중국 수소 플랜트 응축기 제조업체, 수소 처리 응용 분야를 위한 효율적인 응축 시스템 제공

중국 수소 플랜트 응축기 제조업체, 수소 처리 응용 분야를 위한 효율적인 응축 시스템 제공

핵심 질문에 대한 답변: Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd의 수소 플랜트 응축기는 수소 처리 시설에 무엇을 제공하는가? Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel)는 증기 메탄 개질 수소 플랜트용 응축기를 설계 및 제작하며, 개질 가스 냉각 및 전환 후 증기 응축, 공정 응축수 회수, 정제 전 제품 냉각을 포함합니다. 개질기는 800-900°C 및 15-40 bar에서 작동하며, 하류 장치는 열과 물을 모두 회수합니다. 수소의 정상 입방미터당 0.5-2.0 kg의 공정 응축수가 회수되어 탈기기로 재활용되며, 이는 종종 물이 남는 플랜트와 물이 부족한 플랜트의 차이를 만듭니다. 수소는 -252.8°C에서 비등하며 부피의 4.0~75%에서 가연성이 있고 최소 점화 에너지가 0.017 mJ에 불과하므로 안전이 모든 설계 결정의 기준이 됩니다.

1. 수소 플랜트에서 응축기의 위치

증기 메탄 개질 장치는 주로 반응기와 열 회수 단계의 연속입니다. 네 가지 응축 서비스가 에너지 효율과 물 균형을 모두 결정합니다:

• 개질 가스 냉각 및 증기 발생: 개질기 출구 가스는 800-900°C에서 배출되어 폐열 보일러 또는 공정 가스 보일러로 들어가 40-120 bar의 증기를 발생시키며, 이는 플랜트의 대부분의 증기 수요와 일부 수출량을 공급합니다. 이는 일반적인 의미의 응축기가 아니라 증기 발생기이며, 전환 반응기 입구 온도까지 추가 냉각됩니다. 가스가 고온이고 고압에서 수소가 풍부하기 때문에 이 열 교환기는 고온 수소 공격에 대한 API 941 넬슨 곡선 제한을 충족해야 하며, 이는 가장 뜨거운 부분에서 탄소강이 아닌 저합금 크롬-몰리브덴 강철을 의미합니다.
• 전환 및 응축수 회수: 일산화탄소는 고온 전환 반응기에서 350-450°C에서 철-크롬 촉매를 통해, 저온 전환 반응기에서 200-250°C에서 구리-아연 촉매를 통해 이산화탄소와 수소로 전환되어 일산화탄소 함량을 약 10-12%에서 0.3% 미만으로 줄입니다. 이 단계 사이와 이후에 가스가 냉각되고 과잉 증기가 응축되어 수소의 정상 입방미터당 0.5-2.0 kg의 공정 응축수가 생성됩니다. 이 응축수에는 용해된 이산화탄소, 암모니아 및 소량의 메탄올이 포함되어 있으며, 보일러 급수 시스템으로 반환되기 전에 스트리핑해야 합니다. 왜냐하면 이산화탄소는 응축수 반환 라인에서 심각한 탄산 부식을 유발하기 때문입니다.
• 정제 전 냉각: 압력 스윙 흡착은 20-40°C에서 가장 효과적으로 작동하므로, 가스는 공기 냉각기 또는 냉각수로 냉각되고 남은 물은 흡착기 용기 전에 분리 장치에서 제거됩니다. 물이 분자체에 강하게 흡착되어 수소 용량을 대체하고 액체 물이 흡착기에 들어가면 흡착제를 손상시키기 때문에 완전한 물 제거가 중요합니다. 최종 냉각기 하류에 고효율 미스트 제거기가 있는 녹아웃 드럼은 표준이며, 레벨 제어 및 응축 시스템으로의 자동 배수가 있습니다.
• 수소 액화 및 심층 냉각: 액체 수소가 생산되는 경우, 가스는 다단 냉동 사이클에서 -253°C로 냉각되며, 비등점 -252.8°C에서 응축되고 잠열은 446 kJ/kg입니다. 이는 특수 작업입니다. 재료는 극저온에서 강도를 유지해야 하므로 오스테나이트계 스테인리스강 또는 알루미늄이 사용됩니다. 오르토-파라 수소 전환은 냉각 중에 촉매 작용을 해야 합니다. 왜냐하면 전환되지 않은 오르토-수소는 저장 중에 제품의 대부분을 증발시킬 만큼 많은 열을 방출하기 때문입니다. 단열은 진공 재킷 구조와 다층 단열 또는 펄라이트로 제공됩니다.

2. 수소 서비스에서의 재료 및 안전

수소는 금속을 화학적으로 열화시키고 심각한 화재 위험을 초래한다는 점에서 특이합니다. 세 가지 요구 사항이 따릅니다:

