Avanços na tecnologia de queimadores
Eric Pratchard e Todd Grubb, Zeeco, Inc., dos EUA, juntamente com Hector Ayala, Aloke Sarkar e HS Lee, da ExxonMobil Technology and Engineering Company, dos EUA, analisam o impacto que os avanços na tecnologiade queimadores com emissões ultrabaixasde NOX poderiam ter na queima de hidrogênio enas emissões de NOX .
Queimador ZEECO JET® Gen 3 operando com 100% de hidrogênio
O cumprimentodos compromissos globais de emissões líquidas zero exige uma descarbonização significativa dos setores de petróleo e gás e de outras indústrias pesadas. Uma maneira de atingir as metas de descarbonização é utilizar o hidrogênio como combustível para queimadores de processo em concentrações próximas a 100% em volume, em vez de combustíveis à base de hidrocarbonetos.Os atuaisqueimadores com emissões ultrabaixasde NOX (ULNBs) e os novos projetos de queimadores podem enfrentar dificuldades com altas concentrações de hidrogênio devido ao aumento do risco de retorno de chama e aos custos elevados para o gerenciamentodas emissões de NOX , já que a temperatura mais alta da chama do hidrogênio leva auma produção mais adiabáticade NOX . À medida que cresce a demanda por soluções melhores, com menoresemissões de carbono eNOX , o setor precisa de um ULNB adequado para queima com 100% de hidrogênio, mantendoemissões de NOX muito mais baixas — e que seja fácil de adaptar aos aquecedores a combustível existentes, a fim de minimizar o investimento de capital necessário para descarbonizar os principais processos de refinaria.
Para atender a essa demanda, Zeeco a ExxonMobil trabalharam juntas para projetar, desenvolver, testar e implementar um novo projeto de ULNB de última geração, capaz de queimar 100% de hidrogênio, além de uma ampla gama de composições de gás combustível, ao mesmo tempo em que produzemissões de NOX significativamente mais baixas, sem a necessidade de sistemas de controle adicionais complicados ou caros, nem de soluções específicas para emissões. O novo queimador não utiliza recirculação externa de gases de combustão nem tecnologia de pré-mistura pobre e atinge as metas tanto em sistemas de tiragem natural quanto forçada, com ar de combustão ambiente ou pré-aquecido.
As empresas realizaram, em conjunto, testes com queimadores, tanto em configurações com um único queimador quanto com vários queimadores, para uma ampla gama de condições de processo. Os resultados desses testes demonstraram boa estabilidade da chama, bom desempenho e redução de emissões, com dimensões da chama semelhantes às dos ULNBs de projeto atual. A ExxonMobil instalou os novos queimadores, denominados FREE JET 3™, em um aquecedor de processo em suas instalações em Baytown, Texas, EUA. Os primeiros resultados operacionais foram consistentes com os testes de desempenho dos queimadores, e os queimadores estão proporcionando redução de emissões e flexibilidade operacional conforme o esperado.
As tecnologias emergentes atuais e os sistemas de redução catalítica seletiva (SCR), considerados possíveis alternativas a esse novo projeto de queimador, podem ser complexos, caros e exigir sistemas de proteção adicionais ou requisitos operacionais específicos.
A queima de combustível à base de hidrocarbonetos contendo até 80% de hidrogênio reduzas emissões de CO₂ pela metade. Para alcançar reduções ainda maiores nas emissões de carbono, é necessária uma concentração mais elevada de hidrogênio — provavelmente próxima a 95% — a fim de atingir as metas de emissões líquidas zero. Assim, para cumprir as metas da indústria em matéria de descarbonização, deve estar disponível no mercado um projeto de queimador industrial capaz de queimar, de forma segura e econômica, quase 100% de hidrogênio.
Atualmente, a maioria dos aquecedores a combustão e fornos de processo foi projetada para queimar gás natural ou gases combustíveis de refinaria, que contêm uma alta proporção de hidrocarbonetos, além de hidrogênio, gases inertes e traços de outros compostos. O teor de hidrogênio em um gás combustível típico de refinaria pode variar entre 20% e 40%. Ao converter queimadores para queimar gás com alto teor de hidrogênio, são necessárias concentrações de 90% a 100%, o que altera os parâmetros operacionais do queimador, exigindo adaptações no projeto para garantir o funcionamento ideal do queimador e do aquecedor.
