Las características de combustión del H2 son muy diferentes a las del gas natural.
Un quemador ZEECO GB de bajo NOx que consume 100% de gas H2.
El mercado actual de la generación de vapor se ve continuamente reconfigurado por el aumento de los costes del combustible y las nuevas normativas que exigen la reducción de la huella de carbono. Las nuevas normativas exigen que los generadores de vapor reduzcan sus emisiones de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). Los dos métodos principales que existen para reducir las emisiones de CO yCO2 están diseñados para capturar y secuestrar el carbono en el gas combustible o para eliminar el carbono del combustible antes de la combustión. La captura de carbono del combustible se está convirtiendo en el método más rentable. La eliminación del carbono antes de la combustión implica reformar el gas natural -principalmente el metano (CH4)- y capturar el átomo de carbono mientras se utilizan los átomos de hidrógeno (H2) como fuente de combustible. La captura del carbono antes de la combustión elimina la necesidad de equipar cada caldera con el costoso equipo necesario para capturar y secuestrar el carbono.
La inestabilidad del coste del combustible también es un factor que empuja a los usuarios finales a considerar fuentes de combustible alternativas que ya pueden tener a su disposición, como el H2 sobrante de varios procesos de reformado y refinado. En lugar de quemar o liberar este exceso de H2, puede inyectarse en el flujo de gas combustible para complementar el suministro de combustible principal. Si se aplican los conocimientos y la experiencia adecuados, la quema de H2 en los sistemas de generación de vapor puede reducir en gran medida los costes de funcionamiento del combustible, al tiempo que ayuda a cumplir la nueva normativa sobre emisiones de carbono.
Consideraciones sobre el diseño del quemador
Un quemador ZEECO GB de bajo NOx que quema un 20% de CO2 y un 80% de gas combustible H2.
Los diseños de los quemadores deben ser evaluados para comprobar su compatibilidad con la combustión de H2 para garantizar un funcionamiento correcto y seguro durante la combustión. Las características de combustión del H2 son muy diferentes a las del gas natural. La velocidad de la llama en la combustión del H2 es de aproximadamente 5,7 pies por segundo, mientras que la velocidad de la llama del gas natural es significativamente más lenta, con sólo 1,3 pies por segundo. La combustión del H2 también se caracteriza por una temperatura de llama adiabática estequiométrica más alta, de 3.960 °F, mientras que el gas natural tiene una temperatura de llama adiabática de 3.518 °F (estas mediciones se citan de "Combustion - Second Edition" de Irvin Glassman (1987). Estas diferencias significativas en las características de combustión requieren que los ingenieros evalúen los materiales utilizados en la construcción del quemador y el tipo de quemador utilizado.
La construcción típica de un quemador está compuesta por componentes metálicos y una garganta o teja refractaria, que requieren un examen para determinar la idoneidad del material para la cocción H2. El aumento de la temperatura de la llama requerirá que el acero utilizado para la construcción de la boquilla, la construcción de la garganta y los estabilizadores de llama se mejore a un grado superior de acero inoxidable o aleación capaz de soportar estas elevadas temperaturas de funcionamiento. Además, el refractario utilizado dentro del quemador tendrá que ser evaluado cuidadosamente y su composición modificada para soportar las elevadas temperaturas características de la cocción de H2.
Además de soportar temperaturas elevadas, el acero utilizado en los quemadores de H2 debe elegirse cuidadosamente para garantizar que no sea susceptible de sufrir fragilidad por hidrógeno y ataque por hidrógeno a alta temperatura. Ambos fenómenos pueden degradar prematuramente un acero mal elegido, provocando un fallo prematuro de las piezas del quemador.
La velocidad de la llama del hidrógeno, que es casi cinco veces mayor que la del gas natural, es una causa fundamental de preocupación al evaluar el diseño del quemador. Los diseños de quemadores que utilizan diseños de premezcla pobre, premezcla o premezcla rápida no son adecuados para una corriente de combustible que varía en composición de H2. A medida que la composición de H2 aumenta en la corriente de combustible, estos tipos de quemadores se vuelven más susceptibles al retroceso de llama. El retroceso de llama se produce cuando la velocidad del gas que sale de la boquilla del quemador es más lenta que la velocidad de la llama en una aplicación de premezcla. Los componentes del quemador pueden resultar dañados cuando se produce el retroceso de llama.
