Сжигание водородсодержащего газа в водородных и паровых котлах – Водородные технологические решения

Сжигание водородсодержащего газа в водородных и паровых котлах

Сжигание водородсодержащего газа в водородных и паровых котлах

В 2015 году Российская Федерация подписала Парижское соглашение, в соответствии с которым взяла на себя обязательства по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов.

К основным парниковым газам, которые образуются при сжигании ископаемых видов топлив, относятся водяной пар, углекислый газ и оксиды азота.

При сжигании углей в основном образуется углекислый газ и оксиды азота, при сжигании природного газа образуются углекислый газ, водяной пар и оксиды азота.

Европейские страны сделали акцент на снижении выбросов в атмосферу углекислого газа. Процесс снижения выбросов СО2 называется декарбонизацией.

Одним из способов уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа является переход на сжигание водородсодержаних газов (ВСГ), включая сжигание чистого водорода.

                        На рис. 1 показано как увеличение доли водорода в природном газе приводит к снижению выбросов углекислого газа.

График зависимости СО2 от концентрации Н2 в топливном газе
  • Исследователи отмечают следующие эффекты, связанные со сжиганием водорода:
    • Изменение цвета пламени по мере увеличения концентрации водорода в топливном газе. Цвет меняется от голубого до бесцветного при переходе от 90% до 100% водорода.
    • Скорость горения водорода выше, чем природного газа. Скорость распространения ламинарного пламени водорода в 10 раз выше, чем природного газа.
    • Пределы взрывопасной концентрации водорода выше, чем природного газа.
    • У водорода низкая энергия активации пламени.
    • Плотность водороду существенно ниже, чем плотность природного газа.
    • При этом число Воббе водорода не сильно отличается от числа Воббе природного газа.

     

    Учитывая высокую реактивную способность водорода и высокую скорость распространения пламени при его сжигании, необходимо принять меры предосторожности для исключения возможности распространения пламени вверх по потоку “flashback”, а также возможности его самовозгорания.

    Поэтому горелочные устройства, адаптированные для сжигания водорода, должны быть оборудованы не только системой обнаружения «обратного» пламени, но и защитой от распространения пламени вверх по потоку.

    Одним из существенных недостатков увеличения доли водорода в сжигаемом топливном газе является увеличение выбросов в атмосферу оксидов азота.

Методы получения водорода

Различают два основных способа получения водородсодержащих газов из природного газа:

  • Паровая конверсия
  • Пиролиз

 

При паровой конверсии водяной пар с температурой выше 600°С смешивается с природным газом и на катализаторе часть метана превращается в водород. На выходе из установки паровой конверсии метана получается смесь природного газа, водорода и водяного пара.

При пиролизе образуется водород и твердый углерод.

К продуктам пиролиза газа относятся этилен и ацетилен.

Ацетилен – это горючий газ. Его химическая формула – С2Н2. Он легче воздуха и имеет резкий запах.

Помимо этих веществ, при пиролизе метана образуются:

бутан; окись углерода; водород; пропилен; диацетилен; венилацетилен.

Чистый водород можно получать электролизом из воды.

Основные характеристики метана и водорода

В таблице 1 приведены основные характеристики  метана и водорода.

Таблица 1

Характеристики Метан

СН4

Водород

Н2

Объемная низшая теплота сгорания при нормальных условиях,  МДж/нм3  

35,9

 

10,8

Объёмная высшая теплота сгорания при нормальных условиях, МДж/нм3  

40,0

 

12,8

Плотность при нормальных условиях,

кг/нм3

 

0,717

 

0,09

Относительная плотность 0,55 0,07
Массовая низшая теплота сгорания, МДж/кг 50 120
Объемное низшее Число Воббе при нормальных условиях(WI), МДж/нм3  

48,2

 

40,7

 

Из этой таблицы видно, что:

  • объемная теплота сгорания водорода в 3,4 раза меньше, чем объемная теплота сгорания природного газа,
  • плотность водорода в 8,3 раза меньше, чем плотность природного газа,
  • массовая теплота сгорания водорода в 2,4 раза выше, чем массовая теплота сгорания природного газа,
  • Объёмная высшая теплота сгорания метана на 11,42 % выше его объёмной низшей теплоты сгорания,
  • Объёмная высшая теплота сгорания водорода на 18,5 % выше его объёмной низшей теплоты сгорания,
  • Объёмное число Воббе водорода ниже объёмного числа Воббе природного газа на 18%.

Основные характеристики метано-водородной смеси

Ниже представлены зависимости плотности, объемной теплоты сгорания и объемного числа Воббе метано-водородной смеси от объемной концентрации водорода (Н2).

Зависимость плотности ВСГ от объёмной концентрации водорода (N2 = 0 %) ρ = 0,746 - 0,656*Н2
Зависимость объёмной низшей теплоты сгорания ВСГ (МДж/нм3) от объёмной концентрации водорода (N2 = 0%) ОНТС = 36,6 - 025,8*Н2
Зависимость массовой теплоты сгорания (МДж/кг) от объёмной концентрации водорода (N2 = 0 %) МНТС = ОНТС / ρ
Зависимость числа Воббе (МДж/нм3) от объёмной концентрации водорода (N2 = 0 %) ЧВ =1,137 *ОНТС / √ ρ

Поскольку значения объемного числа Воббе водородосодержащего газа ниже, чем   значение числа Воббе природного газа (48,1 МДж/нм3), то подмешивание водорода к природному газу приведёт  к уменьшению  числа Воббе (WI) топливного газа.

