China: PSA-waterstof - technologieën en trends? 

Als mensen in China over waterstof praten, denken veel mensen meteen aan elektrolysers of enorme stoomreformers. En overPSA-waterstofvaak gezien als iets secundairs, slechts een schoonmaakstap. Maar in de praktijk, vooral in de afgelopen 5-7 jaar, liggen hier veel subtiliteiten die bepalen of het hele project economisch levensvatbaar zal zijn of niet. Zelf kwam ik situaties tegen waarin reformeren, op papier ideaal, waterstof produceerde, dat vervolgens niet effectief kon worden gezuiverd door een standaard PSA-installatie - en alles ging bergafwaarts.

Niet zomaar een ‘zeef’: waar ze in China echt struikelen met PSA

De grootste fout is om de PSA-technologie (kortedrukadsorptie) te beschouwen als iets gevestigd en universeels. In China zijn de grondstoffen heel verschillend: waterstof uit de reforming van methanol, uit de productie van chlooralkali, uit cokesovengas. De samenstelling van onzuiverheden (niet alleen CO of CO2, maar ook sporen van zwavel, aromaten, vocht) is radicaal anders. Neem "boxed" een oplossing is een directe weg naar problemen. Ik herinner me een project in Shandong, waar als gevolg van onverklaarbare drukschommelingen in de grondstofstroom de adsorbentia ‘vergiftigd’ werden? vele malen sneller dan de geschatte tijd. Als gevolg hiervan daalde de zuiverheid van waterstof al na zes maanden onder de 99,9%, hoewel het contract drie jaar stabiele werking garandeerde.

Het belangrijkste punt is de aanpassing van de adsorbentia en de bedrijfscyclus. Chinese fabrikanten van adsorbentia, zoals ?Xinhua? of ?Jiangsu Huanqiu?, maken goede zeolieten en actieve kool, maar hun selectie is bijna alchemie. Er moet niet alleen rekening worden gehouden met de typische samenstelling, maar ook met mogelijke piekemissies van onzuiverheden die kenmerkend zijn voor een bepaalde hoofdproductie. Vaak bespaarden ze in dit stadium door goedkopere sorptiemiddelen aan te schaffen, en betaalden ze vervolgens te veel voor frequente vervanging en stilstand.

Een andere nuance is automatisering en controle. Moderne Chinese PSA-installaties werken niet langer op pure relaislogica. Maar de implementatie van geavanceerde controle-algoritmen die veranderingen in de samenstelling van grondstoffen voorspellen, komt nog steeds zelden voor. Meestal wordt een harde cyclus gebruikt. Dit brengt uitdagingen met zich mee bij de integratie met hernieuwbare bronnen, zoals wanneer waterstof moet worden gezuiverd van fluxen die gepaard gaan met intermitterende productie via zonne-elektrolyse. Dit is waar het interessant wordt: de trend naar flexibele, ‘slimme’ producten. PSA

Trends: flexibiliteit, integratie en ‘groene’ context

Nu is de belangrijkste drijfveer de zogenaamde ‘groene waterstof’. Maar het is niet voldoende om het door elektrolyse te produceren; het moet effectief worden gezuiverd. Traditionele grote PSA-units zijn ontworpen voor een gestage stroom. En hier kan de stroom springen. Daarom was er vraag naar modulaire en snel herconfigureerbare systemen. Ik zag bijvoorbeeld ontwikkelingen vanChengdu Yizhi Technologie Co.(Hun website isyzkjhx.ru), die zichzelf positioneren als een ontwerpinstituut met ervaring in chemische technologieën. Zij richten zich op het ontwerpen van zuiveringssystemen voor specifieke, ook instabiele, stromen. Dit is niet alleen de verkoop van apparatuur, maar ook turn-key engineering, wat van cruciaal belang is.

Integratie met carbon capture systems (CCUS) is een ander aandachtsgebied. Waterstof uit stoommethaanreforming (SMR) zal nog lang bij ons blijven. En hier gaat PSA niet alleen over het verkrijgen van pure H2, maar ook over het vrijgeven van een geconcentreerde stroom CO2 voor daaropvolgende verwijdering of gebruik. De efficiëntie van deze scheiding en het minimaliseren van waterstofverliezen met de effluentstroom is een aparte technische taak. Sommige fabrieken in China bereiken nu waterstofterugwinningspercentages van meer dan 90% bij een zuiverheid van 99,999%, terwijl ze CO2 produceren bij concentraties van meer dan 95%. Maar dit realiseren onder reële industriële omstandigheden, en niet in een proeffabriek, is een andere uitdaging.

De trend naar decentralisatie is ook van invloed. In plaats van één enorme installatie voor 100.000 Nm3/u worden er meerdere middelgrote of kleine installaties gebouwd, dichter bij de verbruikspunten. Dit verandert de vereisten voor PSA: grotere nadruk op energie-efficiëntie voor kleine installaties, gemak van onderhoud ter plaatse en mogelijk monitoring en diagnostiek op afstand. Ik zag hoe een chemiepark in Zhejiang ter vergelijking drie relatief kleine PSA-systemen van verschillende leveranciers installeerde. De resultaten voor betrouwbaarheid en bedrijfskosten liepen aanzienlijk uiteen.

