Mit Wasserstoff betriebene Kessel: Was Sie wissen müssen

Wasserstoff kann eingeführt werden, um CO-Emissionen aus dem System zu eliminieren, ohne das Risiko zu erhöhen, das mit der Konstruktion und dem Betrieb von kompakten Kesseln oder Brennern verbunden ist.

Von Gerardo Lara

Der Umweltdruck hat in letzter Zeit zugenommen. Viele Länder haben sich Ziele gesetzt, den Einsatz traditioneller fossiler Brennstoffe zu reduzieren oder sogar ganz zu eliminieren, um den Ausstoß von Treibhausgasen wie CO2 zu reduzieren.

Daher können Betreiber von Kompaktkesseln im Laufe des nächsten Jahrzehnts mit einer zumindest teilweisen Umstellung von Erdgas auf Wasserstoff rechnen. Dies wird schrittweise mit Mischungen beginnen, die eine geringe Menge Wasserstoff enthalten. Im Laufe der Zeit wird der Prozentsatz erhöht, da die Wasserstoffvorräte besser verfügbar werden.

Aber wie genau wird sich das auf den Kessel auswirken? Was müssen Kesselbetreiber wissen? Wie werden sich die Wartungspraktiken ändern?

Als Erstes muss man feststellen, dass Heizkessel seit Jahrzehnten erfolgreich mit Wasserstoffmischungen betrieben werden. Betreiber und Kesselhersteller haben viel Erfahrung im Umgang mit den Unterschieden zwischen Wasserstoff und Erdgas. Doch mit steigendem Wasserstoffanteil müssen deutliche Anpassungen vorgenommen werden.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Kompaktkessel, die aufgrund ihrer Flexibilität und ihres unkomplizierten Designs möglicherweise der einfachste Kesseltyp für die Einführung von Wasserstoff sind. Unabhängig davon, ob der kompakte Wasserrohrkessel als Ersatzkessel für eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) dient, für Fernwärme verwendet wird oder Dampf zur Stromerzeugung in einer Dampfturbine erzeugt, kann Wasserstoff zur Vermeidung von CO-Emissionen eingesetzt werden Das System ohne erhöhtes Risiko, das mit der Konstruktion und dem Betrieb von kompakten Kesseln oder Brennern verbunden ist.

Wasserstoff hat deutlich andere Eigenschaften als Erdgas. Es ist ein viel leichteres Molekül als Methan mit einem niedrigeren BTU-Wert pro Volumeneinheit. Erdgas hat pro Volumeneinheit etwa den fünffachen Heizwert. Damit wird deutlich mehr Wasserstoff benötigt als Erdgas. Dies wird sich auf verschiedene Weise zeigen. Die für Wasserstoff und die Messstation erforderlichen Rohrleitungen sind in der Regel größer als für Erdgas.

Aufgrund der höheren Flammentemperatur von Wasserstoff erfolgt die Verbrennung mit einer Spitzenflammentemperatur von etwa 4.000 °F im Vergleich zu etwa 3.600 °F bei Erdgas. Dies führt zwangsläufig zu mehr NOx, das auf verschiedene Weise gemindert werden muss. Die Flammentemperatur birgt daher eine leichte Möglichkeit einer Überhitzung. Die gute Nachricht ist jedoch, dass die meisten modernen Öfen heute eine Membranwandkonstruktion mit wassergekühlten Oberflächen verwenden. Damit sind sie bereits für höhere Temperaturen gerüstet, ohne dass Änderungen erforderlich sind.

Darüber hinaus führen die konservativen Konstruktionspraktiken der Branche im Allgemeinen dazu, dass Öfen etwas überdimensioniert sind. Daher bedeutet die Zugabe von etwas Wasserstoff selten, dass der Ofen größer gemacht werden muss. Im schlimmsten Fall müsste der Kessel mit einer etwas größeren Feuerung ausgelegt werden. Und die Befeuerung mit H2 erhöht im Vergleich zur Befeuerung mit Erdgas das Volumen des Abgasstroms.

Was ist mit den Brennern? In der Regel bestimmt der Brennerhersteller die beste Größe für die Einspritzdüsen. Abhängig von der Wasserstoffmenge können geringfügige Modifikationen erforderlich sein. Auch der Druck des Wasserstoffs könnte sich auf die Leistung auswirken. Daher wird empfohlen, ein spezielles Wasserstoffversorgungssystem mit größeren Rohrleitungen zu konzipieren, um das größere benötigte Gasvolumen aufzunehmen, es mit dem gewünschten Druck zu liefern und die gleiche BTU-Einspeisung in den Kessel zu erzielen.

In einigen Fällen sind geringfügige Neukonstruktionen und überdimensionierte Änderungen erforderlich, um etwaige Leistungseinbußen auszugleichen. Wasserstoffkomponenten dürften im Allgemeinen größer und teurer sein.

