27 августа 2022 в 16:31

Водородсодержащий газ

Переход на сжигание водородсодержащих газов (ВСГ, HCG) - один из способов снижения выбросов CO2 в атмосферу.

Водородсодержащий газ (Hydrogen containing gas) - это газ с высоким содержанием водорода (10% и выше), который образуется в техпроцессах:

каталитического риформинга нефти;
газификации угля;
коксовании угля;
метан угольных пластов (МУП) тоже может быть водородсодержащим;
химическое метанирование водорода с последующим использованием в газораспределительных сетях.

При стабильно невысоком уровне метана (CH₄) содержание водорода в таком газе изменчиво.
Некоторые характеристики процесса горения значительно изменяются в зависимости от состава водородсодержащего газа.

Переход на сжигание водородсодержащих газов (ВСГ, HCG) - один из способов снижения выбросов углекислого газа в атмосферу.

Технология химического метанирования водорода:

возможна в промышленном масштабе;
не требует особых условий;
при постоянном применении технологии в природный газ можно добавлять до 10% водорода.
технические проблемы:

необходимая совместимость компонентов газовой сети с водородом,
пригодность подземных хранилищ газа (ПХГ) и распределение водорода в сети,
взрывозащита.

Исследователи отмечают следующие эффекты, связанные с сжиганием водорода:

цвет пламени меняется по мере увеличения концентрации водорода в топливном газе. Цвет меняется с синего на бесцветный при переключении с 90% на 100% водорода;
скорость сгорания водорода выше, чем у природного газа. Скорость распространения ламинарного пламени водорода в 10 раз выше, чем у природного газа;
пределы взрывоопасной концентрации водорода выше, чем у природного газа;
у водорода более низкая энергия активации пламени;
плотность водорода значительно ниже, чем у природного газа;
индекс Воббе водорода существенно не отличается от показателя природного газа.

Основные характеристики метана и водорода

Характеристики	Метан СН₄	Водород Н₂
Объемная наименьшая теплота сгорания при нормальных условиях, МДж/нм³	35,9	10,8
Объемная максимальная теплота сгорания при нормальных условиях, МДж/нм³	40,0	12,8
Плотность при нормальных условиях, кг/нм³	0,717	0,09
Относительная плотность	0,55	0,07
Массовая наименьшая теплота сгорания, МДж/кг	50	120
Объемный наименьший индекс Воббе при нормальных условиях (WI), МДж/нм3	48,2	40,7

Сравнение с природным газом:

объемная теплота сгорания водорода в 3,4 раза меньше;
плотность водорода в 8,3 раза меньше;
массовая теплота сгорания водорода в 2,4 раза превышает;
объемная максимальная теплота сгорания метана на 11,42% выше;
объемная максимальная теплота сгорания водорода на 18,5% выше;
объемный индекс Воббе водорода на 18% ниже, чем объемный индекс Воббе природного газа.

Смешивание водорода с природным газом приведет к снижению индекса Воббе топливного водородсодержащего газа.

Индекс Воббе (WI):

основной, международно признанный критерий взаимозаменяемости газообразного топлива;
число Воббе (WI) определяется как отношение объемной теплоты сгорания топливного газа к квадратному корню из относительной плотности газа при нормальных условиях;
число Воббе характеризует тепловую мощность и аэродинамические параметры горелочного устройства при постоянном давлении;
этот критерий был сформулирован в 1927 г. итальянским инженером А. Воббе;
WI учитывает изменение теплоты сгорания газа и плотности при изменении состава газа, который сгорает в атмосферных условиях, т.е. близких к нормальным (0°C) или стандартным условиям, поэтому это является критерием взаимозаменяемости газообразного топлива для устройств, работающих при давлениях и температуры, близкие к атмосферным.
если в устройство, предназначенное для сжигания природного газа, подается другой химический состав, который имеет тот же индекс Воббе, то процесс горения, а также концентрация оксидов азота в топливных газах не должны меняться;
малое отличие индекса Воббе водородсодержащих газов и чистого водорода от значений индекса Воббе для природного газа семфорит о возможности использования горелочные устройства, предназначенные для сжигания природного газа, могут быть использованы для сжигания водородсодержащих газов. Допустимая доля водорода в водородсодержащих газах будет зависеть от конкретной конструкции горелочного устройства.

