L'augmentation du coût des combustibles, les nouvelles réglementations exigeant une réduction de l'empreinte carbone et les initiatives mondiales de réduction nette des émissions de carbone continuent de faire pression sur les marchés du raffinage et de l'industrie chimique. Les deux principales méthodes de réduction des émissions de CO et de CO2 consistent soit à capturer et à séquestrer le carbone dans le gaz combustible, soit à éliminer le carbone du combustible avant la combustion.
De nombreuses organisations envisagent de ravitailler les équipements de combustion existants avec des carburants durables et à faible teneur en carbone. L'un de ces combustibles est l'hydrogène (H2 ), qui peut être produit à partir de sources d'énergie renouvelables (hydrogène vert) ou par reformage du gaz naturel (hydrogène bleu). L'élimination du carbone avant la combustion élimine le besoin d'équipements coûteux pour capturer et séquestrer le carbone pendant la combustion.
Qu'il soit produit par des sources vertes ou bleues ou récupéré à partir de procédés industriels existants, le H2 peut être injecté dans les réseaux de gaz combustible existants pour produire des mélanges à haute teneur en hydrogène ou utilisé sous forme pure pour alimenter des appareils de chauffage et des fours de traitement. À mesure que l'H2 remplace les hydrocarbures dans la composition du carburant, le nombre d'atomes de carbone diminue. Un flux de combustible composé à 100 % d'H2 ne peut pas générer de CO ou de CO2 comme sous-produit de la combustion en raison de l'absence de carbone dans la réaction de combustion. Par conséquent, plus la teneur en H2 d'un carburant est élevée, plus les émissions globales de CO et de CO2 sont faibles.
En raison des caractéristiques de combustion très différentes de l'hydrogène par rapport aux gaz combustibles hydrocarbonés classiques, les propriétaires et les exploitants de centrales doivent tenir compte de plusieurs défis lors de la transition vers la combustion d'hydrogène.
Défis de conception
La plupart des appareils de chauffage et des fours de traitement qui existent aujourd'hui ont été conçus pour brûler du gaz naturel ou des gaz combustibles de raffinerie qui contiennent une forte proportion d'hydrocarbures saturés avec un appoint d'hydrogène, de gaz inertes et des traces d'autres composés. La teneur en hydrogène typique du gaz combustible de raffinerie peut varier entre 20 et 40 % en volume. Pour le ravitaillement en hydrogène, des concentrations d'H2 de 90 à 100 % sont probables. Cette quantité d'hydrogène modifie les paramètres de fonctionnement du brûleur. Il convient donc d'accorder une attention particulière à la conception du brûleur pour s'assurer que le fonctionnement de l'appareil n'est pas affecté de manière négative. Tout d'abord, la vitesse de la flamme laminaire de l'hydrogène est nettement supérieure à celle des hydrocarbures, ce qui favorise un processus de combustion plus rapide et un dégagement de chaleur accru par unité de volume. La combinaison de ce fait avec des températures de flamme de pointe adiabatiques plus élevées conduit à des températures élevées au niveau de la flamme, ce qui augmente directement les taux d'émission de NOX jusqu'à un facteur de trois. L'utilisation de technologies de brûleurs à très faibles émissions de NOX peut aider à respecter les exigences législatives en matière d'émissions de NOX lors de l'utilisation de combustibles à haute teneur en H2.
Figure 1 : Vues isométriques et en coupe du brûleur ZEECO FREE JET montrant les élévateurs de combustible échelonnés pour créer les turbulences et la zone de mélange nécessaires pour contrer la vitesse élevée des flammes d'hydrogène.
