Cina: PSA idrogeno: tecnologie e tendenze? 

Quando in Cina si parla di idrogeno, molti pensano subito agli elettrolizzatori o agli enormi riformatori di vapore. E circaPSA idrogenospesso pensato come qualcosa di secondario, solo una fase di pulizia. Ma in pratica, soprattutto negli ultimi 5-7 anni, è qui che si trovano molte sottigliezze che determinano se l'intero progetto sarà economicamente fattibile o meno. Io stesso mi sono imbattuto in situazioni in cui il reforming, ideale sulla carta, produceva idrogeno, che poi non poteva essere purificato efficacemente da un impianto PSA standard - e tutto è andato in discesa.

Non solo un “setaccio”: dove inciampano davvero con PSA in Cina

L’errore principale è considerare la tecnologia PSA (adsorbimento a breve pressione) come qualcosa di consolidato e universale. In Cina le materie prime sono molto diverse: idrogeno dal reforming del metanolo, dalla produzione di cloro-alcali, dal gas di cokeria. La composizione delle impurità (non solo CO o CO2, ma anche tracce di zolfo, sostanze aromatiche, umidità) è radicalmente diversa. Prendere una soluzione "in scatola" è un percorso diretto ai problemi. Ricordo un progetto nello Shandong, dove a causa di fluttuazioni di pressione non contabilizzate nel flusso delle materie prime, gli adsorbenti erano "avvelenati?" molte volte più velocemente del tempo stimato. Di conseguenza, la purezza dell’idrogeno è scesa al di sotto del 99,9% dopo soli sei mesi, sebbene il contratto garantisse tre anni di funzionamento stabile.

Il punto chiave è l’adattamento degli adsorbenti e del ciclo operativo. I produttori cinesi di assorbenti, come ?Xinhua? o ?Jiangsu Huanqiu?, producono buone zeoliti e carboni attivi, ma la loro selezione è quasi alchemica. È necessario tenere conto non solo della composizione tipica, ma anche dei possibili picchi di emissioni di impurità caratteristici di una particolare produzione principale. Spesso in questa fase risparmiavano acquistando assorbenti più economici e poi pagavano in eccesso per sostituzioni frequenti e tempi di inattività.

Un'altra sfumatura è l'automazione e il controllo. Le moderne installazioni PSA cinesi non funzionano più secondo la pura logica del relè. Ma l’implementazione di algoritmi di controllo avanzati che prevedono cambiamenti nella composizione delle materie prime è ancora rara. Viene utilizzato principalmente un ciclo duro. Ciò pone sfide quando si integra con le fonti rinnovabili, come quando l’idrogeno deve essere purificato dai flussi associati alla produzione intermittente tramite elettrolisi solare. È qui che le cose si fanno interessanti: la tendenza verso prodotti flessibili e “intelligenti”. P.S.A.

Tendenze: flessibilità, integrazione e contesto “green”.

Ora il motore principale è il cosiddetto “idrogeno verde”. Ma non basta produrlo per elettrolisi; deve essere efficacemente purificato. Le tradizionali unità PSA di grandi dimensioni sono progettate per un flusso costante. E qui il flusso può saltare. Pertanto, vi era la richiesta di sistemi modulari e rapidamente riconfigurabili. Ho visto sviluppi, ad esempio, daChengdu Yizhi Technology Co.(il loro sito web èyzkjhx.ru), che si posizionano come un istituto di progettazione con esperienza nelle tecnologie chimiche. Si concentrano sulla progettazione di sistemi di trattamento per flussi specifici, compresi quelli instabili. Non si tratta solo della vendita di attrezzature, ma dell'ingegneria chiavi in ​​mano, che è di fondamentale importanza.

Un’altra area di interesse è l’integrazione con i sistemi di cattura del carbonio (CCUS). L’idrogeno derivante dal reforming del metano con vapore (SMR) ci accompagnerà per molto tempo. E qui PSA non significa solo ottenere H2 puro, ma anche rilasciare un flusso concentrato di CO2 per il successivo smaltimento o utilizzo. L'efficienza di questa separazione e la minimizzazione delle perdite di idrogeno con il flusso di effluenti è un compito ingegneristico separato. Alcuni impianti in Cina stanno ora raggiungendo tassi di recupero dell’idrogeno superiori al 90% con una purezza del 99,999%, producendo CO2 a concentrazioni superiori al 95%. Ma raggiungere questo obiettivo in condizioni industriali reali, e non in un impianto pilota, rappresenta un’altra sfida.

Incide anche la tendenza al decentramento. Invece di un grande impianto da 100.000 Nm3/h, ne vengono costruiti diversi medi o piccoli, posizionati più vicini ai punti di consumo. Ciò cambia i requisiti per PSA: maggiore enfasi sull’efficienza energetica per i piccoli impianti, facilità di manutenzione in loco ed eventualmente monitoraggio e diagnostica remoti. Ho visto come un parco chimico nello Zhejiang ha installato tre sistemi PSA relativamente piccoli di diversi fornitori per un confronto. I risultati relativi all'affidabilità e ai costi operativi variavano in modo significativo.