Число Воббе является основным критерием взаимозаменяемости газообразных топлив. В теории, если в устройство, предназначенное для сжигания природного газа, подавать газ с другим химическим составом, который имеет такое же число Воббе, то процесс горения, а также концентрация выбросов оксидов азота в дымовых газах не должны измениться.

Факт того, что Число Воббе водородсодержащих газов и чистого водорода не очень сильно отличаются от значений числа Воббе, характерных для природного газа, даёт надежду, что горелочные устройства, предназначенные для сжигания природного газа, могут быть использованы для сжигания водородсодержащий газов. При этом допустимая доля водорода в ВСГ будет зависеть от конкретной конструкции горелочного устройства.

Конденсация водяных паров дымовых газов

В /1/ отмечается, что при сжигании органических топлив в паровых и водогрейных котлах самыми большими являются потери тепла с уходящими газами. Как правило, температура уходящих дымовых газов составляет 130-200°С, то есть, существенно превышает температуру точки росы водяных паров.

Если снизить температуру уходящих газов до 30-50°С, то можно получить экономию топлива до 10-14% при сжигании природного газа.

Дополнительная теплота получается при конденсации водяных паров за счёт скрытой теплоты парообразования.

При сжигании чистого водорода его экономия за счет тепла конденсации водяных паров превышает 18,5 %.

Утилизация теплоты уходящих дымовых газов широко распространена в странах Евросоюза. Большинство таких установок эксплуатируются на водогрейных и паровых котлах небольшой мощности (5-50 МВт).

Конденсат, получаемый из водяных паров, имеет повышенную кислотность из-за растворения в воде углекислого газа.  С помощью добавки в конденсат гидрооксида соды осуществляется его химическая нейтрализация.

Увлажнение воздуха, подаваемого на горение, обеспечивает следующие положительные эффекты:

  • увеличивается температура точки росы дымовых газов, что позволяет повысить температуру конденсата;
  • снижается температура горения, что приводит к уменьшению выбросов оксидов азота на 40-60%.

Использование конденсата водяных паров

Конденсат, образующийся из водяных паров дымовых газов, может быть использован для следующих целей:

1)     увлажнение воздуха, подаваемого на горение,

2) получение пара, который можно использовать для производства водородсодержащего газа методом паровой конверсии,

3)    получения водорода методом электролиза.

Конденсат, образующийся из водяных паров дымовых газов, может быть использован для следующих целей:

1)     увлажнение воздуха, подаваемого на горение,

2) получение пара, который можно использовать для производства водородсодержащего газа методом паровой конверсии,

3)    получения водорода методом электролиза.

Комплексное решение по снижению выбросов парниковых газов
в водогрейных и паровых котлах

Побочным эффектом конденсации водяных паров для увеличения коэффициента использования теплоты топлива (КИТТ) является удельное снижение выбросов в атмосферу как углекислого газа, так и водяного пара. То есть, уменьшению выбросов парниковых газов на единицу произведённой тепловой энергии.

Полученный конденсат может быть использован для производства водородсодержащего газа, сжигание которого приведёт к дополнительному снижению выбросов в атмосферу углекислого газа и увеличению образующегося при конденсации водяных паров конденсата.

При увеличении доли водяного пара в дымовых газах будет изменяться температура точки росы, что может приводить к увеличению объёма получаемого конденсата.

Увеличение объёма водяного конденсата позволяет увеличить долю водорода в топливном газе.

Увлажнение воздуха может существенно снизить выбросы в атмосферу оксидов азота.

Модернизация существующих котлов для сжигания ВСГ

Ниже перечисляются основные мероприятия, которые необходимо провести для перехода на сжигание водородсодержащих топлив в существующих котлах.

  • При сжигании ВСГ с высокой концентрацией водорода потребуется замена или модернизация горелочного устройства.
  • Как уже отмечалось выше, горелочное устройство, адаптированное для сжигания водорода, должно быть оборудовано не только системой обнаружения «обратного» пламени, но и защитой от распространения пламени вверх по потоку.
  • Система подготовки ВСГ должна иметь специальную систему мониторинга состояния оборудования и газопроводов.
  • Газопроводы и запорно-регулирующая арматура должны быть изготовлены из материалов, позволяющих избежать водородного охрупчивания.
  • Должна быть перепроектирована система подготовки топливного газа, в частности потребуется разработка устройства смешения водорода и природного газа.
  • Потребуется разработка автоматизированной системы продувки газопроводов.
  • Потребуется модернизация системы автоматизированного управления котла.
  • Поскольку объемная теплота сгорания водорода существенно ниже, чем объемная теплота сгорания природного газа, то проходные сечения газопроводов и оборудования системы подготовки топливного газа (фильтров, запорно-регулирующей арматуры, теплообменников) должны быть увеличены по отношению к проходному сечению газопроводов, рассчитанных на работу на природном газе.

Проектирование и строительство новых котельных агрегатов
на водородном топливе

При проектировании новых энергетических установок на природном газе имеет смысл закладывать технические решения, которые в будущем позволят использовать в качестве топлива водородсодержащий газ.

Кроме перечисленных выше мероприятий, которые необходимы  при проведении  модернизации котлов, необходимо учесть, что при увеличении в топливном газе концентрации водорода в дымовых газах будет увеличиваться доля водяного пара.

Следовательно, расчет котлов необходимо проводить с учетом возможного изменения состава продуктов сгорания.

Список литературы

  1. Влияние конденсационного утилизатора на работу паровых и водогрейных газовых котлов. Ионкин И.Л., Рагуткин А.В., Росляков П.В., Супранов В.М., Зайченко М.Н., Лунинг Б. Теплоэнергетика, 2015, № 5.