Pilot oxyfuel verbranding voor branders van process fornuizen oor afvang van CO2

Aanleiding

Voor het verduurzamen van grote hoge temperatuur industriële processen, zoals ethyleen kraakfornuizen of stoom methaan reforming fornuizen, is het nodig om CO2 af te vangen. Oxyfuel verbranding is de aanduiding voor het proces waarbij een brandstof met zuivere zuurstof wordt verbrand.

Doordat de rookgassen vrijwel alleen maar CO2 en water bevatten, is de CO2 eenvoudig te drogen en vervolgens permanent op te slaan in bijvoorbeeld oude gasvelden (Porthos). De productie van zuivere zuurstof met bijvoorbeeld een luchtscheidingsinstallatie kost veel energie. Bij elektrolyse van water ontstaat naast waterstof ook zuivere zuurstof. Dit is een goede zuurstofbron voor verbrandingsprocessen (oxyfuel verbranding).

Bij de productie van groene waterstof door elektrolyse wordt voor elke kg geproduceerde waterstof 8 kg zuurstof geproduceerd, die meestal naar de omgeving wordt geventileerd. Deze zuurstof is een kosteneffectieve bron die gebruikt kan worden voor oxyfuel verbranding bij industriële hoge temperatuur processen. Voor oxyfuel verbranding in procesfornuizen is een speciale thermodynamische cyclus uitgedacht.

Doelstelling

In het verleden hebben operators van procesovens (zoals Total Petrochemicals, SKY NRG) belangstelling getoond voor het toepassen van oxyfuel firing in hun ovens. Verder hebben leveranciers van elektrolyzers (zoals Rely) belangstelling om toepassingen voor zuurstof van elektrolyzers te ontwikkelen.

In dit pilotproject wordt oxyfuel verbranding ontwikkeld met 100% zuurstof als oxidant en recycling van verbrandingsgassen. Na de pilot tests is de ontwikkelde technologie direct beschikbaar voor toepassing in industriële procesfornuizen. Hiervoor zijn de volgende activiteiten voorzien:

1. Ontwerpen en aanpassen van een bestaande brander testpilot voor het testen met zuivere zuurstof oxidant en recycling van verbrandingsgassen.
2. Toepassen van een uniek mengsysteem van zuurstof met verbrandingsgas, zodat er nooit een explosief zuurstof-gas mengsel in leidingen kan voorkomen.
3. Ontwikkeling en pilot test van een steam methane reformer fornuis LSV brander voor oxyfuel verbranding.
4. Ontwikkeling en pilot test van een ethyleen kraakfornuis LSV brander voor oxyfuel verbranding.

Korte omschrijving

Dit pilotproject omvat het aanpassen van een brander testpilot en brander, en het beproeven van een industriële LSV® brander die flexibel functioneert met 100% zuurstof met recycling van verbrandingsgassen tot 100% lucht als oxidant en geschikt is voor toepassing in kraakfornuizen of stoom methaan reforming fornuizen.

De brander wordt dusdanig aangepast dat de zuurstof op het laatste moment in de brander wordt toegevoegd. Dit heeft als voordeel dat er geen risico ontstaat op explosieve zuurstof – recycle gas mengsels met eventuele koolwaterstoffen. Hierdoor ontstaat een uniek branderontwerp.

Door middel van proeven wordt het effect van de hoeveelheid zuurstof in de oxidant (35%, 30%, 25% en 20% zuurstof) op de volgende parameters bepaald:

• Warmteverdeling van de vlam
• Vlamlengte
• NOx emissie
• Temperatuurprofiel in de brander ter controle van gebruikte brandermaterialen
• Controle van de temperatuur van brandstofinjectie nozzles

Indien nodig worden de brandstofinjectie nozzles in de brander aangepast om een juiste vlamlengte en warmteverdeling over de hoogte van het fornuis te krijgen.

Resultaat

Operators van grote ethyleen kraakfornijzen en steam reforming fornuizen zijn op zoek naar een branderontwerp dat geschikt is voor verbrandingslucht tot 100% oxyfuel als oxidant in combinatie met verbrandingsgasrecycling. De warmteverdeling van de vlam over de hoogte van het fornuis moet passen bij de benodigde chemische reactie warmte van het proces.

Het oxyfuel brandersysteem is veilig bij lekkage van brandbaar gas uit een verwarmingsbuis, waarbij onverbrand gas in het verbrandingsgas komt. Het mengsysteem van zuurstof met verbrandingsgas wordt daarom zodanig ontworpen dat er nooit een explosief zuurstof-verbrandingsgas mengsel in een leiding kan ontstaan. Dit zuurstofmengsysteem wordt in de pilot gedemonstreerd.