بررسی بازار، فنی و اقتصادی هیدروژن سبز (فنی۱)

1- بررسی فنی

1-1- معرفی فرایندهای موجود

تقریباً 96% کل هیدروژن تولیدی از سوخت‌های فسیلی حاصل می‌شود. گاز طبیعی بیشترین استفاده را با رقمی در حدود 49% به خود اختصاص داده است و از این حیث در جایگاه نخست قرار دارد. پس‌ازآن هیدروکربن‌های مایع با 29%، زغال‌سنگ با 18% و حدود 4% با استفاده از الکترولیز و سایر روش‌ها در جایگاه‌های بعدی قرار دارند؛ که هرکدام به‌صورت خلاصه در ادامه توضیح داده شده است.

1-1-1- فرآیند تولید هیدروژن به روش الکترولیز

در ادامه به‌صورت مفصل توضیح داده شده است.

1-1-2- فرآیند تولید هیدروژن به روش اکسیداسیون جزئی (مقیاس کوچک)

بخش گوگردزدایی

به‌منظور تولید هیدروژن به روش اکسیداسیون جزئی در مقیاس کوچک از گاز طبیعی، ابتدا با استفاده از یک کاتالیزور بر پایه پالادیوم که ترکیبات گوگرد را به H2S تبدیل می‌کند، گاز طبیعی را فشرده و هیدروسولفوره کرده که طی این فرایند H2S روی بستر اکسید روی جذب می‌شود.

بخش ریفرمر (اختلاط با بخار)

گاز طبیعی بدون گوگرد با بخار فشار متوسط (Psia 315) و هوای فشرده مخلوط می‌شود. سپس مخلوط حاصل در دمای °C 785 پیش گرم شده و به ریفورمر اکسیداسیون جزئی کاتالیست وارد می‌شود.

نسبت‌های مولی بخار به کربن و اکسیژن به کربن در خوراک راکتور به ترتیب معادل 65/0 و 5/0 می‌باشد. برای این فرایند یک کاتالیست ریفورمینگ اختصاصی، مبتنی بر نیکل استفاده می‌شود که باعث رسیدن درصد تبدیل متان به 87% می‌شود.

پساب خروجی از ریفورمر در دمای °C 600 و Psia 309 با عبور از یک مبدل حرارتی باعث پیش گرم کردن خوراک راکتور شده و با این کار تا دمای °C 196 خنک می‌شود. پس‌ازآن، آن را با بخار فشار متوسط مخلوط کرده و مخلوط حاصل از میان یک مبدل عبور داده می‌شود. در این بخش CO در حضور کاتالیست اکسید مس اکسید بر پایه آلومینا با بخار واکنش داده و طی این فرایند H2 و CO2 تشکیل می‌شود. نسبت مولی بخار به کربن در خوراک مبدل در حدود 1.92 بوده و درصد تبدیل CO، %70 هست.

بخش جداسازی و تخلیص

پس‌ازاین مرحله، گاز سنتز تولیدی خنک شده (درنتیجه‌ی آن بخار تولید می‌شود) سپس تا حدی متراکم شده و متعاقباً آب از آن جدا می‌شود. سپس گاز بدون آب در Psia 300 از یک واحد جذب فشاری نوسانی[1] عبور داده می‌شود تا هیدروژن خالص با خلوص بیشتر از 99% تولید کند که تحت‌فشار ذخیره می‌شود. گاز پرج شده از PSA به‌عنوان سوخت در فرآیند استفاده می‌شود.

نسبت حجمی هیدروژن به گاز طبیعی و راندمان کلی تبدیل انرژی فرآیند به ترتیب 2.36 و 70% هست.

در جداول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن به روش اکسیداسیون جزئی (مقیاس کوچک) ارائه شده است.

 

 


[1] pressure swing adsorption (PSA)

جدول 1– میزان مصارف واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش اکسیداسیون جزئی (مقیاس کوچک)

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

قیمت (به ازای هر Nm3)

1

گاز طبیعی

3962.86

MMCAL

13.51

¢

           

 

جدول 2– میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش اکسیداسیون جزئی (مقیاس کوچک)

ردیف

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت MNm3 محصول)

واحد

1

الکتریسته

244.94

کیلووات ساعت

2

آب خنک‌کن

60.391

مترمکعب

1-1-1- فرآیند تولید هیدروژن به روش ریفورمرینگ بخار (مقیاس کوچک)

بخش گوگردزدایی

به‌منظور تولید هیدروژن به روش ریفورمینگ بخار در مقیاس کوچک از گاز طبیعی، در ابتدا گاز طبیعی با استفاده از کاتالیست بر پایه پالادیوم و بستر اکسید روی که جذب‌کننده H2S است فشرده و هیدروسولفوره می‌شود.