Praktische barrières en valkuilen

Een van de grootste obstakels zijn de kwalificaties van het onderhoudspersoneel. Complexe meerwegkleppen, gevoelige kleppen die regelmatige controle vereisen, diagnostiek van de toestand van adsorbentia - deze worden niet snel aangeleerd. Vaak kwam ik op locaties tegen dat een team monteurs de hoofdproductie heel goed kent, maar voor hen is de PSA-installatie een black box. Als er een probleem is, worden de monteurs van de leverancier gebeld, wat tot lange stilstand leidt. Sommige bedrijven, waaronder het genoemdeChengdu Yizhi Technologie Co.is het nu verplicht om een uitgebreide cyclus van training op locatie in het contract op te nemen, maar dit is nog geen wijdverbreide praktijk geworden.

Het probleem is de betrouwbaarheid van componenten. Kleppen zijn de zwakste schakel. Chinese fabrikanten hebben al geleerd hoe ze goede adsorbers en regelsystemen kunnen maken, maar hoogfrequente kleppen voor snelle PSA-cycli worden soms nog steeds in het buitenland gekocht of gekopieerd, en dit heeft invloed op de duurzaamheid. Er was een verhaal in een van de ammoniakproductiefabrieken in Sichuan dat het na een jaar gebruik dringend nodig was om de hele partij kleppen op één module te vervangen - ze waren simpelweg niet bestand tegen het berekende aantal cycli.

Het energieverbruik is een vaak over het hoofd geziene factor. PSA heeft energie nodig voor het zuiveren, comprimeren en stofzuigen. Bij het nastreven van hoge zuiverheids- en terugwinningspercentages worden systemen soms ontworpen met een buitensporig aantal fasen of lange cycli, waardoor de bedrijfskosten dramatisch stijgen. De ideale balans tussen zuiverheid, terugwinning en energieverbruik is steeds een compromis dat project per project wordt gezocht.

Case: integratie met methanolproductie

Een goede casestudy is de modernisering van de methanolfabriek in Ningxia. Er was als bijproduct waterstofhoudend gas, dat voorheen eenvoudigweg werd afgefakkeld. We besloten PSA te leveren om het te zuiveren en waterstof terug te voeren naar het methanolsyntheseproces. Het lijkt een typisch project.

Maar het probleem zat in de samenstelling: naast H2, CO, CO2 was er een behoorlijk percentage stikstof en sporen van hogere koolwaterstoffen. Het standaardschema kon het niet aan, de zuiverheid van waterstof was laag en de terugkeer naar de synthesereactor zou de balans kunnen verstoren. Ontwerpers van een instituut verbonden aanHuaxi-technologie(zoals vermeld in de beschrijvingChengdu Yizhi Technologie Co.(ze zijn door dit bedrijf gemaakt) stelde een niet-standaardoplossing voor: een tweetraps PSA. De eerste fase verwijderde het grootste deel van CO2 en zware onzuiverheden, de tweede, met een andere set adsorbentia, fijn gezuiverd CO en stikstof. Ik moest sleutelen aan het opzetten van de cycli om waterstofverlies te minimaliseren.

Hierdoor kon na de lancering en de inloopperiode een stabiele aanvoer van waterstof met een zuiverheid van 99,99% worden gerealiseerd en de totale methanolopbrengst met enkele procenten worden verhoogd. Maar het belangrijkste is dat de installatie zichzelf niet in de geschatte vier jaar heeft terugverdiend, maar in bijna zes jaar. Waarom? Ze hielden geen rekening met de hogere kosten van het in stand houden van een complexer systeem en de noodzaak van frequentere analyses van de samenstelling van grondstoffen om het regime aan te passen. Dit is een typisch verhaal: alles is perfecte techniek, maar de economie loopt mank vanwege niet-berekende bedrijfskosten.

Vooruitkijkend: wat zal er met PSA in China gebeuren?

Ik denk dat we de komende jaren geen revolutie zullen zien, maar een evolutie. De focus verschuift van ?het produceren van zoveel mogelijk zuivere waterstof? om “het zo goedkoop en stabiel mogelijk te produceren onder specifieke omstandigheden?”. Dit betekent een toename van de vraag naar maatwerkoplossingen, waarbij het PSA-systeem niet als los apparaat is ontworpen, maar als integraal onderdeel van de gehele technologische keten.

De digitalisering zal zich ontwikkelen. De introductie van sensoren voor online monitoring van de toestand van adsorbentia, het gebruik van big data voor voorspellend onderhoud van kleppen, digitale tweelingen voor het in realtime optimaliseren van cycli - dit is niet langer een fantasie, maar een noodzaak voor concurrentievermogen. Chinese bedrijven, vooral ontwerpinstituten zoalsChengdu Yizhi Technologie Co., hebben hier een voordeel omdat ze dichter bij de lokale realiteit staan en dergelijke oplossingen snel kunnen testen op echte objecten.

En het laatste is ecologie. De druk om de CO2-voetafdruk te verkleinen zal verbeteringen aan PSA afdwingen, niet alleen voor het zuiveren van waterstof, maar ook als instrument voor het beheersen van emissies in de hele fabriek. De PSA-installatie kan een eenheid worden die tegelijkertijd de economische efficiëntie verhoogt (door waardevolle H2 terug te geven) en de impact op het milieu vermindert. Dit is een krachtig argument voor investeerders en de staat. Dus, ondanks de schijnbare volwassenheid, de technologiePSA-waterstofChina heeft nog steeds veel vooruitzichten op groei en complexiteit. Het belangrijkste is om niet te vergeten dat dit altijd de praktijk is, en niet alleen maar een theorie uit een catalogus.