Barriere pratiche e insidie

Uno dei maggiori ostacoli è rappresentato dalle qualifiche del personale addetto alla manutenzione. Valvole multiporta complesse, valvole sensibili che richiedono controlli regolari, diagnostica delle condizioni degli adsorbenti: queste non vengono apprese rapidamente. Spesso nei cantieri mi sono imbattuto nel fatto che un team di meccanici conosce molto bene la produzione principale, ma per loro l'installazione PSA è una scatola nera. In caso di problemi vengono chiamati gli ingegneri del fornitore, il che comporta lunghi tempi di inattività. Alcune aziende, tra cui quella citataChengdu Yizhi Technology Co., è ormai obbligatorio prevedere nel contratto un ciclo esteso di formazione in sede, ma questa non è ancora diventata una pratica diffusa.

Il problema è l'affidabilità dei componenti. Le valvole sono l’anello più debole. I produttori cinesi hanno già imparato come realizzare buoni adsorbitori e sistemi di controllo, ma le valvole ad alta frequenza per cicli PSA rapidi a volte vengono ancora acquistate all'estero o copiate, e ciò influisce sulla durata. C'era una storia in uno degli impianti di produzione di ammoniaca nel Sichuan quando era necessario cambiare urgentemente l'intero lotto di valvole su un modulo dopo un anno di funzionamento: semplicemente non potevano sopportare il numero calcolato di cicli.

Il consumo energetico è un fattore spesso trascurato. Il PSA richiede energia per lo spurgo, la compressione e l'aspirazione. Alla ricerca di elevata purezza e tassi di recupero, i sistemi vengono talvolta progettati con un numero eccessivo di fasi o cicli lunghi, il che aumenta notevolmente i costi operativi. L'equilibrio ideale tra purezza, recupero e consumo energetico è sempre un compromesso che viene ricercato progetto per progetto.

Caso: integrazione con la produzione di metanolo

Un buon caso di studio è la modernizzazione dell’impianto di metanolo di Ningxia. C'era gas contenente idrogeno come sottoprodotto, che in precedenza veniva semplicemente bruciato. Abbiamo deciso di fornire PSA per purificarlo e restituire idrogeno al processo di sintesi del metanolo. Sembrerebbe un tipico progetto.

Ma il problema era nella composizione: oltre a H2, CO, CO2 c'era una discreta percentuale di azoto e tracce di idrocarburi superiori. Lo schema standard non poteva farcela, la purezza dell'idrogeno era bassa e il suo ritorno al reattore di sintesi poteva sconvolgere l'equilibrio. Designer di un istituto associato aTecnologia Huaxi(come indicato nella descrizioneChengdu Yizhi Technology Co., sono stati creati da questa società), ha proposto una soluzione non standard: un PSA in due fasi. La prima fase ha rimosso la maggior parte della CO2 e delle impurità pesanti, la seconda, con un diverso set di adsorbenti, ha purificato CO e azoto finemente. Ho dovuto armeggiare con l'impostazione dei cicli per ridurre al minimo la perdita di idrogeno.

Di conseguenza, dopo il lancio e il periodo di rodaggio, è stato possibile ottenere una fornitura stabile di idrogeno con una purezza del 99,99% e aumentare la resa totale di metanolo di diversi punti percentuali. Ma la cosa più importante è che l'installazione si è ammortizzata non nei 4 anni stimati, ma in quasi 6. Perché? Non hanno tenuto conto dell’aumento dei costi legati al mantenimento di un sistema più complesso e della necessità di analisi più frequenti della composizione delle materie prime per adeguare il regime. Questa è una storia tipica: tutto è perfetto dal punto di vista ingegneristico, ma l'economia zoppica a causa dei costi operativi non calcolati.

Guardando al futuro: cosa accadrà a PSA in Cina

Penso che nei prossimi anni assisteremo non ad una rivoluzione, ma ad un’evoluzione. L'attenzione si sposterà dalla ?produzione di quanto più idrogeno puro possibile? di “produrlo nel modo più economico e stabile possibile in condizioni specifiche?”. Ciò significa un aumento della domanda di soluzioni personalizzate, dove il sistema PSA è concepito non come un dispositivo separato, ma come parte integrante dell'intera catena tecnologica.

Si svilupperà la digitalizzazione. L'introduzione di sensori per il monitoraggio online dello stato degli adsorbenti, l'uso di big data per la manutenzione predittiva delle valvole, i gemelli digitali per l'ottimizzazione dei cicli in tempo reale: questa non è più una fantasia, ma una necessità per la competitività. Le aziende cinesi, in particolare gli istituti di design comeChengdu Yizhi Technology Co., hanno qui un vantaggio poiché sono più vicini alle realtà locali e possono testare rapidamente tali soluzioni su oggetti reali.

E l'ultima cosa è l'ecologia. La pressione per ridurre l’impronta di carbonio imporrà miglioramenti al PSA non solo per purificare l’idrogeno, ma anche come strumento per gestire le emissioni a livello di impianto. L'impianto PSA può diventare un'unità che aumenta contemporaneamente l'efficienza economica (restituendo preziosa H2) e riduce l'impatto ambientale. Questo è un argomento potente per gli investitori e per lo Stato. Quindi, nonostante la sua apparente maturità, la tecnologiaPSA idrogenoLa Cina ha ancora molte prospettive di crescita e complessità. La cosa principale è non dimenticare che questa è sempre pratica e non solo una teoria da un catalogo.