O futuro da energia está passando por uma transformação significativa, com o hidrogênio emergindo como uma fonte de combustível promissora e ecologicamente correta. A crescente demanda global por hidrogênio é impulsionada por sua capacidade de gerar água como seu único subproduto durante a combustão, com emissões mínimas de dióxido de carbono, dependendo de seu método de produção. No entanto, a integração do hidrogênio em várias aplicações apresenta desafios únicos, principalmente quando se trata de sistemas de combustão. Neste artigo, exploramos como a tecnologia de queimador de parede radiante está abordando os problemas associados à introdução de combustíveis de hidrogênio nos processos de combustão.
A importância do combustível de hidrogênio
A importância do combustível de hidrogênio está em como ele é gerado. Os métodos de produção de hidrogênio podem ser classificados em várias categorias, onde os mais comuns são hidrogênio azul, hidrogênio cinza e hidrogênio verde. O hidrogênio azul é produzido pela reforma do metano a vapor (SMR) e captura as emissões de CO2 resultantes. O hidrogênio cinza, por outro lado, é produzido sem capturar as emissões de CO2. O hidrogênio verde, que é o mais promissor para a sustentabilidade, é gerado usando fontes de energia renováveis, como energia eólica ou solar, para alimentar os processos de eletrólise.
Alto uso de hidrogênio em certas aplicações
Embora haja um interesse crescente em usar hidrogênio como combustível, certas aplicações usam altos níveis de hidrogênio há anos. Por exemplo, na produção de etileno a partir de matéria-prima de etano, os gases residuais contêm 70-85% de hidrogênio, que é usado como combustível para fornos de craqueamento.
Desafios da combustão de hidrogênio
A integração de grandes volumes de hidrogênio em sistemas de combustão existentes não é uma transição simples. O hidrogênio, em seu estado natural, é um elemento gasoso de baixa densidade, tornando-o propenso a vazamentos de sistemas de tubulação. Ele também possui propriedades únicas em comparação com os combustíveis de hidrocarbonetos convencionais, incluindo um alto poder calorífico em massa, mas um baixo poder calorífico em volume devido à sua baixa densidade. Esse baixo poder calorífico volumétrico resulta em taxas de fluxo volumétrico mais altas e maior pressão de gás combustível, levando a desafios específicos de projeto.
Além disso, o hidrogênio tem uma velocidade de chama e temperatura de ignição mais altas em comparação com muitos combustíveis comuns, tornando-o mais suscetível a flashback e necessitando de ajustes de projeto. No entanto, a combustão de hidrogênio oferece vantagens, como a ausência de carbono, levando à redução das emissões de fuligem, monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados.
Considerações de projeto
Para lidar com as características complexas de combustão do hidrogênio, os queimadores podem precisar ser capazes de queimar tanto com gás natural quanto com combustíveis com alto teor de hidrogênio, o que pode complicar seu projeto e operação. Isso é particularmente relevante ao usar SMR para produção de hidrogênio. Os queimadores projetados para queimar hidrogênio são inicialmente iniciados com gás natural, até que o processo SMR seja estabelecido e o hidrogênio seja produzido. Isso significa que os queimadores podem precisar ser capazes de queimar tanto com gás natural quanto com combustíveis contendo um alto nível de hidrogênio. Como as características de combustão entre hidrogênio e outros combustíveis podem ser significativamente diferentes, isso pode complicar o conceito e a operação do projeto do queimador.
Desafios para queimadores de processo pré-misturados
Os projetos tradicionais de queimadores de pré-mistura são suscetíveis a problemas ao usar altos níveis de hidrogênio na mistura de combustível. Os desafios incluem:
- Flashback: A velocidade de chama consideravelmente maior do hidrogênio aumenta o risco de flashback, levando à combustão interna dentro do queimador e potencial destruição.
- NOx térmico: A temperatura mais alta da chama adiabática do hidrogênio pode influenciar as emissões térmicas de NOx, exigindo avaliação caso a caso.
- Nível de ruído: O aumento da pressão do gás combustível gera níveis de ruído mais altos.
- Aspiração de ar: A aspiração de ar em queimadores pré-misturados depende da pressão do gás combustível, o que pode afetar a eficiência da combustão.
Apresentando a tecnologia WALFIRETM
Para superar essas limitações, John Zink Hamworthy desenvolveu o queimador de parede radiante WALFIRE para aquecedores de processo, especificamente direcionado para aplicações de alta temperatura, como fornos de craqueamento de etileno. O WALFIRE opera como um queimador de difusão, onde o ar e o gás combustível não são pré-misturados antes da combustão. Isso elimina o risco de recapitulação, garantindo uma operação segura, independentemente da concentração de hidrogênio no gás combustível. A tecnologia usa a pressão negativa do forno para aspirar o ar, tornando-o independente da pressão e composição do gás combustível, simplificando assim os ajustes de qualidade do combustível durante a operação.
Estudo de caso: Planta petroquímica nos EUA
Uma planta petroquímica nos EUA experimentou altos intervalos de manutenção e flashback frequente ao usar queimadores de parede radiante de NOx ultrabaixo (ULN) em um forno de craqueamento de etileno. Ao substituir esses queimadores de parede por queimadores WALFIRE, a planta ampliou sua janela de operação, eliminando o risco de flashback e reduzindo os requisitos de manutenção, mantendo o desempenho das emissões.
Conclusão
A integração de altos níveis de hidrogênio em sistemas de combustão pode reduzir ou eliminar significativamente as emissões de CO2 em comparação com os combustíveis convencionais de hidrocarbonetos. No entanto, as propriedades únicas do hidrogênio apresentam desafios que exigem soluções inovadoras. Tecnologias como o WALFIRE demonstram a capacidade de adotar com segurança o hidrogênio como fonte de combustível, abrindo caminho para um futuro energético mais verde e sustentável. À medida que a demanda por hidrogênio continua a crescer, soluções criativas de combustão são essenciais para um mundo mais limpo e ecologicamente correto.
