Numerical analysis of the retrofitting of existing natural gas-fired furnaces with hydrogen in the steel and aluminium sector

The transition to hydrogen oxyfuel combustion stands as a pivotal solution for decarbonizing the industrial sector, offering a cleaner alternative without carbon and nitrogen emissions. This study delves into the transformative impact of hydrogen oxyfuel combustion on the performance of reheating furnaces, specifically focusing on walking beam furnaces utilized in reheating steel slabs. A mathematical model based on Zone Method was developed, which divides the enclosure into number of isothermal surface and volume zones to evaluate the heat transfer dynamics within the furnace. In this comprehensive analysis, four distinct scenarios involving different fuel and oxidant combinations (natural gas/air, natural gas/O2, H2/air, and H2/O2) are investigated. The 1-D Zone model was chosen for its practical advantages as it facilitates the assumption of a plug-flow pattern, eliminating the need for complex 3-D flow pattern evaluations. Radiative properties of combustion flue gas within the furnace atmosphere are meticulously assessed using the weighted-sum-of-grey-gases model. The primary objective was to evaluate overall furnace efficiency and track the evolution of stock temperature profiles for all these scenarios. The findings suggest a remarkable 40% increase in overall efficiency with the transition to H2 oxyfuel combustion. Comparing the baseline natural gas/air scenario with an efficiency of 45%, the H2/O2 scenario indicates an impressive efficiency of approximately 84%. However, the model reveals a crucial consideration that maintaining the same overall rated furnace power during the transition to H2 oxyfuel combustion leads to a substantial increase in the stock's final temperature by 500 K. Consequently, downsizing the furnace rated power becomes imperative to achieve an equivalent stock temperature profile as in the natural gas/air scenario. This study not only underscores the efficiency gains but also emphasizes the need for thoughtful power adjustments for a seamless transition to H2 oxyfuel combustion, paving the way for a greener industrial landscape. Additionally, an in-depth study was carried out to design a reliable and efficient H2 and O2 supply infrastructure for the industrial demonstrators, ensuring a smooth transition to H2 oxyfuel combustion. This involved evaluating the necessary infrastructure changes required for the successful implementation of H2 oxyfuel combustion. This encompasses the design of new pipelines and control valves for transporting H2 and O2 inside the industry. The results reveal that H2 can be transported at a velocity of 60 m/s, three times higher than natural gas transport velocity, owing to its lower density and hence lower hydraulic losses in the pipeline. The velocity upper limit for O2 transport was found to be 15 m/s to constraint the pressure-drop in the pipeline. The H2 supply consists of primary and secondary letdown stations, each containing a couple of control valves to decrease the final pressure to the meet the specifications of the burner itself.

La transizione dalla combustione di gas naturale con aria alla combustione di idrogeno con ossigeno rappresenta una soluzione fondamentale per la decarbonizzazione del settore industriale, offrendo un’alternativa più pulita senza emissioni di carbonio e azoto. Questa tesi approfondisce l’impatto trasformativo della combustione di idrogeno con ossigeno sulle prestazioni dei forni di riscaldo, concentrandosi in particolare sui forni a trave mobile utilizzati per il riscaldo di lastre d’acciaio. È stato sviluppato un modello matematico basato sul ‘Zone Method’, che divide l'involucro in più superfici e volumi isotermici per valutare la dinamica dello scambio di calore all'interno del forno. In questa analisi, vengono esaminati quattro scenari distinti che coinvolgono diverse combinazioni di combustibile e ossidante (gas naturale/aria, gas naturale/ossigeno, idrogeno/aria ed idrogeno/ossigeno). Il modello 1-D è stato scelto per i suoi vantaggi pratici in quanto facilita l'ipotesi di un modello di flusso a pistone, eliminando la necessità di complessità relative ai modelli di flusso 3-D. Le proprietà radiative dei gas di scarico della combustione all'interno dell'atmosfera del forno vengono valutate meticolosamente utilizzando il modello ‘weighted-sum-of-grey-gases’. L'obiettivo principale è valutare l'efficienza complessiva del forno e monitorare l'evoluzione dei profili di temperatura del materiale in questi scenari. I risultati suggeriscono un notevole aumento del 40% dell’efficienza complessiva con il passaggio alla combustione con idrogeno e ossigeno. Confrontando lo scenario di base gas naturale/aria con un'efficienza del 45%, lo scenario H2/O2 vanta un'efficienza significativamente maggiore di circa l'84%. Tuttavia, il modello rivela un’ulteriore considerazione importante: il mantenimento della stessa potenza nominale complessiva del forno durante la transizione con la combustione di H2/O2 porta ad un aumento sostanziale della temperatura finale del materiale di 500 K. Di conseguenza, il ridimensionamento della potenza nominale del forno diventa imperativo per ottenere un profilo di temperatura del materiale equivalente a quello dello scenario gas naturale/aria. Questo studio non solo sottolinea i miglioramenti in termini di efficienza, ma sottolinea anche la necessità di adeguamenti ponderati della potenza per una transizione alla combustione di idrogeno e ossigeno, aprendo la strada a un panorama industriale più verde. Inoltre, è stato condotto uno studio approfondito per progettare un'infrastruttura di fornitura di idrogeno e ossigeno affidabile ed efficiente per dimostratori industriali, garantendo una transizione graduale alla combustione di idrogeno e ossigeno. Ciò ha comportato la valutazione dei cambiamenti infrastrutturali necessari per un'implementazione di successo della combustione di idrogeno e ossigeno. Ciò comprende la progettazione di nuove condutture e valvole di controllo per il trasporto di H2 e O2 all'interno degli impianti di produzione di acciaio e alluminio. I risultati rivelano che l’H2 può essere trasportato ad una velocità di 60 m/s, tre volte superiore alla velocità di trasporto del gas naturale, a causa della sua minore densità e quindi delle minori perdite idrauliche nella tubazione. Il limite superiore di velocità per il trasporto di O2 è risultato pari a 15 m/s per limitare la caduta di pressione nella tubazione. La fornitura di H2 è costituita da stazioni di decompressione primarie e secondarie, ciascuna contenente una coppia di valvole di controllo per diminuire la pressione finale per soddisfare le specifiche del bruciatore stesso.