حرق الأمونيا: اليوم وغدا

حرق الأمونيا على أعتاب التغيير بسبب الحملة العالمية لإزالة الكربون. وتقوم البلدان التي تركز على المناخ بسن تشريعات للحد من استخدام الوقود الأحفوري، والتي يمكن أن تتخذ شكل ضريبة مباشرة على إنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO2) في المرافق، أو ضرائب على أنواع الوقود المستخدمة في نهاية المطاف مثل البنزين والديزل، أو حوافز لاستخدام كميات أقل من الوقود الكثيف الكربون مثل الأمونيا أو الهيدروجين. الأمونيا كوقود سائل يعمل مباشرة أو كوسيط نقل للهيدروجين داخل سلسلة توريد الهيدروجين ستجد فائدة أكبر في السنوات والعقود القادمة لأنها لا تحتوي على كربون مقيد داخل الجزيء.

تحميل المقال

بسبب هذه الضغوط المجتمعية ، تم بناء الزخم في صناعة الأمونيا التقليدية نحو إنشاء الأمونيا باستخدام مصادر الطاقة المتجددة. يطلق عليه "الهيدروجين الأخضر" أو "الأمونيا الخضراء" ، كل خطوة في إنشائه ونقله واستخدامه كوقود لا يتطلب الوقود الأحفوري. ولا يزال الإنتاج على نطاق واسع على بعد بضع سنوات فقط، حيث ينفق أحد البائعين مليارات الدولارات لجلب الأمونيا الخضراء القائمة على الهيدروجين على مستوى عالمي إلى الإنترنت بحلول عام 2025.

هناك بالفعل مشاريع عبر الإنترنت ، أو قادمة عبر الإنترنت في غضون العامين المقبلين ، والتي ستستخدم الأمونيا "الزرقاء" أو الهيدروجين كبديل لاحتراق الوقود الأحفوري. تختلف الأمونيا الزرقاء عن الأمونيا الخضراء من حيث أنها تنتج من خلال طرق الإنتاج القائمة على الوقود الأحفوري ، ولكنها تحد بعد ذلك من تأثيرها الكربوني من خلال العزل والتعويض.

ماذا يعني هذا بالنسبة لمستقبل الحرق؟ قد تكون متنوعة جدا. سيتم العثور على الأمونيا و / أو الهيدروجين في أي منشأة تجعل التحول إلى بصمة كربونية منخفضة. يتم طلب الغاز الطبيعي الذي تم استبداله بالهيدروجين كموقد أو وقود تجريبي بشكل متزايد من قبل المستخدمين النهائيين. يمثل تصميم معدات الاحتراق لتوفير كفاءة تدمير فعالة (DE) لتطبيقات معالجة المواد الكيميائية والبتروكيماويات والغاز تحديات محددة يجب تقييمها على أساس "كل حالة". بالنسبة للصناعات التي تنتج مركبات كيميائية حيث تجعل طبيعة المادة الكيميائية نفسها الاشتعال ومن الصعب تحقيق DE العالي ، بما في ذلك الأمونيا ، يجب استخدام ممارسات تصميم التوهج المحددة لضمان الاحتراق النظيف والفعال.

التحديات في احتراق الأمونيا

يساهم عدد من العوامل في صعوبة احتراق الأمونيا: فهو قائم على النيتروجين

مركب ، لديه سرعة انتشار اللهب منخفضة ، وانخفاض قيمة التدفئة ، وانخفاض درجات حرارة اللهب. وتتطلب مواجهة هذه التحديات معايير تصميم محددة لمشاعل الأمونيا (انظر الشكل 1).

الشكل 1. مثال على نظام التوهج المصمم للتعامل مع غاز نفايات منشأة الأمونيا ، والذي يتميز بزجاج أمامي للمساعدة في الاحتراق الفعال.

لتسهيل الاحتراق الكامل تقنيا للأمونيا (99٪ أو أعلى) ، من الضروري تقييد سرعة خروج غاز النفايات لضمان أن الأمونيا لديها وقت بقاء كاف لاحتراق DE العالي. Zeeco بيانات اختبار متراكمة توضح وجود علاقة بين استقرار لهب الأمونيا وسرعة الخروج التي تدعم فلسفة التصميم هذه. إذا لم يتم تصميم نظام التوهج باستخدام هذا المقياس الرئيسي ، فهناك احتمال أكبر للاحتراق غير الكامل و / أو إطلاق غاز النفايات غير المشتعل.

