تختلف خصائص المشطustion ل H2 اختلافا كبيرا عن خصائص الغاز الطبيعي.
A ZEECO موقد GB منخفض أكاسيد النيتروجين يطلق غاز H2 بنسبة 100٪.
يتم إعادة تشكيل سوق توليد البخار اليوم باستمرار من خلال ارتفاع تكاليف الوقود واللوائح الجديدة التي تتطلب تخفيضات في البصمة الكربونية. تتطلب اللوائح الجديدة من مولدات البخار تقليل انبعاثات أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO2). تم تصميم الطريقتين الرئيسيتين الموجودتين للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون2 إما لالتقاط الكربون وعزله في غاز الوقود أو إزالة الكربون من الوقود قبل إطلاق النار. أصبح احتجاز الكربون من الوقود الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة. تتضمن إزالة الكربون قبل إطلاقه إصلاح الغاز الطبيعي - وخاصة الميثان (CH4) - والتقاط ذرة الكربون أثناء استخدام ذرات الهيدروجين (H2) كمصدر للوقود. إن التقاط الكربون قبل الاحتراق يلغي الحاجة إلى تجهيز كل غلاية بمعدات باهظة الثمن ضرورية لالتقاط الكربون وعزله.
كما أن عدم استقرار تكلفة الوقود عوامل تدفع المستخدمين النهائيين إلى النظر في مصادر وقود بديلة قد تكون تحت تصرفهم بالفعل، مثل H2 المتبقي من مختلف عمليات الإصلاح والتكرير. بدلا من حرق أو إطلاق هذا H2 الزائد ، يمكن حقنه في تيار غاز الوقود لتكملة إمدادات الوقود الرئيسية. من خلال تطبيق الخبرة والتجربة المناسبة ، يمكن أن يؤدي حرق H2 في أنظمة توليد البخار إلى تقليل تكاليف وقود التشغيل بشكل كبير مع المساعدة أيضا في تلبية لوائح انبعاثات الكربون الجديدة.
اعتبارات تصميم الموقد
A ZEECO موقد منخفض أكاسيد النيتروجين GB يطلق 20٪ CO2 و 80٪ H2 غاز الوقود.
يجب تقييم تصميمات الموقد للتأكد من توافقها مع إطلاق النار H2 لضمان التشغيل السليم والآمن أثناء إطلاق النار. تختلف خصائص الاحتراق في H2 اختلافا كبيرا عن خصائص الغاز الطبيعي. تبلغ سرعة اللهب في احتراق H2 حوالي 5.7 قدم في الثانية ، في حين أن سرعة اللهب للغاز الطبيعي أبطأ بكثير عند 1.3 قدم / ثانية فقط. يتميز إطلاق H2 أيضا بارتفاع درجة حرارة اللهب الأديباتيك stoichiometric من 3,960 درجة فهرنهايت ، في حين أن الغاز الطبيعي لديه درجة حرارة لهب أديباتيك تبلغ 3,518 درجة فهرنهايت (تم الاستشهاد بهذه القياسات من "الاحتراق - الطبعة الثانية" من قبل Irvin Glassman (1987). تتطلب هذه الاختلافات الكبيرة في خصائص الاحتراق من المهندسين تقييم المواد المستخدمة في بناء الموقد ونوع الموقد المستخدم.
يتكون بناء الموقد النموذجي من مكونات معدنية وحلق أو بلاط مقاوم للحرارة ، مما يتطلب فحصا لتحديد مدى ملاءمة المواد لإطلاق النار H2. ستتطلب درجة حرارة اللهب المتزايدة ترقية الفولاذ المستخدم في بناء الفوهة وبناء الحلق ومثبتات اللهب إلى درجة أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ أو السبائك القادرة على تحمل درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه. علاوة على ذلك ، يجب تقييم المادة الحرارية المستخدمة داخل الموقد بعناية وتعديل تركيبتها لتحمل درجات الحرارة المرتفعة المميزة لإطلاق النار H2.
بالإضافة إلى تحمل درجات الحرارة المرتفعة ، يجب اختيار الفولاذ المستخدم في شعلات إطلاق النار H2 بعناية لضمان عدم تأثره بتطريز 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.
تعد سرعة لهب الهيدروجين ، التي تبلغ حوالي خمسة أضعاف سرعة الغاز الطبيعي ، سببا أساسيا للقلق عند تقييم تصميم الموقد. تصميمات الموقد التي تستخدم تصميمات بريمكس أو بريمكس أو بريمكس سريعة الهزيلة ليست مناسبة لتيار الوقود الذي يختلف في تكوين H2. مع زيادة تكوين H2 في تيار الوقود ، تصبح هذه الأنواع من الشعلات أكثر عرضة للفلاش باك. يحدث الفلاش باك عندما تكون سرعة الغاز الخارجة من فوهة الموقد أبطأ من سرعة اللهب في تطبيق مخلوط مسبقا. يمكن أن ينتج تلف مكونات الموقد عند حدوث الفلاش باك.
اعتبارات الانبعاثات
A ZEECO موقد GB منخفض أكاسيد النيتروجين يطلق الغاز الطبيعي بنسبة 100٪.
الموضوع الأساسي التالي الذي يجب فهمه عند النظر في إطلاق H2 هو التأثير على انبعاثات الموقد. تسمح سرعة انتشار اللهب العالية للهيدروجين بحدوث عملية الاحتراق بسرعة أكبر من الغاز الطبيعي. تطلق عملية الاحتراق السريع طاقة الاحتراق في منطقة صغيرة ، مما يؤدي إلى درجات حرارة مرتفعة محلية قريبة من اللهب ، مما يضاعف من تأثير درجات حرارة اللهب الأديباتيك المرتفعة بطبيعتها على معدلات انبعاثات أكاسيد النيتروجين. أي منطقة ذات درجات حرارة مرتفعة أعلى من 2500 درجة فهرنهايت تفضي إلى تكوين أكاسيد النيتروجين. وقد أظهرت البيانات الميدانية وبيانات مرافق الاختبار أن الشعلات القياسية منخفضة أكسيد النيتروجين التي تطلق H2 عادة ما تظهر زيادة في معدلات انبعاثات أكاسيد النيتروجين بما يصل إلى عامل 3.
مطلوب إعادة تدوير غاز المداخن (FGR) ، وحقن البخار ، و / أو تقنية الموقد منخفض أكسيد النيتروجين (ULN) لتقليل أكاسيد النيتروجين. FGR هي العملية التي تحول جزءا من غاز المداخن الذي يخرج من المرجل (عادة بعد المقتصد) وتدخله في إمدادات هواء الاحتراق. يخفف إمداد هواء الاحتراق مع منتجات الاحتراق المستهلكة ، مما يقلل من درجة حرارة اللهب القصوى أثناء الاحتراق. يمكن أن تساعد كميات صغيرة من حقن البخار الموضوعة بعناية أيضا في تلميع أكاسيد النيتروجين عن طريق تبريد اللهب وإدخال كمية صغيرة من الإدخال.
تعد شعلات ULN المرحلية خيارا آخر لمكافحة خصائص انبعاثات أكاسيد النيتروجين المتزايدة المرتبطة بإطلاق H2. تستخدم هذه الأنواع من الشعلات عموما آليات تدريج الهواء والوقود لتقليل درجة حرارة اللهب القصوى. يزيد الوقود المرحلي بشكل صحيح من كمية غاز الفرن القادر على إدخاله في تيار الوقود قبل التفاعل مع الهواء. يشبه تدريب غاز الفرن في تيار الوقود الطريقة التي يخفف بها FGR من أكاسيد النيتروجين. يؤدي تنظيم الهواء بشكل صحيح داخل منطقة الاحتراق إلى تأخير خلط الوقود والهواء ، مما يؤدي إلى تمديد عملية الاحتراق على طول الفرن. تقلل عملية الاحتراق المطولة من درجات حرارة ذروة الاحتراق الإجمالية ، وبالتالي تقلل من تكوين أكاسيد النيتروجين.
يجب توخي الحذر لملاحظة الاختلافات بين شعلات ULN المرحلية وشعلات ULN المختلطة. كما هو موضح سابقا ، لا يتم عادة إنشاء شعلات ULN مسبقة الخلط من مواد قادرة على تحمل إطلاق النار H 2 ، كما أنها ليست قادرة على منع الفلاش باك أثناء إطلاق وقود H2 العالي.
كما أن محتوى H2 في تيار الوقود له تأثير كبير على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون2. عندما يحل H2 محل الهيدروكربونات في تكوين الوقود ، ينخفض عدد ذرات الكربون. لا يمكن لتيار الوقود المكون من H 2 بنسبة 100٪ توليد ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون2 كمنتج ثانوي للاحتراق بسبب نقص الكربون في تفاعل الاحتراق. لذلك ، كلما زاد محتوى H 2 من الوقود ، انخفض إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون2. يرجى الاطلاع أدناه على تفاعل الاحتراق الستويشيومتري الأساسي للوقود القائم على الهيدروكربونات والغاز الطبيعي وتفاعل الاحتراق ل H2 النقي.
