Caldeiras a hidrogénio: o que precisa de saber

O hidrogênio pode ser introduzido para eliminar as emissões de CO do sistema sem aumentar o risco associado ao projeto e operação da caldeira ou do queimador.

Por Geraldo Lara

A pressão ambiental aumentou ultimamente. Muitos países estabeleceram metas para reduzir ou mesmo eliminar o uso de combustíveis fósseis tradicionais, a fim de reduzir a emissão de gases de efeito estufa, como o CO2.

Como resultado, as caldeiras que operam em pacotes podem esperar pelo menos uma transição parcial na próxima década do gás natural para o hidrogênio. Isso começará gradualmente com misturas que incluem uma pequena quantidade de hidrogênio. Com o tempo, a porcentagem aumentará à medida que os suprimentos de hidrogênio se tornarem mais disponíveis.

Mas como exatamente isso afetará a caldeira? O que os operadores de caldeiras precisam saber? Como as práticas de manutenção mudarão?

A primeira coisa a perceber é que as caldeiras funcionam com sucesso com misturas de hidrogênio há décadas. Operadores e fabricantes de caldeiras têm muita experiência em lidar com as diferenças entre hidrogênio e gás natural. Mas à medida que a porcentagem de hidrogênio aumenta, ajustes significativos terão que ser feitos.

Neste artigo vamos nos concentrar em caldeiras de pacote que são talvez o tipo mais fácil de caldeira para introduzir hidrogênio devido à sua flexibilidade e design direto. Quer a caldeira tubular de água embalada sirva como uma caldeira de reserva para uma combinação de calor e energia (sistema CHP), seja usada para aquecimento distrital ou esteja produzindo vapor para gerar energia em uma turbina a vapor, o hidrogênio pode ser introduzido para eliminar as emissões de CO de o sistema sem aumentar o risco associado ao projeto e operação de caldeiras ou queimadores embutidos.

O hidrogênio tem características significativamente diferentes do gás natural. É uma molécula muito mais leve que o metano com um valor BTU mais baixo por unidade de volume. O gás natural tem cerca de cinco vezes o poder calorífico por unidade de volume. Assim, será necessário muito mais hidrogênio do que gás natural. Isso aparecerá de várias maneiras. A tubulação necessária para o hidrogênio e a estação de medição normalmente será maior do que a necessária para o gás natural.

Devido à temperatura de chama mais alta do hidrogênio, a combustão ocorre com uma temperatura de chama de pico de cerca de 4.000°F em comparação com cerca de 3.600°F para o gás natural. Isso leva a inerentemente mais NOx, que deve ser mitigado de várias maneiras. A temperatura da chama, portanto, apresenta uma pequena possibilidade de superaquecimento. A boa notícia, porém, é que a maioria dos fornos modernos hoje utiliza uma construção de parede de membrana com superfícies resfriadas a água. Isso significa que eles já estão equipados para lidar com temperaturas mais altas sem a necessidade de trocas.

Além disso, as práticas de design conservador da indústria geralmente levam a que os fornos sejam um pouco superdimensionados. Assim, adicionar um pouco de hidrogênio raramente significa ter que aumentar o forno. Na pior das hipóteses, a caldeira teria que ser projetada para ter uma fornalha um pouco maior. E disparar com H2 adiciona volume extra ao fluxo de gás de exaustão em comparação com a queima de gás natural.

E os queimadores? A empresa do queimador geralmente determina o melhor tamanho para os injetores de combustível. Pequenas modificações podem ser necessárias, dependendo da quantidade de hidrogênio. A pressão do hidrogênio também pode afetar o desempenho. Portanto, recomenda-se que um sistema dedicado de abastecimento de hidrogênio seja projetado com tubulação maior para acomodar o maior volume de gás necessário e entregá-lo na pressão desejada e obter a mesma entrada de BTU para a caldeira.

Em alguns casos, um pequeno redesenho e modificações de superdimensionamento serão necessários para compensar qualquer impacto no desempenho. Os componentes de hidrogênio, em geral, provavelmente serão maiores e mais caros.

Alguns se preocupam com a leveza do hidrogênio causando problemas de segurança. Uma preocupação, por exemplo, é que o hidrogênio não queimado pode se acumular em bolsas no topo da caldeira devido ao seu baixo peso molecular. Novamente, o design moderno das caldeiras compactas dos estilos D, O e A deixa muito pouco espaço para o acúmulo de hidrogênio. No entanto, como precaução de segurança, os ciclos de purga podem ser obrigatórios. Isso eliminará facilmente qualquer hidrogênio não queimado para eliminar qualquer risco de explosão.