الصين مصنع مكثفات محطات الهيدروجين توفير أنظمة مكثفة فعالة لتطبيقات معالجة الهيدروجين

مصنع الهيدروجين الصيني المصنع للمكثفات يقدم أنظمة تكثيف فعالة لتطبيقات معالجة الهيدروجين

الإجابة على السؤال الأساسي:ما الذي يقدمه مكثف مصنع الهيدروجين من شركة Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd لمرفق معالجة الهيدروجين؟تقوم شركة Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) بتصميم وتصنيع المكثفات لمصانع الهيدروجين التي تعتمد على إصلاح الميثان بالبخار، وتغطي تبريد الغاز المصلح وتكثيف البخار بعد تحويل الإزاحة، واستعادة المكثفات العملية، وتبريد المنتج قبل التنقية. يعمل المصلح عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية وضغط 15-40 بار، ويستعيد القطار السفلي الحرارة والماء: يتم استعادة مكثفات العملية بمعدل 0.5-2.0 كجم لكل متر مكعب عادي من الهيدروجين وإعادة تدويرها إلى مزيل الهواء، وهذا غالبًا ما يكون الفرق بين المصنع الذي ينتج الماء والمصنع الذي يستهلك الماء. يغلي الهيدروجين عند درجة حرارة -252.8 درجة مئوية وهو قابل للاشتعال بنسبة 4.0 إلى 75٪ بالحجم مع حد أدنى لطاقة الاشتعال يبلغ 0.017 ملي جول فقط، لذا فإن السلامة تحكم كل قرار تصميمي.

1. مكان المكثفات في مصنع الهيدروجين

يعتبر قطار إصلاح الميثان بالبخار إلى حد كبير سلسلة من المفاعلات وخطوات استعادة الحرارة. تحدد أربع خدمات تكثيف كفاءة الطاقة وتوازن المياه:

• تبريد الغاز المصلح وتوليد البخار: يخرج غاز المخرج من المصلح عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية ويدخل غلاية استعادة الحرارة المهدرة أو غلاية الغاز العملية التي تولد بخارًا عند ضغط 40-120 بار، والذي يلبي معظم احتياجات المصنع من البخار وجزءًا من تصديره. هذا ليس مكثفًا بالمعنى المعتاد ولكنه مولد بخار، ويتبعه مزيد من التبريد إلى درجة حرارة مدخل مفاعل الإزاحة. نظرًا لأن الغاز ساخن وغني بالهيدروجين تحت الضغط، يجب أن يلبي هذا المبادِل حدود منحنى نيلسون API 941 لهجوم الهيدروجين في درجات الحرارة العالية، مما يعني استخدام فولاذ الكروم والموليبدينوم منخفض السبائك بدلاً من الفولاذ الكربوني في الأقسام الأكثر سخونة.
• تحويل الإزاحة واستعادة المكثفات: يتم تحويل أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين في مفاعل إزاحة عالي الحرارة عند 350-450 درجة مئوية فوق محفز الحديد والكروم ثم إزاحة منخفضة الحرارة عند 200-250 درجة مئوية فوق محفز النحاس والزنك، مما يقلل من أول أكسيد الكربون من حوالي 10-12٪ إلى أقل من 0.3٪. بين هذه المراحل وبعدها يتم تبريد الغاز وتكثيف البخار الزائد، مما ينتج مكثفات عملية بمعدل 0.5-2.0 كجم لكل متر مكعب عادي من الهيدروجين. تحتوي هذه المكثفات على ثاني أكسيد الكربون والأمونيا وآثار من الميثانول ويجب معالجتها قبل إعادتها إلى نظام مياه تغذية الغلاية، حيث أن ثاني أكسيد الكربون يسبب تآكلًا شديدًا بحمض الكربونيك في خط عودة المكثفات.
• التبريد قبل التنقية: يعمل الامتزاز بالضغط المتأرجح بأقصى فعالية عند 20-40 درجة مئوية، لذلك يتم تبريد الغاز بمبردات الهواء أو مياه التبريد ويتم إزالة الماء المتبقي في فاصل قبل أوعية الامتزاز. إزالة الماء الكاملة مهمة لأن الماء يتم امتزازه بقوة على المنخل الجزيئي وسيؤدي إلى إزاحة سعة الهيدروجين، ولأن الماء السائل الذي يدخل جهاز الامتزاز يتلف المادة الماصة. يعتبر وعاء الفصل مع مزيل ضباب عالي الكفاءة بعد المبرد النهائي قياسيًا، مع التحكم في المستوى والتصريف التلقائي إلى نظام المكثفات.
• تسييل الهيدروجين والتبريد العميق: حيث يتم إنتاج الهيدروجين السائل، يتم تبريد الغاز إلى -253 درجة مئوية في دورة تبريد متعددة المراحل، مع التكثيف عند نقطة الغليان -252.8 درجة مئوية وحرارة كامنة تبلغ 446 كيلوجول/كجم. هذه مهمة متخصصة: يجب أن تحتفظ المواد بصلابتها في درجات الحرارة شديدة البرودة، لذا يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أو الألومنيوم؛ يجب تحفيز تحويل الهيدروجين الأورثو-بارا أثناء التبريد، لأن الهيدروجين الأورثو غير المتحول يطلق ما يكفي من الحرارة لتبخير معظم المنتج أثناء التخزين؛ ويتم توفير العزل عن طريق البناء المعزول بالفراغ مع عزل متعدد الطبقات أو البيرلايت.

2. المواد والسلامة في خدمة الهيدروجين

الهيدروجين غير عادي من حيث أنه يفسد المعادن كيميائيًا بالإضافة إلى خلق خطر حريق شديد. تتبع ثلاثة متطلبات:

• تقصف الهيدروجين وهجوم درجات الحرارة العالية: يجب معالجة آليتين متميزتين. عند درجة الحرارة المحيطة والمعتدلة، ينتشر الهيدروجين الذري في الفولاذ ويسبب التقصف، خاصة في المواد عالية القوة فوق صلابة حوالي 300 HV، لذا يتم تحديد الأجزاء الحاملة للضغط في خدمة الهيدروجين بحدود الصلابة والفولاذ الأقل قوة، وتتحكم إجراءات اللحام في الصلابة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتفاعل الهيدروجين مع الكربون في الفولاذ لتكوين الميثان، مما يسبب إزالة الكربنة والتشقق المعروف باسم هجوم الهيدروجين في درجات الحرارة العالية؛ اختيار المواد يتبع منحنى نيلسون API 941، الذي يحدد نطاق درجة الحرارة الآمن وضغط الهيدروجين الجزئي لكل سبيكة، مع استخدام سبائك الكروم والموليبدينوم للأقسام الأكثر سخونة.
• خطر الاشتعال والتصنيف: يمتلك الهيدروجين أوسع نطاق قابل للاشتعال لأي غاز شائع، من 4.0 إلى 75٪ بالحجم، وطاقة اشتعال دنيا تبلغ 0.017 ملي جول، أي حوالي عُشر الميثان، مما يعني أن حتى التفريغ الساكن الضعيف يمكن أن يشعله. كما أنه يحترق بلهب غير مرئي تقريبًا. وبالتالي، يتم تصنيف جميع المعدات إلى المنطقة 1 أو المنطقة 2 وفقًا لـ ATEX أو IECEx، ويتم ربط كل جزء موصل وتأريضه بأقل من 10 أوم، ويتم اعتماد الأجهزة للهيدروجين في فئة درجة الحرارة T1، ويتم تركيب كشف التسرب عند الأختام والوصلات. نظرًا لأن الهيدروجين يتسرب بسهولة عبر الفجوات الصغيرة، فإن تصميم الوصلات يفضل البناء الملحوم على الوصلات المفلنجة كلما سمحت حالة الصيانة بذلك.
• التهوية والتطهير والتشغيل: يجب تطهير أنظمة الهيدروجين قبل الدخول وقبل البدء، لأن خليط الهيدروجين والهواء داخل المعدات يشكل خطر انفجار خطير. يتم التطهير بالنيتروجين لتقليل الأكسجين إلى أقل من حوالي 1٪ قبل إدخال الهيدروجين، وبالنيتروجين مرة أخرى قبل فتح المعدات، مع التحقق بالتحليل بدلاً من الوقت المنقضي. يتم تحديد حجم مداخن التهوية للتفريغ الطارئ، وتوجيهها فوق الهياكل المحيطة، وتزويدها بموانع اللهب أو غاز تطهير مستمر حسب التصميم. يجب أن يشمل التشغيل اختبار تسرب الهيليوم، لأن تسرب الهيدروجين غير قابل للكشف بالوسائل العادية والتسرب المقبول للهواء غالبًا ما يكون غير مقبول للهيدروجين.

مصفوفة مقارنة خدمات مكثفات مصنع الهيدروجين

أسئلة متكررة (FAQ)

س: لماذا تعتبر استعادة المكثفات العملية مهمة في مصنع الهيدروجين؟

ج: يعمل مصنع إصلاح الميثان بالبخار بنسبة بخار إلى كربون تتراوح بين 2.5 و 3.5، لذا تمر كمية كبيرة جدًا من البخار عبر القطار ولا يتم استهلاك معظمه. يؤدي تكثيف واستعادة هذا البخار إلى إنتاج 0.5-2.0 كجم من المكثفات لكل متر مكعب عادي من الهيدروجين، وهو ما يعادل عشرات الأطنان في الساعة في مصنع كبير. إعادته إلى مزيل الهواء ونظام مياه تغذية الغلاية يحول المصنع عادةً من كونه مستهلكًا كبيرًا للمياه المعالجة إلى كونه قريبًا من الحياد المائي، وهو ما يهم لكل من تكلفة التشغيل وللمواقع التي تكون فيها إمدادات المياه محدودة. يجب معالجة المكثفات أولاً، لأنها تحمل ثاني أكسيد الكربون والأمونيا وآثار الميثانول والفورمات المذابة التي قد تسبب بخلاف ذلك تآكلًا بحمض الكربونيك وتنقل الملوثات مرة أخرى إلى الغلايات ومحفز المصلح.

س: ما هو منحنى نيلسون وكيف يُستخدم في تصميم مصنع الهيدروجين؟

ج: يحدد منحنى نيلسون، المنشور في الممارسة الموصى بها API 941، لكل سبيكة فولاذية مجموعات درجة الحرارة وضغط الهيدروجين الجزئي التي لا يحدث عندها هجوم الهيدروجين في درجات الحرارة العالية. فوق المنحنى، ينتشر الهيدروجين في الفولاذ ويتفاعل مع الكربون المذاب لتكوين الميثان، الذي لا يمكن أن ينتشر ويراكم عند حدود الحبيبات، مما يسبب التشقق وإزالة الكربنة والفشل النهائي دون أي تحذير مرئي. عمليًا، يقرأ المصممون درجة حرارة التشغيل وضغط الهيدروجين الجزئي لكل مبادل حراري ويختارون سبيكة يقع منحناها فوق تلك النقطة: فولاذ كربوني للأقسام الأكثر برودة، 1.25Cr-0.5Mo أو 2.25Cr-1Mo للأقسام الأكثر سخونة، وفولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي حيث يلزم التبطين أو البناء الصلب. تعتبر الانحرافات التشغيلية فوق المنحنى خطيرة وعادة ما تؤدي إلى الفحص.

س: هل يمكن التعامل مع الهيدروجين في أنابيب وأوعية فولاذية عادية؟

ج: عند درجة الحرارة المحيطة والضغط المعتدل، نعم، مع الضوابط. يستخدم الفولاذ الكربوني على نطاق واسع لخدمة الهيدروجين، ولكن تنطبق ثلاثة شروط. القوة محدودة: الفولاذ عالي القوة أكثر عرضة لتقصف الهيدروجين، لذا فإن الأجزاء الحاملة للضغط مقيدة عادةً بالمواد ذات الصلابة أقل من حوالي 300 HV وقوة خضوع مضبوطة. يجب تأهيل اللحامات مع التحكم في الصلابة في المنطقة المتأثرة بالحرارة، ويتم تطبيق المعالجة الحرارية بعد اللحام عند الضرورة. يجب أن تظل درجة الحرارة والضغط ضمن نطاق منحنى نيلسون API 941 للسبيكة المختارة. فوق حوالي 200-250 درجة مئوية، أو عند ضغط هيدروجين جزئي أعلى، تصبح سبائك الكروم والموليبدينوم ضرورية، ويستخدم تبطين الفولاذ المقاوم للصدأ أو البناء الأوستنيتي الصلب في الخدمة الأكثر شدة.

س: ما هو الاختلاف في التصميم للهيدروجين مقارنة بالغاز الطبيعي؟

ج: أربعة أشياء. القابلية للاشتعال: الهيدروجين قابل للاشتعال من 4.0 إلى 75٪ بالحجم مقابل حوالي 5 إلى 15٪ للميثان، وطاقة اشتعاله الدنيا تبلغ حوالي عُشر ذلك، لذا فإن التسربات التي تكون غير ضارة مع الغاز الطبيعي تكون خطيرة مع الهيدروجين، ومتطلبات تصنيف المعدات والربط تكون أكثر صرامة وفقًا لذلك. التسرب: جزيئات الهيدروجين صغيرة وتنتشر بسهولة، لذا فإن الوصلات التي تختم بشكل كافٍ للغاز الطبيعي قد تتسرب الهيدروجين، وهذا هو السبب في تفضيل البناء الملحوم واختبار تسرب الهيليوم. تدهور المواد: الهيدروجين يسبب تقصف الفولاذ ويسبب هجوم الهيدروجين في درجات الحرارة العالية، وكلاهما لا يحدث مع الميثان. رؤية اللهب: يحترق الهيدروجين بلهب غير مرئي تقريبًا، لذا يجب أن يكون كشف الحريق حراريًا أو بالأشعة فوق البنفسجية أو بالأشعة تحت الحمراء بدلاً من البصري.