Einige befürchten, dass die Leichtigkeit von Wasserstoff Sicherheitsprobleme verursachen könnte. Eine Sorge besteht beispielsweise darin, dass sich unverbrannter Wasserstoff aufgrund seines geringen Molekulargewichts in Taschen an der Oberseite des Kessels ansammeln könnte. Auch hier lässt das moderne Design von Kompaktkesseln der Typen D, O und A nur sehr wenig Raum für die Ansammlung von Wasserstoff. Aus Sicherheitsgründen können jedoch Spülzyklen vorgeschrieben sein. Dadurch wird unverbrannter Wasserstoff leicht entfernt, um jegliche Explosionsgefahr auszuschließen.

Nehmen wir den Fall eines theoretischen Kompaktkessels, der mit etwa 600 PSIG und 750 °F läuft und 100.000 Pfund pro Stunde verarbeiten kann. Der Wirkungsgrad wird bei Wasserstoff (weniger als 80 %) bei hohem Heizwert (HHV) geringer sein als bei Erdgas (84 %). Aber das kann irreführend sein. Bei einem niedrigen Heizwert (LHV) stieg die Wasserstoffeffizienz auf fast 95 %, während Erdgas bei LHV nur 93 % beträgt. Wichtig ist zu wissen, ob es sich um HHV- oder LHV-Nummern handelt. Verwirrung könnte zu Missverständnissen und Fehleinschätzungen führen.

In der Praxis wirken sich diese HHV- und LHV-Unterschiede auf die Kesseleigenschaften und die Leistung aus. Beispielsweise hätte überhitzter Dampf aus Wasserstoff in unserem theoretischen Kesselbeispiel eine Dampftemperatur von 730 °F. Derselbe Kessel, der nur mit Erdgas betrieben wird, hätte überhitzten Dampf bei 750 °F. Dies ist auf den geringeren Massenstrom an Wasserstoff zurückzuführen. Möglicherweise sind geringfügige Designänderungen erforderlich, um dem Kessel mehr Heizflächen hinzuzufügen, um die Dampftemperatur auf den Designwert zu erhöhen.

Über den Einfluss von Wasserstoff auf den NOx-Gehalt ist viel gesagt worden. Viele sagen, dass Wasserstoff die NOx-Zahlen deutlich erhöhen wird. Doch einige Experten stellen dies in Frage.

Gehen wir vorerst davon aus, dass NOx als Nebeneffekt der höheren Flammentemperatur von Wasserstoff tatsächlich höher sein wird. Dies ist nicht der Fall, wenn Wasserstoff in kleinsten Mengen zugeführt wird. Aber über 5 % Wasserstoff führt zu einem höheren NOx-Ausstoß als bei normalem Erdgas. Zum Ausgleich müssen Abhilfemaßnahmen ergriffen werden.

Als Methoden gelten die Rauchgasrückführung (FGR) und die selektive katalytische Reduktion (SCR). Für FGR wäre der in einem Kessel mit 100.000 Pfund pro Stunde verwendete Zwangszugventilator tatsächlich kleiner als für Erdgas. Der Erdgasventilator würde etwa 350 PS leisten, während ein Ventilator für wasserstoffreiches Gas nur etwa 250 PS leisten müsste.

Warum ein weniger leistungsstarker Lüfter? Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird im Vergleich zu Erdgas weniger Verbrennungsluft benötigt.

Beachten Sie jedoch, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff der Wassertaupunkt des Rauchgases ansteigt. Kalte Teile des Kessels, die mit Rauchgas in Kontakt kommen, führen zu höherer Kondensation. Planer sollten sich dieses Phänomens bewusst sein und sicherstellen, dass Abflüsse und Trocknungsmaßnahmen bei Bedarf umgesetzt werden.

Die Befeuerung von Kesseln mit einem gewissen Wasserstoffgehalt ist alles andere als ein neues Konzept. Petrochemie- und Öl- und Gasbetriebe tun dies bereits seit Jahrzehnten, da bei ihren Prozessen häufig Wasserstoff als Nebenprodukt entsteht.

Eine Chemiefabrik in Texas beispielsweise wird seit mehr als 15 Jahren mit Wasserstoff betrieben. Seine 250.000-lb/h-Kompaktdampferzeuger liefern Dampf mit 1300 psig/950 °F. Die Kessel verbrennen Erdgas, Cracker-Restgas und Abgas, das unterschiedliche Mengen an Wasserstoff enthält. Der Wasserstoffgehalt beträgt etwa 8,5 % oder weniger. Die Kesselsteuerung regelt den Luft- und Brennstoffstrom. Der SCR wird verwendet, um die Einhaltung der Emissionsvorschriften sicherzustellen.

Somit ist Wasserstoff im Kesselbetrieb nichts Neues. Mit steigendem Wasserstoffgehalt können jedoch einige Änderungen in Design, Betrieb und Wartung erforderlich sein.

Die gute Nachricht ist, dass aktuelle Kessel tendenziell konservativ ausgelegt sind und daher wahrscheinlich gut für die Verbrennung größerer Mengen Wasserstoff geeignet sind.

Gerardo Lara ist Vice President Fired Boiler Sales bei Rentech Boiler Systems, Inc. aus Abilene, TX. Weitere Informationen finden Sie unter www.Rentechboilers.com