A velocidade da chama do hidrogênio é significativamente maior do que a dos combustíveis de hidrocarbonetos típicos, resultando em uma combustão mais rápida e maior liberação de calor por unidade de volume. A velocidade da chama na combustão do hidrogênio é de aproximadamente 1,7 m/s (5,6 pés/s), enquanto a velocidade da chama do gás natural é significativamente mais lenta, atingindo apenas 0,4 m/s (1,3 pés/s). Além disso, a temperatura estequiométrica adiabática da chama do hidrogênio (2.182 °C ou 3.960 °F) é mais alta do que a do gás natural (1.937 °C ou 3.520 °F). A alta velocidade da chama do hidrogênio faz com que a combustão ocorra mais rapidamente do que na queima de gás natural. Esse rápido processo de combustão libera a energia de combustão em um volume menor, levando a temperaturas elevadas localizadas próximas à chama, o que agrava o efeito das temperaturas de pico adiabáticas da chama, inerentemente altas, sobre as taxasde emissão de NOX . Qualquer região com temperaturas elevadas acima de 760 °C (1370 °F) é propícia àformação de pequenas quantidades deNOX e, em temperaturas acima de 1100 °C (2000 °F),o NOX aumenta exponencialmente.1
Os ULNBs atuais costumam produzir 50% maisemissões de NOX ao mudar de combustível de baixo para alto teor de hidrogênio. Espera-se que os requisitos regulatórios locais relativos aos limitesde emissão de NOX continuem aumentando, independentemente da queima de hidrogênio. Assim, os projetos de ULNBs de próxima geração, adequados para a queima de 100% de hidrogênio, também devem reduziras emissões de NOX ainda mais do que a geração atual de ULNBs.
Tecnologias ULNB atuais
Os projetos de queimadores de processo têm se aprimorado ao longo das décadas, e várias tecnologias têm sido implantadas para reduziras emissões de NOX , com foco principal na manipulação de áreas localizadas da mistura ar/combustível, a fim de criar zonas de combustão ricas ou pobres em combustível, reduzindo assim a temperatura máxima da chama ea formação de NOX . O estágio de ar, o estágio de combustível, a recirculação interna de gases de combustão (IFGR) e a pré-mistura pobre têm sido as principais técnicas para reduziro NOX nos ULNBs disponíveis atualmente. No entanto, essas técnicas não conseguem atender às exigências da queima com alto teor de hidrogênio, mantendoas emissões de NOX dentro dos limites.
Tecnologias emergentes têm tentado utilizar combinações desses métodos, e conceitos como a “combustão sem chama” têm se mostrado promissores. No entanto, esses projetos de queimadores exigem hardware complexo, controles sofisticados e sistemas de proteção a serem adicionados ao equipamento existente. Além disso, esses queimadores geralmente se limitam a instalações com tiragem forçada, o que os torna inadequados para a maioria das adaptações sem um investimento significativo, já que a maioria dos aquecedores a combustão opera com tiragem natural. Alguns desses projetos também utilizam tecnologias de pré-mistura pobre, que podem apresentar limitações potenciais relacionadas a retrocesso de chama ao queimar combustíveis com alto teor de hidrogênio, especialmente na faixa mais baixa de liberação de calor do queimador (ou seja, em taxas de redução mais elevadas do queimador).
A instalação de uma unidade SCR é uma alternativa para lidar comas emissões mais elevadasde NOX decorrentes da queima com alto teor de hidrogênio. Um SCR é um sistema de pós-combustão instalado no duto de gases de combustão, a jusante da seção de convecção. Os SCRs podem reduziras emissões de NOX em até 95%, mas sua instalação representa um gasto de capital significativo, além de apresentar desafios operacionais de longo prazo. Além disso, a necessidade de espaço adicional para um SCR pode ser um desafio, especialmente na adaptação de equipamentos já existentes. Por fim, os SCRs devem ser operados dentro da temperatura especificada dos gases de combustão e das taxas de injeção de amônia/ureia para evitar a deterioração do leito catalítico e/ou o escape de amônia para a atmosfera.
Tecnologia ULNB avançada
Para enfrentar esses desafios do setor, é necessário um queimador de processo 100% compatível com hidrogênio, sem controles complicados, sistemas adicionais ou requisitos específicos de espaço e formato. A ExxonMobil e Zeeco no projeto de um novo queimador capaz de atender aos requisitos acima e de fazer a transição entre diversas misturas de combustíveis e o hidrogênio 100%, e vice-versa. O queimador resultante é um projeto com patente pendente que incorpora uma nova configuração de placas quadradas e uma adaptação da comprovada tecnologia ULNB para reduzir significativamenteas emissões de NOX . As duas empresas trabalharam juntas para projetar, testar o desempenho e realizar testes de campo do projeto, a fim de verificar se ele atingiria, de forma segura e econômica, os objetivos de desempenho e emissões.
As gerações anteriores de queimadores de processo que utilizavam FREE JET possuíam pontas de combustível em estágios individuais, com uma única abertura de combustível. Isso otimizou o benefício do IFGR para tornar a mistura de combustível mais pobre e, quando combinado com o formato redondo das placas, produziu uma composição de mistura de combustível pobre quase universal ao longo da borda de queima do queimador. As pontas de queima primárias, localizadas ao longo do diâmetro interno da garganta do queimador, garantiam a estabilidade do queimador, e a temperatura uniforme da chama resultante da mistura de combustível tem geradoum desempenho positivo em termos deNOX há mais de duas décadas.
