Будущее энергетики претерпевает значительные изменения, и водород становится перспективным и экологически чистым источником топлива. Растущий мировой спрос на водород обусловлен его способностью генерировать воду в качестве единственного побочного продукта при сгорании с минимальными выбросами углекислого газа, в зависимости от способа его производства. Тем не менее, интеграция водорода в различные области применения сопряжена с уникальными проблемами, особенно когда речь идет о системах сжигания. В этой статье мы рассмотрим, как технология горелок с лучистыми стенками решает проблемы, связанные с внедрением водородного топлива в процессы сгорания.
Важность водородного топлива
Важность водородного топлива заключается в том, как оно производится. Методы производства водорода можно классифицировать на несколько категорий, где наиболее распространенными являются голубой водород, серый водород и зеленый водород. Голубой водород производится путем парового риформинга метана (SMR) и улавливает образующиеся выбросы CO2. Серый водород, с другой стороны, производится без улавливания выбросов CO2. Зеленый водород, который имеет наибольшие перспективы для устойчивого развития, производится с использованием возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца, для питания процессов электролиза.
В то
время как существует растущий интерес к использованию водорода в качестве топлива, в некоторых приложениях в течение многих лет используется большое количество водорода. Например, при производстве этилена из этанового сырья отходящие газы содержат 70-85% водорода, который используется в качестве топлива для печей крекинга.
Проблемы сжигания водорода
Интеграция больших объемов водорода в существующие системы сжигания не является простым процессом. Водород в своем естественном состоянии является газообразным элементом с низкой плотностью, что делает его подверженным утечкам из трубопроводных систем. Он также обладает уникальными свойствами по сравнению с обычными углеводородными топливами, в том числе высокой теплотворной способностью по массе, но низкой теплотворной способностью по объему из-за своей низкой плотности. Эта низкая объемная теплотворная способность приводит к более высокому объемному расходу и более высокому давлению топливного газа, что приводит к специфическим конструктивным проблемам.
Кроме того, водород имеет более высокую скорость пламени и температуру воспламенения по сравнению со многими распространенными видами топлива, что делает его более восприимчивым к обратному воспламенению и требует корректировки конструкции. Тем не менее, сжигание водорода имеет такие преимущества, как отсутствие углерода, что приводит к сокращению выбросов сажи, окиси углерода (CO) и несгоревших углеводородов.
Соображения по проектированию
Для решения сложных характеристик сгорания водорода горелки могут быть способны работать как на природном газе, так и на топливе с высоким содержанием водорода, что может усложнить их конструкцию и эксплуатацию. Это особенно актуально при использовании SMR для производства водорода. Горелки, которые предназначены для сжигания на водороде, первоначально запускаются на природном газе, пока не будет налажен процесс SMR и не будет производиться водород. Это означает, что горелки могут быть способны работать как на природном газе, так и на топливе, содержащем высокий уровень водорода. Поскольку характеристики сгорания водорода и других видов топлива могут существенно отличаться, это может усложнить концепцию конструкции и эксплуатацию горелки.
Проблемы горелок для предварительно смешанных процессов
Традиционные конструкции горелок для смешивания подвержены проблемам при использовании высоких уровней водорода в топливной смеси. Проблемы включают в себя:
- Флэшбэк: значительно более высокая скорость пламени водорода увеличивает риск обратного воспламенения, что приводит к внутреннему возгоранию внутри горелки и потенциальному разрушению.
- Термический NOx: Более высокая адиабатическая температура пламени водорода может влиять на тепловые выбросы NOx, что требует оценки в каждом конкретном случае.
- Уровень шума: Увеличение давления топливного газа приводит к повышению уровня шума.
- Аспирация воздуха: Аспирация воздуха в предварительно смешанных горелках зависит от давления топливного газа, что может повлиять на эффективность сгорания.
Чтобы
преодолеть эти ограничения, Джон Цинк Хэмворти разработал горелку WALFIRE Radiant Wall Burner для технологических нагревателей, специально предназначенную для высокотемпературных применений, таких как печи крекинга этилена. WALFIRE работает как диффузионная горелка, в которой воздух и топливный газ не смешиваются перед сгоранием. Это исключает риск обратного удара пламени, обеспечивая безопасную работу независимо от концентрации водорода в топливном газе. Технология использует отрицательное давление печи для аспирации воздуха, что делает ее независимой от давления и состава топливного газа, что упрощает регулировку качества топлива во время работы.
Практический пример: нефтехимический завод в США
На нефтехимическом заводе в США наблюдались высокие интервалы технического обслуживания и частые вспышки при использовании лучистых настенных горелок со сверхнизким уровнем выбросов NOx (ULN) в печи крекинга этилена. Заменив эти настенные горелки на горелки WALFIRE, завод расширил свое рабочее окно, устранив риск обратного удара и снизив требования к техническому обслуживанию при сохранении показателей выбросов.
Заключение
Интеграция высоких уровней водорода в системы сжигания может значительно сократить или устранить выбросы CO2 по сравнению с обычным углеводородным топливом. Однако уникальные свойства водорода создают проблемы, требующие инновационных решений. Такие технологии, как WALFIRE, демонстрируют способность безопасно использовать водород в качестве источника топлива, прокладывая путь к более экологичному и устойчивому энергетическому будущему. Поскольку спрос на водород продолжает расти, творческие решения для сжигания необходимы для более чистого и экологически чистого мира.
