Hidrogênio - O combustível alternativo

As características decombustãodo H2 são muito diferentes daquelas do gás natural.

Um queimador de baixo NOx de ZEECO GB que queima 100% de gás H2.

O mercado atual de geração de vapor é continuamente remodelado pelo aumento dos custos de combustível e por novas regulamentações que exigem a redução da pegada de carbono. Novas regulamentações exigem que os geradores de vapor reduzam suas emissões de monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (_CO2). Os dois principais métodos que existem para reduzir as emissões de CO e_CO2 são projetados para capturar e sequestrar o carbono no gás combustível ou remover o carbono do combustível antes da queima. A captura do carbono do combustível está se tornando o método mais econômico. A remoção do carbono antes da queima envolve a reforma do gás natural - principalmente metano (CH4) - e a captura do átomo de carbono enquanto utiliza os átomos de hidrogênio (H2) como uma fonte de combustível. A captura do carbono antes da combustão elimina a necessidade de equipar cada caldeira com equipamentos caros que são necessários para capturar e sequestrar o carbono.

A instabilidade do custo do combustível também contribui para levar os usuários finais a considerar fontes alternativas de combustível que eles já possam ter à sua disposição, como o H2 que sobra de vários processos de reforma e refino. Ao invés de queimar ou liberar este excesso de H2, ele pode ser injetado no fluxo de gás combustível para complementar o fornecimento principal de combustível. Aplicando os conhecimentos e experiência adequados, a queima de H2 em sistemas de geração de vapor pode reduzir muito os custos operacionais de combustível, ao mesmo tempo em que ajuda a atender às novas regulamentações de emissões de carbono.

Considerações sobre o projeto do queimador

Um queimador de baixo NOX de ZEECO GB que queima 20% de CO2 e 80% de gás combustível H2.

Os projetos dos queimadores devem ser avaliados quanto à compatibilidade com a queima de H2 para garantir uma operação adequada e segura durante a queima. As características de combustão do H2 são muito diferentes daquelas do gás natural. A velocidade da chama na queima de H2 é de aproximadamente 5,7 pés por segundo, enquanto a velocidade da chama do gás natural é significativamente mais lenta a apenas 1,3 pés/s. A queima de H2 também é caracterizada por uma temperatura de chama adiabática estequiométrica mais alta de 3.960°F, enquanto o gás natural tem uma temperatura de chama adiabática de 3.518°F (estas medidas são citadas de "Combustão - Segunda Edição" por Irvin Glassman (1987). Estas diferenças significativas nas características de combustão exigem que os engenheiros avaliem os materiais utilizados na construção do queimador e o tipo de queimador utilizado.

A construção típica do queimador é composta de componentes metálicos e uma garganta ou telha refratária, que requerem um exame para determinar a adequação do material para a queima de H2. O aumento da temperatura da chama exigirá que o aço utilizado para a construção do bico, construção da garganta e estabilizadores de chama seja atualizado para uma liga ou aço inoxidável de grau superior capaz de resistir a estas temperaturas de operação elevadas. Além disso, o refratário usado dentro do queimador precisará ser cuidadosamente avaliado e sua composição modificada para suportar as elevadas temperaturas características da queima de H2.

Além de suportar temperaturas elevadas, o aço usado nos queimadores de queima de H2 precisa ser escolhido cuidadosamente para garantir que não seja suscetível à fragilização pelo hidrogênio e ao ataque do hidrogênio a alta temperatura. Ambos os fenômenos podem degradar prematuramente um aço escolhido inadequadamente, levando à falha prematura das peças do queimador.

A velocidade da chama do hidrogênio, que é quase cinco vezes a do gás natural, é um motivo fundamental de preocupação ao avaliar o projeto do queimador. Os projetos de queimadores que utilizam pré-misturas magras, pré-misturas ou pré-misturas rápidas não são adequados para um fluxo de combustível que varia na composição do H2. Conforme a composição do H2 aumenta no fluxo de combustível, estes tipos de queimadores tornam-se mais suscetíveis a flashback. O flashback ocorre quando a velocidade do gás que sai do bico do queimador é mais lenta do que a velocidade da chama em uma aplicação pré-misturada. Danos aos componentes do queimador podem resultar quando ocorre o flashback.