O novo projeto do queimador com placas quadradas se baseia nos FREE JET já consolidados FREE JET , mas também introduz uma nova forma de distribuir o combustível e o ar em etapas para reduzir ainda maisa geração térmicade NOX . O novo queimador reduz o número de bicos de combustível escalonados, mas adiciona múltiplas aberturas a cada bico que fornecem a mistura de combustível ao longo da superfície do azulejo. Menos pontos de introdução de combustível e o novo formato quadrado do azulejo criam áreas não uniformes de misturas ricas e pobres de combustível. Essas áreas não uniformes significam que os bicos primários que geram
Níveis mais elevados deNOX térmicopodem ser encontrados em uma região de mistura pobre, a fim de reduzir a temperatura combinada da chama produzida pelo combustível primário e pelo combustível de injeção escalonada. A zona localizada entre as pontas primárias apresenta uma mistura mais rica em combustível, que permanece estável sem a assistência da ponta primária.
O novo design de placas quadradas resulta emníveis de NOX de um dígito ao queimar combustíveis típicos de refinaria e mantém um excelente desempenho mesmo ao queimar 100% de hidrogênio. O desempenho estável, confiável e prático com uma ampla variedade de combustíveis significa que os operadores têm a capacidade de queimar 100% de hidrogênio, uma ampla variedade de composições de gás combustível de refinaria/petroquímica, 100% de gás natural e grandes volumes de gás de baixo BTU (LBG), além de alternar mais facilmente entre os diversos combustíveis. O queimador é capaz de uma redução de 5:1 na liberação de calor. Os tamanhos das placas do queimador são comparáveis aos de queimadores existentes com liberação de calor semelhante, e ele utiliza uma única conexão primária de gás combustível ao queimador para limitar as modificações na tubulação de gás combustível. Esse projeto não requer controles adicionais de combustível ou ar, nem sistemas de proteção. A Figura 1 mostra o novo projeto do queimador instalado em uma unidade operacional que está em funcionamento há quase um ano.
Figura 1: Novos queimadores instalados em uma unidade em operação
Este projeto não utiliza a metodologia tradicional de pré-mistura pobre, eliminando o risco de retorno de chamas no queimador. Não é necessária nenhuma recirculação externa de gases de combustão. Além disso, o queimador pode operar tanto no modo de tiragem forçada quanto no de tiragem natural e com ar de combustão ambiente ou pré-aquecido.
A Figura 2 ilustra o desempenho em termos deemissões de NOX em comparação com os ULNBs modernos. Esse novo projeto de queimador proporciona uma redução de cerca de 50% nasemissões de NOX , ao mesmo tempo em que permite a queima de até 100% de hidrogênio sem comprometer a estabilidade da chama.
Figura 2: Resultados dos testes de queimadores FREE JET 3 relativos ao desempenho em termos deNOx em uma variedade de misturas de hidrogênio como combustível, comparados aos níveis deNOx medidos em vários UNLBs da geração atual
Resultados dos testes de desempenho
O novo projeto do queimador foi rigorosamente testado em diversas condições operacionais para verificar seu desempenho e aperfeiçoar seu projeto. O extenso programa de desenvolvimento das empresas incluiu testes com um único queimador, testes com vários queimadores, aplicações com ar ambiente e pré-aquecido, tiragem forçada e tiragem natural; além da queima de gás natural, misturas típicas de gás combustível de refinaria/petroquímica, 100% de hidrogênio e gases residuais de LBG. Os testes do projeto final demonstraram bom desempenho e estabilidade da chama em uma ampla gama de composições de gás combustível. As Tabelas 1 a 4 resumem os resultados dos testes dos queimadores em diversas condições.
A Figura 3 mostra os testes com um único queimador em uma variedade de concentrações de hidrogênio nas misturas de combustível. Como pode ser observado nas imagens, o queimador testado incluía um bico para a queima de combustível LBG (o grande bico circular no centro do queimador), mas o LBG não estava em uso quando as fotografias foram tiradas.