سپس گاز طبیعی گوگردزدایی شده با بخار فشار متوسط (Psia 315) مخلوط می‌شود. مخلوط حاصل به یک پیش ریفورمر حاوی کاتالیست‌های بر پایه‌ی نیکل وارد می‌شود که اتان و پروپان موجود در خوراک را به متان تبدیل می‌کند. با این کار دمای خوراک عبور کرده از پیش ریفورمر قبل از ورود به ریفورمر اصلی بخار به °C 592 افزایش می‌یابد.

ریفورمر اصلی بخار از مجموعه لوله‌های متحدالمرکز که به‌صورت عمودی نصب‌شده است و قسمت بالایی لوله‌ها واقع در خارج از یک جعبه تابشی، حاوی دو مشعل تشکیل ‌شده است. این لوله‌ها حاوی کاتالیست‌های ریفورمینگ بر پایه نیکل و آلومینا هستند. خوراک در بالای لوله کاتالیزور وارد شده و از پایین بستر کاتالیزور به سمت پایین جریان می‌یابد. پس از واکنش از طریق قسمت حلقوی لوله‌ها جهت را به سمت بالا معکوس کرده و گرما را برای مخلوط واکنش برگشت فراهم می‌کنند. درصد تبدیل CH4 طی این فرایند حدود 78% است.

پساب ریفورمر در دمای °C 600 و فشار Psia 309 از ریفورمر خارج شده و با عبور از یک مبدل حرارتی تا دمای °C 277 خنک می‌شود. سپس از میان یک مبدل عبور می‌کند که در آنجا CO در حضور کاتالیست اکسید مس با بخار واکنش داده و H2 و CO2 را تشکیل می‌دهد. درصد تبدیل CO در این واکنش 70% است.

پس‌ازاین مرحله، گاز سنتز تولیدی خنک شده (درنتیجه‌ی آن بخار تولید می‌شود) سپس تا حدی متراکم شده و متعاقباً آب از آن جدا می‌شود. سپس گاز بدون آب در Psia 305 از یک واحد جذب فشاری نوسانی عبور داده می‌شود تا هیدروژن خالص با خلوص بیشتر از 99% تولید کند که تحت‌فشار ذخیره می‌شود. راندمان کلی تبدیل انرژی فرآیند 78.4% هست.

در جداول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن به روش ریفورمینگ بخار (مقیاس کوچک) ارائه شده است.

جدول ۳ – میزان مصارف واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفورمینگ بخار (مقیاس کوچک)

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

مقدار (به ازای هر Nm3 محصول)

1

گاز طبیعی

3390.02

MMCAL

11.56

¢

           

جدول ‏۴  میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفورمینگ بخار (مقیاس کوچک)

ردیف

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت MNm3 محصول)

واحد

1

الکتریسته

184.855

کیلووات ساعت

2

آب خنک‌کن

42.2341

مترمکعب

1-1-2- فرآیند تولید هیدروژن از متانول

به‌منظور تولید هیدروژن از متانول در ابتدا متانول جبرانی (خوراک اولیه) و آب املاح زدایی شده با جریان‌های محلول غنی از متانول حاصل از فرآیند که بازیابی شده است، مخلوط می‌شود. محلول متانول- آب در مسیر خود برای ورود ریفورمر از یک سری مبدل‌های حرارتی عبور می‌کند که در آن محلول در دمای °C 230 و فشار Psia 17 بخار می‌شود.

ریفورمر متانول ساختاری مکانیکی مشابه بخاری مبدل حرارتی پوسته و لوله دارد. لوله‌های مبدل حرارتی با کاتالیست‌های متشکل از یک اکسید مخلوط مس، روی، آلومینیوم و زیرکونیوم پر می‌شوند. واکنش در داخل راکتور در شرایط عملیاتی نرمال واکنش دمایی و فشاری °C 235 و psia 15 است. درصد تبدیل این واکنش برابر 80% است. باوجود این شرایط عملیاتی، غلظت CO در محصولات راکتور (H2، CO2، CO، H2O، فرمالدئیدها و متیل فرمات) بسیار کم است. اکسیژن لازم برای واکنش اکسیداسیون به شکل هوا به داخل راکتور پمپ می‌شود. حرارت تولیدشده در طی این واکنش به‌منظور تولید بخار استفاده می‌شود که متعاقباً در بخار شدن نسبی خوراک ریفورمر آب – متانول استفاده می‌شود.

