La presión ambiental está aumentando. Los países han emitido objetivos para reducir o incluso eliminar el uso de combustibles fósiles tradicionales para reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2. Los fabricantes de equipos originales (OEM) de turbinas de gasoline están respondiendo invirtiendo en hidrógeno (H2) combustión. Están gastando mucho en el desarrollo de combustores y otros componentes que permitirán que las turbinas de gasoline funcionen con mezclas de hidrógeno. Algunos han emitido hojas de ruta sobre cómo eventualmente operarán todas sus flotas con H2. Esto se considera un aspecto clave de los esfuerzos de descarbonización en curso (Figura 1).
“La generación de gasoline pure con un 30 % de hidrógeno por volumen ofrece una reducción del 11 % en CO2”, dijo Richard Saab, gerente de ventas de Siemens Vitality.
Si bien las turbinas de gasoline alimentadas con hidrógeno son una gran noticia, se presta mucha menos atención al impacto del hidrógeno en otras áreas de la cadena de suministro de generación a gasoline, como los generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG). Sin embargo, gran parte de la flota mundial de turbinas de gasoline opera en modo de ciclo combinado con las turbinas conectadas a HRSG. Esos HRSG tendrán que lidiar con factores tales como:
- El hidrógeno tiene una temperatura de llama más alta que el gasoline pure.
- El punto de rocío del agua de los gases de combustión aumenta cuando se quema hidrógeno.
- Las partes más frías del HRSG en contacto con los gases de combustión sufrirán altos niveles de condensación.
- H2 la combustión requiere un mayor volumen de flujo de gasoline de escape que el gasoline pure.
- El hidrógeno presenta problemas de seguridad adicionales que deben abordarse.
“Los fabricantes de calderas tienen décadas de experiencia en el manejo del hidrógeno”, dijo Kevin Slepicka, vicepresidente de HRSG en el fabricante de HRSG Rentech Boiler Techniques. “Los HRSG presentan algunos desafíos adicionales, pero están dentro de las capacidades de la comunidad de proveedores”.
Conceptos básicos de HRSG
Los HRSG son intercambiadores de calor de alta eficiencia que se utilizan para extraer calor de una corriente de gasoline de escape para convertir agua en vapor para su uso en la generación de ciclo combinado, o para producir vapor para su uso en procesos industriales. Consisten en una disposición compleja de tuberías con agua que fluye a través de ellas. Cuando el agua intercambia calor con el gasoline caliente, se convierte en vapor. Los componentes principales dentro del HRSG son el sobrecalentador, el evaporador y el economizador (Figura 2). Los quemadores de conducto generalmente se instalan antes de los sobrecalentadores, mientras que las unidades de reducción catalítica selectiva (SCR) a menudo se implementan para reducir el NO.X niveles
Hay diferencias importantes en la temperatura a través del HRSG. La temperatura del economizador es mucho más baja que la sección del sobrecalentador. El agua alimentada al economizador se precalienta y pasa al evaporador para convertirse en vapor. Como sugiere su nombre, el sobrecalentador se usa para sobrecalentar el vapor que se alimentará a la turbina de vapor.
Cuando se introducen mezclas de hidrógeno en los HRSG que se diseñaron para la combustión de gasoline pure, se deben tener en cuenta ciertos factores. El hidrógeno es una molécula mucho más ligera que el metano. Tiene un valor de Btu más bajo por unidad de volumen: el gasoline pure tiene aproximadamente cinco veces el poder calorífico por unidad de volumen, lo que significa que se necesita un volumen mucho mayor de hidrógeno para el proceso de combustión. Esto impacta en las tuberías y estaciones de medición que alimentan la turbina.
“El hidrógeno tiene un alto poder calorífico relacionado con la masa de 51.600 Btu/libra, así como una densidad que es ocho veces menor que el metano”, dijo Saab.
La temperatura de llama más alta del hidrógeno (aproximadamente 4,000F versus 3,600F) significa NOX se convierte en un problema mayor. Es posible que también sea necesario modificar los quemadores.
Modificaciones HRSG
Las empresas de quemadores como John Zink Hamworthy generalmente determinarán el mejor tamaño para los inyectores de flamable utilizados en el servicio de hidrógeno. Es posible que se necesiten modificaciones menores en los quemadores de conducto HRSG según la cantidad de hidrógeno que se introduzca. También será necesario instalar trenes de válvulas de hidrógeno y elementos de encendido separados debido a las diferencias en el poder calorífico y la presión de suministro (Figura 3).
“Es possible que la presencia de hidrógeno reduzca el rendimiento; esto debe compensarse con mejores quemadores y algunas modificaciones de diseño”, dijo Slepicka. “Como resultado, es possible que los quemadores de conductos HRSG sean más caros que los que se usan en los HRSG a base de gasoline pure”.
Rentech ha proporcionado al menos ocho HRSG a empresas que desean quemar hidrógeno, principalmente plantas químicas que ya tienen un suministro listo en el sitio. Algunos lo usan para producir más energía, otros para vapor de proceso.
“Uno tenía inyectores dedicados ya que la presión period más baja”, dijo Slepicka. “El otro pudo usar los inyectores existentes”.
