L’importance de l’hydrogène

L’importance de l’hydrogène réside dans la façon dont il est généré. Les méthodes de production d’hydrogène peuvent être classées en plusieurs catégories, les plus courantes étant l’hydrogène bleu, l’hydrogène gris et l’hydrogène vert. L’hydrogène bleu est produit par reformage du méthane à la vapeur (SMR) et capte les émissions de CO2 qui en résultent. L’hydrogène gris, quant à lui, est produit sans capter les émissions de CO2. L’hydrogène vert, qui est le plus prometteur en matière de durabilité, est généré à partir de sources d’énergie renouvelables comme l’énergie éolienne ou solaire pour alimenter les processus d’électrolyse.

Utilisation élevée d’hydrogène dans certaines applications

Bien qu’il y ait un intérêt croissant pour l’utilisation de l’hydrogène comme carburant, certaines applications utilisent des niveaux élevés d’hydrogène depuis des années. Par exemple, dans la production d’éthylène à partir de matières premières d’éthane, les effluents gazeux contiennent 70 à 85 % d’hydrogène, qui est utilisé comme combustible pour les fours de craquage.

L’intégration de

grands volumes d’hydrogène dans les systèmes de combustion existants n’est pas une transition simple. L’hydrogène, à l’état naturel, est un élément gazeux de faible densité, ce qui le rend sujet aux fuites des systèmes de tuyauterie. Il possède également des propriétés uniques par rapport aux hydrocarbures conventionnels, notamment un pouvoir calorifique élevé en masse mais un faible pouvoir calorifique en volume en raison de sa faible densité. Ce faible pouvoir calorifique volumétrique se traduit par des débits volumétriques plus élevés et une pression de gaz combustible plus élevée, ce qui entraîne des défis de conception spécifiques.

De plus, l’hydrogène a une vitesse de flamme et une température d’allumage plus élevées que de nombreux carburants courants, ce qui le rend plus sensible au retour de flamme et nécessite des ajustements de conception. Cependant, la combustion de l’hydrogène offre des avantages, tels que l’absence de carbone, ce qui permet de réduire les émissions de suie, de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures non brûlés.

Pour

tenir compte des caractéristiques de combustion complexes de l’hydrogène, les brûleurs peuvent devoir être capables de fonctionner à la fois au gaz naturel et à des combustibles à forte teneur en hydrogène, ce qui peut compliquer leur conception et leur fonctionnement. Cela est particulièrement pertinent lors de l’utilisation de SMR pour la production d’hydrogène. Les brûleurs conçus pour fonctionner à l’hydrogène sont d’abord démarrés au gaz naturel, jusqu’à ce que le processus SMR soit établi et que l’hydrogène soit produit. Cela signifie que les brûleurs peuvent avoir besoin de fonctionner à la fois au gaz naturel et aux combustibles contenant un niveau élevé d’hydrogène. Comme les caractéristiques de combustion entre l’hydrogène et d’autres combustibles peuvent être très différentes, cela pourrait compliquer la conception et le fonctionnement du brûleur.

Les

conceptions traditionnelles des brûleurs à prémélange sont susceptibles de poser des problèmes lors de l’utilisation de niveaux élevés d’hydrogène dans le mélange de carburant. Les défis sont les suivants :

  1. Flashback : La vitesse de flamme considérablement plus élevée de l’hydrogène augmente le risque de retour de flamme, entraînant une combustion interne à l’intérieur du brûleur et une destruction potentielle.
  2. NOx thermiques : La température adiabatique plus élevée de la flamme de l’hydrogène peut influencer les émissions thermiques de NOx, ce qui nécessite une évaluation au cas par cas.
  3. Niveau sonore : L’augmentation de la pression du gaz combustible génère des niveaux de bruit plus élevés.
  4. Aspiration de l’air : L’aspiration de l’air dans les brûleurs prémélangés dépend de la pression du gaz combustible, ce qui peut affecter l’efficacité de la combustion.

Présentation de la technologie WALFIRETM

Pour surmonter ces limitations, John Zink Hamworthy a développé le brûleur mural radiant WALFIRE pour les réchauffeurs de process, spécialement conçu pour les applications à haute température telles que les fours de craquage d’éthylène. WALFIRE fonctionne comme un brûleur à diffusion, où l’air et le gaz combustible ne sont pas prémélangés avant la combustion. Cela élimine le risque de retour de flamme, garantissant un fonctionnement sûr quelle que soit la concentration d’hydrogène dans le gaz combustible. La technologie utilise la pression négative du four pour aspirer l’air, ce qui le rend indépendant de la pression et de la composition du gaz combustible, simplifiant ainsi les ajustements de la qualité du combustible pendant le fonctionnement.

Étude de cas : Usine pétrochimique aux États-Unis

Une usine pétrochimique aux États-Unis a connu des intervalles d’entretien élevés et des retours de flamme fréquents lors de l’utilisation de brûleurs radiants à très faible teneur en NOx (ULN) dans un four de craquage d’éthylène. En remplaçant ces brûleurs muraux par des brûleurs WALFIRE, l’usine a élargi sa fenêtre de fonctionnement, éliminant ainsi le risque de retour de flamme et réduisant les besoins d’entretien tout en maintenant les performances en matière d’émissions.

Conclusion

L’intégration de niveaux élevés d’hydrogène dans les systèmes de combustion peut réduire considérablement ou éliminer les émissions de CO2 par rapport aux hydrocarbures conventionnels. Cependant, les propriétés uniques de l’hydrogène posent des défis qui nécessitent des solutions innovantes. Des technologies comme WALFIRE démontrent leur capacité à adopter en toute sécurité l’hydrogène comme source de carburant, ouvrant ainsi la voie à un avenir énergétique plus vert et plus durable. Alors que la demande d’hydrogène ne cesse de croître, des solutions de combustion créatives sont essentielles pour un monde plus propre et plus respectueux de l’environnement.