China: waterstof uit cokesovengas - vooruitzichten? 

Als je “waterstof uit cokesovengas?” hoort, denken veel mensen meteen aan een oud, bijna museumachtig proces. En dit is de belangrijkste misvatting. In feite gaat dit niet over archaïsme, maar over hoe je een tweede leven kunt geven aan een bijproduct dat anders simpelweg in een fakkel zou branden. In China, met zijn enorme hoeveelheden cokesproductie, is deze kwestie lange tijd veranderd van theoretisch naar puur praktisch – en zeer controversieel.

Niet zomaar een zijstroom, maar een grondstofbasis

Afgezien van de mooie presentaties, is de sleutel compositie en consistentie. Cokesovengas is geen aardgas; de samenstelling ervan varieert afhankelijk van het type steenkool, de verkooksingsmethode en zelfs het weer. Het waterstofgehalte kan variëren van 50% tot 60%, maar daarnaast komen ook methaan, koolmonoxide, zware koolwaterstoffen en, cruciaal, zwavel voor. Het eerste waar je in de praktijk mee te maken krijgt is niet ‘waterstofproductie’, maar voorzuivering. Waterstofsulfide, cyanide, naftaleen - dit alles moet worden verwijderd voordat het gas deadsorptie eenheid. Veel projecten struikelen in dit stadium en onderschatten de voorbereidingskosten.

In een van de oude fabrieken in Shanxi probeerden ze bijvoorbeeld direct na de grove reiniging membraanscheiding te installeren. Het idee was snelheid en zuinigheid. Maar de membranen raakten al snel verstopt door achtergebleven harsen, waardoor het project in een diepe stilstand terechtkwam. Ik moest terug naar de klassiekers -drukwisselingsadsorptie(PSA), maar met een serieuzere voorwas? gas Dit zorgde voor extra kapitaalkosten en operationele problemen. Het bleek dat goedkope grondstoffen geen goedkope voorbereiding vereisen.

En hier zie je het verschil tussen alleen een ingenieursbureau en een gespecialiseerd ontwerpinstituut. Het is noodzakelijk om de cokeschemie diepgaand te begrijpen, en niet alleen de gasscheiding. Ik heb projecten gezien waarbij de proceslijn vanuit de oven zelf werd gebouwd, rekening houdend met de cycliciteit van de gasproductie en de temperatuurparameters ervan. Dit is al een ander niveau. Trouwens, een van de weinigen die systematisch in deze smalle niche in China werkt, is dat welChengdu Yizhi Technologie Co.(Hun website isyzkjhx.ru). Ze zijn voortgekomen uit de chemische technologie van Huaxi en benaderen de kwestie, afgaande op hun portfolio, integraal: ze verkopen niet alleen een PSA-eenheid, maar ontwerpen de hele cyclus, van gasacceptatie tot commerciële waterstofproductie. Hun ervaring is juist dat je zonder gedetailleerde grondstoffenstudie niet ver komt.

Economie: waar zit de winst verborgen?

Het belangrijkste argument?voor? - lage grondstoffenkosten. Gas is eigenlijk gratis, het hoeft alleen maar afgevoerd te worden. Maar dit is een valkuil voor beleggers. De belangrijkste kosten zijn kapitaalinvesteringen in zuivering en scheiding, en vervolgens in compressie en opslag van waterstof. Zuivere waterstof uit PSA is nog geen product. Het moet worden afgestemd op de behoeften van de consumentraffinage van olie, productie van ammoniakof opkomendwaterstof energie.

Bij één van de projecten waaraan ik meewerkte, werd alles tot in de puntjes doorgerekend. Het blijkt dat het break-evenpunt sterk afhankelijk is van twee factoren: de stabiliteit van de cokesovenbatterijen (zodat er geen downtime of fluctuaties in het gasvolume is) en de prijs van alternatieve waterstof, bijvoorbeeld uit stoomreforming van methaan. Wanneer de aardgasprijzen laag zijn, zal de hele economie van ?cokes? waterstof stort in. Maar in China is het beleid de afgelopen jaren in de richting gegaan van het diversifiëren van de bronnen en het verkleinen van de ecologische voetafdruk. En hier krijgt waterstof uit bijproductgassen een tweede wind – niet zozeer economisch als wel ecologisch en strategisch.

Nog een nuance: wat te doen met het afgas na waterstofextractie? Het heeft nog steeds een calorische waarde. De meest logische manier is om het terug te sturen naar het energiesysteem van de fabriek om cokesovens te verwarmen of stoom te genereren. Maar dit vereist integratie met de bestaande infrastructuur, en in oude fabrieken is de modernisering ervan een aparte hoofdpijn. Het blijkt een puzzel waarbij technische oplossingen direct van invloed zijn op de economie.

Technologische vorken: PSA, membranen of cryogenica?

Domineert de wereldPSA-technologie. Betrouwbaar, bewezen, stelt u in staat waterstofzuiverheid tot 99,999% te verkrijgen. Maar de installaties zijn omvangrijk, vereisen een complex systeem van kleppen en automatisering, en zijn duur in onderhoud. Chinese fabrikanten, waaronder de eerder genoemde Yizhi Technology, hebben deze apparatuur al lang geleden gelokaliseerd, waardoor de kosten zijn verlaagd. Maar je kunt de natuurkunde niet voor de gek houden: het proces is cyclisch, er gaat waterstof verloren met de afvalstroom (tot 15-25%). Voor grote producties is dit al aanzienlijk.