الشكل 2. سرعة خروج التصميم القصوى النموذجية مقابل قطر طرف التوهج الاسمي.

الشكل 3. لون لهب اختبار الأمونيا النموذجي.

على سبيل المثال، يوضح الشكل 2 أن السرعة القصوى لخروج التصميم للغاز المهدر المحتوي على الأمونيا تعتمد على قطر طرف التوهج. بشكل عام ، مع زيادة قطر طرف التوهج ، هناك حجم أكبر من الغاز وإطلاق حرارة أعلى من اللهب. وبالتالي ، فإن تصميم قطر طرف التوهج على أساس التحكم في سرعة الخروج يساعد في الحفاظ على درجة حرارة اللهب أعلى من درجة حرارة اشتعال الأمونيا ، وتحسين استقرار اللهب بشكل عام.

يوضح الاختبار الذي تم إجراؤه على غازات الأمونيا بنسبة 100٪ بواسطة مصنع كيميائي في هيوستن ، تكساس ، الولايات المتحدة ، هذه النقاط. تم تغيير معدل تدفق الغاز لتقييم تأثير سرعة الخروج عند نقطة تفريغ طرف التوهج على كفاءة الاحتراق. تم إجراء الاختبار على طرف توهج اسمي من نوع dia. dia. مع حلقة احتفاظ كاملة باللهب.

وفيما يلي الخيارات التي تم تركيبها على الطرف كجزء من التقييمات:

• مجموعة الزجاج الأمامي ذات القطر الكبير الممتدة التي أحاطت بتفريغ طرف التوهج والطيارين.
• حلقة مساعدة حقن الغاز عند نقطة خروج طرف التوهج لإنتاج الاضطراب وزيادة إلهام الهواء في منطقة الاحتراق.
• وتوافر عدة طيارين (ثلاثة كحد أقصى) لتحديد تأثير لهب الاشتعال على عملية الاحتراق.

وشمل الاختبار تحليلا لأداء مجموعة طرف التوهج باستخدام تدفقات مختلفة من الأمونيا ، وواحد إلى ثلاثة طيارين ، وحلقة حقن الغاز ، والزجاج الأمامي الممتد ، ومجموعات مما سبق. تم تحديد كمية الأمونيا الموجودة في العمود من التوهج باستخدام مسبار ساخن أخذ عينات في موضع بالنسبة لدرجة الحرارة المقاسة (للتأكد من أن المسبار كان في الجزء الأكثر سخونة من العمود). انظر لون لهب اختبار الأمونيا النموذجي في الشكل 3.

وكانت الاستنتاجات المستخلصة من الاختبار كما يلي:

• سوف تحترق الأمونيا إلى احتراق كامل تقنيا (99٪ أو أعلى) إذا ظلت سرعة الخروج عند نقطة تفريغ طرف التوهج منخفضة جدا. السرعة المقبولة هي دالة لقطر طرف التوهج الاسمي (انظر الشكل 2).
• تؤدي سرعات خروج غاز التوهج الأعلى إلى إلهام الكثير من الهواء المحيط في منطقة الاحتراق ، مما يخفف من خليط الأمونيا / الهواء إلى أقل من الحد القابل للاحتراق. الأمونيا لديها حد أقل للانفجار / الاحتراق وهو 16٪ في الهواء. هذا بالمقارنة مع معظم الهيدروكربونات التي لها قيم LEL التي تتراوح من 1 إلى 3٪. هذا يعني أنه يمكن بسهولة تخفيف خليط الأمونيا والهواء إلى نقطة لا تحترق فيها الأمونيا.
• تحتاج الأمونيا إلى مصدر موثوق للاشتعال. يتم توفير هذا عادة بواسطة لهب طيار موثوق به للغاية وعدد كاف من الطيارين حول محيط طرف التوهج. إذا تمت إزالة مصدر الاشتعال أثناء الاختبار ، فلن تحافظ الأمونيا على لهب مستقر.
• الزجاج الأمامي مفيد جدا في الحد من كمية الهواء التي يتم إدخالها في تيار غاز الأمونيا المشتعل لتسهيل اشتعال الغازات في منطقة محمية من الرياح المتقاطعة.
• حرق بخار الأمونيا يزيل أي رائحة الأمونيا. هذه العملية سوف تنتج أيضا أكاسيد النيتروجين. أي مول من الأمونيا سوف ينتج مول واحد من أكاسيد النيتروجين. درجة حرارة الاحتراق في لهب الأمونيا أقل بكثير من اللهب الهيدروكربوني. عادة ما يكون أكسيد النيتروجين المنتج هو أكسيد النيتروجين عديم اللون (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO2).

