Eric Pratchard et Todd Grubb, Zeeco, Inc. (États-Unis), en collaboration avec Hector Ayala, Aloke Sarkar et HS Lee, d’ExxonMobil Technology and Engineering Company (États-Unis), examinent l’impact que les progrès réalisés dans le domainedes brûleurs à très faiblesémissions de NOx pourraient avoir sur la combustion de l’hydrogène etles émissions de NOx .
Pour respecterles engagements mondiaux en matière de neutralité carbone, une décarbonisation significative des secteurs du pétrole et du gaz ainsi que d’autres industries lourdes est nécessaire. L’utilisation de l’hydrogène comme combustible de brûleur industriel à des concentrations proches de 100 % en volume, en remplacement des combustibles à base d’hydrocarbures, constitue l’un des moyens d’atteindre ces objectifs de décarbonisation.Les brûleurs à très faiblesémissions de NOx (ULNB) actuels et les nouveaux modèles de brûleurs peuvent rencontrer des difficultés face à des concentrations élevées d’hydrogène en raison d’un risque accru de retour de flamme et de coûts élevés liés à la gestiondes émissions de NOx , la température de flamme plus élevée de l’hydrogène entraînantune production plus adiabatiquede NOx . Alors que la demande s’accroît pour des solutions plus performantes, à faiblesémissions de carbone etde NOx , l’industrie a besoin d’un brûleur ULNB adapté à un fonctionnement à 100 % à l’hydrogène tout en maintenantdes émissions de NOx nettement plus faibles – et qui soit facile à installer a posteriori sur les appareils de chauffage existants afin de minimiser les dépenses d’investissement nécessaires à la décarbonisation des principaux procédés de raffinerie.
Pour répondre à cette demande, Zeeco ExxonMobil ont collaboré à la conception, au développement, aux essais et à la mise en œuvre d’un nouveau brûleur ULNB de nouvelle génération capable de brûler 100 % d’hydrogène ainsi qu’une large gamme de compositions de gaz combustible, tout en produisantdes émissions de NOx nettement inférieures, sans recourir à des systèmes de contrôle supplémentaires complexes ou coûteux ni à des solutions de réduction des émissions. Ce nouveau brûleur n’utilise ni recirculation externe des gaz de combustion ni technologie de prémélange pauvre, et atteint les objectifs fixés aussi bien dans les systèmes à tirage naturel que dans ceux à tirage forcé, avec de l’air de combustion ambiant ou préchauffé.
Les deux entreprises ont mené conjointement des essais sur des brûleurs, tant en configuration mono-brûleur qu’en configuration multi-brûleurs, dans un large éventail de conditions de procédé. Les résultats de ces essais ont montré une bonne stabilité de la flamme, de bonnes performances et une réduction des émissions, avec des dimensions de flamme similaires à celles des brûleurs ULNB de conception actuelle. ExxonMobil a installé les nouveaux brûleurs, baptisés FREE JET 3™, dans un réchauffeur de procédé sur son site de Baytown, au Texas (États-Unis). Les premiers résultats d'exploitation ont confirmé les performances observées lors des essais, et les brûleurs permettent, comme prévu, de réduire les émissions et d'offrir une grande flexibilité opérationnelle.
Les technologies émergentes actuelles et les systèmes de réduction catalytique sélective (SCR), considérés comme des alternatives possibles à cette nouvelle conception de brûleur, peuvent s'avérer complexes et coûteux, et nécessiter des systèmes de protection supplémentaires ou imposer des contraintes d'exploitation.
La combustion d’un combustible à base d’hydrocarbures contenant jusqu’à 80 % d’hydrogène permet de réduire de moitiéles émissions de CO₂ . Pour parvenir à des réductions plus importantes des émissions de carbone, une concentration plus élevée en hydrogène, probablement proche de 95 %, est nécessaire afin d’atteindre les objectifs de zéro émission nette. Ainsi, pour répondre aux objectifs de décarbonisation de l’industrie, il faut disposer d’un brûleur industriel disponible dans le commerce, capable de brûler près de 100 % d’hydrogène de manière sûre et rentable.