Señaló que los sobrecalentadores funcionarán un poco más fríos debido a toda el agua que se condensa en el HRSG. Esto afecta la transferencia de calor en el sobrecalentador. Por lo tanto, aquellos que manejan una turbina de vapor pueden notar un impacto en el rendimiento en comparación con el gasoline pure. Esto debe tenerse en cuenta. Si se trata de una nueva planta de ciclo combinado, la turbina de vapor debe tener un tamaño mayor para generar la misma cantidad de energía que una instalación 100% de gasoline pure.
En el lado del escape, tenga en cuenta que el hidrógeno requiere un volumen mucho mayor de gasoline para pasar a través de la turbina. El HRSG, por lo tanto, debe diseñarse para evitar exceder la presión de diseño de la carcasa. Una mayor caída de presión también puede ser un issue en el rendimiento reducido.
Preocupaciones de seguridad y emisiones
El rango de explosión más amplio, la energía de ignición más baja y la ligereza de la molécula de hidrógeno en comparación con el gasoline pure plantea algunas preocupaciones de seguridad. Cualquier hidrógeno no quemado se elevará hasta la parte superior del HRSG y puede acumularse en bolsas. Los diseños modernos de HRSG generalmente dejan poco espacio para la recolección de gasoline. Sin embargo, es posible que se requieran ciclos de purga para eliminar el riesgo de explosión. Cualquier instalación que queme hidrógeno también debe instalar tecnologías de detección de hidrógeno para detectar los primeros signos de fuga.
El agua y la condensación son otros problemas. El punto de rocío del agua aumenta cuando se dispara hidrógeno. Por lo tanto, las partes frías del HRSG en contacto con los gases de escape formarán condensación, especialmente en la parte trasera del HRSG. Los diseñadores deben ser conscientes de este fenómeno y asegurarse de que se implementen drenajes y medidas de secado según sea necesario.
En cuanto a las emisiones, la principal preocupación es NOX. Las primeras experiencias con combustión basada en hidrógeno y HRSG indican que NOX los números serán más altos debido a la temperatura más alta de la llama del hidrógeno. Esto será insignificante si el hidrógeno permanece en el 5% por volumen de la mezcla complete de flamable, dijo Slepicka. Por encima de eso, NOX aumentará y se necesitarán medidas de mitigación.
Los sistemas SCR ya están presentes en muchos HRSG. Una vez que los gases calientes se movieron a través del HRSG y convirtieron el agua en vapor, deben mezclarse con amoníaco antes de liberarse a la atmósfera para garantizar el cumplimiento de las emisiones.
Historia de HRSG de Hydrogen
Resulta que el hidrógeno no es nada nuevo en las calderas compactas y los HRSG. Las calderas compactas han funcionado con alguna mezcla de hidrógeno durante décadas. Por ejemplo, la refinería Port Arthur de Valero en Texas, que produce más de 100 millones de pies3/día de hidrógeno de alta pureza, ha incorporado una planta de ciclo combinado con turbina de gasoline GE Body 7EA de 80-MW. El HRSG está diseñado para la quema de conductos suplementarios de hasta 550 000 lb/h y con una velocidad de rampa de 60 000 lb/h por minuto. Una planta de hidrógeno con reformador de metano con vapor (SMR) está integrada en la instalación para proporcionar vapor adicional. Los gases de escape de las turbinas de gasoline son utilizados por el HRSG y el SMR. Una turbina de vapor de autoextracción/contrapresión de 20 MW produce energía y exporta vapor a dos presiones diferentes.
“En los próximos años, se requerirá que los HRSG funcionen con hidrógeno con una frecuencia cada vez mayor”, dijo Slepicka.
Actualizar o reemplazar
Los nuevos HRSG siempre deben diseñarse para tener en cuenta la posible presencia de hidrógeno. ¿Quién quiere comprar un HRSG y descubrir dos años después que requiere una modificación extensa para tolerar las mezclas de hidrógeno? Debe incluirse espacio para un SCR como parte de esto. Como emisiones de NOX aumentará a medida que se agregue más hidrógeno, se debe dejar espacio en los nuevos diseños de HRSG donde se puede agregar un SCR en el futuro, si es necesario.
“Aquellos que quieran quemar hidrógeno en el futuro deben configurar el HRSG por adelantado”, dijo Saab. “Aquellos que reciben un sello de hidrógeno listo, eso puede ayudar con el financiamiento y minimizará los costos. Es mucho más difícil hacerlo después”.
Pero, ¿qué pasa con los cientos de HRSG que ya existen? Algunos tienen décadas. Para poder operar con mezclas de hidrógeno, muchos requerirán una modificación sustancial para operar de manera eficiente. En el peor de los casos: puede ser más fácil reemplazar un HRSG antiguo por uno diseñado específicamente para la combustión de hidrógeno. Particularmente a la luz del hecho de que los OEM de turbinas de gasoline tienen la intención de introducir más y más hidrógeno en sus turbinas (siendo el 100 % el objetivo closing), los HRSG más nuevos deben especificarse para hacer frente al hidrógeno y los más antiguos deben evaluarse en función de la mejor curso entre modernizar y reemplazar.
“Reequipar un SCR en los HRSG existentes sería un gran desafío”, dijo Slepicka. “Si un HRSG más antiguo necesita muchas modificaciones, podría ser mejor reemplazarlo. En cualquier caso, muchas de estas unidades están llegando al closing de su vida”.
—Archie Robb es un escritor con sede en el sur de California que se especializa en energía, tecnología y negocios.
