H2 Safety #3 Kocioł wodorowy – kontrolowane spalanie wodoru w czystym tlenie

Udostępnij:

Kocioł wodorowy SES Hydrogen jest odpowiedzią na potrzeby zmieniającego się sektora energetyki cieplnej w Polsce i Europie, który jak pozostałe obszary gospodarki staje w obliczu wyzwania dekarbonizacji i zwiększenia udziału OZE w produkcji ciepła użytkowego. W polskich ciepłowniach dominują przestarzałe urządzenia i systemy, które wymagają natychmiastowej modernizacji. Jej kierunek pozostaje jednak niesprecyzowany.

Dlatego w trzeciej odsłonie serii H2 Safety Aleksandra Tracz-Gburzyńska porusza temat kotła wodorowego, który dzięki swoim cechom technologicznym i eksploatacji źródeł odnawialnych jest gwarantem zeroemisyjności procesu wytwarzania ciepła.

Kocioł wodorowy – podstawy procesu spalania

Wodór w świetle dziennym w czystej atmosferze spala się bladoniebieskim, niemal niewidzialnym płomieniem* i nie emituje światła widzialnego ani dymu. Co istotne, promieniowanie słoneczne może dodatkowo przyćmić widoczność płomieni wodorowych. Produktami spalania wodoru w powietrzu są woda/para wodna oraz energia cieplna. W porównaniu z innymi paliwami wodór ma wyższą adiabatyczną temperaturę płomienia dla mieszaniny stechiometrycznej* w powietrzu. Wynosi ona ~2130°C.

*Mieszanina stechiometryczna jest mieszaniną, w której zarówno paliwo, jak i utleniacz są w pełni zużywane (tj. całkowite spalanie) z wytworzeniem produktu(-ów) spalania. Na przykład dwa dwuatomowe gazy: wodór (H2) i tlen (O2) mogą łączyć się, tworząc wodę jako jedyny produkt egzotermiczny reakcji.

* Płomień (wodorowy) – strefa spalania gazu, z której emitowane jest światło i ciepło.

By nastąpiła reakcja spalania, wodór musi zostać zmieszany z wystarczającą ilością utleniacza, tak aby powstała mieszanina palna. Mieszanina o optymalnym lub stechiometrycznym stosunku reagentów zapewnia, że wszystkie składniki paliwa i utleniacza mogą się całkowicie spalić, wytwarzając produkty reakcji oraz ciepło. Dla przykładu, dwie cząsteczki wodoru reagują z jedną cząsteczką tlenu, tworząc dwie cząsteczki wody. W ujęciu objętościowym jest to mieszanina dwóch części wodoru (67%) z jedną częścią czystego tlenu. W przypadku mieszaniny wodoru z powietrzem, w której obecny jest dodatkowy azot, stosunek stechiometryczny mieszaniny wynosi 29,5% wodoru.

Mieszanki niestechiometryczne, które są bogate w paliwo (więcej paliwa niż jest to konieczne dla optymalnej reakcji) lub ubogie w paliwo (mniej paliwa niż jest to wymagane do optymalnej reakcji) mogą również podtrzymywać spalanie, ale nie wszystkie reagenty będą zużywane. Dla danego zestawu reagentów i określonych warunków (na przykład temperatura i ciśnienia), spalanie jest ograniczone do określonego zakresu składu mieszanki. Granicami tego składu mieszanki są granice palności.

Do zapłonu wodoru dochodzi, jeśli jego zawartość w powietrzu jest poniżej Górnej Granicy Palności (UFL) i powyżej Dolnej Granicy Palności (LFL) oraz jeśli obecne jest efektywne źródło zapłonu. Zakres palności wodoru jest znacznie szerszy w porównaniu z węglowodorami, tj. 4 do 77 obj. % [wg ISO/TR 15916:2015(E)] w mieszaninie z powietrzem w *NTP, a jeszcze szerszy jest zakres palności wodoru spalanego w czystym tlenie, tj. 4,1 do 94 obj. % w mieszaninie z O2 w NTP [wg ISO/TR 15916:2015(E)].

*NTP – Normalna temperatura i ciśnienie (NTP): 293,15 K (20oC) i 101,325 kPa

Kocioł wodorowy – zasady działania

Głównymi cechami wyróżniającymi konstrukcję i ideę działania Kotła wodorowego SES Hydrogen są rodzaj paliwa oraz stosowanego utleniacza, którymi są wodór oraz tlen. Proces spalania i generowania energii cieplnej odbywa się w szczelnym układzie bez dostępu powietrza atmosferycznego. Dzięki temu, przy założeniu dostarczenia do urządzenia wodoru wyprodukowanego z OZE, urządzenie charakteryzuje brak emisji spalin i cząstek NOx, SOx i COx do atmosfery.