تفاعل احتراق الغاز الطبيعي:
CH4 + 2 (O 2 = 3.76N2) =
CO2 + 2H 2 O + 7.52N2المعادلة 1
تفاعل احتراق الهيدروجين:
2H2 + (O 2 + 3.76N2) =
2H2O + 3.76N 2 المعادلة2
اعتبارات تأثير الغلاية
كلما تم النظر في استخدام وقود جديد في الغلاية ، قد يوصى بإجراء دراسة تأثير الغلاية لضمان عدم وجود أضرار على أداء الغلاية. وبالمثل ، ينبغي تقييم أداء الغلاية عند النظر في H2 كمصدر للوقود. يمكن أن تؤدي خصائص الاحتراق في H2 إلى تغييرات في مكان وكيفية حدوث انتقال الحرارة الإشعاعي والحمل الحراري داخل المرجل ، مما قد يؤثر سلبا على معدل توليد البخار ودرجات حرارة البخار.
استنادا إلى المعادلتين 1 و 2 ، فإن متطلبات الهواء stoichiometric للغاز الطبيعي هي ~ 720 رطل من الهواء / MMBtu ، ومتطلبات الهواء stoichiometric ل H2 هي ~ 560 رطل من الهواء / MMBtu ، على التوالي ؛ لذلك ، يحتاج إطلاق H2 إلى تدفق كتلة أقل بنسبة 30٪ تقريبا من الهواء مقارنة بالغاز الطبيعي. علاوة على ذلك ، يمكن أن يعمل H2 بنسبة هواء زائدة أقل من الغاز الطبيعي بسبب حد القابلية للاشتعال الأعلى. انخفاض نسبة الهواء الزائدة يقلل من تدفق الكتلة المطلوبة للهواء مقارنة بالغاز الطبيعي. يزيد إطلاق H2 أيضا من درجة حرارة خروج غاز الفرن (FEGT) ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى ارتفاع درجات حرارة اللهب.
عند إطلاق H2 ، يمكن أن يؤثر تقليل تدفق الكتلة الناتج عبر المرجل ، إلى جانب FEGT الأعلى ، سلبا على أجزاء نقل الحرارة الحرارية للغلاية ، مما يعرض كل من إنتاج البخار وجودة البخار للخطر. ومع ذلك ، فإن إضافة تدفق الكتلة إلى النظام عبر FGR الخارجي يمكن أن يخفف من المخاوف بشأن ارتفاع FEGT وانخفاض نقل الحرارة الحملي. يخفض تدفق كتلة FGR الإضافي FEGT وينفي أي آثار ضارة على نقل الحرارة الحراري.
اعتبارات الأجهزة والضوابط
الموضوع الأخير الذي يجب مراعاته عند استخدام H2 كمصدر للوقود 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.
وينبغي أيضا تقييم معدات توصيل الوقود في المنبع من الموقد من حيث القيود المفروضة على القدرات. يتطلب H2 ثلاثة أضعاف تدفق الوقود الحجمي مقارنة بالغاز الطبيعي لتوفير ما يعادل إطلاق الحرارة. يجب تقييم حجم الأنابيب ومكونات مجموعة نقل الوقود الهندسية لضمان التشغيل السليم لأي وقود، خاصة عند استخدامها في أي تركيبة مع H2.
يعد اكتشاف اللهب ضمانا مهما للموقد وهو مطلوب من قبل جميع رموز تشغيل الغلايات الحالية. عندما يكون H2 موجودا في عملية الاحتراق ، فإنه يولد بخار الماء. مع اقتراب محتوى H2 من 80٪ في تيار الوقود ، تواجه معظم ماسحات اللهب المتوفرة اليوم صعوبة في تمييز اللهب والتحقق منه بسبب المستوى العالي لبخار الماء الموجود. يعد اختيار معدات الكشف عن اللهب المناسبة أمرا بالغ الأهمية.
هناك اعتبارات أخرى تحتاج إلى تحليل لضمان الإطلاق الآمن ل H2 مع تلبية الحدود البيئية للولاية القضائية التشغيلية. التشاور مع مورد الموقد من ذوي الخبرة الذين هم على دراية جيدة في إطلاق النار H2 أمر ضروري لضمان نجاحك.
بقلم جون جواركو ، المدير الفني ، مواقد الغلايات ؛ بوب لانغستين ، مدير المبيعات الإقليمي (جنوب شرق الولايات المتحدة وشرق كندا) ، أمريكا الشمالية ؛ ومايكل تيرنر ، مهندس تصميم ، ZEECO شركه.
تحميل المقال