Les caractéristiques decombustiondu H2 sont très différentes de celles du gaz naturel.
Un brûleur ZEECO GB à faible émission de NOx brûlant 100 % de gaz H2.
Le marché actuel de la production de vapeur est continuellement remodelé par l'augmentation du coût des combustibles et les nouvelles réglementations exigeant la réduction de l'empreinte carbone. Les nouvelles réglementations imposent aux générateurs de vapeur de réduire leurs émissions de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2). Les deux principales méthodes existantes pour réduire les émissions de CO et deCO2 consistent à capturer et à séquestrer le carbone dans le gaz combustible ou à éliminer le carbone du combustible avant la combustion. Le captage du carbone du combustible devient la méthode la plus rentable. L'élimination du carbone avant la combustion consiste à reformer le gaz naturel - principalement le méthane (CH4) - et à capturer l'atome de carbone tout en utilisant les atomes d'hydrogène (H2) comme source de combustible. En capturant le carbone avant la combustion, il n'est pas nécessaire d'équiper chaque chaudière d'un équipement coûteux nécessaire pour capturer et séquestrer le carbone.
L'instabilité du coût du carburant pousse également les utilisateurs finaux à envisager d'autres sources de carburant qu'ils peuvent déjà avoir à leur disposition, telles que leH2 restant de divers processus de reformage et de raffinage. Au lieu de brûler ou de rejeter ceH2 excédentaire, il peut être injecté dans le flux de gaz combustible pour compléter l'approvisionnement principal en combustible. Avec l'expertise et l'expérience appropriées, la combustion duH2 dans les systèmes de production de vapeur peut réduire considérablement les coûts d'exploitation du combustible tout en aidant à respecter les nouvelles réglementations sur les émissions de carbone.
Considérations sur la conception du brûleur
Un brûleur ZEECO GB à faible teneur en NOx brûlant 20 % de CO2 et 80 % de H2.
La compatibilité des brûleurs avec le H2 doit être évaluée afin de garantir un fonctionnement correct et sûr pendant la combustion. Les caractéristiques de combustion du H2 sont très différentes de celles du gaz naturel. La vitesse de la flamme dans la combustion du H2 est d'environ 5,7 pieds par seconde, alors que la vitesse de la flamme du gaz naturel est nettement plus lente, avec seulement 1,3 pied par seconde. La combustion du H2 est également caractérisée par une température de flamme adiabatique stœchiométrique plus élevée de 3 960°F, alors que le gaz naturel a une température de flamme adiabatique de 3 518°F (ces mesures sont citées dans "Combustion - Second Edition" par Irvin Glassman (1987). Ces différences importantes 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 est constituée de composants métalliques et d'une gorge ou d'une tuile réfractaire, ce qui nécessite un examen pour déterminer si le matériau convient à la cuisson H2. En raison de l'augmentation de la température de la flamme, l'acier utilisé pour la construction du gicleur, la construction du col et les stabilisateurs de flamme devra être remplacé par un acier inoxydable ou un alliage de qualité supérieure capable de résister à ces températures de fonctionnement élevées. En outre, le réfractaire utilisé dans le brûleur devra être soigneusement évalué et sa composition modifiée pour résister aux températures élevées caractéristiques de la cuisson au H2.
En plus de résister à des températures élevées, l'acier utilisé dans les brûleurs à H2 doit être choisi avec soin pour s'assurer qu'il n'est pas 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.
La vitesse de la flamme de l'hydrogène, qui est près de cinq fois supérieure à celle du gaz naturel, est une cause fondamentale de préoccupation lors de l'évaluation de la conception du brûleur. Les brûleurs qui utilisent un prémélange pauvre, un prémélange ou un prémélange rapide ne sont pas adaptés à un flux de combustible dont la composition en H2 varie. Lorsque la composition en H2 augmente dans le flux de combustible, ces types de brûleurs deviennent plus sensibles au retour de flamme. Le retour de flamme se produit lorsque la vitesse du gaz sortant de la buse du brûleur est inférieure à la vitesse de la flamme dans une application de prémélange. Le retour de flamme peut endommager les composants du brûleur.