Palnik główny podlega pośredniemu zapłonowi mieszaniny wodorowo-tlenowej za pomocą palnika pilotowego, w którym jest spalany w sposób ciągły wodór w tlenie. Palnik pilotowy ma konstrukcję umożliwiającą formowanie i odpowiednie ukierunkowanie profilu płomienia do stref, w których odbywa się przepływ wodoru oraz tlenu w ramach konstrukcji palnika głównego.

Zabezpieczenie procesu spalania i samego urządzenia

Spalanie mieszanki wodorowo – tlenowej w instalacji kotłowej jest procesem kontrolowanym poprzez dozowanie ilości dostarczanego paliwa i utleniacza oraz ich kontrolowany zapłon
– w taki sposób, aby osiągnąć warunki jak najbliższe spalaniu stechiometrycznemu.  Jest to element normalnej pracy takiego układu.  Kotły gazowe niezależnie od rodzaju stosowanego gazu opałowego stwarzają zagrożenie pożarowe i wybuchowe związane m.in. z układem paliwowym, palnikiem i reakcjami zachodzącymi wewnątrz komory spalania. W związku z tym, niezależnie od rodzaju urządzenia niezbędna jest wiedza i wykorzystanie narzędzi minimalizujących ryzyka związane z ich codziennym użytkowaniem.

Dlatego, w celu zapewnienia stabilnej pracy takiego układu stosuje się szereg zabezpieczeń procesowych mitygujących ryzyka towarzyszące technologii spalania kontrolowanego. Są to między innymi:

  • System zarządzania palnikiem – przeznaczony do kontroli całego procesu spalania, który uruchamia i zatrzymuje urządzenie oraz zapobiega jego nieprawidłowemu działaniu. System reaguje na obecność lub brak obecności płomienia w komorze spalania za pomocą jednego lub kilku detektorów płomienia oraz zapewnia bezpieczny rozruch, działanie i wyłączenie palnika w normalnych i awaryjnych warunkach pracy. Każdy palnik powinien mieć nadzorowany
    i monitorowany płomień za pomocą detekcji płomienia i zabezpieczenia samego procesu spalania, które są sprzężone z systemem zarządzania palnikiem.
  • Detektory płomienia – urządzenia zabezpieczające bezpośrednio reagujące na obecność lub brak płomienia. Przekazują sygnał do systemu zarządzania palnikiem.
  • Zabezpieczenia przed cofaniem się płomienia zainstalowane w przewodach zasilających kocioł w tlen i paliwo w celu zatrzymania rozprzestrzeniania się płomienia, odcięcia dopływu paliwa i tlenu, oraz zmniejszenia ciśnienia powstałego w wyniku cofnięcia się płomienia.
  • Przerywacze płomienia – urządzenia uniemożliwiają transmisję płomienia przez palną mieszaninę paliwa i tlenu poprzez zgaszenie płomienia.
  • Zawory odcinające – sąkluczowym elementem kontroli bezpieczeństwa, aby chronić urządzenie przed pożarem i wybuchem. Automatycznie odcinają dopływ paliwa i utleniacza do układu palnika.

Kocioł wodorowy – prawodawstwo

Na chwilę obecną w polskim systemie prawnym nie funkcjonują przepisy techniczno-budowlane ani standardy dedykowane wprost pod obiekty takie jak kotłownie wodorowe. Od strony prawnej mamy do dyspozycji jedyne wymagania ogólne, które przy specyfice naszej instalacji pozostają niewystraczające. Konieczne dla wdrożenia rozwiązań wodorowych w ciepłownictwie jest więc ustanowienie odpowiednich regulacji prawnych. Szczególnie biorąc pod uwagę fakt, iż ostatecznie nasza instalacja kotła wodorowego będzie zasilana w paliwo (wodór) i utleniacz (tlen) pochodzące wprost z elektrolizera. Cały proces spalania będzie się odbywał bez dostępu powietrza.

Na chwilę obecną SES Hydrogen S.A. jest pierwszym podmiotem w Polsce i jednym z kilku pierwszych na świecie, który wprowadza własną technologię instalacji kotła wodorowego. Jako jedni z nielicznych już dziś opracowujemy i wdrażamy standardy bezpieczeństwa oraz wymagania dla infrastruktury kotłowni wodorowej. Standardy te będziemy docelowo stosować na własnych instalacjach, zarówno dedykowanych dla odbiorców komercyjnych, jak i przemysłowych.

Materiał źródłowy:

  1. ISO/TR 15916:2015(E) – Basic considerations for the safety of hydrogen system
  2. Opracowanie własne na podstawie danych wewnętrznych SES HYDROGEN S.A.

Zobacz również

Bądź na bieżąco!

Zapisz się na newsletter: