ولا يزال ارتفاع تكاليف الوقود، واللوائح الجديدة التي تتطلب خفض البصمة الكربونية، والمبادرات العالمية لصافي الكربون الصفري تضغط على أسواق التكرير والصناعات الكيميائية. الطريقتان الرئيسيتان للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون و CO2 هما إما التقاط الكربون وعزله في غاز الوقود أو إزالة الكربون من الوقود قبل إطلاق النار.
تدرس العديد من المنظمات إعادة تزويد المعدات التي تم إطلاقها الحالية بالوقود المستدام منخفض الكربون. أحد هذه الوقودات هو الهيدروجين (H2) ، والذي يمكن إنتاجه من خلال مصادر الطاقة المتجددة (الهيدروجين الأخضر) أو عن طريق إصلاح الغاز الطبيعي (الهيدروجين الأزرق). إزالة الكربون قبل الاحتراق يلغي الحاجة إلى معدات مكلفة لالتقاط الكربون وعزله أثناء إطلاق النار.
سواء تم إنتاجه من خلال مصادر خضراء أو زرقاء أو تم استرداده من عمليات المصنع الحالية ، يمكن حقن H2 في شبكات غاز الوقود الحالية لإنتاج خلطات عالية من الهيدروجين أو استخدامه في شكل نقي لتزويد السخانات المشتعلة وأفران المعالجة بالوقود. عندما يحل H2 محل الهيدروكربونات في تكوين الوقود ، ينخفض عدد ذرات الكربون. لا يمكن لتيار الوقود المكون من H2 بنسبة 100٪ توليد ثاني أكسيد الكربون أو CO2 كمنتج ثانوي للاحتراق بسبب نقص الكربون في تفاعل الاحتراق. لذلك ، كلما زاد محتوى H2 من الوقود ، انخفض إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون و CO2.
نظرا لخصائص الاحتراق المختلفة إلى حد كبير للهيدروجين مقارنة بغازات الوقود الهيدروكربوني التقليدية ، هناك العديد من التحديات التي يجب مراعاتها من قبل مالكي المصانع والمشغلين عند الانتقال إلى إطلاق الهيدروجين.
تحديات التصميم
تم تصميم معظم السخانات وأفران المعالجة المشتعلة الموجودة اليوم لإطلاق الغاز الطبيعي أو غازات وقود المصافي التي تحتوي على نسبة عالية من الهيدروكربونات المشبعة مع تركيبة من الهيدروجين والغازات الخاملة وآثار المركبات الأخرى. قد يتراوح محتوى الهيدروجين النموذجي لغاز وقود المصفاة بين 20 و 40٪ من حيث الحجم. بالنسبة للتزود بالوقود الهيدروجيني ، من المحتمل أن تكون تركيزات H2 من 90 إلى 100٪. هذه الكمية من الهيدروجين تغير معلمات التشغيل للموقد ، لذلك يجب إيلاء اهتمام خاص لتصميم الموقد لضمان عدم تأثر تشغيل السخان بشكل ضار. أولا ، سرعة اللهب الرقائقي للهيدروجين أعلى بكثير من الوقود الهيدروكربوني ، مما يعزز عملية احتراق أكثر سرعة وزيادة إطلاق الحرارة لكل وحدة حجم. إن الجمع بين هذه الحقيقة وارتفاع درجات حرارة ذروة اللهب الأديباتيك يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة المحلية للهب ، مما يزيد بشكل مباشر من معدلات انبعاث أكاسيد النيتروجين بما يصل إلى عامل ثلاثة. يمكن أن يساعد استخدام تقنيات موقد أكاسيد النيتروجين المنخفضة للغاية في البقاء ضمن متطلبات انبعاثات أكاسيد النيتروجين التشريعية عند إطلاق وقود H2 العالي.
الشكل 1: مناظر متساوية القياس ومقطوعة ل ZEECO FREE JET موقد يعرض رافعات الوقود المرحلية لإنشاء الاضطراب اللازم ومنطقة الخلط لمواجهة السرعة العالية لهب الهيدروجين.