پس‌ازاین مرحله، گاز سنتز تولیدی خنک شده (درنتیجه‌ی آن بخار تولید می‌شود) سپس تا حدی متراکم شده و متعاقباً آب از آن جدا می‌شود. سپس گاز بدون آب در Psia 315 از یک واحد جذب فشاری نوسانی عبور داده می‌شود تا هیدروژن خالص با خلوص بیشتر از 99% تولید کند که تحت‌فشار ذخیره می‌شود. گاز پرج شده از PSA به‌عنوان سوخت در فرآیند استفاده می‌شود. میعانات حاصل از خنک‌سازی گاز سنتز برای استفاده دوباره در فرایند بازیابی می‌شود.

در جداول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن به روش تجزیه متانول ارائه شده است.

 

جدول ‏۵  میزان مصارف واحد تولید هیدروژن به روش تجزیه متانول

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

مقدار (به ازای هر Nm3 محصول)

1

متانول

0.50316

تن

23.70

¢

2

آب DM

0.32216

تن

0.4

¢

جدول ‏6  میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن به روش تجزیه متانول

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت MNm3 محصول)

واحد

الکتریسته

170.958

کیلووات ساعت

آب خنک‌کن

35.1833

مترمکعب

گاز طبیعی

904.507

MMCAL

جدول ‏۷  میزان تولید محصولات جانبی واحد تولید هیدروژن به روش تجزیه متانول

ردیف

محصول جانبی

نوع

مقدار (به ازای هر تن محصول)

واحد

1

بخار

5.15

تن

1-1-3- فرآیند تولید هیدروژن از گاز طبیعی (ریفورمر بخار)

بخش گوگردزدایی

در طی یک فرآیند پیوسته، گاز طبیعی پس از فشرده‌سازی، با مقداری هیدروژن بازگشتی (در صورت استفاده از فرآیند HDS) و در حضور کاتالیست پایه پالادیم یا Co/Mo، ترکیبات گوگردی موجود در گاز طبیعی را به سولفید هیدروژن (H2S) تبدیل می‌کند. سولفید هیدروژن با گذر از بستر اکسید روی (ZnO) از جریان حذف می‌شود.

سپس گاز گوگردزدایی شده، با بخار مخلوط می‌شود و پس از پیش گرم سازی با الف) گاز سنتز داغ خروجی از ریفورمر و ب) گرمای حاصل از احتراق گاز purge خروجی از PSA، وارد ریفورمر می‌شود. ریفورمر معمولاً از مجموعه لوله‌های عمودی تعبیه‌شده در یک محفظه بزرگ تشکیل شده است. لوله‌های ریفورمر به کاتالیست نیکل پایه آلومینا آغشته شده است. درحالی‌که گاز ورودی به ریفورمر از متان و C2 تا C5 تشکیل شده است، اما گاز خروجی از ریفورمر متشکل از CO2، CO و H2 است. گاز خروجی از ریفورمر پس از سردسازی توسط خوراک ورودی به ریفورمر و چندین مرحله سردسازی، جهت تبدیل CO به H2 و CO2 وارد راکتور (در حضور کاتالیست اکسید روی اکسید مس پایه آلومینا) می‌شود. گاز خروجی پس از سردسازی، وارد یک جداسازی می‌شود تا محصول جانبی میعان شده را از سامانه حذف نماید. گاز پس از دهیدراته شدن، فشرده‌شده و وارد واحد PSA می‌گردد. در واحد PSA، توسط فرآیند جذب، هیدروژن تولیدشده و در مخازن ذخیره می‌شود. گاز Purge خروجی از واحد PSA سوزانده شده و از گرمای آن جهت تأمین گرمای موردنیاز ریفورمر استفاده می‌شود.

 

 
شکل ‏1 - شماتیک فرآیند تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفرمینگ بخار

در جداول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفرمینگ بخار ارائه شده است.

