Calderas que funcionan con hidrógeno: lo que necesita saber

Se puede introducir hidrógeno para eliminar las emisiones de CO del sistema sin aumentar el riesgo asociado con el diseño y la operación de calderas o quemadores compactos.

Por Gerardo Lara

La presión ambiental ha aumentado últimamente. Muchos países han emitido objetivos para reducir o incluso eliminar el uso de combustibles fósiles tradicionales para reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2.

Como resultado, aquellos que utilizan calderas compactas pueden esperar al menos una transición parcial durante la próxima década del gas natural al hidrógeno. Esto comenzará gradualmente con mezclas que incluyan una pequeña cantidad de hidrógeno. Con el tiempo, el porcentaje aumentará a medida que haya más disponibilidad de suministros de hidrógeno.

Pero, ¿cómo afectará esto exactamente a la caldera? ¿Qué necesitan saber los operadores de calderas? ¿Cómo cambiarán las prácticas de mantenimiento?

Lo primero que hay que darse cuenta es que las calderas han estado funcionando con éxito con mezclas de hidrógeno durante décadas. Los operadores y fabricantes de calderas tienen mucha experiencia en hacer frente a las diferencias entre el hidrógeno y el gas natural. Pero a medida que aumenta el porcentaje de hidrógeno, se deberán realizar ajustes significativos.

En este artículo nos centraremos en las calderas de paquete que son quizás el tipo de caldera más fácil para introducir hidrógeno debido a su flexibilidad y diseño sencillo. Ya sea que la caldera acuotubular empaquetada sirva como caldera de respaldo para una combinación de calor y electricidad (sistema CHP), se use para calefacción urbana o esté produciendo vapor para generar energía en una turbina de vapor, se puede introducir hidrógeno para eliminar las emisiones de CO de el sistema sin aumentar el riesgo asociado con el diseño y la operación de calderas o quemadores compactos.

El hidrógeno tiene características significativamente diferentes al gas natural. Es una molécula mucho más liviana que el metano con un valor de BTU más bajo por unidad de volumen. El gas natural tiene aproximadamente cinco veces el poder calorífico por unidad de volumen. Por lo tanto, se necesitará mucho más hidrógeno que gas natural. Esto se mostrará de varias maneras. Las tuberías requeridas para el hidrógeno y la estación de medición generalmente serán más grandes que las necesarias para el gas natural.

Debido a la temperatura más alta de la llama del hidrógeno, la combustión tiene lugar con una temperatura máxima de la llama de unos 4000 °F en comparación con los 3600 °F del gas natural. Eso conduce inherentemente a más NOx, que debe mitigarse de varias maneras. La temperatura de la llama, por lo tanto, introduce una ligera posibilidad de sobrecalentamiento. Sin embargo, la buena noticia es que la mayoría de los hornos modernos utilizan una construcción de pared de membrana con superficies enfriadas por agua. Esto significa que ya están equipados para hacer frente a temperaturas más altas sin necesidad de cambios.

Además, las prácticas de diseño conservadoras de la industria generalmente conducen a que los hornos sean un poco sobredimensionados. Por lo tanto, agregar un poco de hidrógeno rara vez significa tener que agrandar el horno. En el peor de los casos, la caldera tendría que diseñarse para tener un horno un poco más grande. Y el encendido con H2 agrega un volumen extra al flujo de gases de escape en comparación con el encendido con gas natural.

¿Qué pasa con los quemadores? La compañía de quemadores generalmente determina el mejor tamaño para los inyectores de combustible. Pueden ser necesarias modificaciones menores, dependiendo de la cantidad de hidrógeno. La presión del hidrógeno también podría afectar el rendimiento. Por lo tanto, se recomienda diseñar un sistema de suministro de hidrógeno dedicado con tuberías más grandes para acomodar el mayor volumen de gas necesario y entregarlo a la presión deseada y obtener la misma entrada de BTU a la caldera.

En algunos casos, se requerirá un ligero rediseño y modificaciones de gran tamaño para compensar cualquier impacto en el rendimiento. Es probable que los componentes de hidrógeno, en general, sean más grandes y más caros.