على سبيل المثال ، تبلغ سرعة اللهب في احتراق H2 حوالي 5.7 قدم / ثانية ، في حين أن سرعة اللهب للغاز الطبيعي أبطأ بكثير عند 1.3 قدم / ثانية فقط. يحتوي إطلاق H2 على درجة حرارة لهب أديباتيك أعلى من 3960 درجة فهرنهايت ، في حين أن الغاز الطبيعي لديه درجة حرارة لهب أديباتيك تبلغ 3518 درجة فهرنهايت.1 تتطلب هذه الاختلافات الكبيرة في خصائص الاحتراق من المهندسين تقييم المواد المستخدمة في بناء الموقد ونوع الموقد المستخدم. يتضمن بناء الموقد النموذجي مكونات معدنية مختلفة وحلق أو بلاط حراري. تتطلب درجة حرارة اللهب المتزايدة ل H2 ترقية الفولاذ المستخدم في بناء الفوهة وبناء الحلق ومثبتات اللهب إلى ستانلس أو سبائك أعلى درجة. يجب تقييم الحراريات المستخدمة داخل الموقد بعناية وتعديل تركيبتها لتحمل درجات الحرارة المرتفعة المميزة لإطلاق النار H2. لا ينبغي أن يكون الفولاذ المستخدم في الشعلات التي تطلق H2 عرضة لتطريز الهيدروجين وهجوم الهيدروجين عالي الحرارة. يمكن أن تؤدي كلتا الظاهرتين إلى تدهور الفولاذ المختار بشكل غير صحيح قبل الأوان ، مما يؤدي إلى الفشل المبكر لأجزاء الموقد. تؤدي زيادة محتوى الهيدروجين في غاز الوقود إلى تقليل الجاذبية النوعية للوقود ، مما يؤدي إلى انخفاض معدل تدفق كتلة غاز الوقود. وبالتالي ، غالبا ما يكون من الضروري زيادة ضغط غاز الوقود لتحقيق نفس إطلاق حرارة الموقد. لذلك ، يجب تقييم تصميم طرف غاز الموقد والمكونات الهيدروليكية لأنابيب غاز الوقود وإعادة حجمها حسب الضرورة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراجعة وتعديل تشابك سلامة السخان الحالي وإعدادات الرحلة حسب الاقتضاء للوقود عالي الهيدروجين. على سبيل المثال ، قد لا تكون أنظمة TDL للفرن وماسحات اللهب المزودة بالكشف عن الأشعة فوق البنفسجية / الأشعة تحت الحمراء مناسبة وقد يلزم النظر في تقنيات بديلة قادرة على اكتشاف لهب الهيدروجين العالي. يتم تغطية هذه الجوانب من خلال دراسات تأثير السخان.
الشعلات التحديثية لإطلاق النار H2 عالية
لاستخدام وقود H2 العالي والبقاء ضمن متطلبات انبعاثات أكاسيد النيتروجين التشريعية ، من الضروري استخدام تقنيات موقد أكاسيد النيتروجين المنخفضة للغاية. تمثل الشعلات من نوع الانتشار تحديات مختلفة عن الشعلات قبل الخلط عند إطلاق وقود الهيدروجين العالي. سيتم مناقشة كل نوع من أنواع الموقد على حدة.
شعلات انتشار أكاسيد النيتروجين منخفضة للغاية
ال ZEECO أكاسيد النيتروجين منخفضة للغاية FREE JET يستخدم الموقد إعادة تدوير غاز المداخن الداخلي لتجديد غاز الوقود بمنتجات الاحتراق الخاملة قبل الخلط مع هواء الاحتراق. يطيل خليط الوقود المجدد تفاعل الاحتراق ، وبالتالي يقلل من درجة حرارة اللهب القصوى وإنتاج أكاسيد النيتروجين الحرارية. يمكن أن يحقق هذا الموقد انبعاثات أكاسيد النيتروجين أقل من 50 مجم / نيوتن متر 3 على وقود الهيدروجين بنسبة 90٪ بدون حقن البخار أو التحكم في انبعاثات ما بعد الاحتراق. يعتمد المبدأ على تحويل زخم غاز الوقود المقذوف من الأطراف لاحتجاز غاز المداخن. لتحقيق ذلك ، يتم حقن نفاثات منفصلة عالية السرعة من الغاز من خلال حلقة من أطراف الغاز على السطح الخارجي للبلاط. تساعد نفاثات الغاز على مواجهة سرعة اللهب العالية لهب الهيدروجين ، مما يضمن لهبا مستقرا وقويا على نطاق تشغيل واسع. هناك اعتبار آخر عند إطلاق غاز وقود عالي الهيدروجين وهو استخدام موقد بأطراف غاز منخفضة الكتلة. في المربع FREE JET مثال على الموقد ، تبرز أطراف الغاز عبر أرضية الفرن بحوالي 25 مم ، وبالتالي تقل الكثافة الحرارية فوق ملف تعريف طرف الغاز بشكل كبير. هذا يعني أن أطراف الغاز مصممة بشكل مناسب لتحمل درجات الحرارة المرتفعة المميزة لإطلاق الهيدروجين مع عمر تشغيل طويل.