جدول ‏۸  میزان مصارف واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفرمینگ بخار

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

مقدار (به ازای هر Nm3 محصول)

1

گاز طبیعی

0.29897

تن

13.52

¢

      

جدول ‏۹  میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفرمینگ بخار

ردیف

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت MNm3 محصول)

واحد

1

الکتریسته

28.9658

کیلووات ساعت

2

آب خنک‌کن

2.88249

مترمکعب

3

آب فرایندی

0.43379

مترمکعب

جدول ‏۱۰  میزان تولید محصولات جانبی واحد تولید هیدروژن از گاز طبیعی به روش ریفرمینگ بخار

ردیف

محصول جانبی

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

واحد

1

بخار

0.3945

تن

1-1-1- فرآیند تولید هیدروژن از گاز خروجی پالایشگاه به روش اکسیداسیون جزئی غیر کاتالیستی

ماده اولیه این فرایند گازهای خروجی واحدهای پالایشگاهی الفینی است. البته از گازهای خروجی سایر منابع تولیدی نیز می‌توان استفاده کرد. گازهای قلیایی گوگردی که تصفیه نشده‌اند تا فشار psia 800 فشرده ‌شده و سپس با اکسیژن مخلوط می‌شوند. این مخلوط وارد یک راکتور گاز دهی نسوز که در آنجا خوراک ورودی به‌صورت گرمازا، عمدتاً به هیدروژن و CO در دمای عملیاتی متوسط °C 1316 تبدیل ‌شده، وارد می‌شود. پساب راکتور گاز دهی نسوز با استفاده مستقیم از آب در زیر نقطه‌ی دمای خروجی محفظه خنک می‌شود و سپس به همراه آب در یک ستون اسپری شسته شده تا آثار ذرات از بین برود. پساب شسته شده خروجی از ستون وارد یک راکتور شیفت دومرحله‌ای با درجه حرارت بالا می‌شود که در آن CO در °C 349 به H2 و CO2 تبدیل می‌شود.

سپس گاز سنتز تولیدی خنک شده و به‌منظور خارج کردن گاز اسیدی H2S به‌طور گزینش پذیر، وارد یک برج جذب می‌شود. سپس این گاز سنتز در Psia 715 از یک واحد جذب فشاری نوسانی عبور داده می‌شود تا هیدروژن خالص با خلوص بیشتر از 99.9% تولید کند که تحت‌فشار ذخیره می‌شود. محصول هیدروژن در فرآیند پایین‌دست استفاده می‌شود. گاز پرج شده از PSA به‌منظور تولید بخار فشار بالا برای راه‌اندازی کمپرسورهای تأمین هیدروژن جبرانی در پایین‌دست استفاده می‌شود.

در جداول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن از گاز خروجی از پالایشگاه به روش اکسیداسیون جزئی غیر کاتالیستی ارائه شده است.

 

جدول ۱۱  میزان مصارف واحد تولید هیدروژن از گاز خروجی از پالایشگاه به روش اکسیداسیون جزئی غیر کاتالیستی

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

مقدار (به ازای هر Nm3 محصول)

1

گاز خروجی از پالایشگاه

0.36741

تن

17.87

¢

2

اکسیژن

0.38265

تن

4.96

¢

 

جدول ۱۲  میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن از گاز خروجی از پالایشگاه به روش اکسیداسیون جزئی غیر کاتالیستی

ردیف

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت MNm3 محصول)

واحد

1

الکتریسته

29.8617

کیلووات ساعت

2

آب خنک‌کن

2.75532

مترمکعب

3

آب فرایندی

1.5783

مترمکعب

 

جدول ۱۳  میزان تولید محصولات جانبی واحد تولید هیدروژن از گاز خروجی از پالایشگاه به روش اکسیداسیون جزئی غیر کاتالیستی

ردیف

محصول جانبی

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

واحد

1

بخار

1.30777

تن

 

1-1-2- فرآیند تولید هیدروژن از نفتای سبک به روش ریفورمینگ بخار

به‌منظور تولید هیدروژن از نفتای سبک در ابتدا خوراک نفتای سبک پس از تصفیه شدن، در دمای °C 288 و فشار Psia 375 بخار می‌شود. سپس جریان بخار نفتای سولفور زدایی شده با بخار فشار متوسط که به‌عنوان محصول جانبی تولید می‌شود، در دمای °C 288 و فشار Psia 368 مخلوط می‌شود. مخلوط گاز و بخار در اثر تماس با گازهای داغ خروجی در °C 550 پیش گرم می‌شود و سپس در یک راکتور کاتالیزوری آدیاباتیک حاوی کاتالیست‌های پیش ریفورمینگ با پایه نیکل بسیار فعال، تجزیه می‌شود.

