L'importanza del combustibile a idrogeno L'importanza

del combustibile a idrogeno risiede nel modo in cui viene generato. I metodi di produzione dell'idrogeno possono essere classificati in diverse categorie, dove i più comuni sono l'idrogeno blu, l'idrogeno grigio e l'idrogeno verde. L'idrogeno blu è prodotto mediante steam methane reforming (SMR) e cattura le emissioni di CO2 risultanti. L'idrogeno grigio, invece, viene prodotto senza catturare le emissioni di CO2. L'idrogeno verde, che è quello più promettente in termini di sostenibilità, viene generato utilizzando fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica o solare per alimentare i processi di elettrolisi.

Elevato utilizzo di idrogeno in alcune applicazioni

Sebbene vi sia un crescente interesse per l'utilizzo dell'idrogeno come combustibile, alcune applicazioni utilizzano da anni alti livelli di idrogeno. Ad esempio, nella produzione di etilene da materie prime di etano, i gas di scarico contengono il 70-85% di idrogeno, che viene utilizzato come combustibile per i forni di cracking.

Sfide della combustione dell'idrogeno

L'integrazione di elevati volumi di idrogeno nei sistemi di combustione esistenti non è una transizione semplice. L'idrogeno, allo stato naturale, è un elemento gassoso a bassa densità, che lo rende soggetto a perdite dai sistemi di tubazioni. Possiede inoltre proprietà uniche rispetto ai combustibili idrocarburici convenzionali, tra cui un elevato potere calorifico in termini di massa ma un basso potere calorifico in termini di volume a causa della sua bassa densità. Questo basso potere calorifico volumetrico si traduce in portate volumetriche più elevate e in una maggiore pressione del gas combustibile, con conseguenti sfide di progettazione specifiche.

Inoltre, l'idrogeno ha una velocità di fiamma e una temperatura di accensione più elevate rispetto a molti combustibili comuni, il che lo rende più suscettibile al ritorno di fiamma e richiede modifiche di progettazione. Tuttavia, la combustione dell'idrogeno offre vantaggi, come l'assenza di carbonio, con conseguente riduzione delle emissioni di fuliggine, monossido di carbonio (CO) e idrocarburi incombusti.

Considerazioni sulla progettazione

Per affrontare le complesse caratteristiche di combustione dell'idrogeno, potrebbe essere necessario che i bruciatori siano in grado di funzionare sia con gas naturale che con combustibili ad alto contenuto di idrogeno, il che può complicarne la progettazione e il funzionamento. Ciò è particolarmente rilevante quando si utilizza l'SMR per la produzione di idrogeno. I bruciatori progettati per funzionare a idrogeno vengono inizialmente avviati con gas naturale, fino a quando non viene stabilito il processo SMR e viene prodotto l'idrogeno. Ciò significa che i bruciatori potrebbero dover essere in grado di funzionare sia con gas naturale che con combustibili contenenti un alto livello di idrogeno. Poiché le caratteristiche di combustione tra idrogeno e altri combustibili possono essere significativamente diverse, ciò potrebbe complicare il concetto di progettazione e il funzionamento del bruciatore.

Sfide per i bruciatori di processo premiscelati

I bruciatori premiscelati tradizionali sono soggetti a problemi quando si utilizzano alti livelli di idrogeno nella miscela di combustibile. Le sfide includono:

  1. Ritorno di fiamma: la velocità di fiamma notevolmente più elevata dell'idrogeno aumenta il rischio di ritorno di fiamma, portando alla combustione interna all'interno del bruciatore e alla potenziale distruzione.
  2. NOx termici: la temperatura adiabatica della fiamma più elevata dell'idrogeno può influenzare le emissioni termiche di NOx, richiedendo una valutazione caso per caso.
  3. Livello di rumore: l'aumento della pressione del gas combustibile genera livelli di rumore più elevati.
  4. Aspirazione dell'aria: l'aspirazione dell'aria nei bruciatori premiscelati dipende dalla pressione del gas combustibile, che può influire sull'efficienza della combustione.

Per

superare queste limitazioni, John Zink Hamworthy ha sviluppato il bruciatore radiante a parete WALFIRE per riscaldatori di processo, specificamente progettato per applicazioni ad alta temperatura come i forni di cracking dell'etilene. WALFIRE funziona come un bruciatore a diffusione, in cui l'aria e il gas combustibile non vengono premiscelati prima della combustione. Ciò elimina il rischio di ritorno di fiamma, garantendo un funzionamento sicuro indipendentemente dalla concentrazione di idrogeno nel gas combustibile. La tecnologia utilizza la pressione negativa del forno per aspirare l'aria, rendendola indipendente dalla pressione e dalla composizione del gas combustibile, semplificando così le regolazioni della qualità del combustibile durante il funzionamento.

Caso di studio: Impianto petrolchimico negli Stati Uniti

Un impianto petrolchimico negli Stati Uniti ha riscontrato intervalli di manutenzione elevati e frequenti ritorni di fiamma quando si utilizzano bruciatori a parete radiante a bassissimo NOx (ULN) in un forno di cracking dell'etilene. Sostituendo questi bruciatori murali con bruciatori WALFIRE, l'impianto ha ampliato la sua finestra operativa, eliminando il rischio di ritorno di fiamma e riducendo i requisiti di manutenzione mantenendo le prestazioni in termini di emissioni.

Conclusione

L'integrazione di alti livelli di idrogeno nei sistemi di combustione può ridurre o eliminare significativamente le emissioni di CO2 rispetto ai combustibili idrocarburici convenzionali. Tuttavia, le proprietà uniche dell'idrogeno pongono sfide che richiedono soluzioni innovative. Tecnologie come WALFIRE dimostrano la capacità di abbracciare in sicurezza l'idrogeno come fonte di combustibile, aprendo la strada a un futuro energetico più verde e sostenibile. Poiché la domanda di idrogeno continua a crescere, soluzioni di combustione creative sono essenziali per un mondo più pulito e più rispettoso dell'ambiente.