La plupart des appareils de chauffage et des fours industriels actuels ont été conçus pour fonctionner au gaz naturel ou aux gaz de raffinerie, qui contiennent une forte proportion d’hydrocarbures ainsi que de l’hydrogène, des gaz inertes et des traces d’autres composés. La teneur en hydrogène d’un gaz de raffinerie type peut varier entre 20 et 40 %. Lors de la conversion des brûleurs pour qu'ils fonctionnent avec un gaz à forte teneur en hydrogène, des concentrations de 90 à 100 % sont nécessaires, ce qui modifie les paramètres de fonctionnement du brûleur et nécessite des adaptations de conception afin de garantir un fonctionnement optimal du brûleur et du générateur de chaleur.
La vitesse de propagation de la flamme de l'hydrogène est nettement supérieure à celle des combustibles hydrocarbonés classiques, ce qui se traduit par une combustion plus rapide et un dégagement de chaleur accru par unité de volume. La vitesse de propagation de la flamme lors de la combustion de l'hydrogène est d'environ 1,7 m/s (5,6 ft/s), tandis que celle du gaz naturel est nettement plus faible, à seulement 0,4 m/s (1,3 ft/s). De plus, la température adiabatique stœchiométrique de la flamme de l’hydrogène (2 182 °C ou 3 960 °F) est supérieure à celle du gaz naturel (1 937 °C ou 3 520 °F). La vitesse de flamme élevée de l’hydrogène entraîne une combustion plus rapide que celle du gaz naturel. Ce processus de combustion rapide libère l’énergie de combustion dans un volume plus restreint, ce qui entraîne des températures élevées localisées à proximité de la flamme, qui amplifient l’effet des températures de flamme adiabatiques de pointe intrinsèquement élevées sur les tauxd’émission de NOx . Toute zone où les températures dépassent 760 °C (1 370 °F) est propice àla formation de petites quantités deNOx et, à des températures supérieures à 1 100 °C (2 000 °F),les NOx augmentent de manière exponentielle.1
Les brûleurs ULNB actuels génèrent souvent 50 %d'émissions de NOx en plus lorsqu'on passe d'un combustible à faible teneur en hydrogène à un combustible à forte teneur en hydrogène. Les exigences réglementaires locales en matière de limitesd'émissions de NOx devraient continuer à se durcir, indépendamment de l'utilisation de l'hydrogène comme combustible. Ainsi, les modèles de brûleurs ULNB de nouvelle génération, adaptés à un fonctionnement à 100 % à l'hydrogène, doivent également réduireles émissions de NOx davantage que la génération actuelle de brûleurs ULNB.
La conception des brûleurs industriels s’est améliorée au fil des décennies, et diverses technologies ont été mises en œuvre pour réduireles émissions de NOx , en s’attachant principalement à manipuler des zones localisées du mélange air/combustible afin de créer des zones de combustion riches ou pauvres en combustible, dans le but d’abaisser la température maximale de la flamme et de réduirela formation de NOx . L'étagement de l'air, l'étagement du combustible, la recirculation interne des gaz de combustion (IFGR) et le prémélange pauvre constituent les principales techniques utilisées pour réduireles NOx avec les brûleurs ULNB actuellement disponibles. Cependant, ces techniques ne permettent pas de répondre aux exigences d'une combustion à forte teneur en hydrogène tout en maintenantles émissions de NOx dans les limites autorisées.
Les technologies émergentes ont tenté d’utiliser des combinaisons de ces méthodes, et des concepts tels que la « combustion sans flamme » se sont révélés prometteurs. Cependant, ces modèles de brûleurs nécessitent l’ajout de matériel complexe, de commandes sophistiquées et de systèmes de protection aux équipements existants. De plus, ces brûleurs sont généralement limités aux installations à tirage forcé, ce qui les rend inadaptés à la plupart des réaménagements sans investissement important, car la plupart des appareils de chauffage à combustion fonctionnent en tirage naturel. Certaines de ces conceptions utilisent également des technologies de prémélange pauvre, qui peuvent présenter des risques de retour de flamme lors de la combustion de combustibles à forte teneur en hydrogène, en particulier dans la plage inférieure de la puissance calorifique du brûleur (c'est-à-dire à des rapports de régulation élevés).
