Wybierz swój język

H2 Ready - Technologia spalania jest gotowa na wodór!

Saacke Palnik wodorowy

UE postawiła sobie za cel osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2050 r. i zgodnie z obecnym stanem wiedzy powszechne stosowanie wodoru może odegrać decydującą rolę w jego wdrażaniu i dlatego cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem mediów i polityków. Termiczne wykorzystanie zielonego wodoru jest realistyczną alternatywą dla paliw kopalnych, zwłaszcza w dziedzinie przemysłowego wytwarzania ciepła.
Wodór jako paliwo nie jest nowością w przemysłowym wytwarzaniu ciepła. Na przykład wodór, który jest produktem ubocznym elektrolizy chloro-alkalicznej, jest już spalany na skalę przemysłową przy użyciu palników z wymuszonym obiegiem powietrza. Pierwsze systemy tego typu firmy SAACKE zostały uruchomione już w 1981 roku. Do tej pory takimi zastosowaniami były specjalne systemy z dużym zapotrzebowaniem na indywidualną inżynierię. Wodór jako paliwo stawia dodatkowe wymagania wobec palnika i połączonych systemów.

Firma SAACKE od 1982 roku zajmuje się przemysłowym wykorzystaniem wodoru jako dodatku do istniejących paliw. Niedawne działania rządu federalnego są potwierdzeniem obranej bardzo wcześnie ścieżki opracowywania rozwiązań technicznych dla przemysłowego przetwarzania wodoru. SAACKE jest jednym z nielicznych dostawców na świecie, który jest w stanie produkować systemy do spalania wodoru o niskiej emisji NOx, zarówno w przemyśle, jak i w żegludze. Dlatego SAACKE jest idealnym partnerem do wdrażania transformacji energetycznej za pomocą wodoru.
Niezbędne wartości progowe do rozwoju gospodarki wodorowej w Niemczech (powinny również w Polsce):

  • Rząd federalny przedstawi wkrótce „Narodową strategię dotyczącą wodoru”
  • Ogłoszenie programu rozwoju instalacji do produkcji wodoru; do 2030 r. przemysłowe zakłady produkcyjne o łącznej mocy do 5 GW (w tym niezbędna energetyka morska i lądowa); kolejne 5 GW najpóźniej do 2040 roku.
  • Promowanie przejścia z paliw kopalnych na wodór, zwłaszcza w procesach przemysłowych; konwersja odbywa się poprzez dotacje inwestycyjne i na podstawie umów dotyczących emisji dwutlenku węgla dla podejścia różnicowego.
  • Cel-zwolnienie produkcji zielonego wodoru z dopłaty EEG.
  • Przegląd kwot: kwota PtL na paliwo lotnicze oraz kwota popytu na stal przyjazną dla klimatu.
  • Badanie promocji systemów „gotowych na wodór” za pośrednictwem ustawy o CHP.
  • Szybkie wdrożenie podstawy prawnej do utworzenia infrastruktury wodorowej.
  • Rozbudowa sieci stacji tankowania wodoru dla ruchu towarów ciężkich.
  • Dyrektywa RED II - wdrażana ambitniej niż przewidują wytyczne UE.
  • Nawiązanie partnerstwa w handlu zagranicznym z krajami, w których ze względu na położenie geograficzne można wydajnie produkować wodór (Polska)
  • Opracowanie odpowiednich procesów przechowywania wodoru na potrzeby globalnego, opłacalnego transportu wodoru.
  • Rozważane utworzenia europejskiej firmy produkującej wodór.

Wieloletnia praktyczna wiedza SAACKE w zakresie zagadnień technologicznych, a także specjalistyczna wiedza na temat właściwości podczas przetwarzania wodoru pozwala aktywnie kształtować miks energetyczny przyszłości.

Porównanie wodoru i gazu ziemnego

Porównanie właściwości wodoru i gazu ziemnego

Tab.1 Parametry paliwa dla wodoru i gazu ziemnego H.