Par exemple, la vitesse de la flamme dans la combustion du H2 est d'environ 5,7 pi/sec, alors que la vitesse de la flamme du gaz naturel est nettement plus lente, avec seulement 1,3 pi/sec. La combustion de H2 a une température de flamme adiabatique stœchiométrique plus élevée de 3960°F, alors que le gaz naturel a une température de flamme adiabatique de 3518°F.1 Ces différences significatives dans les caractéristiques de combustion obligent les ingénieurs à évaluer les matériaux utilisés dans la construction du brûleur et le type de brûleur utilisé. La construction typique d'un brûleur comprend divers composants métalliques et une gorge ou une tuile réfractaire. L'augmentation de la température de la flamme de l'H2 nécessite d'améliorer l'acier utilisé pour la construction du gicleur, la construction de la gorge et les stabilisateurs de flamme en utilisant un acier inoxydable ou un alliage de qualité supérieure. Le réfractaire utilisé dans le brûleur doit être soigneusement évalué et sa composition modifiée pour résister aux températures élevées caractéristiques de la cuisson au H2. L'acier utilisé dans les brûleurs fonctionnant au H2 ne doit pas être sensible à la fragilisation par l'hydrogène et à l'attaque par l'hydrogène à haute température. Ces deux phénomènes peuvent dégrader prématurément un acier mal choisi, entraînant une défaillance précoce des pièces du brûleur. L'augmentation de la teneur en hydrogène dans le gaz combustible fait baisser la gravité spécifique du combustible, ce qui entraîne une diminution du débit massique du gaz combustible. Par conséquent, il est souvent nécessaire d'augmenter la pression du gaz combustible pour obtenir le même dégagement de chaleur du brûleur. Par conséquent, la conception de l'embout de gaz du brûleur et l'hydraulique de la tuyauterie de gaz combustible doivent être évaluées et redimensionnées si nécessaire. En outre, les verrouillages de sécurité et les paramètres de déclenchement des appareils de chauffage existants doivent être revus et modifiés en fonction du combustible à haute teneur en hydrogène. Par exemple, les systèmes TDL des fours et les scanners de flamme avec détection UV/IR peuvent ne plus convenir et des technologies alternatives capables de détecter les flammes à haute teneur en hydrogène doivent être envisagées. Ces aspects sont couverts par les études d'impact sur les chauffages.
Brûleurs de conversion pour le chauffage à haute teneur en H2
Pour utiliser un combustible à haute teneur en H2 tout en respectant les exigences législatives en matière d'émissions de NOX, il est nécessaire d'utiliser des technologies de brûleurs à très faibles émissions de NOX. Les brûleurs à diffusion présentent des défis différents de ceux des brûleurs à prémélange lorsqu'il s'agit d'utiliser un combustible à haute teneur en hydrogène ; chaque type de brûleur sera abordé séparément.
Brûleurs à diffusion à très faibles émissions de NOx
Le brûleur ZEECO ultra low-NOX FREE JET utilise la recirculation interne des gaz de combustion pour reconditionner le gaz combustible avec des produits de combustion inertes avant de le mélanger à l'air de combustion. Le mélange de combustible reconditionné prolonge la réaction de combustion, réduisant ainsi la température maximale de la flamme et la production thermique de NOX. Ce brûleur peut atteindre des émissions de NOX inférieures à 50 mg/Nm3 avec un combustible composé à 90 % d'hydrogène, sans injection de vapeur ni contrôle des émissions postcombustion. Le principe repose sur la conversion de l'élan du gaz combustible éjecté des pointes pour entraîner les gaz de combustion. Pour ce faire, des jets de gaz discrets à grande vitesse sont injectés à travers un anneau de pointes de gaz à l'extérieur de la tuile. Les jets de gaz aident à contrebalancer la vitesse élevée des flammes d'hydrogène, garantissant une flamme stable et robuste sur une large plage de fonctionnement. Un autre élément à prendre en compte lors de la combustion de gaz à forte teneur en hydrogène est l'utilisation d'un brûleur doté d'embouts de gaz à faible masse. Dans l'exemple du brûleur FREE JET , les pointes de gaz dépassent la sole du four d'environ 25 mm, de sorte que l'intensité thermique sur le profil de la pointe de gaz est considérablement réduite. Cela signifie que les pointes de gaz sont conçues pour résister aux températures élevées caractéristiques de la combustion de l'hydrogène, avec une durée de vie prolongée.