بناء على هذه النتائج ، يمكن حرق الأمونيا في نظام توهج بكفاءة عالية جدا ، إذا تم تصميم نظام التوهج بشكل صحيح.

اعتبارات التصميم لاحتراق الأمونيا

يتم إجراء اختبارات مكثفة والتحقق من الصحة في Zeeco، حققت منشأة الاختبار تقدما مبتكرا في اعتبارات التصميم لحرق غاز معالجة الأمونيا.

تلميح توزيع غاز النفايات

عادة ما يكون جزء التوهج المشار إليه باسم "طرف التوهج" هو الجزء العلوي من 10 أقدام من نظام التوهج. مع دخول غاز نفايات الأمونيا إلى جسم طرف التوهج ، يلعب الوصول إلى الهواء والخلط الموحد لتعزيز الاحتراق دورا حاسما في احتراق المركب بالكامل. لتحقيق توزيع متساو لغاز النفايات في جميع أنحاء جسم طرف التوهج بأكمله ، يجب أن تتضمن نصائح توهج الأمونيا أجهزة توزيع التدفق لتفريق غاز النفايات بشكل صحيح ، وتعريض تيار النفايات لمصادر الاشتعال ، بالإضافة إلى زيادة الوصول إلى هواء الاحتراق.

تصميم عالي الثبات وتثبيت اللهب

على سبيل المثال ، في نصائح توهج المرافق النموذجية ، يتم تدفق الزجاج الأمامي مع مخرج طرف التوهج ، ويتم ترتيب الطيارين على المحيط الخارجي للزجاج الأمامي. يوفر نظام تثبيت اللهب ثباتا موحدا للهب للاشتعال الأولي ، حيث يمكن للغاز عالي القيمة للتسخين نشر الاحتراق بسهولة بعد الانتهاء من الإشعال الأولي. في المقابل ، بالنسبة لاحتراق الأمونيا ، يجب تعديل تصميم الزجاج الأمامي لضمان تقليل آثار الرياح إلى الحد الأدنى ، وتركز التفاعل بين نقطة الاشتعال والهواء والوقود في هذا المجال.

يتم وضع الطيارين في مواقع استراتيجية لزيادة الاستقرار وليكونوا قريبين من محيط طرف التوهج قدر الإمكان للاشتعال. Zeeco يصمم ويستخدم نظام تثبيت اللهب المتخصص للغازات منخفضة القيمة مثل الأمونيا. مع وجود هذا النظام في مكانه الصحيح ، تتم مزامنة طرف التوهج والطيارين وعلامات تثبيت اللهب لتعزيز أعلى استقرار للهب يمكن تحقيقه. تتفاعل جميع المكونات لتوفير منطقة احتراق مستقرة للغاية ، بحيث تحترق الأمونيا بحرية ، ويحقق نظام التوهج درجة عالية من DE.

استراتيجيات سرعة الخروج

يمكن تعديل السلوك الفيزيائي للغاز عند حرق الأمونيا. كما ذكرنا سابقا ، فإن تأثير سرعة الخروج على احتراق غاز نفايات الأمونيا مثير ، ويمكن وضع قيود على التصميم لتعزيز الاحتراق المستقر. Zeeco يختار عادة زيادة قطر برميل طرف التوهج بالتزامن مع استخدام أجهزة الانتشار لتطبيقات الأمونيا. عند القيام بذلك ، يمكن إبطاء الأمونيا إلى سرعة خروج مقبولة ونشرها في جميع أنحاء طرف التوهج ، مما يعزز الخلط المناسب والاحتراق المستقر على منطقة موحدة.