گازهای داغ خروجی از پیش ریفورمر در °C 569 در تماس با گازهای خروجی فرآیند در داخل یک مبدل حرارتی بیشتر گرم شده و به دمای °C 700 می‌رسند. سپس مخلوط گاز و بخار با دمای °C 700 و psia 360 وارد ریفورمر می‌شود. در داخل ریفورمر، متان و سایر هیدروکربن‌های سبک باقی‌مانده داخل خوراک نفتا با بخار واکنش داده تا در طی این واکنش گاز سنتز (هیدروژن و کربن مونوکسید) تولید شود.

ریفورمر متان بخار از شبکه‌ای از لوله‌های عمودی که در داخل کوره‌ی حرارتی مبتنی بر انتقال حرارت تشعشعی قرار گرفته، تشکیل شده است. کوره از یک شبکه اشتعال متشکل از چندین مشعل تشکیل شده است. ریفورمر همچنین دارا یک بخش انتگراسیون حرارتی شامل مجموعه‌ای از مبدل‌های حرارتی که وظیفه‌ی بازیابی حرارت گازهای خروجی را بر عهده دارند، می‌باشد. گاز سنتز خام خروجی از ریفورمر در دمای °C 850 از مجموعه‌ای از مبدل‌های حرارتی عبور کرده تا گاز خنک شود. بخارآب همراه با گاز در طی این فرایند، مایع‌شده و از گاز جدا می‌شود.

در جداول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن از نفتای سبک به روش ریفرمینگ بخار ارائه شده است.

جدول۱۴  میزان مصارف واحد تولید هیدروژن از نفتای سبک به روش ریفرمینگ بخار

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر MNm3 محصول)

مقدار (به ازای هر Nm3 محصول)

1

نفتای سبک

0.05205

تن

3.83

¢

2

کاتالیست

0.00008

تن

0.24

¢

جدول ‏۱۵  میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن از نفتای سبک به روش ریفرمینگ بخار

ردیف

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت MNm3 محصول)

واحد

1

الکتریسیته

27.0248

کیلووات ساعت

2

آب خنک‌کن

29.3901

مترمکعب

3

گاز طبیعی

81.3642

مترمکعب

1-2- مقایسه فنّاوری‌ های تولید هیدروژن

فرایندهای معرفی‌شده در بخش قبل از منظرهای مختلفی ازجمله نوع و میزان مصرف خوراک، نوع و میزان مصرف یوتیلیتی، در دسترس بودن ماده اولیه و مخاطرات زیست‌محیطی بررسی شده است.

1-2-1- نوع و میزان مصرف خوراک

در جدول زیر مقایسه‌ای بین نوع و میزان خوراک ورودی فرایندهای مختلف به ازای MNm3 1 محصول ارائه شده است.

جدول ‏۱۶  نوع و میزان خوراک ورودی فرایندهای مختلف

نام فرآیند

 

نام خوراک

الکترولیز

اکسیداسیون

جزئی

(مقیاس کوچک)

ریفرمینگ بخار

(مقیاس کوچک)

تولید از متانول

ریفرمینگ بخار

اکسیداسیون جزئی

(گاز خروجی از پالایشگاه)

ریفرمینگ بخار

(نفتای سبک)

آب DM (تن)

1000

0.32216

گاز طبیعی (تن)

0.3316

0.2837

0.29897

متانول (تن)

0.50316

نفتای سبک (تن)

0.05205

گاز خروجی از پالایشگاه (تن)

0.36741

اکسیژن (تن)

0.38265

* با فرض اینکه ارزش حرارتی گاز طبیعی برابر Mj/kg 50 باشد.

* با فرض اینکه چگالی آب Kg/m3 1000 باشد.

همان‌طور که در جدول بالا نیز مشاهده می‌شود، 2 فرایند آخر یعنی ریفرمینگ بخار از خوراک نفتای سبک و اکسیداسیون جزئی غیر کاتالیستی از گاز خروجی از پالایشگاه، خوراک‌های خاصی دارد و ممکن است تأمین خوراک اولیه این فرایندها همواره به‌آسانی نبوده و با مشکل روبه‌رو شود. از طرف دیگر تولید هیدروژن از متانول نیز با توجه به قیمت متانول در مقایسه با گاز طبیعی (در قسمت توضیحات فرایند ارائه شده است.) و دیگر کاربردهای متانول در صنعت شاید به‌صرفه نباشد. بین سه فرایند ریفرمینگ بخار در مقیاس کوچک و بزرگ و اکسیداسیون جزئی (مقیاس کوچک)، فرایند ریفرمینگ بخار (مقیاس کوچک) با توجه به مصرف کمتر خوراک به ازای محصول تولیدی توجیه‌پذیری بهتری دارد.