L'installation d'un système SCR constitue une solution alternative pour remédier à l'augmentationdes émissions de NOx due à une combustion à forte teneur en hydrogène. Un système SCR est un dispositif de post-combustion installé dans le conduit des gaz de combustion, en aval de la section de convection. Les systèmes SCR peuvent réduireles émissions de NOx jusqu'à 95 %, mais leur installation représente un investissement important et pose des défis opérationnels à long terme. De plus, l'espace supplémentaire requis par un système SCR peut poser problème, en particulier lors de la modernisation d'équipements existants. Enfin, les systèmes SCR doivent fonctionner dans les limites de température des gaz de combustion et de débits d'injection d'ammoniac/d'urée spécifiées afin d'éviter la détérioration du lit catalytique et/ou le rejet d'ammoniac dans l'atmosphère.
Pour relever ces défis sectoriels, il faut un brûleur de procédé compatible à 100 % avec l’hydrogène, sans commandes complexes, sans systèmes supplémentaires et sans exigences particulières en matière d’espace ou de forme. ExxonMobil et Zeeco à la conception d’un nouveau brûleur capable de répondre aux exigences susmentionnées et de passer d’une variété de mélanges de combustibles à 100 % d’hydrogène, et inversement. Le brûleur ainsi obtenu, dont le brevet est en instance, intègre une nouvelle configuration carrée des tuiles de combustion et une adaptation de la technologie ULNB éprouvée afin de réduire considérablementles émissions de NOx . Les deux entreprises ont travaillé ensemble pour concevoir ce brûleur, tester ses performances et le soumettre à des essais sur le terrain afin de vérifier qu’il permettrait d’atteindre les objectifs de performance et d’émissions de manière sûre et rentable.
Les générations précédentes de brûleurs industriels utilisant FREE JET étaient équipées d’embouts de combustion à étages individuels dotés d’un seul orifice d’alimentation en combustible. Cette conception optimisait les avantages de l’IFGR pour appauvrir le mélange combustible-air et, associée à la forme arrondie des tuiles, permettait d’obtenir une composition de mélange pauvre quasi uniforme sur toute la longueur de la lèvre de combustion du brûleur. Les buses de combustion primaires, situées le long du diamètre intérieur de la gorge du brûleur, assuraient la stabilité du brûleur, et la température uniforme de la flamme résultant de ce mélange de combustible a permis d'obtenirde bonnesperformances en matière de NOx pendant plus de deux décennies.
La nouvelle conception du brûleur à tuiles carrées s'appuie sur les FREE JET bien établis FREE JET , tout en introduisant une nouvelle méthode de distribution échelonnée du combustible et de l'air afin de réduire encore davantagela production de NOx thermiques. Ce nouveau brûleur réduit le nombre d'embouts d'injection échelonnés, mais ajoute à chaque embout plusieurs orifices qui distribuent le mélange combustible-air le long de la surface de la tuile. La diminution du nombre de points d'injection et la nouvelle forme carrée de la tuile créent des zones non uniformes où coexistent des mélanges riches et pauvres en combustible. Ces zones non uniformes font que les embouts primaires qui génèrent
Des concentrations plus élevées deNOx thermiquespeuvent être localisées dans une zone de mélange pauvre afin de réduire la température combinée de la flamme produite par le combustible primaire et le combustible d'appoint. La zone située entre les embouts primaires présente un mélange plus riche en combustible qui reste stable sans l'apport de l'embout primaire.