Considérations sur les émissions
Un brûleur ZEECO GB à faible taux d'oxyde d'azote fonctionnant à 100 % au gaz naturel.
Le prochain point essentiel à comprendre lorsque l'on envisage la combustion d'H2 est l'impact sur les émissions du brûleur. La vitesse élevée de propagation de la flamme de l'hydrogène permet au processus de combustion de se produire plus rapidement que le gaz naturel. Le processus de combustion rapide libère l'énergie de combustion dans une petite zone, ce qui entraîne des températures élevées localisées dans la région proche de la flamme, qui aggravent l'effet des températures de flamme adiabatiques intrinsèquement élevées sur les taux d'émission de NOx. Toute région présentant des températures élevées supérieures à 2 500°F est propice à la formation de NOx. Les données recueillies sur le terrain et dans les installations d'essai ont montré que les brûleurs standard à faible taux d'émission de NOx utilisant du H2 présentent généralement une augmentation des taux d'émission de NOx allant jusqu'à un facteur 3.
La recirculation des gaz de combustion (FGR), l'injection de vapeur et/ou la technologie des brûleurs à ultra-faible teneur en NOx (ULN) sont nécessaires pour réduire les NOx. La recirculation des gaz de combustion est le processus qui détourne une partie des gaz de combustion sortant de la chaudière (généralement après l'économiseur) et l'introduit dans l'alimentation en air de combustion. L'alimentation en air de combustion se dilue avec les produits de combustion usés, ce qui abaisse la température maximale de la flamme pendant la combustion. De petites quantités d'injection de vapeur judicieusement placées peuvent également contribuer au polissage des NOx en refroidissant la flamme et en introduisant une petite quantité d'inertage.
Les brûleurs ULN étagés sont une autre option pour lutter contre les caractéristiques d'émissions accrues de NOx associées à la combustion deH2. Ces types de brûleurs utilisent généralement des mécanismes d'étagement de l'air et du combustible pour réduire la température maximale de la flamme. Un combustible correctement étagé augmente la quantité de gaz de combustion pouvant être entraînée dans le flux de combustible avant d'interagir avec l'air. L'entraînement des gaz de combustion dans le flux de combustible est similaire à la manière dont le FGR réduit les NOx. Une bonne répartition de l'air dans la zone de combustion retarde le mélange du combustible et de l'air, ce qui étire le processus de combustion sur toute la longueur du four. Le processus de combustion prolongé diminue les températures de pointe globales de la combustion, réduisant ainsi la formation de NOx.
Il convient de noter les différences entre les brûleurs ULN étagés et les brûleurs ULN à prémélange. Comme expliqué précédemment, les brûleurs ULN à prémélange ne sont généralement pas construits avec des matériaux capables de résister à la combustion d'H2, et ne sont pas non plus capables d'empêcher le retour de flamme lors de la combustion de combustibles à haute teneuren H2.
La teneur enH2 dans le flux de carburant a également un impact important sur les émissions de CO et deCO2. À mesure que l'H2 remplace les hydrocarbures dans la composition du carburant, le nombre d'atomes de carbone diminue. Un flux de carburant composé à 100 % deH2 ne peut pas générer de CO ni deCO2 en tant que sous-produit de la combustion en raison de l'absence de carbone dans la réaction de combustion. Par conséquent, plus la teneur enH2 d'un carburant est élevée, plus les émissions globales de CO et deCO2 sont faibles. Veuillez voir ci-dessous la réaction de combustion stœchiométrique de base d'un combustible à base d'hydrocarbures, le gaz naturel, et la réaction de combustion deH2 pur.
