Palniki na wodór i mieszanki wodoru z gazem w kotłach przemysłowych

Dlaczego wodór w kotle

Rafinerie, zakłady chemiczne i nawozowe mają wodór z własnych procesów (reforming, elektroliza chloru, odgazy), który dziś często trafia na pochodnię albo do sieci gazu opałowego bez kontroli. Zakłady planujące elektrolizery szukają odbiorcy dla wodoru poza siecią. W obu przypadkach kocioł parowy to najprostszy, duży i elastyczny odbiornik: każda tona wodoru spalona zamiast gazu ziemnego to ok. 2,75 t CO2 mniej na tonę paliwa gazowego, a para jest potrzebna i tak.

Czym spalanie wodoru różni się od gazu ziemnego

Parametr	Gaz ziemny	Wodór
Wartość opałowa	ok. 50 MJ/kg, ok. 36 MJ/Nm³	ok. 120 MJ/kg, ale tylko ok. 10,8 MJ/Nm³
Prędkość spalania	ok. 0,4 m/s	ok. 3 m/s, prawie 8 razy większa
Temperatura płomienia	ok. 1950 °C	ok. 2100 °C
Zakres palności w powietrzu	5–15 %	4–75 %
Promieniowanie płomienia	świecący, dobrze widoczny	słabo świecący, niemal niewidoczny
Objętość spalin na jednostkę ciepła	100 %	ok. 85 %, więcej pary wodnej

Konsekwencje dla kotła:

• Palnik. Przy tej samej mocy przez palnik przepływa ok. 3 razy większa objętość gazu, więc lance, dysze i stacja gazowa wymagają innych przekrojów. Krótszy, gorętszy płomień zmienia rozkład ciepła w komorze.
• NOx. Wyższa temperatura płomienia daje więcej tlenków azotu. Palniki na wodór projektuje się ze stopniowaniem powietrza i recyrkulacją spalin, aby trzymać NOx w limicie.
• Bezpieczeństwo. Szeroki zakres palności i skłonność do cofania się płomienia wymagają szybkozamykających stacji zaworowych, przepłukiwania i detekcji płomienia dostosowanej do słabo świecącego ognia.
• Część ciśnieniowa. Zwykle zostaje. Więcej pary wodnej w spalinach i inny rozkład temperatur sprawdza się obliczeniami cieplnymi; czasem trzeba skorygować schładzacz pary.

Zakres przebudowy na wodór

1. Palniki. Nowe palniki niskoemisyjne na 100 % wodoru, 100 % gazu ziemnego lub dowolną mieszankę, z zakresem regulacji 1:5.
2. Stacja mieszania. Statyczny mieszalnik wodoru i gazu ziemnego, stacja regulacji ciśnienia, pomiary składu i przepływu.
3. Rurociągi i armatura. Rurociąg wodoru z podporami, szybkozamykające stacje zaworowe przed każdym palnikiem, zawory odcinające.
4. Recyrkulacja spalin. Kanały, wentylator i klapy do obniżenia temperatury płomienia i NOx.
5. Automatyka. Nowy system zarządzania palnikami (BMS), pętle zabezpieczeń kotła, nowe sygnały w DCS, logika i ekrany operatorskie.
6. Rozruch i pomiary. Próby na różnych udziałach wodoru, pomiar NOx i CO, optymalizacja.

Czas realizacji od zamówienia do rozruchu to typowo 12–18 miesięcy; sam montaż mieści się w jednym postoju.

Nasza odpowiedź: Power Service Solutions

Power Service Solutions projektuje i produkuje palniki gazowe, olejowe i wodorowe do 50 MW na palnik we własnym zakładzie Meeraner Dampfkesselbau, w tym na stanowisku spawania robotem dla dużych elementów palników.

Referencja na 100 % wodoru: rafineria ANRPC w Aleksandrii (Egipt). Kocioł dwuwalczakowy 100 t/h, 26 bar, 320 °C, opalany dotąd ciężkim olejem, został przebudowany na wodór z gazem ziemnym jako paliwem rezerwowym. PSS dostarczył dwa palniki Ultra Low NOx po 50 MW, rurociąg wodoru ze stacjami zaworów szybkozamykających, stację mieszania H2/NG, stację paliwową kotła, recyrkulację spalin i nową logikę BMS. Efekt: 22 000 t CO2 mniej rocznie, NOx poniżej 450 mg/m³ (wymóg egipski), CO poniżej 100 mg/m³. Uruchomienie 2025.

Ten sam typ palników PSS zastosował w cukrowni Südzucker Ochsenfurt (kocioł 80 t/h, konwersja z węgla na gaz z opcją wodoru w przyszłości; NOx < 60 mg/Nm³).

Co przygotować do zapytania

• typ i parametry kotła (t/h, bar, °C), liczba i moc palników, obecne paliwo,
• źródło wodoru: ilość (kg/h), ciśnienie, czystość, zmienność dostaw,
• czy wodór ma być paliwem podstawowym, dodatkiem (jaki udział) czy rezerwą,
• limity emisji NOx i CO z pozwolenia,
• schemat gazowy kotłowni i okna postojowe.

FAQ

Czy istniejący kocioł gazowy może spalać wodór bez przebudowy? Małe domieszki (do ok. 10–20 % objętościowo) część palników toleruje po sprawdzeniu przez producenta i korekcie nastaw. Powyżej tego udziału potrzebne są palniki i stacja gazowa zaprojektowane na wodór, bo zmienia się objętość gazu, prędkość spalania i ryzyko cofnięcia płomienia.

Czy przy spalaniu wodoru rośnie NOx? Tak, jeśli nic nie zrobić: wyższa temperatura płomienia sprzyja powstawaniu NOx. Palniki niskoemisyjne ze stopniowaniem powietrza i recyrkulacją spalin trzymają NOx na poziomie porównywalnym z gazem ziemnym; w Aleksandrii wymagano poniżej 450 mg/m³, w Niemczech osiąga się poniżej 100.

Czy kocioł może pracować na dowolnej mieszance wodoru i gazu? Tak, palniki PSS pracują od 100 % gazu ziemnego do 100 % wodoru, z automatyczną adaptacją do składu mierzonego na stacji mieszania. To ważne przy wodorze z elektrolizera zasilanego OZE, gdzie ilość zmienia się z pogodą.

Czy wodór można spalać w kotle węglowym? Jako paliwo dodatkowe w palnikach gazowych zabudowanych w kotle pyłowym tak; pełna konwersja z węgla wymaga wymiany układu paleniskowego i zwykle jest łączona z przejściem na gaz lub biomasę. Opisujemy to na stronie konwersja paliwa.

Czy Enerwis dostarcza też wodór lub elektrolizer? Reprezentujemy Fabrum, które oferuje elektrolizery bezmembranowe i instalacje ciekłego wodoru; patrz elektrolizery. Dla kotła liczy się jednak przede wszystkim stabilne źródło gazu, a to zwykle zakład ma już u siebie.