شعلات حائط مشعة منخفضة للغاية من أكاسيد النيتروجين مسبقة الخلط
تمثل مواقد الحائط المشعة سابقة الخلط ، كما هو شائع الاستخدام في أفران تكسير الإيثيلين ، تحديا مختلفا تماما عند إطلاق وقود الهيدروجين العالي بسبب الميل إلى الفلاش باك. لهذا السبب ، يجب على مصممي الموقد مراعاة نافذة القابلية للاشتعال وسرعة اللهب لكل تركيبة وقود محددة. تتراوح نافذة القابلية للاشتعال للميثان النقي بين 5٪ و 17٪ ، مع سرعة لهب تبلغ 1.3 قدم / ثانية. هذا يعني أنه عند مزجه بالهواء بتركيز يتراوح بين 5٪ و 17٪ ، فإن الميثان سيدعم الاحتراق بهذه السرعة. تتراوح نافذة القابلية للاشتعال للهيدروجين بين 4٪ و 74٪ ، مع سرعة لهب تبلغ 5.7 قدم / ثانية. نظرا لأن الصناعة تدفع تركيز الهيدروجين إلى أعلى ، يصبح من الصعب بشكل متزايد تصميم شعلات بسرعات خروج يمكنها التغلب على هذه الزيادة في سرعة اللهب ، خاصة بالنظر إلى المتطلبات الشائعة للموقد للعمل على كل من الغاز الطبيعي والوقود المخلوط عالي الهيدروجين. إذا أخطأ المصمم في هذا التوازن ، فسوف ينتشر اللهب مرة أخرى داخل الموقد. المعروف باسم الفلاش باك ، يمكن أن يكون هذا ضارا بالسلامة الميكانيكية لمكونات الموقد ومستويات انبعاثات أكاسيد النيتروجين الحرارية. للتغلب على هذا التحدي التقني، Zeeco تصميم موقد حائط مشع قادر على إطلاق مجموعات غاز الوقود لأكثر من 90٪ من الهيدروجين مع إنتاج أقل من 100 مجم / نيوتن متر 3 مستويات انبعاثات أكاسيد النيتروجين. يستخدم تصميم الموقد هذا تصميما خاصا لمراحل الوقود ينتج منطقتي خليط منفصلتين تخرجان من الطرف. يسمح هذا المزيج للموقد بتوليد سرعة الخروج المطلوبة في المنطقة الخالية من الدهون لمنع الفلاش باك مع تأخير الاحتراق في المنطقة الغنية لفترة كافية لخلط الوقود مع منتجات غاز المداخن الخامل.
الشكل 2: أمثلة على ZEECO الطيارون يطلقون وقودا عالي الهيدروجين
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.
الماسحات الضوئية اللهب
تم تكوين ماسحات اللهب التقليدية للكشف عن إشعاع الاحتراق في طيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء. تعتمد النطاقات الطيفية الدقيقة على الأطوال الموجية المميزة لاحتراق الوقود الهيدروكربوني. تختلف مكونات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء اعتمادا على نوع الوقود المستخدم ؛ لذلك ، فإن الماسحات الضوئية التقليدية لها نطاقات طيفية واسعة ، مما يسمح بالتشغيل على أنواع مختلفة من الوقود الغازي والسائل. عند إطلاق وقود الهيدروجين العالي ، فإن غياب الكربون يعني أن النطاق الطيفي للإشعاع الناتج عن عملية الاحتراق يضيق بشكل كبير ويتحول أكثر نحو طيف الأشعة فوق البنفسجية. لذلك ، فإن الماسحات الضوئية التي تعتمد على النطاقات الطيفية للأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء تعاني من إشارات ذروة اللهب الضعيفة ، مما يؤدي إلى رحلات مزعجة. بالنسبة للماسحات الضوئية التي تستخدم النطاق الطيفي للأشعة فوق البنفسجية فقط للكشف عن اللهب (لا يوجد مكون الأشعة تحت الحمراء) ، تحدث استجابة الذروة عند الطول الموجي للمغفرة الجذرية. لذلك ، فإن عدم وجود الكربون في اللهب لا يعيق قدرة الماسح الضوئي على اكتشاف الإشعاع من الموقد المستهدف. أحد الأمثلة على ذلك هو Zeeco's ProFlame الماسحات الضوئية ، التي يمكنها اكتشاف لهب الهيدروجين بنسبة 100٪ بشكل موثوق ، وهو قفل أمان حرج للفرن عند إطلاق وقود الهيدروجين العالي. قد يصبح لهب الموقد أقصر بكثير عند إطلاق وقود الهيدروجين العالي بسبب زيادة سرعة اللهب. لذلك ، من الضروري رؤية ماسح اللهب بشكل صحيح للتأكد من محاذاته للهب المستهدف. سيؤدي ذلك إلى تقليل فرصة اكتشاف إشارات الخلفية غير المرغوب فيها بواسطة ماسح اللهب.