ستحتاج هذه الأنظمة إلى القدرة على تنفيس سفنها في حالة حدوث حريق في المنشأة. لذلك ، ستحتاج أنظمة التوهج إلى أن تكون قادرة على أن تكون بحجم ومصممة لهذه السوائل. وسيتم تحديد ما إذا كانت هذه الغازات ستحتاج إلى تنفيس إلى نظام توهج جديد منخفض الضغط، مصمم بالطريقة التقليدية، أو داخل نظام قائم، على أساس كل حالة على حدة.

القبول الاجتماعي للأمونيا هو الشاغل الأول للمشغلين الذين يستخدمون المنتج. ومن شأن عتبة تركيز الرائحة المنخفضة أن تنبه المشغلين بسرعة، وربما المجتمعات المحيطة بها، من تسرب أو نظام توهج ضعيف الأداء. إن معالجة هذا القلق في مرحلة FEED ستبدأ المعدات على الطريق الصحيح في الخطوات الأولى الحاسمة.

مناقشة

وبصرف النظر عن تصميم الاحتراق لمرافق الأمونيا، ينبغي تقييم المعدات المساعدة وتقييمها. على سبيل المثال ، تستخدم أسطوانات الختم السائل (LSD) بشكل شائع كحماية لفصل نظام التوهج عن موصل المنبع والمعدات. نظرا لأن الأمونيا قابلة للذوبان في الماء ، عندما يتدفق تيار إغاثة يحتوي على الأمونيا عبر LSD ، فإن الماء سوف يمتص بعض الأمونيا ، مما يشكل محلول الأمونيا المسببة للتآكل. في كثير من الأحيان ، تم تصميم LSD على هذا النحو بحيث تتم إزالة جميع المياه بغاز النفايات أثناء حدث الحرق ، ويتم إعادة ملء LSD عند الانتهاء من حدث الحرق. في هذه الحالة ، من غير المحتمل حدوث تآكل بسبب محلول ماء الأمونيا.

ومع ذلك ، إذا كانت هناك معدلات تدفق متوقعة حيث لن تتم إزالة المياه واستبدالها ، فقد تكون هناك حاجة إلى مزيد من النظر. إن اشتراط أن يكون LSD مصنوعا من مواد متخصصة ، وطلاء الجزء الداخلي من LSD ، و / أو الحفاظ على جودة المياه عن طريق القشط المستمر والتصريف الدوري الروتيني / إعادة ملء المياه كلها طرق ممكنة للحد من تأثير تيارات الأمونيا من خلال LSD.

نظرا لأن توهجات الأمونيا مصممة بحيث يكون لها سرعات خروج منخفضة وإطلاقات حرارة منخفضة ، يجب أن تكون الضوضاء الناجمة عن التوهج نفسه ضئيلة. ومع ذلك ، فإن تيارات الأمونيا عادة ما تكون تيارات عالية الضغط من معدات المنبع في المصنع. سيترجم جزء من انخفاض الضغط هذا إلى ضوضاء تنتقل عبر أنابيب تيار النفايات في المصنع. نظرا لأن طرف التوهج هو نقطة الخروج الوحيدة لتيار النفايات هذا ، وبسبب خاصية التصميم اللازمة لطرف التوهج ، يمكن أن يعمل الطرف كمضخم للضوضاء الناتجة في أنابيب المنبع. يجب على المشغلين الذين يعانون من مستويات ضوضاء غير متوقعة عند نقطة الخروج من توهج الأمونيا أن يأخذوا في الاعتبار الكمية العالية من انخفاض الضغط من أنابيب المنبع أو من مصدر الإغاثة.

استنتاج

هناك العديد من جوانب التصميم التي يجب مراعاتها عند تصميم أنظمة التوهج والمعدات المساعدة لعمليات نفايات الأمونيا. مع تأثير لوائح الانبعاثات الأكثر صرامة في الأفق ، سيصبح التقدم نحو التصميم السليم المتأصل لأنظمة التوهج لتخفيف النفايات أكثر أهمية. من خلال المزيد من الاختبارات والابتكار ، يقوم مقدمو أنظمة التوهج مثل Zeeco ستتاح لهم الفرصة لتطوير حلول جديدة لتوفير حلول حرق نظيفة وفعالة وفعالة لمصانع الأمونيا واليوريا.

تحميل المقال