Оборудование для сжигания водорода Н2

Использование водорода в качестве альтернативы природному газу становится всё более популярной темой в Европе. Журнал HEAT PROCESSING назвал применение водорода главной темой прошлого года. В настоящий момент все крупнейшие мировые производители газового оборудования разрабатывают образцы для этого вида топлива.

В России также стали появляться актуальные перспективы, говорящие о том, что через 5-7 лет тема сжигания водорода начнёт все больше вытеснять сжигание углеводородов, как минимум в силу отсутствия «углеродного следа» и как максимум, в силу технологичности и энергетической эффективности. Это позволит выгоднее сопрягать работу атомной и водородной энергетики.

Мы предлагаем Вашему вниманию оборудование производства нашего партнера Honeywell Thermal Solutions, арматуру и горелки, подходящие для использования водорода в технологическом нагреве.

Использование водорода

Водород – самый маленький и самый легкий элемент в периодической таблице. Обычно он встречается в молекулярной форме H₂, в виде бесцветного газа без запаха. В некоторых химических реакциях водород временно проявляется в атомарном виде как H. В этой форме он характеризуется гораздо более высокой реакционной способностью по сравнению с обычными молекулами H₂. Так называемое водородное охрупчивание, например, вследствие проникновения атомарного водорода в металлы под воздействием высоких давлений, высоких температур, вибраций и кислоты, может быть исключено для оборудования, указанного в данной информации.

Из-за низкой плотности по сравнению с природным газом водород может легче выходить наружу, например, в местах соединений.

Вся арматура и горелки, подходящие для использования водорода, смотри в табл. 1 (Совместимость с водородом).

Сравнение пламени для ThermJet TJ мощностью 213 кВт, λ = 1,15

• Практически любая арматура может работать на 100 % водороде.

• Большинство горелок можно использовать при концентрации водорода до 50 %.

• Может использоваться для установок с большим сроком эксплуатации.

Сертификация

В настоящее время не существует базы тестирования для водорода в соответствии с Регламентом «Оборудование, работающее на газовом топливе» (GAR) (EU) 2016/426.

Действующие прикладные нормы ISO 13577 и EN 746 для термообрабатывающего оборудования или EN 676 и ISO 22967 для газовых горелок с вентиляторами не содержат никаких заявлений о водороде. Однако в настоящее время для внесения изменений обсуждается вопрос о том, какие дополнительные правила будут включены для горючих газов с высоким содержанием водорода.

Совместимость с водородом: арматура и принадлежности

Счетчики расхода газа (расходомеры) DM, DE пригодны для применения 20 % водорода.

Совместимость с водородом: горелки

* Более высокая концентрация водорода по запросу

** Указанное количество водорода может быть сожжено при незначительной регулировке горелки и после проверки применения

Герметичность

Из-за небольшого размера молекул и непостоянной динамической вязкости водорода (H₂) величины утечек изменяются по сравнению с метаном (CH₄).

Внутренняя и внешняя герметичность по EN 13611

Газовые приборы должны быть герметичными и соответствовать указанным в EN 13611 величинам утечек воздуха.

Предписанные EN 13611 величины утечек соблюдаются, если примесь H₂ составляет менее 10 % .

В следующей таблице приведены рассчитанные величины утечек для 100 % водорода (H₂):

При использовании 100 % H₂ или примеси H₂ более 10% соблюдение норм утечки по EN 13611 не гарантируется из-за малой плотности и непостоянной динамической вязкости водорода. Пригодность применения для работы с газоводородными смесями с долей водорода ≥ 10 % должна быть определена с помощью оценки риска.

Сапуны датчиков-реле давления и регуляторов давления по EN 13611

Сапуны газовых приборов с мембранами, не оснащенными соединением для сбросной трубы, должны быть сконструированы таким образом, чтобы в случае повреждения мембраны выходило не более 70 дм³/ч воздуха при самом высоком давлении на входе. Этот объем воздуха в 70 дм³/ч соответствует утечке 100 дм³/ч природного газа (CH₄) или 270 дм³/ч водорода (H₂) в случае повреждения.

Пределы взрываемости

При использовании водорода нижний предел взрываемости достигается быстрее.

Расчет расхода

В случае "турбулентного потока", например, в сапуне, расход может быть рассчитан через соотношение плотности:

коэффициент преобразования из соотношения плотности (базовый параметр – воздух):

Перед пуском в эксплуатацию необходимо проверить герметичность систем. Помимо приборов, проверяются также резьбовые и фланцевые соединения.

Расчет номинального диаметра

Веб-приложение для расчета номинального диаметра можно найти по адресу www.adlatus.org.

Соответствующую плотность для водорода или смесей водорода с природным газом необходимо ввести вручную.

Информация по проектированию: основы горения при добавлении водорода к природному газу

Теплота сгорания смесей природного газа и водорода значительно снижается с увеличением примеси H₂, т. е. для получения одинаковой тепловой мощности требуется больший расход газа. Из-за низкой плотности водорода число Воббе снижается значительно меньше, но, тем не менее, для достижения такой же мощности давление газа должно быть на 65 % выше. Рекомендуемая скорость потока 20-30 м/с для природного газа должна соблюдаться и для примесей H₂.

Скорость ламинарного пламени водорода значительно выше, чем у природного газа. При этом видимая длина пламени во многих горелках с примесью H₂ почти не изменяется. Однако, в зависимости от конструкции горелки, высокая скорость пламени может привести к резонансу и шуму. Потребность в воздухе для горения снижается с увеличением примеси H₂, т.е. для данной системы нет дополнительного риска от избытка газа с примесью H₂.

Однако, если настройка горелки остается неизменной, избыток воздуха увеличивается до 45 %, поэтому необходимо проверить, может ли горелка стабильно работать при более высокой примеси H₂.

Адиабатическая температура горения и температура пламени увеличиваются с увеличением примеси H₂. Это увеличивает термическое образование NO_X и, особенно начиная примерно с 50 % примеси H₂, начинается экспоненциальное увеличение выбросов NO_X, что делает необходимыми дополнительные меры по снижению NO_X, например, за счет увеличения избытка воздуха или выбора подходящих горелок с низким выбросом NO_X.

Информация по проектированию: перенастройка существующих систем горелок

При добавлении 10-20 % водорода к природному газу обычно требуется выполнить только настройку горелок, особенно для решений с низким выбросом NO_X, где точная регулировка соотношения газ/воздух имеет решающее значение.

При переменном количестве подмешиваемого водорода необходимо использовать расширенный контроль соотношения газ/воздух.

При более высоком содержании водорода необходимо выбрать горелку, подходящую для данного типа газа.

Информация по проектированию: контроль и управление горелками с применением водорода

Контроль пламени при применении чистого водорода или примеси водорода к природному газу более 95 % по физическим причинам может осуществляться только с помощью УФ датчиков, но не с помощью ионизации.

Ввиду значительно более высокого предела взрываемости водорода по сравнению с природным газом, в отдельных случаях необходимо проверить, требуется ли продувка газопровода между запорным клапаном и горелкой после выключения горелки (закрытия автоматических запорных клапанов). При определенных обстоятельствах возможно образование воспламеняющейся смеси между горелкой и запорным клапаном и проскок пламени в газопроводе при повторном пуске горелки. В любом случае, запорные клапаны для водорода должны располагаться как можно ближе к горелке, чтобы минимизировать риск образования потенциально воспламеняющейся смеси.