Considerações sobre as emissões

Um queimador de baixo NOX ZEECO GB que queima 100% de gás natural.

O próximo tópico essencial a ser compreendido ao considerar a queima de H2 é o impacto sobre as emissões do queimador. A alta velocidade de propagação da chama do hidrogênio permite que o processo de combustão ocorra mais rapidamente do que o gás natural. O processo de combustão rápida libera a energia de combustão em uma pequena área, levando a temperaturas localizadas elevadas na região próxima à chama, o que compõe o efeito das temperaturas de chama adiabáticas inerentemente altas nas taxas de emissão de NOx. Qualquer região com temperaturas elevadas acima de 2.500°F é propícia à formação de NOx. Os dados de campo e das instalações de teste mostraram que queimadores padrão de baixo NOx que queimam H2 tipicamente exibem um aumento nas taxas de emissão de NOx em até um fator de 3.

A recirculação de gás de combustão (FGR), injeção de vapor e/ou tecnologia de queimador ultra-baixo-NOx (ULN) são necessários para diminuir o NOx. FGR é o processo que desvia uma porção do gás de combustão que sai da caldeira (normalmente após o economizador) e o introduz no suprimento de ar de combustão. O fornecimento de ar de combustão dilui-se com os produtos de combustão gastos, o que reduz a temperatura de pico da chama durante a combustão. Pequenas quantidades de injeção de vapor cuidadosamente colocadas também podem ajudar no polimento do NOx, resfriando a chama e introduzindo uma pequena quantidade de inertização.

Os queimadores ULN encenados são outra opção para combater o aumento das características de emissão de NOx associadas à queima do H2. Estes tipos de queimadores geralmente usam tanto o ar quanto os mecanismos de preparação de combustível para diminuir a temperatura de pico da chama. Combustível adequadamente preparado aumenta a quantidade de gás do forno capaz de ser arrastado para o fluxo de combustível antes de interagir com o ar. A entrada do gás do forno no fluxo de combustível é semelhante à forma como o FGR mitiga o NOx. O ar de encenação dentro da zona de combustão retarda a mistura do combustível e do ar, esticando o processo de combustão ao longo do comprimento do forno. O processo de combustão por tração diminui as temperaturas de pico de combustão em geral, reduzindo assim a formação de NOx.

Deve-se tomar cuidado para notar as diferenças entre os queimadores ULN encenados e os queimadores ULN pré-misturados. Como explicado anteriormente, os queimadores ULN pré-misturados geralmente não são construídos com materiais capazes de resistir à queima de H2, nem são capazes de evitar flashback durante a queima de combustíveis H2 altos.

O conteúdo de H2 no fluxo de combustível também tem um impacto significativo nas emissões de CO e_CO2. Como o H2 substitui os hidrocarbonetos na composição do combustível, o número de átomos de carbono diminui. Um fluxo de combustível composto de 100% H2 não pode gerar CO nem_CO2 como subproduto da combustão, devido à falta de carbono na reação de combustão. Portanto, quanto maior for o teor de H2 de um combustível, menor será a emissão total de CO e_CO2. Veja abaixo a reação de combustão estequiométrica básica de um combustível à base de hidrocarbonetos, gás natural, e a reação de combustão do H2 puro.