1-2-2- نوع و میزان مصرف یوتیلیتی

در جدول زیر مقایسه‌ای بین نوع و میزان یوتیلیتی‌های موردنیاز فرایندهای مختلف به ازای MNm3 1 محصول ارائه شده است.

جدول ‏۱۷  نوع و میزان خوراک ورودی فرایندهای مختلف

نام فرآیند

 

نام یوتیلیتی

الکترولیز

اکسیداسیون جزئی
(مقیاس کوچک)

ریفرمینگ بخار

(مقیاس کوچک)

تولید از متانول

ریفرمینگ بخار

اکسیداسیون جزئی

(گاز خروجی از پالایشگاه)

ریفرمینگ بخار

(نفتای سبک)

آب خنک‌کن (m3)

100000

60.391

42.2341

35.1833

2.88249

2.75532

29.3901

الکتریسیته (kWh)

4652000

244.94

184.855

170.958

28.9658

29.8617

27.0248

گاز طبیعی (تن)

0.076

0.0068

آب فرایندی (m3)

0.43379

1.5783

* با فرض اینکه ارزش حرارتی گاز طبیعی برابر Mj/kg 50 باشد.

همان‌طور که در جدول بالا نیز مشاهده می‌شود، فرایند تولید هیدروژن به روش الکترولیز بیشترین میزان مصرف الکتریسیته و آب خنک‌کن را به همراه دارد که درواقع تنها عیب این روش محسوب می‌شود. از طرفی فرایندهای ریفرمینگ الکتریسیته کمتری مصرف می‌کند.

1-2-3- نوع و میزان تولید محصول جانبی

در جدول زیر مقایسه‌ای بین نوع و میزان تولید محصول جانبی فرایندهای مختلف به ازای هر MNm3 1 محصول ارائه شده است.

جدول ۱۸ – نوع و میزان تولید محصول جانبی فرایندهای مختلف

نام فرآیند

 

نام خوراک

الکترولیز

اکسیداسیون جزئی
(مقیاس کوچک)

ریفرمینگ بخار

(مقیاس کوچک)

تولید از متانول

ریفرمینگ بخار

اکسیداسیون جزئی

(گاز خروجی از پالایشگاه)

ریفرمینگ بخار

(نفتای سبک)

بخار (تن)

462882

0.3945

1.307

اکسیژن (تن)

884818

مطابق جدول بالا نیز مشاهده می‌شود که فرایند تولید هیدروژن از متانول، ریفرمینگ بخار و اکسیداسیون جزئی با تولید بخار همراه است. شایان توجه است که تولید اکسیژن در فرایند الکترولیز اختیاری هست.

1-2-4- زیست‌محیطی

همان‌طور که در شکل زیر نیز مشاهده می‌شود، فرایندهای تولید هیدروژن از منظر زیست‌محیطی به‌طورکلی به سه دسته تقسیم می‌شود.


 

شکل ‏2 - انواع فرایندهای تولید هیدروژن از منظر زیست‌محیطی

در میان فرایندهای معرفی‌شده در بالا، تنها فرایند الکترولیز، فرایند سبز و دوستار محیط‌زیست معرفی می‌شود و مابقی فرایندها زیرمجموعه فرایندهای خاکستری است.

1- فرایند منتخب

1-1- شرح فرایند

همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌شود به‌منظور تولید هیدروژن به روش الکترولیز (موسوم به هیدروژن سبز) در ابتدا آب خام ورودی از یک خالص کننده آب عبور می‌کند. این خالص کننده آب از یک بستر فیلتر و یک واحد املاح زدایی شامل بسترهای رزین مبدل یونی پس از واحد اسمز معکوس تشکیل شده است. رزین‌های مبدل یونی و واحد اسمز معکوس با حذف ناخالصی‌های موجود در آب باعث بهبود کیفیت آب می‌شوند. وجود ناخالصی داخل آب، باعث بروز آسیب در سطح تجهیزات می‌شود. سخت زدایی آب باید به‌گونه‌ای صورت بگیرد که مقاومت مخصوص آب به کمتر از megaohm/cm 2 برسد. این تجهیز همچنین شامل تجهیزات برای فعال‌سازی مجدد گرانول‌های مبدل یونی هست. یک رسانا سنج همواره در حال اندازه‌گیری کیفیت آب خالص‌شده که پس از عبور از خالص ساز آب وارد مخزن ذخیره آب خوراک می‌شود، است. البته باید در نظر داشت می‌توان به‌جای استفاده از آب خام ورودی و تبدیل آن به آب املاح زدایی شده، مستقیماً آب املاح زدایی شده را خریداری نمود و در شبکه استفاده کرد.