La nouvelle conception à tuiles carrées permet d'obtenirdes émissions de NOx à un chiffre lors de la combustion de combustibles typiques des raffineries, et conserve d'excellentes performances même en cas de combustion à 100 % d'hydrogène. Grâce à des performances stables, fiables et pratiques avec une grande variété de combustibles, les opérateurs ont la possibilité d’utiliser 100 % d’hydrogène, une grande variété de compositions de gaz de raffinerie ou pétrochimiques, 100 % de gaz naturel, ainsi que de grands volumes de gaz à faible pouvoir calorifique (LBG), et de passer plus facilement d’un combustible à l’autre. Le brûleur offre une plage de réglage de la puissance thermique de 5:1. Les dimensions des tuiles du brûleur sont comparables à celles des brûleurs existants de puissance thermique similaire, et il utilise un seul raccordement de gaz combustible primaire au brûleur afin de limiter les modifications de la tuyauterie de gaz combustible. Cette conception ne nécessite pas de commandes supplémentaires pour le combustible ou l’air, ni de systèmes de protection. La figure 1 montre la nouvelle conception de brûleur installée dans une unité en service depuis près d’un an.
Figure 1 : Nouveaux brûleurs installés dans une unité en service
Cette conception ne repose pas sur la méthodologie traditionnelle du prémélange pauvre, ce qui élimine tout risque de retour de flamme au niveau du brûleur. Aucune recirculation externe des gaz de combustion n'est nécessaire. De plus, le brûleur peut fonctionner aussi bien en tirage forcé qu'en tirage naturel, et avec de l'air de combustion ambiant ou préchauffé.
La figure 2 compare les performancesen matière d'émissions de NOx à celles des brûleurs ULNB modernes. Cette nouvelle conception de brûleur permet de réduireles émissions de NOx d'environ 50 %, tout en offrant la possibilité de brûler jusqu'à 100 % d'hydrogène sans compromettre la stabilité de la flamme.
Figure 2 : Résultats des essais sur brûleur concernant les performances FREE JET 3 en matière deNOx pour différentes proportions de mélange d'hydrogène, comparées aux valeursde NOx mesurées sur divers brûleurs UNLB de la génération actuelle
La nouvelle conception du brûleur a été rigoureusement testée dans diverses conditions de fonctionnement afin de vérifier ses performances et d’affiner sa conception. Le vaste programme de développement mené par les entreprises comprenait des essais sur brûleur unique et sur plusieurs brûleurs, avec de l’air ambiant et de l’air préchauffé, dans des applications à tirage forcé et à tirage naturel ; ainsi que la combustion de gaz naturel, de mélanges types de gaz de raffinerie/pétrochimie, d’hydrogène à 100 % et de gaz résiduaires de LBG. Les essais de la conception finale ont montré de bonnes performances et une bonne stabilité de la flamme sur une large gamme de compositions de gaz combustible. Les tableaux 1 à 4 résument les résultats des essais des brûleurs dans diverses conditions.
La figure 3 présente les essais réalisés sur un brûleur unique avec différentes concentrations d'hydrogène dans les mélanges de combustibles. Comme le montrent les images, le brûleur testé était équipé d'une buse destinée à la combustion de LBG (la grande buse circulaire située au centre du brûleur), mais le LBG n'était pas utilisé au moment où les photos ont été prises.
Figure 3 : Essais sur un brûleur unique montrant différentes teneurs en hydrogène dans le gaz naturel
Les résultats des essais montrent que le brûleur est parfaitement capable de fonctionner à 100 % d’hydrogène et permet une réduction d’environ 50 %des émissions de NOx , avecdes émissions de NOx à un chiffre en fonctionnement au gaz naturel. Même en fonctionnement à 100 % d’hydrogène,les émissions de NOx étaient proches d’un chiffre, à environ 10 ppm(v) en tirage naturel et 9 ppm(v) en tirage forcé, valeurs corrigées à 3 %d’O₂ à l’état sec . Il a été observé queles émissions de NOx augmentent à mesure que la teneur en hydrogène du gaz combustible augmente, mais qu’elles atteignent un pic à environ 80 % d’hydrogène, puis diminuent au-delà de ce seuil jusqu’à une combustion à 100 % d’hydrogène, comme le montrent clairement les données du combustible C de la figure 3. Les mesures de CO etles profils d’O₂ ont confirmé que la longueur et la largeur de la flamme sont comparables à celles des brûleurs ULNB de la génération actuelle. Les essais de CO ont confirmé la stabilité des brûleurs, quelle que soit la composition du combustible.