الطيارون
معظم الطيارين المستخدمين في السخانات التي يتم إطلاقها هم من النوع ذاتي الشفط ، مما يعني أن الهواء يتم تحريضه بشكل طبيعي للاختلاط بغاز الوقود قبل الاحتراق. عند استخدام الطيارين عالية الهيدروجين ، تزداد فرصة الفلاش باك داخل الأنبوب التجريبي. من الأهمية بمكان استخدام تصميمات تجريبية قادرة على إطلاق النار على تركيبات الغاز التجريبية التي تصل إلى 90٪ من الهيدروجين دون فلاش باك لتجنب تلف الطيار نفسه وأي مكونات داخلية. على سبيل المثال ، تستخدم بعض التصميمات التجريبية بابا هوائيا قابلا للتعديل للتحكم يدويا في تدفق الهواء ومنع الفلاش باك عند إطلاق وقود الهيدروجين العالي. مع زيادة محتوى الهيدروجين ، يجب إغلاق باب الهواء بشكل أكبر للحفاظ على سرعة الطائرة ومنع الفلاش باك.
الكشف التجريبي عن اللهب
تم تجهيز العديد من طياري الموقد المستخدمين في السخانات المشتعلة بقضبان تأين للكشف عن اللهب التجريبي. تعمل قضبان اللهب من خلال عملية التأين / التصحيح لإكمال دائرة كهربائية. عندما يتم تنشيط قضيب اللهب ، ينتج التيار شحنة موجبة تجذب الأيونات السالبة في اللهب. تنجذب الأيونات الموجبة الناتجة في عملية الاحتراق إلى منطقة التأريض في الطرف التجريبي. من خلال جذب المزيد من الأيونات الموجبة إلى الأرض ، يتم تصحيح تدفق الإلكترونات ويتدفق في اتجاه واحد. ينتج عن ذلك إشارة تيار مباشر تشير إلى وجود اللهب. لكي يعمل نظام التأين بشكل صحيح ، يجب أن يكون هناك عدد كبير من الأيونات في اللهب. تنتج لهب الهيدروجين عددا قليلا من الأيونات مقارنة بالمركبات العضوية ، لذلك يتم توليد تيار ضعيف لا يمكن اكتشافه بواسطة وحدة تأين اللهب. لذلك ، فإن قضبان اللهب ليست طريقة مناسبة للكشف عن اللهب التجريبي للوقود عالي الهيدروجين ، ويجب النظر في وسائل بديلة للكشف عن اللهب التجريبي. تتمثل إحدى طرق اكتشاف اللهب التجريبية في استخدام ماسح ضوئي للهب مثبت على الطرف الخلفي من الطيار. يتم رؤية الماسح الضوئي للهب على الطرف التجريبي للكشف عن اللهب. يمكن تعديل درع الطرف التجريبي بشكل خاص ، لذلك لا يكتشف ماسح اللهب إشارة من لهب الموقد الرئيسي.
اعتبارات الأجهزة والضوابط
عند استخدام H2 كمصدر للوقود ، فإن الموضوع النهائي الذي يجب مراعاته هو الضوابط والأجهزة اللازمة لإطلاق النار الآمن. يجب أن يحتوي أي موقد مصمم ليكون له تركيبة وقود مختلفة تمتد من الغاز الطبيعي إلى محتوى H2 العالي على نظام تحكم في الاحتراق مقنن بالكامل إلى جانب مقياس مؤشر Wobbe أو مقياس الجاذبية النوعية في بعض الحالات. يراقب مقياس Wobbe Index تركيبة تيار الوقود المختلفة ويوفر المدخلات اللازمة لنظام التحكم لضبط التحكم في نسبة الوقود / الهواء بشكل صحيح في نظام التحكم في الاحتراق. يمكن أن يؤدي عدم القدرة على مراقبة تكوين تيار الوقود وضبط نظام التحكم في الاحتراق لهذه التغييرات إلى حالة يحتمل أن تكون غير آمنة وغنية بالوقود.