Wodór ma niższą wartość opałową i mniejszą gęstość niż gaz ziemny, ale liczba Wobbego obu paliw jest porównywalna (dotyczy to w szczególności gazu ziemnego L). Oznacza to, że jeśli geometria zasilania paliwem i ciśnienie paliwa są identyczne, wprowadzana jest ta sama moc cieplna. Przystosowanie palników do spalania wodoru jest zatem bezproblemowe ze względu na geometrię strony gazowej.
Szybkość płomienia wodoru jest znacznie większa niż gazu ziemnego. Z tego powodu spalanie odbywa się bliżej palnika. Wraz z wyższą temperaturą spalania prowadzi to do większego obciążenia temperaturowego palnika. Może to mieć negatywny wpływ na żywotność palnika.
Ponadto wyższa temperatura spalania i wynikające z tego skoki temperatury zwiększają emisje NOx. Obecnie prawne dopuszczalne wielkości emisji wodoru są nadal dość wysokie (wyższe niż wartości graniczne dla gazu ziemnego), ale prawdopodobnie ulegnie to zmianie wraz ze wzrostem znaczenia wodoru jako nośnika energii.
Różnica w zapotrzebowaniu na powietrze w zależności od osiągów stanowi wyzwanie dla systemu sterowania, zwłaszcza przy jednoczesnym spalaniu gazu ziemnego i wodoru. W trybie indywidualnym ilość powietrza można indywidualnie dopasować do paliwa. Jednak w przypadku wahań zawartości wodoru w paliwie należy wyregulować ilość dostarczanego powietrza do spalania.
Jeżeli stosowana jest zewnętrzna recyrkulacja spalin, ilość recyrkulowanych spalin również należy dostosować do zawartości wodoru. Przyczyną tego jest wspomniana różnica w specyficznym zapotrzebowaniu na powietrze i różnica w prędkości płomienia.

Ze względu na wyższą zawartość wody w spalinach, ryzyko kondensacji w zbiorniku powietrza jest większe przy spalaniu wodoru z zewnętrzną recyrkulacją spalin niż przy spalaniu gazu ziemnego. Pic 1 pokazuje, jaką temperaturę muszą mieć recyrkulowane spaliny przy stałym stosunku między świeżym powietrzem i recyrkulowanymi spalinami (współczynnik recyrkulacji), wybranym tutaj jako przykład, aby nie dochodziło do kondensacji.

Wymagana temperatura recyrkulowanych spalin

Pic.1 Wymagana temperatura recyrkulowanych spalin w zależności od temperatury powietrza do spalania przy stałym współczynniku recyrkulacji wybranym jako przykład [obliczenia SAACKE]

Można zauważyć, że wymagana temperatura recyrkulowanych spalin dla wodoru jest znacznie wyższa niż dla gazu ziemnego H i nadal wynosi prawie 200°C, nawet przy temperaturze świeżego powietrza wynoszącej 10°C. Temperatura recyrkulowanych spalin wynosi zwykle od 100°C do 200°C.
Kondensacja w dopływie powietrza może prowadzić do korozji i zużycia zastosowanych elementów - fakt ten zaobserwowano również w instalacjach na gaz ziemny, które jako powietrze do spalania wykorzystują zimne powietrze zewnętrzne.
Jednak kondensacja jest problematyczna nie tylko w doprowadzaniu powietrza. Kondensacja może również wystąpić w przewodzie paliwowym, jeśli na przykład wodór jest nasycony wodą. Kondensat w przewodzie paliwowym może powodować różne problemy i niezauważalnie obniżać wydajność spalania.
Innym wyzwaniem związanym ze spalaniem wodoru, zwłaszcza na obrzeżach dopływu gazu, jest: aby uzyskać całkowite spalanie z płomieniami dyfuzyjnymi, musi być dostępna wystarczająca energia mieszania dla mieszanki paliwa i powietrza do spalania, co prowadzi do określonego zapotrzebowania na ciśnienie na wlot palnika. Jednak w zależności od procesu, z którego pochodzi wodór, jest on często dostępny tylko przy stosunkowo niskich ciśnieniach zasilania. Podsumowując, przy termicznym wykorzystaniu wodoru na dużą skalę pojawiają się następujące wyzwania:

  • Emisje NOx
  • Obciążenie temperaturowe palnika
  • Kontrola ilości powietrza do spalania i recyrkulacji spalin
  • Kondensacja w dopływie powietrza
  • Kondensacja w przewodzie paliwowym
  • Niskie dostępne ciśnienie paliwa