Consideraciones sobre las emisiones
Un quemador ZEECO GB de bajo NOx que funciona al 100% con gas natural.
El siguiente tema esencial que hay que entender al considerar la combustión de H2 es el impacto en las emisiones del quemador. La alta velocidad de propagación de la llama del hidrógeno permite que el proceso de combustión se produzca más rápidamente que el del gas natural. El rápido proceso de combustión libera la energía de combustión en un área pequeña, lo que conduce a temperaturas elevadas localizadas en la región cercana a la llama, que agravan el efecto de las temperaturas de llama adiabática inherentemente altas en los índices de emisión de NOx. Cualquier región con temperaturas elevadas por encima de los 2.500 °F es propicia para la formación de NOx. Los datos de campo y de las instalaciones de prueba han demostrado que los quemadores estándar de bajo NOx que disparan H2 suelen presentar un aumento de los índices de emisión de NOx de hasta un factor de 3.
La recirculación de los gases de combustión (FGR), la inyección de vapor y/o la tecnología de quemadores de muy bajo NOx (ULN) son necesarias para reducir los NOx. La recirculación de gases de combustión es el proceso que desvía una parte de los gases de combustión que salen de la caldera (normalmente después del economizador) y la introduce en el suministro de aire de combustión. El suministro de aire de combustión se diluye con los productos de combustión gastados, lo que reduce la temperatura máxima de la llama durante la combustión. Pequeñas cantidades de inyección de vapor cuidadosamente colocadas también pueden ayudar a pulir los NOx al enfriar la llama e introducir una pequeña cantidad de inertización.
Los quemadores ULN escalonados son otra opción para combatir las características de aumento de las emisiones de NOx asociadas a la combustión de H2. Estos tipos de quemadores suelen utilizar mecanismos de escalonamiento del aire y del combustible para reducir la temperatura máxima de la llama. Un combustible correctamente escalonado aumenta la cantidad de gas del horno que puede ser arrastrado a la corriente de combustible antes de interactuar con el aire. El arrastre del gas del horno en la corriente de combustible es similar a la forma en que la FGR mitiga los NOx. Un correcto escalonamiento del aire en la zona de combustión retrasa la mezcla del combustible y el aire, alargando el proceso de combustión a lo largo del horno. El proceso de combustión prolongado disminuye las temperaturas máximas de combustión, reduciendo así la formación de NOx.
Hay que tener en cuenta las diferencias entre los quemadores ULN por etapas y los quemadores ULN de premezcla. Como se ha explicado anteriormente, los quemadores ULN de premezcla no suelen estar construidos con materiales capaces de soportar la combustión de H2, ni son capaces de evitar el retroceso de la llama mientras se disparan combustibles de alto contenido en H2.
El contenido de H2 en el flujo de combustible también tiene un impacto significativo en las emisiones de CO yCO2. A medida que el H2 sustituye a los hidrocarburos en la composición del combustible, el número de átomos de carbono disminuye. Una corriente de combustible compuesta al 100% por H2 no puede generar CO niCO2 como subproducto de la combustión debido a la falta de carbono en la reacción de combustión. Por lo tanto, cuanto mayor sea el contenido de H2 de un combustible, menores serán las emisiones totales de CO yCO2. Vea a continuación la reacción de combustión estequiométrica básica de un combustible basado en hidrocarburos, el gas natural, y la reacción de combustión del H2 puro.