A algunos les preocupa que la ligereza del hidrógeno cause problemas de seguridad. Una preocupación, por ejemplo, es que el hidrógeno sin quemar podría acumularse en bolsas en la parte superior de la caldera debido a su bajo peso molecular. Una vez más, el diseño moderno de las calderas compactas de los estilos D, O y A deja muy poco espacio para que se acumule hidrógeno. Sin embargo, como medida de seguridad, se pueden exigir ciclos de purga. Esto eliminará fácilmente cualquier hidrógeno sin quemar para eliminar cualquier riesgo de explosión.

Tome el caso de una caldera compacta teórica que funciona a alrededor de 600 PSIG y a 750 °F que puede manejar 100 000 lb por hora. La eficiencia será menor con hidrógeno (menos del 80 %) a alto poder calorífico (HHV) en comparación con el gas natural (84 %). Pero esto puede ser engañoso. Con un poder calorífico bajo (LHV), la eficiencia del hidrógeno aumentó a casi el 95 %, mientras que el gas natural a LHV es solo del 93 %. Lo importante es saber si se trata de números HHV o LHV. La confusión podría dar lugar a malentendidos y errores de cálculo.

En el mundo real, estas diferencias de HHV y LHV ejercen un impacto en las características y el rendimiento de la caldera. Por ejemplo, el vapor sobrecalentado de hidrógeno en nuestro ejemplo de caldera teórica tendría una temperatura de vapor de 730 °F. La misma caldera funcionando solo con gas natural tendría vapor sobrecalentado a 750°F. Todo esto se debe al menor flujo másico de hidrógeno. Es posible que se necesiten pequeños ajustes de diseño para agregar más superficies de calentamiento a la caldera para elevar la temperatura del vapor al valor de diseño.

Mucho se ha dicho sobre el impacto del hidrógeno en los niveles de NOx. Muchos dicen que el hidrógeno enviará números de NOx mucho más altos. Pero algunos expertos están cuestionando esto.

Por ahora, supongamos que el NOx será más alto como efecto secundario de la temperatura más alta de la llama del hidrógeno. Este no será el caso si el hidrógeno se introduce en cantidades mínimas. Pero por encima del 5% de hidrógeno empujará el NOx por encima de lo que se experimentaría con el gas natural normal. Habrá que introducir esfuerzos de mitigación para compensar.

La recirculación de gases de combustión (FGR) y los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) son los métodos aceptados. Para FGR, el ventilador de tiro forzado usado en una caldera de 100,000 lbs por hora en realidad sería más pequeño que para gas natural. El ventilador de gas natural tendría unos 350 hp mientras que un ventilador para un gas rico en hidrógeno solo necesitaría unos 250 hp.

¿Por qué un ventilador menos potente? Se necesita menos aire de combustión en la combustión de hidrógeno en comparación con el gas natural.

Sin embargo, tenga en cuenta que el punto de rocío del agua de los gases de combustión aumenta cuando se quema hidrógeno. Cualquier parte fría de la caldera en contacto con los gases de combustión formará niveles más altos de condensación. Los diseñadores deben ser conscientes de este fenómeno y asegurarse de que se implementen drenajes y medidas de secado según sea necesario.

Quemar calderas con algo de hidrógeno está lejos de ser un concepto nuevo. Las operaciones petroquímicas y de petróleo y gas lo han estado haciendo durante décadas, ya que sus procesos a menudo producen hidrógeno como subproducto.

Una planta química en Texas, por ejemplo, ha estado funcionando con algo de hidrógeno durante más de 15 años. Sus generadores de vapor compactos de 250 000 lb/h entregan vapor de 1300 psig/950 °F. Las calderas queman gas natural, gas residual del cracker y gas de escape que contiene cantidades variables de hidrógeno. El contenido de hidrógeno se calcula en alrededor del 8,5% o menos. El sistema de control de la caldera regula el flujo de aire y combustible. El SCR se utiliza para garantizar el cumplimiento de las emisiones.

Así, el hidrógeno no es nada nuevo en el funcionamiento de las calderas. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de hidrógeno, es posible que se necesiten algunos cambios en el diseño, la operación y el mantenimiento.

La buena noticia es que las calderas actuales tienden a tener un diseño conservador, por lo que probablemente estén en una buena posición para acomodar la quema de mayores cantidades de hidrógeno.

Gerardo Lara es vicepresidente de ventas de calderas a fuego en Rentech Boiler Systems, Inc. de Abilene, TX. Para obtener más información, visite www.Rentechboilers.com