Des essais multi-brûleurs ont été réalisés afin d'étudier les effets négatifs potentiels des interactions entre les flammes surles émissions de NOx ; il s'est avéré que ces impacts étaient négligeables. Étant donné que de nombreux appareils de chauffage à combustion existants plus anciens présentent des brûleurs espacés de manière plus rapprochée que ne le recommandent les spécifications API 560, des essais supplémentaires ont été menés avec un espacement des brûleurs inférieur à celui recommandé par l’API 560. L’augmentationdes émissions de NOx était inférieure à 20 % lorsque l’espacement des brûleurs était réduit à 75 % de l’espacement recommandé par l’API 560, et ce sur une large gamme de combustibles, y compris l’hydrogène à 100 %.
ExxonMobil a installé 12 brûleurs FREE JET 3 de Zeecodans l’un des réchauffeurs cylindriques verticaux de son site de Baytown en vue d’une mise en service sur le terrain début 2024. Ces brûleurs à tirage forcé et à air préchauffé peuvent également fonctionner en tirage naturel avec l’air ambiant ; chacun d’entre eux offre une puissance calorifique nominale de 9,8 millions de Btu/h (sur la base du pouvoir calorifique inférieur). Les émissions de CO sont restées conformes aux normes, même pendant la mise en service, sans qu'il soit nécessaire d'adopter des mesures d'atténuation supplémentaires.
Les émissions de CO sont restées inférieures à une moyenne mobile horaire de 50 ppm, même pendant les opérations de démarrage. Les rapports de terrain ont confirmé que tous les brûleurs sont restés stables, même à de faibles débits de combustion et avec un excès d’oxygène pouvant atteindre 10 % en volume (humide). Les essais préliminaires d'émissions ont été réalisés avec des brûleurs fonctionnant entre 60 et 75 % du dégagement de chaleur nominal, une concentration d'hydrogène dans le gaz combustible comprise entre 45 et 60 %, et une température de l'air de combustion comprise entre 135 et 230 °F.Les émissions de NOx mesurées, après correction à 3 %d’O₂ ( sec) et à une température de paroi de pont de 1 600 °F, sont restées égales ou inférieures à 12 ppm. Ces résultats concordaient avec ceux des essais de performance.
Au cours des prochaines années, il y aura une demande pour des brûleurs ULNB de nouvelle génération, adaptés à un fonctionnement à 100 % à l'hydrogène tout en présentantdes émissions de NOx nettement inférieures. Ces brûleurs doivent pouvoir être facilement adaptés aux appareils de chauffage à combustion existants, faciles à installer sur les nouveaux appareils de chauffage à combustion, et ne doivent nécessiter qu'un équipement et des systèmes de commande minimaux.
Ce brûleur ULNB de nouvelle génération, récemment mis au point, répond aux exigences du secteur et permet dès aujourd’hui de préparer une installation à l’utilisation de l’hydrogène en vue de la transition énergétique à venir. Ce brûleur est adapté aussi bien aux applications à tirage naturel qu’à tirage forcé, qu’avec de l’air ambiant ou de l’air préchauffé, et peut fonctionner avec une large gamme de compositions de gaz combustible, y compris 100 % d’hydrogène – et a fait ses preuves lors d’installations sur site. Ce brûleur conserve les performances et les dimensions de flamme des ULNB de la génération actuelle tout en réduisant considérablementles émissions de NOx .
Toutes les mentions de la teneur en hydrogène en % s'expriment en % en volume.
ExxonMobil Technology and Engineering Company compte de nombreuses filiales, dont beaucoup portent des noms incluant les termes « ExxonMobil », « Exxon », « Mobil », « Esso » et « XTO ». Par souci de commodité et de simplicité, ces termes, ainsi que des expressions telles que « Société », « entreprise », « notre », « nous » et « sa », sont parfois utilisés pour désigner de manière abrégée une ou plusieurs filiales spécifiques ou groupes de filiales. Des références abrégées décrivant des organisations opérationnelles mondiales ou régionales, ainsi que des secteurs d’activité mondiaux ou régionaux, sont également parfois utilisées par souci de commodité et de simplicité. Aucune disposition du présent document n’a pour but de prévaloir sur l’autonomie juridique des sociétés affiliées.