Chiny: wodór z gazu koksowniczego – perspektywy? 

Kiedy słyszy się „wodór z gazu koksowniczego?”, wielu osobom od razu przychodzi na myśl stary, niemal muzealny proces. I to jest główne nieporozumienie. Tak naprawdę nie chodzi tu o archaizm, ale o to, jak dać drugie życie produktowi ubocznemu, który w przeciwnym razie po prostu spaliłby się w pochodni. W Chinach, gdzie produkcja koksu jest kolosalna, kwestia ta już dawno zmieniła się z teoretycznej na czysto praktyczną i bardzo kontrowersyjną.

Nie tylko strumień boczny, ale baza surowcowa

Pomijając ładne prezentacje, kluczem jest kompozycja i spójność. Gaz koksowniczy nie jest gazem ziemnym; jego skład zmienia się w zależności od rodzaju węgla, sposobu koksowania, a nawet pogody. Zawartość wodoru może wynosić od 50% do 60%, ale wraz z nim pojawia się metan, tlenek węgla, ciężkie węglowodory i, co najważniejsze, siarka. Pierwszą rzeczą, z którą spotykasz się w praktyce, nie jest „produkcja wodoru”, ale wstępne oczyszczanie. Siarkowodór, cyjanek, naftalen – wszystko to należy usunąć, zanim gaz dotrze dojednostka adsorpcyjna. Wiele projektów potyka się na tym etapie, nie doceniając kosztów przygotowania.

Na przykład w jednej ze starych fabryk w Shanxi próbowano zainstalować separację membranową natychmiast po zgrubnym czyszczeniu. Pomysł polegał na szybkości i oszczędności. Jednak membrany szybko uległy zatkaniu resztkami żywicy, co spowodowało poważne przestoje w projekcie. Musiałem wrócić do klasyki -adsorpcja zmiennociśnieniowa(PSA), ale z poważniejszym praniem wstępnym? gaz Zwiększyło to zarówno koszty kapitałowe, jak i trudności operacyjne. Okazało się, że tanie surowce nie wymagają taniego przygotowania.

I tutaj widać różnicę pomiędzy firmą inżynieryjną a wyspecjalizowanym instytutem projektowym. Konieczne jest głębokie zrozumienie chemii koksu, a nie tylko separacji gazów. Widziałem projekty gdzie ciąg technologiczny był budowany z samego pieca z uwzględnieniem cykliczności wydatku gazu i jego parametrów temperaturowych. To już inny poziom. Swoją drogą, jednym z nielicznych, który systematycznie pracuje w tej wąskiej niszy w Chinach jestChengdu Yizhi Technology Co.(ich strona internetowa toyzkjhx.ru). Wyrośli z technologii chemicznej Huaxi i sądząc po portfolio, podchodzą do problemu kompleksowo: nie tylko sprzedają instalację PSA, ale projektują cały cykl od odbioru gazu po komercyjną produkcję wodoru. Ich doświadczenie polega właśnie na tym, że bez szczegółowego zbadania surowców nie zajdzie się daleko.

Ekonomia: gdzie ukryty jest zysk?

Główny argument za? - niski koszt surowców. Gaz faktycznie jest darmowy, trzeba go tylko utylizować. Jest to jednak pułapka dla inwestorów. Główne koszty to inwestycje kapitałowe w oczyszczanie i separację, a następnie w sprężanie i magazynowanie wodoru. Czysty wodór z PSA to jeszcze nie produkt. Tak czy inaczej, należy go dostosować do wymagań konsumentarafinacja ropy, produkcja amoniakulub powstająceenergia wodorowa.