Reação de Combustão de Gás Natural:
CH4 + 2(O2 = 3,76N2) =
_CO2 + 2H2O + 7,52N2 Equação 1

Reação de combustão a hidrogênio:
2H2 + (O2 + 3.76N2) =
2H2O + 3.76N2 Equação 2

Considerações sobre o impacto da caldeira

Sempre que um novo combustível for considerado para uso em uma caldeira, um estudo de impacto de caldeira pode ser recomendado para garantir que não haja prejuízo ao desempenho da caldeira. Da mesma forma, o desempenho da caldeira deve ser avaliado ao considerar o H2 como uma fonte de combustível. As características de combustão do H2 podem levar a mudanças em onde e como ocorre a transferência de calor radiativo e convectivo dentro da caldeira, o que pode ter um impacto adverso na taxa de geração de vapor e nas temperaturas do vapor.

Com base nas equações 1 e 2, a necessidade de ar estequiométrico para gás natural é de ~720 lbs. de ar/ MMBtu, e a necessidade de ar estequiométrico para H2 é de ~560 lbs. de ar/MMBtu, respectivamente; portanto, a queima de H2 precisa de aproximadamente 30% menos fluxo de massa de ar em comparação com o gás natural. Além disso, o H2 pode operar com uma menor proporção de excesso de ar do que o gás natural devido a seu maior limite de inflamabilidade. Uma relação menor de excesso de ar reduz ainda mais o fluxo de massa de ar necessário em comparação com o gás natural. A queima de H2 também aumenta a temperatura de saída do gás do forno (FEGT), principalmente devido às temperaturas de chama mais altas.

Ao queimar H2, a redução do fluxo de massa resultante através da caldeira, combinada com um FEGT mais alto, pode ter um impacto adverso nas porções de transferência de calor convectivas da caldeira, comprometendo tanto a produção de vapor quanto a qualidade do vapor. Entretanto, a adição de fluxo de massa ao sistema através de FGR externo pode mitigar as preocupações com FEGT mais alto e transferência de calor convectivo reduzida. O fluxo de massa adicional de FGR diminui o FEGT e nega qualquer efeito adverso sobre a transferência de calor por convecção.

Considerações sobre Instrumentação e Controles

O último tópico a ser considerado ao utilizar o H2 como fonte de combustível são os controles e instrumentação necessários para uma queima segura. Qualquer queimador projetado para ter uma composição variável de combustível, desde gás natural até alto teor de H2, deve ter um sistema de controle de combustão totalmente dosado, acoplado a um medidor de índice de Wobbe ou a um gravímetro específico em alguns casos. O medidor de índice de Wobbe monitora a composição variável do fluxo de combustível e fornece a entrada necessária ao sistema de controle para ajustar adequadamente o controle da relação combustível/ar no sistema de controle de combustão. A incapacidade de monitorar a composição do fluxo de combustível e ajustar o sistema de controle de combustão a essas mudanças pode levar a uma condição potencialmente insegura, rica em combustível.

O equipamento de fornecimento de combustível a montante do queimador também deve ser avaliado quanto às restrições de capacidade. O H2 requer três vezes o fluxo volumétrico de combustível em relação ao gás natural para fornecer a liberação de calor equivalente. O tamanho da tubulação e os componentes do trem de combustível devem ser avaliados para garantir o funcionamento adequado com qualquer combustível, especialmente quando usado em qualquer combinação com o H2.

A detecção de chama é uma salvaguarda crítica do queimador e é exigida por todos os códigos de operação de caldeiras atuais. Quando o H2 está presente no processo de combustão, ele gera vapor de água. Como o teor de H2 se aproxima de 80% no fluxo de combustível, a maioria dos scanners de chama disponíveis atualmente tem dificuldade em distinguir e verificar a chama devido ao alto nível de vapor d'água presente. A seleção do equipamento adequado de detecção de chama é crucial.

Outras considerações precisam ser analisadas para garantir a queima segura do H2 enquanto se cumprem os limites ambientais da jurisdição operacional. A consulta a um fornecedor experiente de queimadores que é bem versado em queima de H2 é essencial para garantir seu sucesso.

Por John Guarco, diretor técnico, queimadores de caldeira; Bob Langstine, gerente regional de vendas (sudeste dos EUA e leste do Canadá), América do Norte; e Michael Turner, engenheiro de projeto, ZEECO Inc.