el gas combustible. La tecnología utiliza la presión negativa del horno para aspirar el aire, lo que lo hace independiente de la presión y la composición del gas combustible, lo que simplifica los ajustes de la calidad del combustible durante el funcionamiento.
Estudio de caso: Planta petroquímica en los EE. UU.
Una planta petroquímica en los EE. UU. experimentó intervalos de mantenimiento altos y retrocesos frecuentes cuando se utilizaron quemadores de pared radiante de NOx ultra bajo (ULN) en un horno de craqueo de etileno. Al reemplazar estos quemadores de pared con quemadores WALFIRE, la planta amplió su ventana de operación, eliminando el riesgo de retroceso de llama, y redujo los requisitos de mantenimiento al tiempo que mantenía el rendimiento de las emisiones.
Conclusión
La integración de altos niveles de hidrógeno en los sistemas de combustión puede reducir o eliminar significativamente las emisiones de CO2 en comparación con los combustibles de hidrocarburos convencionales. Sin embargo, las propiedades únicas del hidrógeno plantean desafíos que requieren soluciones innovadoras. Tecnologías como WALFIRE demuestran la capacidad de adoptar de forma segura el hidrógeno como fuente de combustible, allanando el camino para un futuro energético más verde y sostenible. A medida que la demanda de hidrógeno sigue creciendo, las soluciones creativas de combustión son esenciales para un mundo más limpio y respetuoso con el medio ambiente.