آب خالص ذخیره‌شده در مخزن ذخیره آب، سپس به‌منظور انجام فرایند به مخزن عاری ساز (که در ادامه نحوه‌ی عملکرد این تجهیز توضیح داده شده است) پمپ می‌شود. دمای آب در اثر انتقال حرارت بین گاز هیدروژن داغ و آب بازگشتی که در عاری ساز در تماس هستند، افزایش پیدا می‌کند. در ادامه آب داغ شده در مبدل حرارتی که در تماس با آب خنک‌کن می‌باشد تا دمای °C 46 خنک شده و سپس به داخل الکترولایزر پمپ می‌شود. از یک مبدل حرارتی دیگر نیز برای خنک کردن جریان آب چرخشی داخل عاری ساز استفاده می‌شود.

 

شکل ‏3 - نمودار جریانی فرایند واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

در داخل شبکه دو الکترولایزر به‌صورت موازی تعبیه شده است که در صورت خارج شدن یکی از سیستم دیگری وارد شبکه شود. هر واحد الکترولایزر متناظر با Nm3/hr 500، هیدروژن (ظرفیت واقعی هر الکترولایزر کمی کمتر از این مقدار، تقریباً Nm3/hr 485 می‌باشد.) تولید می‌کند. هر دو الکترولایزر به یک منبع الکتریکی با ترانسفورماتور ولتاژ بالا و ری‌اکتیفایر متصل است. ترانسفورمرها جریان الکتریکی فشار بالای منبع الکتریکی را به جریان متناوب V110 تبدیل می‌کند. ری‌اکتیفایرها، جریان الکتریکی متناوب خروجی از ترانسفورمرها را به جریان V110 مستقیم تبدیل می‌کند. همچنین در داخل الکترولایزرها محلول 25% وزنی آب و پتاسیم هیدروکسید (به‌عنوان محیط برای رسانایی الکتریکی داخل آب عمل می‌کند) در حال چرخش است. محلول پتاسیم هیدروکسید در داخل مخزن ذخیره شده و برای ورود به الکترولایزر، به آب خوراک ورودی پیش از ورود به مبدل حرارتی تزریق می‌شود. محصول خروجی از الکترولایزر در دمای °C 100 و فشار Psia 18 قرار دارد. به‌تبع آن هیدروژن و اکسیژن در کاتد و آند تولید می‌شود.

جریان الکترولیت اکسیژن به تفکیک‌کننده گازی که در آنجا اکسیژن و الکترولیت از یکدیگر جدا می‌گردد، منتهی می‌شود. گاز خروجی از تفکیک گر هنوز درصدی رطوبت داشته و به‌اصطلاح خیس می‌باشد؛ بنابراین گاز خروجی از تفکیک گر وارد رطوبت‌گیر شده تا گاز خشک در خروجی آن حاصل شود. در ادامه اکسیژن در مخزن آب‌بند بازیابی می‌شود. این اکسیژن می‌تواند بعد از پاک‌سازی به‌عنوان محصول جانبی استفاده شده و یا در صورت عدم استفاده به داخل اتمسفر تخلیه شود. الکترولیت جداشده پس از خنک شدن وارد الکترولایزر می‌شود.

جریان الکترولیت و هیدروژن خروجی از کاتد وارد تفکیک گر گازی هیدروژن می‌شود. در این بخش هیدروژن از الکترولیت جدا می‌شود. الکترولیت جداشده در این بخش پس از خنک شدن وارد الکترولایزر می‌شود. گاز خروجی پس از رطوبت‌گیری (همانند آنچه در بخش اکسیژن توضیح داده شد) می‌شود. گاز رطوبت‌گیری شده در عاری ساز با آب املاح زدایی شده شسته می‌شود تا الکترولیت‌های باقیمانده نیز جدا شود. عاری ساز باعث کاهش دمای گاز نیز هست. گاز خروجی از عاری ساز به مخزن نگهداری گاز فرستاده‌ شده و سپس در یک کمپرسور به فشار barg 15 می‌رسد. گاز فشرده‌شده خروجی از کمپرسور وارد برج اکسید زدایی پرشده از کاتالیست می‌شود. دو برج به‌صورت موازی با یکدیگر در ارتباط‌اند که در صورت خارج شدن یکی از شبکه دیگری وارد سیستم می‌شود. در ادامه گاز دی‌اکسید زدایی شده با خلوص بالا در دو برج خشک‌کن که به‌صورت موازی در حال کار هستند، خشک می‌شوند و درنهایت به مخزن ذخیره هیدروژن فرستاده می‌شود.