Termiczne wykorzystanie wodoru - Spalanie czystego wodoru

Prawdopodobnie największym wyzwaniem związanym z termicznym wykorzystaniem wodoru jest zwiększona emisja NOx. W zależności od palnika spalanie wodoru wielokrotnie zwiększa emisję NOx. Pic 2 przedstawia porównanie emisji NOx w funkcji współczynnika. Oprócz wzajemnego stosunku emisje NOx zależą również od innych czynników, które nie są pokazane na wykresie. Obejmuje to geometrię pieca, nadmiar powietrza, temperaturę powietrza i wilgotność. 

Porównanie emisji NOx z gazu ziemnego H i wodoru

Pic.2 Porównanie emisji NOx z gazu ziemnego H i wodoru [pomiar SAACKE]

Jeśli porównać emisje NOx z gazu ziemnego H i wodoru, można zauważyć, że emisje NOx wyrównują się wraz ze wzrostem wzajemnego stosunku. Przy maksymalnym dopuszczalnym współczynniku odwrotności dla gazu ziemnego są one takie same. Pokazuje to, że zastosowanie zewnętrznej recyrkulacji spalin jest początkowo wystarczającym środkiem do zminimalizowania emisji NOx podczas pracy z wodorem. Ze względu na dużą prędkość płomienia i wynikającą z tego wysoką stabilność płomienia wodór jest szczególnie odpowiedni do stosowania zewnętrznej recyrkulacji spalin. W przypadku wodoru można osiągnąć wyższe współczynniki recyrkulacji niż maksymalny dopuszczalny stopień recyrkulacji dla gazu ziemnego pod względem technologii spalania, a tym samym można jeszcze bardziej zmniejszyć emisję NOx.
Z punktu widzenia inżynierii systemu zewnętrzna recyrkulacja spalin, często z dodatkowym wentylatorem, wiąże się z dodatkowymi nakładami finansowymi i energetycznymi. W przyszłości należy znaleźć rozwiązania, które pozwolą zmniejszyć ilość recyrkulowanych spalin przy zachowaniu stałej emisji.
Oprócz zwiększonych kosztów zastosowanie zewnętrznej recyrkulacji spalin w połączeniu z wodorem powoduje problem kondensacji w wyżej wymienionym zbiorniku powietrza. Aby temu zapobiec, zaleca się stosowanie podgrzewania powietrza. Na przykład, zgodnie z Pic 1, temperatura świeżego powietrza musi wynosić co najmniej 20°C, jeśli temperatura spalin wynosi 150°C. Alternatywnie dopływ powietrza może być odporny na korozję i wyposażony w odprowadzanie kondensatu.
Aby zapobiec kondensacji w przewodzie paliwowym, zaleca się ograniczenie wilgotności względnej środkami lokalnymi. Do tego celu nadaje się suszenie wstępne lub podgrzewanie o kilka kelwinów. Jednocześnie należy unikać miejsc, w których może gromadzić się kondensacja.
Niskie ciśnienie paliwa na wlocie palnika może być wystarczające do spalania, jeśli palnik jest odpowiednio zaprojektowany. Jeśli jednak dostępne ciśnienie paliwa jest zbyt niskie, może to mieć negatywny wpływ na zakres regulacji. Pic 3 przedstawia przykład maksymalnego zakresu regulacji w zależności od ciśnienia paliwa.

Maksymalny zakres regulacji w zależności od ciśnienia paliwa

Pic.3 Maksymalny zakres regulacji w zależności od ciśnienia paliwa [obliczenia SAACKE]

