Chaudières fonctionnant à l'hydrogène : ce qu'il faut savoir

L'hydrogène peut être introduit pour éliminer les émissions de CO du système sans augmenter les risques associés à la conception et au fonctionnement de la chaudière ou du brûleur monobloc.

Par Gérard Lara

La pression environnementale s'est accentuée ces derniers temps. De nombreux pays ont fixé des objectifs de réduction, voire d'élimination, de l'utilisation des combustibles fossiles traditionnels afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre tels que le CO2.

En conséquence, ceux qui utilisent des chaudières monoblocs peuvent s'attendre à une transition au moins partielle au cours de la prochaine décennie du gaz naturel à l'hydrogène. Cela commencera progressivement avec des mélanges qui incluent une petite quantité d'hydrogène. Au fil du temps, le pourcentage augmentera à mesure que les approvisionnements en hydrogène deviendront plus disponibles.

Mais comment cela affectera-t-il exactement la chaudière ? Que doivent savoir les opérateurs de chaudières ? Comment les pratiques de maintenance vont-elles changer ?

La première chose à réaliser est que les chaudières fonctionnent avec succès avec des mélanges d'hydrogène depuis des décennies. Les opérateurs et les fabricants de chaudières ont une grande expérience pour faire face aux différences entre l'hydrogène et le gaz naturel. Mais à mesure que le pourcentage d'hydrogène augmente, des ajustements importants devront être apportés.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur les chaudières monobloc qui sont peut-être le type de chaudière le plus simple dans lequel introduire de l'hydrogène en raison de leur flexibilité et de leur conception simple. Que la chaudière à tubes d'eau monobloc serve de chaudière de secours pour un système de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP), qu'elle soit utilisée pour le chauffage urbain ou qu'elle produise de la vapeur pour générer de l'électricité dans une turbine à vapeur, l'hydrogène peut être introduit pour éliminer les émissions de CO du système sans augmenter les risques associés à la conception et au fonctionnement de la chaudière monobloc ou du brûleur.

L'hydrogène a des caractéristiques sensiblement différentes de celles du gaz naturel. C'est une molécule beaucoup plus légère que le méthane avec une valeur BTU inférieure par unité de volume. Le gaz naturel a environ cinq fois le pouvoir calorifique par unité de volume. Il faudra donc beaucoup plus d'hydrogène que de gaz naturel. Cela se manifestera de diverses manières. La tuyauterie requise pour l'hydrogène et la station de comptage sera généralement plus grande que celle nécessaire pour le gaz naturel.

En raison de la température de flamme plus élevée de l'hydrogène, la combustion a lieu avec une température de flamme maximale d'environ 4 000 °F par rapport à environ 3 600 °F pour le gaz naturel. Cela conduit à plus de NOx, qui doit être atténué de diverses manières. La température de la flamme introduit donc une légère possibilité de surchauffe. La bonne nouvelle, cependant, est que la plupart des fours modernes utilisent aujourd'hui une construction de paroi à membrane avec des surfaces refroidies à l'eau. Cela signifie qu'ils sont déjà équipés pour faire face à des températures plus élevées sans qu'il soit nécessaire de les modifier.

De plus, les pratiques de conception conservatrices de l'industrie conduisent généralement à des fours légèrement surdimensionnés. Ainsi, ajouter un peu d'hydrogène signifie rarement devoir agrandir le four. Dans le pire des cas, la chaudière devrait être conçue pour avoir un four légèrement plus grand. Et le chauffage avec H2 ajoute un volume supplémentaire au flux de gaz d'échappement par rapport au chauffage au gaz naturel.

Et les brûleurs ? La société de brûleur détermine généralement la meilleure taille pour les injecteurs de carburant. Des modifications mineures peuvent être nécessaires, selon la quantité d'hydrogène. La pression de l'hydrogène pourrait également avoir un impact sur les performances. Par conséquent, il est recommandé de concevoir un système d'alimentation en hydrogène dédié avec une tuyauterie plus grande pour accueillir le plus grand volume de gaz nécessaire et le fournir à la pression souhaitée et obtenir le même apport en BTU à la chaudière.

Dans certains cas, une légère refonte et des modifications surdimensionnées seront nécessaires pour compenser tout impact sur les performances. Les composants hydrogène, en général, sont susceptibles d'être plus gros et plus chers.

Certains s'inquiètent de la légèreté de l'hydrogène causant des problèmes de sécurité. Une préoccupation, par exemple, est que l'hydrogène non brûlé pourrait s'accumuler dans des poches au sommet de la chaudière en raison de son faible poids moléculaire. Encore une fois, la conception moderne des chaudières monoblocs des styles D, O et A laisse très peu de place à l'accumulation d'hydrogène. Par mesure de sécurité, cependant, des cycles de purge peuvent être obligatoires. Cela éliminera facilement tout hydrogène non brûlé pour éliminer tout risque d'explosion.