Brûleurs muraux radiants prémélangés à très faibles émissions de NOx
Les brûleurs radiants à parois pré-mélangées, couramment utilisés dans les fours de craquage de l'éthylène, présentent un défi tout à fait différent lors de l'utilisation de combustibles à haute teneur en hydrogène en raison de la propension au retour de flamme. Pour cette raison, les concepteurs de brûleurs doivent tenir compte de la fenêtre d'inflammabilité et de la vitesse de flamme de chaque composition de combustible spécifique. La fenêtre d'inflammabilité du méthane pur se situe entre 5 % et 17 %, avec une vitesse de flamme de 1,3 ft/sec. Cela signifie que lorsqu'il est mélangé à l'air à une concentration comprise entre 5 % et 17 %, le méthane favorise la combustion à cette vitesse. La fenêtre d'inflammabilité de l'hydrogène se situe entre 4 % et 74 %, avec une vitesse de flamme de 5,7 pieds/seconde. À mesure que l'industrie augmente la concentration d'hydrogène, il devient de plus en plus difficile de concevoir des brûleurs avec des vitesses de sortie capables de surmonter cette augmentation de la vitesse de la flamme, en particulier si l'on considère que le brûleur doit fonctionner à la fois avec du gaz naturel et un mélange de carburant à forte teneur en hydrogène. Si le concepteur se trompe, la flamme se propagera à l'intérieur du brûleur. Connu sous le nom de retour de flamme, ce phénomène peut nuire à l'intégrité mécanique des composants du brûleur et aux niveaux d'émissions thermiques de NOX. Pour relever ce défi technique, Zeeco a mis au point un brûleur à paroi radiante capable de brûler des combinaisons de gaz combustibles contenant plus de 90 % d'hydrogène tout en produisant des niveaux d'émissions de NOX inférieurs à 100 mg/Nm3. Cette conception de brûleur utilise un système propriétaire d'étagement des combustibles qui produit deux zones de mélange distinctes à la sortie de l'embout. Cette combinaison permet au brûleur de générer la vitesse de sortie nécessaire dans la zone pauvre pour éviter le retour de flamme tout en retardant la combustion dans la zone riche suffisamment longtemps pour mélanger le combustible avec les produits inertes des gaz de combustion.
Figure 2 : Exemples de pilotes ZEECO utilisant des carburants à haute teneur en hydrogène
This burner can be retrofitted in existing ethylene furnaces for firing high H2 fuels even in challenging furnace applications with extremely tight burner-to-burner and burner-to-tube spacing, still meeting the <100 mg/Nm3 emissions requirement.
Scanners de flamme
Les détecteurs de flamme conventionnels sont configurés pour détecter les rayonnements de combustion dans le spectre UV, visible et IR. Les plages spectrales exactes sont basées sur les longueurs d'onde caractéristiques de la combustion des combustibles hydrocarbonés. Les composantes UV et IR varient en fonction du type spécifique de combustible utilisé ; c'est pourquoi les détecteurs conventionnels ont des plages spectrales étendues, ce qui leur permet de fonctionner avec divers combustibles gazeux et liquides. Lors de la combustion de carburants à haute teneur en hydrogène, l'absence de carbone signifie que la gamme spectrale du rayonnement produit par le processus de combustion est considérablement réduite et s'oriente davantage vers le spectre UV. Par conséquent, les détecteurs qui utilisent les gammes spectrales UV et IR voient les pics des signaux de flamme s'affaiblir, ce qui entraîne des déclenchements intempestifs. Pour les détecteurs qui utilisent la gamme spectrale UV uniquement pour la détection de la flamme (pas de composante IR), la réponse maximale se produit à la longueur d'onde de rémission des radicaux OH. Par conséquent, l'absence de carbone dans la flamme n'empêche pas le scanner de détecter le rayonnement du brûleur cible. Les scanners ProFlame de Zeecoen sont un exemple : ils peuvent détecter de manière fiable les flammes d'hydrogène à 100 %, un dispositif de verrouillage de sécurité du four essentiel lors de l'utilisation d'un combustible à haute teneur en hydrogène. La flamme du brûleur peut devenir beaucoup plus courte lors de l'utilisation de combustibles à haute teneur en hydrogène en raison de la vitesse accrue de la flamme. Il est donc essentiel de viser correctement le viseur de flamme pour s'assurer qu'il est aligné sur la flamme cible. Cela réduira les risques de détection de signaux de fond indésirables par le dispositif de détection de flamme.