Oprócz ciśnienia paliwa maksymalny zakres regulacji zależy również od geometrii palnika, więc Pic 3 nie ma ogólnego zastosowania. Gdy ciśnienie zasilania jest niskie, należy koniecznie upewnić się, że w przewodzie gazowym występuje niewielka strata ciśnienia, tak aby zakres regulacji nie był niepotrzebnie ograniczany. Spadek ciśnienia w przewodzie gazowym można utrzymać na niskim poziomie dzięki zastosowaniu odpowiednich komponentów, na przykład klap z miękkim uszczelnieniem zamiast powszechnie stosowanych szybko działających zaworów.
Aby zmniejszyć obciążenie termiczne palnika, sprawdziło się również zastosowanie zewnętrznej recyrkulacji spalin. W większości przypadków jest to już zaplanowane z powodu problemu NOx, który został już szczegółowo rozwiązany. Alternatywnie można ustawić wysoki współczynnik powietrza (np. λ > 2), ale nie jest to zalecane, ponieważ powoduje to pogorszenie sprawności spalania. Brak zewnętrznej recyrkulacji spalin (lub zwiększonego nadmiaru powietrza) powoduje skrócenie żywotności palnika. W przypadku recyrkulacji spalin, żywotność elementów stykających się z ogniem mieści się w normalnym zakresie kilku lat, pod warunkiem, że niektóre elementy są wykonane ze stali żaroodpornej.

Wodór i gaz ziemny w trybie mieszanym

W szczególności w trakcie rozwoju krajowej infrastruktury wodorowej należy się spodziewać wahań zawartości wodoru w sieci gazu ziemnego lub mieszaniny gazu ziemnego i wodoru. Pod względem technologii systemowej wypróbowano i przetestowano równoległe spalanie dwóch lub więcej paliw. Na przykład w wytwornicach pary do elektrolizy chloro-alkalicznej z powodzeniem wdrożono równoległe spalanie gazu ziemnego i wodoru przy zmiennym stosunku paliwa. W zależności od maksymalnej oczekiwanej zawartości wodoru, podane w sekcji 3.1. podjęcie opisanych środków technicznych.
Testy wykazały, że dodanie wodoru do gazu ziemnego w niskim dwucyfrowym zakresie procentowym ma niewielki wpływ na emisje NOx. Zwiększenie zawartości wodoru w sieci gazu ziemnego np. do 20% obj. prowadzi do niewielkiego wzrostu emisji NOx.
Podczas regulacji zawartości wodoru w sieci gazu ziemnego, ze względu na różne wymagania dotyczące powietrza gazu ziemnego i wodoru (tabela 1), konieczna jest regulacja ilości powietrza. Różnicę można tymczasowo skompensować za pomocą kontroli tlenu, która jest powszechna w przemysłowych generatorach pary. W dłuższej perspektywie spalanie powinno na nowo ustawiane.
W układach o znacznie wahającej się zawartości wodoru, ilości świeżego powietrza i recyrkulowanych spalin są ustawiane za pomocą zdefiniowanego sygnału mieszanego. Jest to określane przez sterowanie procesem lub obliczane przez sterowanie palnika na podstawie ciągłej analizy paliwa (np. pomiar liczby Wobbego).

Zastosowanie wodoru w celu redukcji CO2

Wodór jest stosowany termicznie niezawodnie od dziesięcioleci, na przykład do wytwarzania pary technologicznej w przemyśle chloro-alkalicznym. Dostępne są sprawdzone rozwiązania dla wyzwań technicznych. Aby umożliwić szerokie termiczne wykorzystanie zielonego wodoru, zostanie opracowany standard techniczny poprzez ekonomię skali. Rozwój ten obejmuje również zastosowania o niskiej emisji NOx. Istniejący potencjał zostanie wykorzystany wraz ze wzrostem wykorzystania wodoru jako paliwa, tak aby znacząco przyczynić się do europejskiej neutralności klimatycznej.

Ten serwis używa cookies do prawidłowego funkcjonowania

Informujemy, iż w celu optymalizacji treści dostępnych w naszym serwisie, dostosowania ich do Państwa indywidualnych potrzeb korzystamy z informacji zapisanych za pomocą plików cookies na urządzeniach końcowych użytkowników. Pliki cookies użytkownik może kontrolować za pomocą ustawień swojej przeglądarki internetowej. Dalsze korzystanie z naszego serwisu internetowego, bez zmiany ustawień przeglądarki internetowej oznacza, iż użytkownik akceptuje stosowanie plików cookies. Czytaj więcej…

Zrozumiałem

sectigo trust seal lg 140x54

ECOPRIUS Konsultacje i wyceny - płatności