Figura 3: Teste com queimador único mostrando vários níveis de hidrogênio no gás natural
Os resultados dos testes mostram que o queimador é totalmente capaz de queimar 100% de hidrogênio e proporciona uma redução de cerca de 50%nas emissões de NOX , com desempenhode emissões de NOX na casa de um dígito na queima de gás natural. Mesmo na queima com 100% de hidrogênio,as emissões de NOX ficaram próximas da casa de um dígito, em aproximadamente 10 ppm(v) na aplicação com tiragem natural e 9 ppm(v) na aplicação com tiragem forçada, valores corrigidos para 3%de O₂ em condições secas . Observou-se queas emissões de NOX aumentam à medida que o teor de hidrogênio no gás combustível aumenta, mas atingem um pico em cerca de 80% de hidrogênio e, a partir daí, caem até a queima com 100% de hidrogênio, conforme evidenciado nos dados do Combustível C na Figura 3. A sondagem de CO eo perfil de O₂ confirmaram que o comprimento e a largura da chama são comparáveis aos dos ULNBs da geração atual. Os testes de CO comprovaram a estabilidade dos queimadores, independentemente da composição do combustível.
Foram realizados testes com múltiplos queimadores para examinar os possíveis efeitos adversos de quaisquer interações entre chamas nasemissões de NOX , e constatou-se que os impactos eram insignificantes. Como muitos aquecedores a combustível mais antigos possuem queimadores espaçados de forma mais próxima do que as recomendações da API 560, foram realizados testes adicionais com espaçamento entre queimadores menor do que o recomendado pela API 560. O aumentona emissão de NOX foi inferior a 20% quando o espaçamento entre queimadores foi reduzido para 75% do espaçamento recomendado pela API 560 em uma ampla faixa de combustíveis, incluindo 100% de hidrogênio.
Resultados dos testes de campo
A ExxonMobil instalou 12 queimadores FREE JET 3 Zeecoem um dos aquecedores cilíndricos verticais de suas instalações em Baytown para aplicação em campo no início de 2024. Os queimadores são do tipo de tiragem forçada com ar pré-aquecido, sendo também adequados para operação com tiragem natural de ar ambiente, e possuem uma potência térmica nominal de 9,8 milhões de Btu/h (com base no LHV) cada. As emissões de CO permaneceram dentro dos limites permitidos mesmo durante o comissionamento, sem a necessidade de adotar medidas adicionais de mitigação.
A emissão de CO permaneceu abaixo de uma média móvel horária de 50 ppm, mesmo durante as operações de inicialização. Relatórios de campo confirmaram que todos os queimadores permaneceram estáveis, mesmo em baixas taxas de queima e com excesso de oxigênio de até 10% em volume (úmido). Os testes preliminares de emissão foram realizados com os queimadores operando entre 60% e 75% da liberação de calor projetada, com uma concentração de hidrogênio no gás combustível variando entre 45% e 60% e com temperatura do ar de combustão entre 135 e 230°F.As emissões de NOX medidas, quando corrigidas para 3%de O₂ ( seco) e temperatura da parede da ponte de 1.600 °F, permaneceram em 12 ppm ou abaixo disso. Isso correspondeu aos resultados dos testes de desempenho.
Conclusão
Nos próximos anos, haverá demanda por ULNBs de última geração, adequados para queima 100% a hidrogênio, mas comemissões de NOX muito mais baixas. Esses queimadores precisam ser fáceis de adaptar aos aquecedores a combustível existentes, fáceis de instalar em novos aquecedores a combustível e devem ter requisitos mínimos de hardware e controle.
Este ULNB de última geração, recém-desenvolvido, atende às demandas do setor e permite que uma instalação esteja pronta para o uso de hidrogênio já hoje, de vista à futura transição de combustível. O queimador é adequado tanto para aplicações com tiragem natural quanto com tiragem forçada, tanto para ar ambiente quanto para ar pré-aquecido, e é capaz de lidar com uma ampla gama de composições de gás combustível, incluindo 100% de hidrogênio — e já foi comprovado em instalações em campo. O queimador mantém o desempenho e as dimensões da chama dos ULNBs da geração atual, ao mesmo tempo em que reduz significativamenteas emissões de NOX .
Notas
Todas as referências ao teor de hidrogênio em % referem-se a % em volume.
A ExxonMobil Technology and Engineering Company possui inúmeras afiliadas, muitas das quais com nomes que incluem ExxonMobil, Exxon, Mobil, Esso e XTO. Por uma questão de conveniência e simplicidade, esses termos, bem como termos como “Corporação”, “empresa”, “nosso”, “nós” e “sua”, são por vezes utilizados como referências abreviadas a uma ou mais afiliadas específicas ou a grupos de afiliadas. Referências abreviadas que descrevem organizações operacionais globais ou regionais, bem como linhas de negócios globais ou regionais, também são, por vezes, utilizadas por conveniência e simplicidade. Nada do que está contido neste documento tem a intenção de anular a independência corporativa das empresas afiliadas.
Referência
- “Boletim Técnico: Óxidos de nitrogênio (NOx) — por que e como são controlados”, Agência de Proteção Ambiental dos EUA, (novembro de 1999), https://www3.epa.gov/ttn/catc/dir1/fnoxdoc.pdf