Na jednym z projektów, w którym brałem udział, wszystko zostało wyliczone w najdrobniejszych szczegółach. Okazuje się, że próg rentowności silnie zależy od dwóch czynników: stabilności baterii koksowniczych (tak, aby nie było przestojów i wahań wolumenu gazu) oraz ceny alternatywnego wodoru, np. z reformingu parowego metanu. Kiedy ceny gazu ziemnego są niskie, cała gospodarka „koksu”? wodór zapada się. Jednak w ostatnich latach w Chinach polityka zmierza w kierunku dywersyfikacji źródeł i zmniejszania śladu węglowego. I tutaj wodór z gazów ubocznych zyskuje drugi wiatr – nie tyle ekonomiczny, co środowiskowy i strategiczny.

Kolejny niuans – co zrobić ze spalinami po ekstrakcji wodorowej? Nadal ma wartość kaloryczną. Najbardziej logicznym sposobem jest zawrócenie go do systemu energetycznego zakładu w celu ogrzewania pieców koksowniczych lub wytwarzania pary. Wymaga to jednak integracji z istniejącą infrastrukturą, a w starych fabrykach jej modernizacja to osobny ból głowy. Okazuje się, że jest to zagadka, w której rozwiązania techniczne bezpośrednio wpływają na gospodarkę.

Widelce technologiczne: PSA, membrany czy kriogenika?

Dominuje nad światemTechnologia PSA. Niezawodny, sprawdzony, pozwala na uzyskanie wodoru o czystości do 99,999%. Instalacje te są jednak nieporęczne, wymagają złożonego systemu zaworów i automatyki oraz są drogie w utrzymaniu. Chińscy producenci, w tym wspomniana Yizhi Technology, już dawno zlokalizowali ten sprzęt, co obniżyło jego koszt. Ale fizyki nie oszukasz - proces jest cykliczny, wraz ze strumieniem odpadów następuje utrata wodoru (do 15-25%). W przypadku dużych produkcji jest to już znaczące.

Separacja membranowa wygląda bardziej elegancko – jest zwarta i zawiera mniej ruchomych części. Ale jak już wspomniałem, ma to kluczowe znaczenie dla czystości gazu wlotowego. Jeśli po oczyszczeniu w gazie koksowniczym pozostaną nawet ślady wyższych węglowodorów lub oparów aromatycznych, membrana ulegnie uszkodzeniu. Widziałem próby łączonych schematów: czyszczenie zgrubne -> membrana (oddzielenie większości wodoru) -> wykończenie na małym PSA. W teorii jest optymalny pod względem kosztów kapitałowych i operacyjnych. W praktyce złożoność zarządzania dwiema odmiennymi liniami technologicznymi często pochłaniała wszystkie oszczędności.

Separacja kriogeniczna przeznaczona jest dla bardzo dużych objętości oraz przypadków, gdy konieczne jest oddzielenie nie tylko wodoru, ale także np. etylenu. W przypadku standardowej chemii koksu jest to najczęściej zbędne. Wniosek? Nie ma uniwersalnego rozwiązania. Wybór technologii jest zawsze kompromisem pomiędzy czystością surowca, wymaganą objętością i czystością produktu, a gotowością Klienta do bardziej złożonego zarządzania.

Przypadek z praktyki: nieoczywisty problem z gazem „suchym”.

Chciałbym podzielić się jedną, nie tak oczywistą porażką, która dobrze ilustruje specyfikę surowca. Po udanym uruchomieniu fabryki PSA w jednym z zakładów w Hebei, już po kilku miesiącach rozpoczął się stopniowy spadek wydajności. Ciśnienia, temperatury - wszystko w normie, adsorbenty świeże. Długo szukaliśmy przyczyny. Okazało się, że w porze deszczowej wzrastała wilgotność węgla dostarczanego do koksowania. To z kolei wpłynęło na skład gazu koksowniczego: zawartość wodoru nieznacznie spadła, a zawartość CO wzrosła. Ale najważniejsze jest to, że mikroklimat w warsztacie się zmienił i do układu oczyszczania gazu dostało się więcej wilgoci atmosferycznej.

