Waterstof brander met elektrische luchtvoorverwarming voor proces fornuizen

Aanleiding

Voor het verduurzamen van hoge temperatuur industriële processen zoals ethyleen kraak fornuizen of steam methane reforming fornuizen is het nodig om over te schakelen van fossiele brandstoffen naar duurzame energie zoals 'groene' waterstof of duurzaam opgewekte elektrische energie.

De huidige branders in hoge temperatuur fornuizen zijn niet geschikt voor waterstof als brandstof. Bij hoge temperatuur processen dient de warmtetoevoer over de hoogte van het fornuis overeen te komen met de chemische reactie warmte van het proces. Als de verdeling van de toegevoerde warmte van de brander niet goed past met de warmtevraag, dan kan het fornuis lokaal oververhitten waardoor schade ontstaat en/of de productieopbrengst daalt door overmatige cokesafzetting in de fornuispijpen.

Dit is een grote uitdaging aangezien een variatie van brandstofsamenstelling in het algemeen resulteert in aanzienlijke veranderingen van de warmteverdeling van de vlam. Ook resulteert een variatie van de verbrandingslucht temperatuur in een verandering van de warmteverdeling van de vlam.

Doelstelling

Dit project omvat het aanpassen van een industriële Large Scale Vortex (LSV®) brander in een proefopstelling voor het gebruik van 100% aardgas tot 100% duurzame waterstof brandstof, inclusief gebruik van duurzame elektrische luchtvoorverwarming.

De proefcondities (temperatuur en brandstof enz.) zijn gelijkwaardig aan de condities die in de praktijk kunnen optreden. Verder moet de verbranding een lage NOx-emissie hebben en een warmteverdeling van de vlam die overeenkomt met de warmtevraag van de chemische reacties in ethyleen kraak fornuizen of steam methane reforming fornuizen.

De lage emissie wordt bereikt omdat de gebruikte LSV® brander een uniek ontwerp heeft dat een lage emissie waarborgt. Hierdoor is het mogelijk om waterstof als brandstof te gebruiken zonder dat huidige emissiegrenzen worden overschreden.

De hoeveelheid toegevoerde groene (of blauwe) waterstof alsmede de hoeveelheid toegevoerde groene elektrische energie kan (door netwerkbeheerders) worden aangepast tussen 0 en 100% om overbelasting van het waterstofnetwerk en het elektriciteitsnet te voorkomen. De aanpassing maakt de LSV® brander geschikt om kosten-effectief de broeikasgasemissie te verminderen.

Korte omschrijving

Dit pilotproject omvat het aanpassen en beproeven van een industriële LSV brander die flexibel functioneert met 100% aardgas tot 100% waterstof brandstof met elektrische luchtvoorverwarming en geschikt is voor toepassing in kraakfornuizen en/of steam methane reforming fornuizen.

Door middel van proeven wordt het effect van de brandstofsamenstelling (0%, 50% en 100% groene (en/of blauwe) waterstof) en verbrandingsluchtvoorverwarming (0-400°C) op de branderprestatie gemeten:

• 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 iets aangepast en geoptimaliseerd.

Resultaat

Het resultaat van dit pilotproject is een rapportage over de geschiktheid van de LSV® brander voor 100% aardgas tot 100% (groene of blauwe) waterstof als brandstof in combinatie met elektrische luchtvoorverwarming.

Voor toepassing van de brander in ethyleen kraak fornuizen of steam methane reforming fornuizen is het belangrijk dat de warmtetoevoer over de hoogte van het fornuis overeenkomt met de chemische reactie warmte van het proces. Dit is een grote uitdaging aangezien een variatie van brandstofsamenstelling in het algemeen resulteert in aanzienlijke veranderingen van de warmteverdeling van de vlam.

Tevens moet de verbranding met lage NOx-emissie plaatsvinden. Een hoger waterstofgehalte van de brandstof en een hogere luchtvoorverwarmingstemperatuur resulteren in het algemeen in een aanzienlijke stijging van de NOx-emissie.

De lage emissie wordt bereikt omdat de LSV® brander een uniek ontwerp heeft dat een lage emissie waarborgt. Hierdoor is het mogelijk om waterstof als brandstof te gebruiken zonder dat huidige emissiegrenzen worden overschreden.