Prenons le cas d'une chaudière théorique emballée fonctionnant à environ 600 PSIG et à 750°F qui peut traiter 100 000 livres par heure. L'efficacité sera moindre avec l'hydrogène (moins de 80%) à haut pouvoir calorifique (PCS) par rapport au gaz naturel (84%). Mais cela peut être trompeur. A bas pouvoir calorifique (PCI), le rendement de l'hydrogène s'élève à près de 95 % alors que le gaz naturel au PCI n'est que de 93 %. L'important est de savoir si vous avez affaire à des numéros HHV ou LHV. La confusion pourrait entraîner des malentendus et des erreurs de calcul.

Dans le monde réel, ces différences HHV et LHV ont un impact sur les caractéristiques et les performances de la chaudière. Par exemple, la vapeur d'hydrogène surchauffée dans notre exemple théorique de chaudière aurait une température de vapeur de 730°F. La même chaudière fonctionnant uniquement au gaz naturel aurait de la vapeur surchauffée à 750°F. Tout cela est dû au faible débit massique d'hydrogène. Des modifications mineures de la conception peuvent être nécessaires pour ajouter plus de surfaces chauffantes à la chaudière afin d'augmenter la température de la vapeur à la valeur de conception.

On a beaucoup parlé de l'impact de l'hydrogène sur les niveaux de NOx. Beaucoup disent que l'hydrogène enverra des nombres de NOx beaucoup plus élevés. Mais quelques experts remettent cela en question.

Pour l'instant, supposons que les NOx seront effectivement plus élevés en raison de la température de flamme plus élevée de l'hydrogène. Ce ne sera pas le cas si l'hydrogène est introduit en quantités infimes. Mais au-dessus de 5 %, l'hydrogène poussera les NOx au-dessus de ce qui se produirait avec du gaz naturel ordinaire. Des efforts d'atténuation devront être introduits pour compenser.

La recirculation des gaz de combustion (FGR) et les systèmes de réduction catalytique sélective (SCR) sont les méthodes acceptées. Pour FGR, le ventilateur à tirage forcé utilisé dans une chaudière de 100 000 livres par heure serait en fait plus petit que pour le gaz naturel. Le ventilateur du gaz naturel serait d'environ 350 ch alors qu'un ventilateur pour un gaz riche en hydrogène n'aurait besoin que d'environ 250 ch.

Pourquoi un ventilateur moins puissant ? Moins d'air de combustion est nécessaire dans la combustion de l'hydrogène par rapport au gaz naturel.

Soyez conscient, cependant, que le point de rosée de l'eau des gaz de combustion augmente lors de la combustion de l'hydrogène. Toutes les parties froides de la chaudière en contact avec les fumées formeront des niveaux de condensation plus élevés. Les concepteurs doivent être conscients de ce phénomène et s'assurer que les drains et les mesures d'assèchement sont mis en œuvre au besoin.

L'allumage de chaudières avec une certaine teneur en hydrogène est loin d'être un nouveau concept. Les opérations pétrochimiques, pétrolières et gazières le font depuis des décennies, car leurs procédés produisent souvent de l'hydrogène comme sous-produit.

Une usine chimique au Texas, par exemple, fonctionne avec de l'hydrogène depuis plus de 15 ans. Ses générateurs de vapeur monobloc de 250 000 lb/h fournissent de la vapeur à 1 300 psig/950 °F. Les chaudières brûlent du gaz naturel, du gaz de craquage résiduel et des gaz de dégagement contenant des quantités variables d'hydrogène. La teneur en hydrogène est d'environ 8,5 % ou moins. Le système de contrôle de la chaudière régule le débit d'air et de combustible. Le SCR est utilisé pour assurer la conformité aux émissions.

Ainsi, l'hydrogène n'est pas nouveau dans le fonctionnement des chaudières. Cependant, à mesure que la teneur en hydrogène augmente, certains changements dans la conception, le fonctionnement et la maintenance peuvent être nécessaires.

La bonne nouvelle est que les chaudières actuelles ont tendance à être conçues de manière conservatrice, elles sont donc probablement bien placées pour s'adapter à la combustion de plus grandes quantités d'hydrogène.

Gerardo Lara est vice-président des ventes de chaudières à feu chez Rentech Boiler Systems, Inc. d'Abilene, TX. Pour plus d'informations, visitez www.Rentechboilers.com