Reacción de combustión del gas natural:
CH4 + 2(O2 = 3,76N2) =
CO2 + 2H2O + 7,52N2 Ecuación 1
Reacción de combustión del hidrógeno:
2H2 + (O2 + 3,76N2) =
2H2O + 3,76N2 Ecuación 2
Consideraciones sobre el impacto de la caldera
Siempre que se considere la posibilidad de utilizar un nuevo combustible en una caldera, puede recomendarse un estudio de impacto en la caldera para garantizar que no se produzcan perjuicios en su rendimiento. Del mismo modo, debe evaluarse el rendimiento de la caldera cuando se considere el H2 como fuente de combustible. Las características de combustión del H2 pueden provocar cambios en el lugar y la forma en que se produce la transferencia de calor por radiación y convección dentro de la caldera, lo que puede afectar negativamente a la tasa de generación de vapor y a las temperaturas del mismo.
Según las ecuaciones 1 y 2, la necesidad estequiométrica de aire para el gas natural es de ~720 libras de aire/ MMBtu, y la necesidad estequiométrica de aire para el H2 es de ~560 libras de aire/MMBtu, respectivamente; por lo tanto, la combustión de H2 necesita aproximadamente un 30% menos de flujo de masa de aire en comparación con el gas natural. Además, el H2 puede funcionar con una relación de exceso de aire inferior a la del gas natural debido a su mayor límite de inflamabilidad. Una menor relación de exceso de aire reduce aún más el flujo másico de aire necesario en comparación con el gas natural. La combustión de H2 también aumenta la temperatura de salida del gas del horno (FEGT), principalmente debido a las mayores temperaturas de la llama.
Al disparar H2, la reducción del flujo de masa resultante a través de la caldera, combinada con una mayor FEGT, puede afectar negativamente a las porciones de transferencia de calor convectivo de la caldera, poniendo en peligro tanto la producción como la calidad del vapor. Sin embargo, la adición de flujo de masa al sistema a través de la FGR externa puede mitigar las preocupaciones sobre el aumento de la FEGT y la reducción de la transferencia de calor por convección. El flujo de masa adicional del FGR reduce el FEGT y anula cualquier efecto adverso en la transferencia de calor por convección.
Consideraciones sobre la instrumentación y los controles
El último tema que hay que tener en cuenta cuando se utiliza el H2 como fuente de combustible son los controles y la instrumentación necesarios para una combustión segura. Cualquier quemador diseñado para tener una composición de combustible variable que abarque desde el gas natural hasta el alto contenido de H2 debe tener un sistema de control de la combustión totalmente medido, junto con un medidor de índice de Wobbe o un medidor de gravedad específica en algunos casos. El medidor de índice de Wobbe supervisa la composición variable del flujo de combustible y proporciona la información necesaria al sistema de control para ajustar adecuadamente el control de la relación combustible/aire en el sistema de control de la combustión. La incapacidad de monitorear la composición de la corriente de combustible y ajustar el sistema de control de la combustión a esos cambios puede conducir a una condición potencialmente insegura, rica en combustible.
El equipo de suministro de combustible antes del quemador también debe ser evaluado por las limitaciones de capacidad. El H2 requiere un flujo volumétrico de combustible tres veces superior al del gas natural para proporcionar una liberación de calor equivalente. El tamaño de las tuberías y los componentes del tren de combustible deben evaluarse para garantizar un funcionamiento adecuado con cualquier combustible, especialmente cuando se utiliza en cualquier combinación con el H2.
La detección de la llama es una salvaguarda crítica del quemador y es requerida por todos los códigos de operación de calderas actuales. Cuando el H2 está presente en el proceso de combustión, genera vapor de agua. A medida que el contenido de H2 se acerca al 80% en el flujo de combustible, la mayoría de los escáneres de llama disponibles en la actualidad tienen dificultades para distinguir y verificar la llama debido al alto nivel de vapor de agua presente. La selección del equipo de detección de llama adecuado es crucial.
Es necesario analizar otras consideraciones para garantizar la seguridad de la combustión de H2 al tiempo que se cumplen los límites medioambientales de la jurisdicción operativa. La consulta con un proveedor de quemadores con experiencia en la combustión de H2 es esencial para garantizar su éxito.
Por John Guarco, director técnico, quemadores de caldera; Bob Langstine, director regional de ventas (sudeste de EE.UU. y este de Canadá), Norteamérica; y Michael Turner, ingeniero de diseño, ZEECO Inc.
Descargar el artículo