China: waterstof uit cokesovengas - vooruitzichten? 

Waterstof uit cokesovengas klinkt als een voor de hand liggend idee, toch? Vooral in China, waar cokeschemie niet alleen een industrie is, maar een hele laag van de industriële cultuur. Maar als je je erin begint te verdiepen, besef je dat er iets zit tussen het ‘voor de hand liggende idee’? en echte, kosteneffectieve en veilige praktijk – een kloof. Veel mensen denken meteen aan een pure waterstofstroom en groencertificaten, waarbij ze CO, waterstofsulfide, teer en het feit dat cokesovengas vooral een brandstof is voor de cokesfabrieken zelf, vergeten. Het wegnemen van dit gas betekent dat het hele energieproductiesysteem opnieuw moet worden opgebouwd. Het is misschien de moeite waard om met deze paradox te beginnen.

Niet zomaar een bijproduct: de realiteit van cokesovengas

Werken aan projecten in samenwerking met instellingen alsChengdu Yizhi Technologie Co.(Dit is trouwens hun website,https://www.yzkjhx.ru- een nuttige hulpbron over scheidingstechnologieën), kom je voortdurend hetzelfde verzoek tegen van metallurgen: "Ja, we hebben gas, maar we hebben niet genoeg voor onze eigen behoeften?" En dit is het belangrijkste punt.Cokes gas- geen “afval”, dat simpelweg wacht op verwijdering. Dit is een gekalibreerde energiedrager, die wordt gebruikt om cokesovenbatterijen te verwarmen, steenkool te drogen en soms stoom op te wekken. De samenstelling is ongeveer 55-60% H2, 25-30% CH4, de rest is CO, N2, zware koolwaterstoffen en onzuiverheden. De initiële verwarmingswaarde is belangrijk voor de procescyclus.

Daarom begint het gesprek over waterstof niet met “hoe isoleer je het?”, maar met “hoe kan je de energiebalans compenseren?”. Als je gas neemtwaterstofmoet je iets teruggeven, bijvoorbeeld ovens voor aardgas reconstrueren of warmteterugwinning introduceren. Dit zijn kapitaalkosten die onmiddellijk een deel van de economie van het project opslokken. Bij een van de fabrieken in Shanxi zag ik een poging om een ​​membraanunit te installeren om waterstof rechtstreeks uit het algemene netwerk te selecteren. Het lijkt erop dat alles is berekend, maar er is geen rekening gehouden met schommelingen in de druk en de gassamenstelling bij het wisselen van partijen steenkool. De membranen kookten snel en het project was bevroren. De ervaring is duur, maar onthullend.

En nog iets over de compositie. Naast de drie belangrijkste (H2, CH4, CO) zijn er naftaleen, waterstofsulfide en waterstofcyanide. Elke installatie voor waterstofterugwinning – of het nu drukcyclusadsorptie (PSA) of membranen betreft – vereist een grondige en meertrapsreiniging aan de inlaat. Anders worden de katalysatoren vergiftigd en falen de membranen. Standaardketen: koeling, elektrostatische stofvangers, harsverwijdering en vervolgens ontzwaveling. Het is niet alleen maar “een filter installeren”, het is een hele chemische workshop. En de kosten ervan komen vaak als een verrassing voor klanten die alleen aan de PSA-eenheid dachten.

Technologiekruispunt: PSA, membranen of iets anders?

China is historisch gezien meer aangetrokken tot kortecyclusadsorptie (SCA). De redenen zijn duidelijk: de technologie is bewezen, het maakt het mogelijk om waterstof te verkrijgen met een zuiverheid van 99,999% en hoger, en gaandeweg is het mogelijk om de methaan-waterstoffractie te isoleren. Dergelijke installaties worden bijvoorbeeld ontworpen en geleverd doorChengdu Yizhi Technologie Co., Ltd.— dit ontwerpinstituut opgericht door Huaxi Technology heeft gedegen ervaring op het gebied van gasscheiding. Ik heb hun installaties in bedrijf gezien - ze zijn betrouwbaar, maar vereisen een goede werking. Centraal hierbij staat de juiste keuze van adsorbentia voor een specifieke gassamenstelling en de mogelijkheid om met restgas (raffinaat) te werken.

Maar CCA is geen wondermiddel. De installatie is omvangrijk, energie-intensief (compressoren zijn nodig om druk te creëren) en vereist hoogwaardige automatisering om kleppen te schakelen. Voor kleine gasstromen kan het onredelijk duur zijn. Dit is waar membraantechnologieën een rol gaan spelen. Ze zijn compacter en gemakkelijker te bedienen, maar er is een nuance: de zuiverheid van waterstof aan de uitgang overschrijdt zelden in één keer 99% en is sterk afhankelijk van de druk en samenstelling van de grondstof. Voor veel toepassingen – bijvoorbeeld voor hydrotreating in de petrochemische industrie – is dit voldoende. Maar als je ultrazuivere waterstof nodig hebt voor elektronica of brandstofcellen, kun je niet zonder nazuivering.

Een interessante hybride aanpak, die momenteel op meerdere locaties wordt getest, is een combinatie van membraanvoorbehandeling en PSA. De membranen verwijderen bulkwaterstof, waardoor de duurdere adsorptie-eenheid minder wordt belast. Dit lijkt logisch, maar in de praktijk ontstaan ​​er problemen bij het synchroniseren van de werking van twee systemen met verschillende dynamiek. Voorlopig zijn dit eerder pilotoplossingen. Persoonlijk ben ik geneigd te geloven dat de technologiekeuze altijd een compromis is tussen de vereiste productzuiverheid, het beschikbare kapitaal en de kwalificaties van lokaal personeel. Soms is het gemakkelijker en goedkoper om twee fasen membranen met verschillende selectiviteit te leveren dan één complex PSA.

Waar moet deze waterstof worden geplaatst? Markt versus binnenlandse consumptie

Dus isoleerden we waterstof. En wat? De eenvoudigste manier is om het in dezelfde fabriek of in een naburige productie te gebruiken. De cokesindustrie heeft zijn eigen hydrogeneringsprocessen, en de olieraffinage heeft zijn eigen hydrobehandelingsprocessen. Dit is de beste optie, omdat de logistiek en de kosten voor compressie en opslag tot een minimum worden beperkt. Maar vaak overstijgt de allocatiecapaciteit de lokale behoeften. Dan rijst de vraag over het betreden van de buitenlandse markt.

En hier begint het moeilijkste deel. De waterstofmarkt in China is net in opkomst. De transportinfrastructuur (pijpleidingen, tankers onder druk) ontbreekt ernstig. De transportkosten over meer dan 200 km kunnen het product niet concurrerend maken in vergelijking met lokaal geproduceerde stoom-methaan-reforming-waterstof. Daarom veel projectenwaterstof uit cokesovengastegenwoordig zijn ze verbonden met de oprichting van lokale clusters: een cokesfabriek + een olieraffinaderij + mogelijk een chemisch bedrijf. Aardrijkskunde is alles.

Een andere potentiële consument is de staalproductie. Er worden experimenten gedaan om waterstof in hoogovens te gebruiken om cokes gedeeltelijk te vervangen. Maar dit zijn technologieën van de toekomst, die nog in de kinderschoenen staan. Een realistischer scenario is om waterstof te sturen om ammoniak of methanol te synthetiseren, als er overeenkomstige productiefaciliteiten in de buurt zijn. Maar ook hier stuiten we weer op de economie: de kosten van waterstof uit cokesovengas zijn, zelfs als we alle zuiveringskosten in aanmerking nemen, lager dan die van aardgas. Dit is zijn belangrijkste troefkaart. Maar dit voordeel kan alleen worden gerealiseerd als er een betrouwbaar en stabiel distributiekanaal in de buurt is.

Economie en valkuilen: wat er niet in presentaties staat

In haalbaarheidsstudies ziet alles er soepel uit: lage grondstofkosten (gas is ‘gratis’), groeiende vraag naar waterstof, overheidssubsidies voor ‘groen’ gas. technologieën. De werkelijkheid is harder. Allereerst is het ?gratis? grondstoffen. Zoals ik al zei, is gaswinning een verlies van brandstof. We moeten rekening houden met de werkelijke opportuniteitskosten van dit gas voor de centrale. Soms blijkt het rendabeler om het cokesovengas zelf als brandstof aan een naburige centrale te verkopen dan te investeren in een dure waterstofscheidingsinstallatie.

Ten tweede de kapitaalkosten. Een volwaardig complex - van reiniging tot compressie - kost tientallen miljoenen dollars. De terugverdientijd is sterk afhankelijk van de uiteindelijke prijs van waterstof, die zeer volatiel is. In de derde plaats de exploitatiekosten. Vervanging van adsorbentia, membranen, reagentia voor het verwijderen van zwavel, energie voor compressie - dit is een constante uitstroom van geld. Ik zag een project waarbij het, vanwege het hoge gehalte aan waterstofsulfide, nodig was om een ​​extra oxidatieve ontzwavelingsfase te installeren, waardoor alle winstgevendheid teniet werd gedaan.

En het grootste struikelblok is stabiliteit. De productie van cokes is cyclisch. Er zijn geplande sluitingen voor batterijreparaties en er zijn schommelingen in de kwaliteit van steenkool. De samenstelling en hoeveelheid gas is niet constant. De waterstofinstallatie moet flexibel zijn en bestand tegen dergelijke schommelingen, en dit is een complexe en dure automatisering. Niet alle technologiefabrikanten houden hier rekening mee bij de verkoop van ‘standaard’ exemplaren. oplossingen. ErvaringChengdu Yizhi Technologie Co.is hier waardevol, juist omdat ze, afgaande op hun projecten, diep verdiept zijn in de specifieke kenmerken van de cokeschemische productie, en geen abstracte installaties aanbieden.

Vooruitblik: is er licht aan het einde van de tunnel?

Ondanks alle moeilijkheden heeft de richting perspectief. Er zijn meerdere chauffeurs. De eerste is het beleid van ‘dubbele koolstofneutraliteit’. in China. Het dwingt ons om te zoeken naar mogelijkheden om onze ecologische voetafdruk te verkleinen.Waterstof uit cokesovengasis het gebruik van een bijproduct om koolstofarme (niet te verwarren met “groene?”) waterstof te produceren. Dit is beter dan het gas affakkelen of zonder zuivering gewoon als brandstof gebruiken. Koolstofkredieten of andere voorkeuren kunnen verschijnen.

De tweede drijfveer is de ontwikkeling van waterstofenergie en mobiliteit in bepaalde regio’s. Als er een netwerk van waterstoftankstations wordt gecreëerd in de provincies Shanxi of Hebei, waar de belangrijkste cokeschemische capaciteiten geconcentreerd zijn, zal de lokale productie uit cokesovengas van strategisch belang worden. Vooralsnog zijn het gerichte initiatieven.

De derde factor is technologisch. Er verschijnen goedkopere en onzuiverheidsbestendige membranen, adsorbentia met een grotere capaciteit en effectieve reinigingsmethoden. Het energieverbruik van het proces wordt verlaagd. Dit verbetert de economie. Maar de fundamentele conclusie, gebaseerd op de praktijk, is deze: succesvol zal niet het project zijn dat simpelweg technisch waterstof extraheert, maar het project dat in eerste instantie is ingebouwd in een alomvattend plan voor de energie- en hulpbronnenvoorziening van het hele industriële cluster, met een doordachte balans en betrouwbare verkoop. Dit is een complexe systeemtaak, en niet alleen de aanschaf van apparatuur. En het lijkt mij dat in deze systematische aanpak de belangrijkste vooruitzichten voor waterstof uit cokesovengas in China liggen.