Réaction de combustion du gaz naturel :
CH4 + 2(O2 = 3.76N2) =
CO2 + 2H2O + 7.52N2 Équation 1
Réaction de combustion de l'hydrogène :
2H2 + (O2 + 3.76N2) =
2H2O + 3.76N2 Equation 2
Considérations sur l'impact des chaudières
Chaque fois que l'on envisage d'utiliser un nouveau combustible dans une chaudière, une étude d'impact sur la chaudière peut être recommandée pour s'assurer qu'il n'y a pas d'inconvénients pour les performances de la chaudière. De même, les performances de la chaudière doivent être évaluées lorsque l'on envisage d'utiliser duH2 comme source de combustible. Les caractéristiques de combustion duH2 peuvent entraîner des changements dans l'endroit et la façon dont le transfert de chaleur radiatif et convectif se produit dans la chaudière, ce qui peut avoir un impact négatif sur le taux de production de vapeur et les températures de la vapeur.
D'après les équations 1 et 2, les besoins stœchiométriques en air pour le gaz naturel sont de ~720 lb d'air/MBtu, et les besoins stœchiométriques en air pour leH2 sont de ~560 lb d'air/MMBtu, respectivement ; par conséquent, la combustion du H2 nécessite un débit massique d'air inférieur d'environ 30% à celui du gaz naturel. En outre, leH2 peut fonctionner avec un taux d'excès d'air inférieur à celui du gaz naturel en raison de sa limite d'inflammabilité plus élevée. Un taux d'excès d'air plus faible réduit encore le débit massique d'air nécessaire par rapport au gaz naturel. La combustion duH2 augmente également la température de sortie des gaz du four (FEGT), principalement en raison des températures de flamme plus élevées.
Lors de la combustion deH2, la réduction du débit massique qui en résulte dans la chaudière, combinée à une FEGT plus élevée, peut avoir un impact négatif sur les portions de transfert de chaleur par convection de la chaudière, compromettant à la fois la production et la qualité de la vapeur. Cependant, l'ajout d'un débit massique au système par le biais d'un FGR externe peut atténuer les préoccupations relatives à une FEGT plus élevée et à une réduction du transfert de chaleur par convection. Le débit massique supplémentaire du FGR abaisse le FEGT et annule tout effet négatif sur le transfert de chaleur par convection.
Considérations relatives à l'instrumentation et aux contrôles
Le dernier point à prendre en compte lors de l'utilisation duH2 comme source de combustible est le contrôle et l'instrumentation nécessaires à une combustion sûre. Tout brûleur conçu pour avoir une composition de combustible variable, allant du gaz naturel à une teneur élevée enH2, 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 situation potentiellement dangereuse, riche en carburant.
L'équipement de livraison du combustible en amont du brûleur doit également être évalué en fonction des contraintes de capacité. LeH2 nécessite un débit volumétrique de combustible trois fois supérieur à celui du gaz naturel pour fournir un dégagement de chaleur équivalent. La taille des tuyaux et les composants de la chaîne d'alimentation en combustible doivent être évalués pour garantir un fonctionnement correct avec n'importe quel combustible, en particulier lorsqu'il est utilisé en combinaison avec duH2.
La détection de la flamme est une protection essentielle du brûleur et est exigée par tous les codes d'exploitation des chaudières actuels. LorsqueH2 est présent dans le processus de combustion, il génère de la vapeur d'eau. Lorsque la teneur enH2 approche 80 % dans le flux de combustible, la plupart des détecteurs de flamme disponibles aujourd'hui ont des difficultés à distinguer et à vérifier la flamme en raison du niveau élevé de vapeur d'eau présent. Le choix de l'équipement de détection de flamme approprié est crucial.
D'autres considérations doivent être analysées pour garantir la sécurité de la combustion duH2 tout en respectant les limites environnementales de la juridiction d'exploitation. La consultation d'un fournisseur de brûleurs expérimenté qui connaît bien la combustion duH2 est essentielle pour garantir votre succès.
Par John Guarco, directeur technique, brûleurs de chaudières ; Bob Langstine, directeur régional des ventes (sud-est des États-Unis et est du Canada), Amérique du Nord ; et Michael Turner, ingénieur concepteur, ZEECO Inc.
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