Pilotes
La plupart des pilotes utilisés sur les appareils de chauffage sont du type auto-aspiré, ce qui signifie que l'air est naturellement induit pour se mélanger au gaz combustible avant la combustion. Lorsque l'on utilise des pilotes à forte teneur en hydrogène, le risque de retour de flamme à l'intérieur du tube pilote augmente. Il est essentiel d'utiliser des pilotes capables de fonctionner avec des compositions de gaz pilote allant jusqu'à 90 % d'hydrogène sans retour de flamme afin d'éviter d'endommager le pilote lui-même et ses composants internes. Par exemple, certains pilotes utilisent une porte d'air réglable pour contrôler manuellement le débit d'air et éviter le retour de flamme lors de l'utilisation de combustibles à forte teneur en hydrogène. Lorsque la teneur en hydrogène augmente, la porte d'air doit être fermée davantage pour maintenir la vitesse du jet et éviter le retour de flamme.
Détection de la flamme pilote
De nombreux pilotes de brûleurs utilisés sur les appareils de chauffage sont équipés de tiges d'ionisation pour la détection de la flamme pilote. Les tiges de flamme fonctionnent par le processus d'ionisation/rectification pour compléter un circuit électrique. Lorsque la tige de flamme est alimentée, le courant produit une charge positive qui attire les ions négatifs dans la flamme. Les ions positifs produits dans le processus de combustion sont attirés vers la zone de mise à la terre de la pointe pilote. En attirant davantage d'ions positifs vers la terre, le flux d'électrons est redressé et circule dans une seule direction. Cela produit un signal de courant continu qui indique la présence d'une flamme. Pour que le système d'ionisation fonctionne correctement, un nombre important d'ions doit être présent dans la flamme. Les flammes d'hydrogène produisent peu d'ions par rapport aux composés organiques, ce qui génère un faible courant qui ne peut être détecté par le module d'ionisation de flamme. Par conséquent, les tiges de flamme ne sont pas une méthode appropriée de détection de flamme pilote pour les combustibles à haute teneur en hydrogène, et d'autres moyens de détection de flamme pilote doivent être envisagés. Une méthode de détection de la flamme du pilote consiste à utiliser un détecteur de flamme monté à l'extrémité arrière du pilote. Le viseur de flamme est dirigé vers l'extrémité du pilote pour détecter la flamme. Le bouclier de l'extrémité de la veilleuse peut être spécialement modifié pour que le dispositif de détection de flamme ne détecte pas de signal provenant de la flamme du brûleur principal.
Considérations relatives à l'instrumentation et aux contrôles
Lorsque l'on utilise du H2 comme source de combustible, le dernier point à prendre en compte est celui des contrôles et des instruments nécessaires à une combustion sûre. Tout brûleur conçu pour avoir une composition de combustible variable, allant du gaz naturel à une forte teneur en H2, doit être équipé d'un système de contrôle de la combustion entièrement dosé, couplé à un compteur d'indice de Wobbe ou à un compteur de gravité spécifique dans certains cas. Le compteur d'indice de Wobbe surveille la composition variable du flux de combustible et fournit les données nécessaires au système de contrôle pour ajuster correctement le contrôle du rapport combustible/air dans le système de contrôle de la combustion. L'incapacité à surveiller la composition du flux de carburant et à ajuster le système de contrôle de la combustion à ces changements peut conduire à une condition potentiellement dangereuse, riche en carburant.