Модернизация существующих котлов для сжигания водородсодержащих газов

горелочное устройство потребует замены или модернизации при сжигании водородсодержащих газов с высокой концентрацией водорода.

горелочное устройство, приспособленное для сжигания водорода, должно быть оснащено :

системой обнаружения обратного пламени,
защитой от распространения пламени вверх по потоку;

система подготовки водородсодержащих газов должна иметь специальную систему контроля состояния оборудования и газопроводов;
газопроводы и запорная и регулирующая арматура должны быть изготовлены из материалов, исключающих водородное охрупчивание;
перепроектировать систему подготовки топливного газа - разработать устройство для смешивания водорода и природного газа;
разработать автоматизированную систему продувки газопровода;
модернизация АСУ котлом;
поперечные сечения газопроводов и оборудования системы подготовки топливного газа (фильтры, запорная и регулирующая арматура, теплообменники) должны быть увеличены по отношению к поперечному сечению газопроводов, предназначенных для работа на природном газе. это вызвано тем, что теплота сгорания водорода значительно ниже, чем объемная теплота сгорания природного газа.

Сжигание ВСГ в ГТУ

В отличие от котельных, которые сжигают газ при низком давлении, в ГТУ газ сжигается при повышенных значениях давления и температуры на входе в КС.
В современных газотурбинных двигателях температура топливного газа на входе в камеру сгорания достигает 250°С, давление составляет 6 МПа.
Плотность газа на входе в камеру сгорания пропорциональна плотности газа при нормальных условиях, давлению газа перед КС и обратно пропорциональна температуре газа.
Для каждой газотурбинной установки (ГТУ) существует допустимый диапазон изменений теплоты сгорания и числа Воббе топливного газа. Например, для ГТД SGT5-2000E:

максимальное значение массовой теплоты сгорания топливного газа составляет 50 МДж/кг±5%;
массовая теплота сгорания VSG выше, чем у природного газа (49 МДж / кг), и смешивание водорода с природным газом увеличит массовую теплоту сгорания топливного газа. При максимальной массовой теплотворной способности 52,5 МДж/кг максимально допустимая объемная концентрация водорода в топливном газе составит 0,27 (27 %);
число Воббе топливного газа будет уменьшаться при смешивании водорода с природным газом, поскольку значения объемного числа Воббе ниже, чем у природного газа (48,1 МДж/м³);
минимальное значение объемного наименьшего числа Воббе водородсодержащего газа для ГТД SGT5-2000E составляет 37,5 МДж/м³.
зависимость числа Воббе от концентрации водорода имеет минимум, когда значение концентрации водорода в ВСГ составляет 0,84. Минимальное значение числа Воббе составляет 38,44 МДж/м3, что превышает минимально допустимое значение для водородсодержащего газа.
вывод: для SGT5-2000E GTU объемное число Воббе ВСГ не является ограничивающим фактором. Ограничивающим фактором для него является значение максимальной массовой теплоты сгорания ВСГ.

С увеличением объемной теплоты сгорания и числа Воббе топливного газа при прочих равных условиях (подвод тепловой энергии, давление и температура подаваемого газа) динамическое давление газовых струй уменьшается, что приводит к изменению аэродинамики топливного газа в газовых форсунках КС. Это вызывает изменение интенсивности и равномерности смешивания топливного газа и воздуха в камере сгорания ГТД.
Поэтому, при использовании газа с числом Воббе, которое отличается от исходного, можно сохранить значение динамического напора газовых струй в КС путем изменения уровня давления или температуры газа перед ним, чтобы фактическое число Воббе оставалось постоянным.
В случае поступления в ГТУ газа с объемной теплотворной способностью, превышающей объемную теплотворную способность трубопроводного природного газа, необходимо: