روش های مختلف تولید گاز هیدروژن

برای استفاده در عملیات حرارتی فلزات

تهیه کننده : سید ضیاء کیانی

شهریور 1401

کلمات کلیدی: هیدروژن، گاز محافظ، HNx ، کوره آنیل، گالوانیزه پیوسته، آنیلینگ، کوره احیایی ، عملیات حرارتی

معرفی گاز هیدروژن

هیدروژن گازی بی‌ رنگ،‌ بی ‌بو و بدون مزه است که بیشترین فراوانی را در بین عناصر روی زمین دارد. هیدروژن درآب، چربی ‌ها، نفت خام، هیدروکربن‌ها، اسیدهای چرب، کربوکسیلیک اسیدها، شکر، آمونیاک، هیدروژن پراکسید و بسیاری از مواد دیگر یافت می‌شود.یکی از خاصیت‌ های شیمیایی مهم هیدروژن این است که با اکسیژن می سوزد و باعث تشکیل آب می شود. در واقع، نام هیدروژن از ترکیب کلمات یونانی و به معنی "سازنده آب" است.

  هیدروژن به دلیل خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ویژه، کاربردهای فراوانی در صنایع شیمیایی، کشاورزی و غذایی، پالایشگاه ها، متالورژی، شیشه، الکترونیک، صنایع فضایی، حمل و نقل و سایر صنایع دارد. از آنجا که کیفیت مورد نیاز هر صنعت و حجم مصرف هیدروژن در کاربردهای گوناگون متفاوت است، با پیشرفت تکنولوژی، روش های متنوعی برای تولید این گاز به وجود آمده است .

روش های مختلف تولید هیدروژن 

در صنایع مختلف، بسته به حجم مصرف و کیفیت گاز هیدروژن مورد نیاز، فراوانی مواد اولیه مورد استفاده برای تولید هیدروژن و سطح تکنولوژی فرآیند های وابسته، از روش های مختلفی برای تولید هیدروژن استفاده می شود. در ادامه به مهمترین این روش ها اشاره می شود:

-         تولید گاز هیدروژن به روش رفورمینگ متان (Steam Methane Reforming)

-         پیرولیز متان (Methane pyrolysis)

-         شکست آمونیاک (Ammonia Cracking)

-         تبدیل هیدروکربن های مایع (Plasma reforming)

-         تبدیل زغال سنگ   (Coal gasification)

-         تبدیل کک نفتی (Petroleum Coke)

-         تولید هیدروژن از هیدروژن سولفید

-         تولید هیدروژن از بیوگاز( Biomass gasification)

-         اکسیداسیون جزئی هیدروکربن های سنگین (Partial oxidation (POX))

-         الکترولیز آب( Electrolysis)

-         رادیولیز آب (Radiolysis)

-         ترمولیز آب (Thermolysis)

-         چرخه ترمو شیمیایی آبWater Thermochemical cycle)  (

-         روش تجزیه آب در حضور فرو سیلیکون (Ferrosilicon method)

-         روش جدایش فوتوبیولوژیکال آب  (Photobiological water splitting)

-         روش جدایش فوتوکاتالیزوری آب  (Photocatalytic water splitting)

با توجه به موقعیت جغرافیایی، سطح تکنولوژی، فراوانی منابع طبیعی و مواد اولیه،  صنایع مختلف برای تولید گاز هیدروژن مورد نیاز خود، از روش های گوناگونی استفاده می کنند که در ادامه به تشریح سه روش مهم آن پرداخته شده است.

تولید هیدروژن از رفورمینگ گاز متان

در این روش، گاز شهری که قسمت اعظم آن متان است، پس از فشرده سازی و گوگرد زدایی، در یک مخزن خاص که حاوی کاتالیست مخصوص این فرآیند می باشد با بخار آب مخلوط شده و در دما و فشار بالای این مبدل، واکنش تبدیل متان به هیدروژن انجام می شود. محصولات اصلی این واکنش هیدروژن، مونواکسید کربن و دی اکسید کربن هستند. در واکنش تکمیلی، مونواکسید کربن با آب نیز وارد واکنش شده و تولید هیدروژن می نماید:

CH₄+H₂O→3H₂+CO-Q

CO+H₂O→H₂+CO₂+Q

فلودیاگرام تولید هیدروژن به روش رفورمینگ گاز متان

درنهایت، پس از خالص سازی مخلوط گازها در مخازن (Pressure Swing Adsorption)PSA، محصول مورد نیاز، هیدروژن با حداقل خلوص 99% تولید شده و گازهای باقیمانده برای استفاده در سیستم احتراق و بازیابی حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند.

مهمترین مزایای این روش عبارتند از:

-         فراوانی و در دسترس بودن گاز شهری در ایران

-         بومی شدن ساخت کاتالیست های مصرفی در فرآیند رفورمینگ متان در ایران

-         سطح ایمنی مناسب و استفاده از تکنولوژی روز

-         قابلیت اطمینان و کیفیت مطلوب گاز حاصل

-         هزینه عملیاتی کم

-         مصرف انرژی و آلودگی کمتر محیط زیست به واسطه بازیابی انرژی و گازهای آلاینده

 

معایب اصلی این روش عبارتند از:

-         هزینه بالای سرمایه گذاری اولیه

-         دارای توجیه اقتصادی مناسب تر برای ظرفیت های بالاتر از 200 متر مکعب در ساعت هیدروژن

تصویر نمونه - بخشی از تجهیزات تولید هیدروژن به روش رفورمینگ گاز متان

برای تولید گاز هیدروژن از آمونیاک، طبق واکنش زیر در دمای900 تا 950 درجه سانتیگراد، در حضور کاتالیست و درفشار 5/0 تا 1 بار، پیوندهای آمونیاک شکسته شده و تبدیل به مخلوط گازی هیدروژن و نیتروژن می شود .

سپس طی فرآیند های خالص سازی، گاز هیدروژن خالص تولید و ذخیره می شود.

 فرآیند شکست آمونیاک و تولید گازهای هیدروژن و نیتروژن به صورت شماتیک در زیر نمایش داده شده است:

مهمترین مزایای این روش عبارتند از:

-         سرمایه گذاری اولیه کمتر نسبت به روش های دیگر

-         دارای صرفه اقتصادی برای ظرفیت مقیاس متوسط (50-200 متر مکعب در ساعت)

مهم ترین معایب  این روش :

-         موارد مربوط به تأمین و ملاحظات ایمنی ذخیره و انتقال آمونیاک مایع

تصویر نمونه - بخشی از تجهیزات تولید هیدروژن به روش شکست آمونیاک

                                                                                                                                                                                                             

ساده ترین و سریعترین فناوری برای تولید هیدروژن، تکنولوژی الکترولیز دوقطبی آب است که برای تولید هیدروژن فقط به جریان برق مستقیم و آب دیونیزه شده نیاز دارد. در این فرآیند، از یک جریان الکتریکی مستقیم و دو الکترود برای الکترولیز آب استفاده می شود. منبع جریان الکتریکی با جریان مستقیم به دو الکترود موجود در آب متصل شده و در طی این فرآیند، آب به عناصر سازنده خود تجزیه شده و گازهای هیدروژن آزاد در کاتد و اکسیژن آزاد در آند تولید می شوند . گازهاي اكسيژن و هيدروژن تولید شده پس از خنك شدن توسط مبدلهاي حرارتي از الكتروليت جدا مي شوند. به منظور دستيابي به خصوص بالاتر و كاهش غلظت اکسیژن در گاز جاصل ميتوان هيدروژن را از ميان محیط كاتاليستی عبور داده و اكسيژن آنرا تا حد زیادی حذف کرد.

          فلودیاگرام تولید هیدروژن به روش الکترولیز آب

برای مصرف هیدروژن در کوره های عملیات حرارتی فولاد، خلوص 99.99 درصد و نقطه شبنم حداقل 60- درجه مورد نیاز است. بنابراین استفاده از سیستم خالص ساز هیدروژن و رطوبت گیر در این صنعت الزامی می باشد.

  مشخصات کلی واحدهای تولید هیدروژن از الکترولیز آب و برخی از مزایای آن عبارتند از:

-          امکان ساخت و نصب به صورت شاسی های قابل حمل برای سیستم های دوقطبی (skid mount)

-           سهولت نصب و راه اندازی سیستم

-           عملکرد تمام اتوماتیک با استفاده از سیستم کنترل PLC

-          قابلیت طراحی سیستم براساس میزان مصرف پیوسته یا پر کردن مخزن  

-           تولید کارآمد با استفاده بهینه از نیروی برق و در نتیجه کاهش هزینه تولید

-           نیازمند ابزار دقیق متناسب با کاربرد هیدروژن و رعایت استانداردهای ایمنی مربوطه  

                                                                                             

 

معرفی تجهیزات اصلی و جانبی مجموعه الکترولیز آب به روش دو قطبی

-         واحد تولید کننده و جدا کننده گازها (Gas separator unit)

-         سیستم گردش آب قلیایی

-         سیستم خنک کننده گازها (Gas Cooler)

-         سیستم رطوبت گیری از گازها (Moisture separator)

-         واحد خالص سازی گاز (Purification Unit)

-         سیستم کنترل

-         واحد تأمین انرژی الکتریکی

واحد تأمین آب 

مجموعه شرکت های گروه آران قادر به ساخت و تأمین انواع سیستم های تولید هیدروژن برای صنایع مختلف، براساس کیفیت و ظرفیت مورد نیاز درخواست کنندگان محترم می باشد. کارشناسان ما آماده ارائه مشاوره فنی و انتخاب روش بهینه تولید گاز هیدروژن برای مشتریان محترم می باشند.