Membraanscheiding ziet er eleganter uit: compact, minder bewegende delen. Maar zoals ik al zei, het is van cruciaal belang voor de zuiverheid van het inlaatgas. Als er na het reinigen zelfs maar sporen van hogere koolwaterstoffen of aromatische dampen in het cokesovengas achterblijven, faalt het membraan. Ik heb pogingen gezien tot gecombineerde schema's: ruwe reiniging -> membraan (scheiding van het grootste deel van de waterstof) -> afwerking op een kleine PSA. In theorie is het optimaal in termen van kapitaal- en bedrijfskosten. In de praktijk slokte de complexiteit van het beheren van twee ongelijksoortige technologische lijnen vaak alle besparingen op.

Cryogene scheiding is voor zeer grote volumes en gevallen waarin het nodig is om niet alleen waterstof, maar bijvoorbeeld ook ethyleen te scheiden. Voor standaard cokeschemie is dit meestal overbodig. Conclusie? Er bestaat geen universele oplossing. De technologiekeuze is altijd een compromis tussen de zuiverheid van de grondstof, het vereiste volume en de zuiverheid van het product, evenals de bereidheid van de klant voor complexer beheer.

Casus uit de praktijk: een niet voor de hand liggend probleem met ‘droog’ gas

Ik wil graag een niet zo voor de hand liggende fout delen, die de specifieke kenmerken van de grondstof goed illustreert. Na de succesvolle opstart van de PSA-fabriek in één fabriek in Hebei begon na enkele maanden een geleidelijke daling van de productiviteit. Drukken, temperaturen - alles is normaal, de adsorbentia zijn vers. We hebben lang naar de reden gezocht. Het bleek dat tijdens het regenseizoen de vochtigheid van de aangevoerde steenkool voor de verkooksing toenam. Dit beïnvloedde op zijn beurt de samenstelling van het cokesovengas: het waterstofgehalte nam licht af en het CO-gehalte nam toe. Maar het belangrijkste is dat het microklimaat in de werkplaats veranderde en dat er meer atmosferisch vocht in het gasbehandelingssysteem terechtkwam.

De adsorbentia in de pre-PSA-droogunits waren ontworpen voor standaardomstandigheden en dit extra vocht was niet voldoende. Als gevolg hiervan kwam ruw gas de PSA-kolommen binnen en begon het vocht te "vergiftigen?" zeolietadsorbentia die verantwoordelijk zijn voor de fijne zuivering van waterstof. Het probleem werd niet opgelost door dure adsorbentia te vervangen, maar door het inlaatdroogsysteem te verbeteren en de regelgeving afhankelijk van het seizoen te herzien. Kleinigheid? Op papier - ja. In de praktijk zijn er wekenlange stilstand en tonnen productverlies. Dit is dezelfde ‘praktijk’ die niet in leerboeken staat.

Waar te verkopen? De markt dicteert zuiverheid

Het verkrijgen van waterstof is het halve werk. Het moet verkocht worden. En hier rijst de kwestie van zuiverheid. Voor hydrobehandeling in raffinaderijen is 99,9% vaak voldoende. Maar om brandstofcellen of elektronica van stroom te voorzien is een zuiverheid van 99,999% of hoger vereist, met strikte controle op CO, dat een gif is voor katalysatoren. Cokesovengas brengt, zelfs na de meest geavanceerde zuivering, altijd het risico met zich mee van sporen van onzuiverheden van specifieke koolwaterstoffen.

Daarom zijn de meeste bestaande projecten in China specifiek gericht op industriële consumenten in de buurt van de fabriek - dezelfde raffinaderijen of chemische fabrieken. Het bouwen van een infrastructuur voor het transport van gecomprimeerde of vloeibare waterstof is een ander verhaal met een nog steeds twijfelachtig rendement op de investering. Het vooruitzicht wordt gezien in de creatie van lokale clusters: een cokesfabriek – waterstofproductie – een nabijgelegen consumentenbedrijf. Dit verlaagt de logistieke risico’s en kosten.

Het is interessant dat sommige bedrijven, bijvoorbeeld dezelfde Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd., gepositioneerd als een ontwerpinstituut met een maatschappelijk kapitaal van 120 miljoen yuan, kant-en-klare oplossingen aanbieden, inclusief analyse van potentiële markten. Dit is de juiste aanpak, want zonder te begrijpen aan wie en tegen welke prijs je waterstof gaat verkopen, wordt zelfs de technologisch meest geavanceerde installatie een last.

Resultaten: er zijn vooruitzichten, maar ze zijn alledaags

Zijn er dus vooruitzichten? Absoluut ja. Maar dit is geen baanbrekende ‘groene’ technologie van de toekomst, maar een pragmatische, hulpbronnenefficiënte oplossing voor een reeds bestaande gigantische industrie. De drijfveren zijn niet de mode voor waterstof, maar strenge milieunormen (verbod op het affakkelen van bijbehorende gassen) en de economische haalbaarheid van afvalverwerking.

Het belangrijkste potentieel ligt in integratie. Niet in de constructie van individuele ?waterstof? workshops, en in de diepgaande modernisering van het gehele cokes-chemische proces met de waterstofvector als een van de productgebieden. Dit vergt grote investeringen en competenties, die niet iedereen heeft.

Persoonlijk bekijk ik dit met voorzichtig optimisme. De technologie is niet nieuw, de valkuilen zijn bekend. Het succes van het project zal niet zozeer worden bepaald door de keuze tussen PSA of membraan, maar door de kwaliteit van de techniek, de diepgang van de ontwikkeling van de grondstofbasis en nuchtere economische berekeningen die met alles rekening houden - tot aan het seizoensgebonden vochtgehalte van steenkool. Dit is geen terrein voor amateurs. Dit is een baan voor degenen die de cokeschemie van binnenuit begrijpen en klaar zijn om complexe, niet-standaard problemen op te lossen. En gelukkig zijn er al dergelijke spelers op de markt.