Котлы, работающие на водороде: что нужно знать

Jun 25, 2023

Водород может быть введен для устранения выбросов CO из системы без увеличения риска, связанного с конструкцией и работой котла или горелки.

Херардо Лара

В последнее время давление на окружающую среду возросло. Многие страны поставили цели по сокращению или даже прекращению использования традиционных видов ископаемого топлива, чтобы сократить выбросы парниковых газов, таких как CO2.

В результате те, кто использует блочные котлы, могут ожидать, по крайней мере, частичного перехода в течение следующего десятилетия с природного газа на водород. Это начнется постепенно со смесей, включающих небольшое количество водорода. Со временем этот процент будет увеличен по мере того, как запасы водорода станут более доступными.

Но как именно это повлияет на котел? Что нужно знать оператору котельной? Как изменится практика технического обслуживания?

Первое, что нужно осознать, это то, что котлы успешно работают на водородных смесях на протяжении десятилетий. Операторы и производители котлов имеют большой опыт преодоления различий между водородом и природным газом. Но по мере роста процентного содержания водорода придется вносить существенные коррективы.

В этой статье мы сосредоточимся на котлах, которые, возможно, являются самым простым типом котлов для введения водорода благодаря их гибкости и простой конструкции. Независимо от того, служит ли комплектный водотрубный котел резервным котлом для комбинированной выработки тепла и электроэнергии (система ТЭЦ), используется для централизованного теплоснабжения или производит пар для выработки электроэнергии в паровой турбине, водород может быть введен для устранения выбросов CO от системы без увеличения риска, связанного с конструкцией и работой котла или горелки.

Водород имеет существенно другие характеристики, чем природный газ. Это гораздо более легкая молекула, чем метан, с более низким значением БТЕ на единицу объема. Природный газ имеет примерно в пять раз большую теплоту сгорания на единицу объема. Таким образом, потребуется гораздо больше водорода, чем природного газа. Это будет проявляться по-разному. Трубопроводы, необходимые для подачи водорода и измерительной станции, обычно будут больше, чем необходимо для природного газа.

Из-за более высокой температуры пламени водорода горение происходит с максимальной температурой пламени около 4000°F по сравнению с примерно 3600°F для природного газа. Это по своей сути приводит к увеличению выбросов NOx, которое необходимо смягчать различными способами. Таким образом, температура пламени создает небольшую вероятность перегрева. Хорошая новость, однако, заключается в том, что в большинстве современных печей сегодня используется мембранная конструкция стенок с водоохлаждаемыми поверхностями. Это означает, что они уже оборудованы для работы при более высоких температурах без необходимости внесения изменений.

Кроме того, консервативные методы проектирования в отрасли обычно приводят к тому, что печи имеют несколько завышенные размеры. Таким образом, добавление небольшого количества водорода редко означает необходимость увеличения размера печи. В худшем случае котел придется спроектировать с топкой немного большего размера. А сжигание H2 увеличивает объем потока выхлопных газов по сравнению со сжиганием природного газа.

А что с горелками? Компания по производству горелок обычно определяет оптимальный размер топливных форсунок. В зависимости от количества водорода могут потребоваться незначительные модификации. Давление водорода также может повлиять на производительность. Поэтому рекомендуется спроектировать специальную систему подачи водорода с трубопроводами большего размера, чтобы вместить больший объем необходимого газа, доставить его под желаемым давлением и получить ту же мощность в БТЕ для котла.

В некоторых случаях потребуется небольшой перепроектирование и изменение размеров, чтобы компенсировать любое снижение производительности. Водородные компоненты, как правило, будут более крупными и дорогими.

Некоторые беспокоятся о легкости водорода, вызывающей проблемы с безопасностью. Например, одна из проблем заключается в том, что несгоревший водород может собираться в карманах в верхней части котла из-за его низкой молекулярной массы. Опять же, современная конструкция котлов типов D, O и A оставляет очень мало места для накопления водорода. Однако в качестве меры предосторожности могут потребоваться циклы продувки. Это позволит легко избавиться от несгоревшего водорода и исключить риск взрыва.