Adsorbenty w jednostkach suszących pre-PSA zostały zaprojektowane do warunków standardowych i ta dodatkowa wilgoć nie wystarczyła. W rezultacie surowy gaz dostał się do kolumn PSA, a wilgoć zaczęła „zatruwać”? adsorbenty zeolitowe odpowiedzialne za dokładne oczyszczanie wodoru. Problem rozwiązano nie poprzez wymianę drogich adsorbentów, ale poprzez ulepszenie systemu osuszania wlotowego i zmianę przepisów w zależności od pory roku. Drobiazg? Na papierze – tak. W praktyce zdarzają się tygodnie przestojów i tony utraconego produktu. Jest to ta sama „praktyka”, której nie ma w podręcznikach.

Gdzie sprzedać? Rynek dyktuje czystość

Uzyskanie wodoru to połowa sukcesu. Trzeba to sprzedać. I tu pojawia się pytanie o czystość. Do hydrorafinacji w rafineriach często wystarcza 99,9%. Ale do zasilania ogniw paliwowych czy elektroniki wymagana jest czystość na poziomie 99,999% lub wyższym, przy ścisłej kontroli CO, który jest trucizną dla katalizatorów. Gaz koksowniczy, nawet po najbardziej zaawansowanym oczyszczeniu, zawsze niesie ze sobą ryzyko śladowych zanieczyszczeń określonymi węglowodorami.

Dlatego większość istniejących projektów w Chinach skierowana jest konkretnie do odbiorców przemysłowych w pobliżu zakładu – tych samych rafinerii lub zakładów chemicznych. Budowa infrastruktury do transportu sprężonego lub skroplonego wodoru to inna historia, w której zwrot z inwestycji jest nadal wątpliwy. Perspektywę widzi się w powstaniu lokalnych klastrów: koksownia – produkcja wodoru – pobliskie przedsiębiorstwo konsumenckie. Zmniejsza to ryzyko i koszty logistyczne.

Co ciekawe, niektóre firmy, na przykład to samo Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd., pozycjonowane jako instytut projektowy z kapitałem zakładowym wynoszącym 120 milionów juanów, oferują rozwiązania „pod klucz”, łącznie z analizą potencjalnych rynków. To słuszne podejście, bo bez zrozumienia komu i za jaką cenę będziesz sprzedawać wodór, nawet najbardziej zaawansowana technologicznie instalacja staje się obciążeniem.

Wyniki: perspektywy są, ale są one przyziemne

Czy są zatem jakieś perspektywy? Zdecydowanie tak. Nie jest to jednak przełomowa „zielona” technologia przyszłości, ale pragmatyczne, zasobooszczędne rozwiązanie dla już istniejącego gigantycznego przemysłu. Jej motorami nie jest moda na wodór, ale rygorystyczne normy środowiskowe (zakaz spalania gazów towarzyszących) i ekonomiczna wykonalność utylizacji odpadów.

Główny potencjał tkwi w integracji. Nie w budowie indywidualnego ?wodoru? warsztatach oraz w głębokiej modernizacji całego procesu koksochemicznego z wektorem wodorowym jako jednym z obszarów produktowych. Wymaga to dużych inwestycji i kompetencji, którymi nie każdy dysponuje.

Osobiście patrzę na to z ostrożnym optymizmem. Technologia nie jest nowa, znane są jej pułapki. O powodzeniu projektu zadecyduje nie tyle wybór pomiędzy PSA czy membraną, ale jakość inżynierii, głębokość zagospodarowania bazy surowcowej i trzeźwe kalkulacje ekonomiczne, które uwzględniają wszystko – aż do sezonowej zawartości wilgoci w węglu. To nie jest dziedzina dla amatorów. To praca dla tych, którzy rozumieją chemię koksu od podszewki i są gotowi rozwiązywać skomplikowane, niestandardowe problemy. I na szczęście tacy gracze już są na rynku.