همان‌طور که در زیر نشان داده شده است، سه نوع الکترولایزر وجود دارد. این در حالی است که دو نوع اول در حال استفاده تجاری هستند ولی نوع سوم الکترولایزرها در حال حاضر در مرحله پیش از تجاری‌سازی هستند.

شکل ‏4 - انواع الکترولایزر

1-1- مشخصات خوراک و محصولات

در جداول زیر نوع و مشخصات خوراک ورودی به واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز ارائه شده است.

جدول ‏71 نوع خوراک ورودی به واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

ردیف

خوراک

1

آب املاح زدایی شده

جدول ‏72 غلظت مواد موجود در آب ورودی به واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

ردیف

ماده

غلظت

واحد

1

سیلیس

حداکثر

2

mg/l

2

آهن و آلومینیوم

ناچیز

3

کلسیم

ناچیز

4

منیزیوم

ناچیز

5

سدیم

حداکثر

1.0

mg/l

6

پتاسیم

حداکثر

1.0

mg/l

7

سولفات

حداکثر

0.2

mg/l

8

کلراید

حداکثر

1.0

mg/l

9

کربنات

ناچیز

10

بی‌کربنات

حداکثر

0.0

mg/l

11

جامد نامحلول

حداکثر

1.0

mg/l

12

سختی

ناچیز

13

ذرات معلق

ناچیز

14

pH

7.5

جدول ‏73 مشخصات محلول پتاسیم هیدروکسید گردشی در واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

ردیف

مشخصه

مقدار

واحد

1

غلظت

25

%Wt.

در جدول زیر نوع و مشخصات محصول خروجی از واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز ارائه ‌شده است.

باید توجه داشت که تولید اکسیژن به‌عنوان محصول جانبی در این فرایند اختیاری می‌باشد.

جدول ‏74 مشخصات هیدروژن خروجی از واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

ردیف

نوع

مقدار

واحد

1

هیدروژن

99.99

%mol

2

اکسیژن

82.54

%Wt.

1-2- مصارف واحد

در جدول زیر نوع و میزان مصارف واحد اعم از خوراک و یوتیلیتی موردنیاز برای واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز ارائه شده است.

جدول ‏75 میزان مصارف واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

ردیف

مواد اولیه

نوع

مقدار (به ازای هر Nm3 محصول)

واحد

1

آب DM

1

L

جدول ‏76 میزان مصارف یوتیلیتی واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

یوتیلیتی

نوع

مقدار (به ازای ظرفیت Nm3/hr 1000 هیدروژن)

واحد

الکتریسیته

4652

kW

آب خنک‌کن

440

GPM

* IHS Markit, PEP Review 2019-07 Hydrogen Production by Electrolysis

1-3- لیست تجهیزات

در جدول زیر لیست تجهیزات مورد نیاز واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز ارائه شده است.

جدول ‏77 لیست تجهیزات واحد تولید هیدروژن به روش الکترولیز

ردیف

نام تجهیز

جنس

تعداد

1

HT transformer

2

2

Rectifier

2

3

Electrolyzer

2

4

Water Purifier

1

5

H2 Storage gas Compressor

1

6

Cooler

304 SS

2

7

Air cooler

304 SS

1

8

H2 gas-lye separator

304 SS CLAD

1

9

O2 gas-lye separator

304 SS CLAD

1

10

Water seal tank

304 SS CLAD

1

11

Gas holder

304 SS CLAD

1

12

Hydrogen Storage tank

304 SS CLAD

1

13

Scrubber

304 SS CLAD

1

14

Deoxidizer

304 SS CLAD

2

15

Dryer

304 SS CLAD

2

* IHS Markit, PEP Review 2019-07 Hydrogen Production by Electrolysis

یک دیدگاه ارسال کنید

ایده خود را ارسال کنید

Fill in the form below to book a 30 min no-obligation consulting session.

I will reply within 24 hours.