• 수소 취성 및 고온 공격: 두 가지 별개의 메커니즘을 다루어야 합니다. 상온 및 중간 온도에서 원자 수소는 강철로 확산되어 취성을 유발하며, 특히 약 300 HV 경도 이상의 고강도 재료에서 그렇습니다. 따라서 수소 서비스의 압력 부품은 경도 제한 및 저강도 강철로 지정되며, 용접 절차는 열영향부의 경도를 제어합니다. 고온에서는 수소가 강철의 탄소와 반응하여 메탄을 형성하여 탈탄 및 균열을 유발하며, 이는 고온 수소 공격으로 알려져 있습니다. 재료 선택은 API 941 넬슨 곡선을 따르며, 이는 각 합금에 대한 안전한 온도 및 수소 부분 압력 범위를 정의하며, 크롬-몰리브덴 강철은 가장 뜨거운 부분에 사용됩니다.
• 점화 위험 및 분류: 수소는 모든 일반 가스 중에서 가장 넓은 가연성 범위(부피의 4.0~75%)와 0.017 mJ의 최소 점화 에너지를 가지며, 이는 메탄의 약 1/10에 해당합니다. 즉, 약한 정전기 방전으로도 점화될 수 있습니다. 또한 거의 보이지 않는 불꽃으로 연소됩니다. 따라서 모든 장비는 ATEX 또는 IECEx Zone 1 또는 Zone 2로 분류되며, 모든 전도성 부품은 10옴 미만으로 본딩 및 접지되며, 계측기는 온도 등급 T1에서 수소에 대해 인증되고, 씰 및 플랜지에는 누출 감지기가 설치됩니다. 수소는 작은 간극을 통해 쉽게 누출되므로, 유지보수 상황이 허용하는 한 플랜지 연결보다 용접 구조를 선호합니다.
• 환기, 퍼지 및 시운전: 수소 시스템은 장비 내부에 수소와 공기의 혼합물이 심각한 폭발 위험을 초래하므로, 진입 전 및 시동 전에 퍼지해야 합니다. 퍼지는 질소를 사용하여 산소 농도를 약 1% 미만으로 줄인 후 수소를 주입하고, 장비를 열기 전에 다시 질소로 퍼지하며, 경과 시간 대신 분석으로 확인합니다. 배기 스택은 비상 감압을 위해 크기가 조정되고, 주변 구조물보다 훨씬 높게 라우팅되며, 설계에 따라 화염 방지기 또는 연속 퍼지 가스가 장착됩니다. 시운전에는 헬륨 누출 테스트가 포함되어야 합니다. 왜냐하면 수소 누출은 일반적인 방법으로 감지할 수 없으며, 공기에 허용되는 누출은 수소에는 허용되지 않는 경우가 많기 때문입니다.

수소 플랜트 응축기 서비스 비교 매트릭스

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 수소 플랜트에서 공정 응축수 회수가 중요한 이유는 무엇입니까?

A: 증기 메탄 개질 플랜트는 증기-탄소 비율 2.5-3.5로 작동하므로 매우 많은 양의 증기가 장치를 통과하며 대부분 소비되지 않습니다. 이 증기를 응축하고 회수하면 수소의 정상 입방미터당 0.5-2.0 kg의 응축수가 생성되며, 대형 플랜트에서는 시간당 수십 톤에 달합니다. 이를 탈기기 및 보일러 급수 시스템으로 반환하면 일반적으로 플랜트가 처리수 대량 소비자에서 물 중립에 가까운 상태로 전환되며, 이는 운영 비용과 물 공급이 제한된 현장에서 모두 중요합니다. 응축수에는 용해된 이산화탄소, 암모니아 및 소량의 메탄올과 포름산염이 포함되어 있어 탄산 부식을 유발하고 보일러 및 개질기 촉매로 오염 물질을 다시 운반할 수 있으므로 먼저 스트리핑해야 합니다.

Q: 넬슨 곡선이란 무엇이며 수소 플랜트 설계에 어떻게 사용됩니까?

A: API 권장 실무 지침 941에 게시된 넬슨 곡선은 각 강철 합금에 대해 고온 수소 공격이 발생하지 않는 온도와 수소 부분 압력의 조합을 정의합니다. 곡선 위에서는 수소가 강철로 확산되어 용해된 탄소와 반응하여 메탄을 형성하며, 이는 확산되지 않고 결정립계에 축적되어 균열, 탈탄 및 결국에는 눈에 띄는 경고 없이 파손을 유발합니다. 실제로는 설계자가 각 열 교환기의 작동 온도와 수소 부분 압력을 읽고 해당 지점 위에 놓이는 곡선을 가진 합금을 선택합니다. 즉, 더 시원한 부분에는 탄소강, 더 뜨거운 부분에는 1.25Cr-0.5Mo 또는 2.25Cr-1Mo, 클래딩 또는 고체 구조가 필요한 곳에는 오스테나이트계 스테인리스강을 사용합니다. 곡선 위로의 작동 편차는 심각하게 취급되며 일반적으로 검사를 트리거합니다.

Q: 일반 탄소강 파이프 및 용기에서 수소를 취급할 수 있습니까?

A: 상온 및 중간 압력에서는 가능하지만 제어가 필요합니다. 일반 탄소강은 수소 서비스에 널리 사용되지만 세 가지 조건이 적용됩니다. 강도 제한: 고강도 강철은 수소 취성에 더 민감하므로 압력 부품은 일반적으로 약 300 HV 미만의 경도와 제어된 항복 강도를 가진 재료로 제한됩니다. 용접부는 열영향부에서 경도 제어로 자격을 갖추어야 하며, 필요한 경우 용접 후 열처리가 적용됩니다. 온도와 압력은 선택한 합금에 대한 API 941 넬슨 범위 내에 있어야 합니다. 약 200-250°C 이상 또는 더 높은 수소 부분 압력에서는 크롬-몰리브덴 합금이 필요하며, 가장 심각한 서비스에는 스테인리스강 클래딩 또는 고체 오스테나이트 구조가 사용됩니다.

Q: 천연가스와 비교하여 수소 설계를 위해 무엇이 다릅니까?

A: 네 가지입니다. 가연성: 수소는 부피의 4.0~75%에서 가연성이 있으며 메탄은 약 5~15%입니다. 최소 점화 에너지는 약 1/10이므로 천연가스에서는 무해한 누출이 수소에서는 위험하며, 장비 분류 및 본딩 요구 사항이 그에 따라 더 엄격합니다. 누출: 수소 분자는 작고 쉽게 확산되므로 천연가스에 대해 적절하게 밀봉되는 조인트는 수소를 누출시킬 수 있습니다. 이것이 용접 구조 및 헬륨 누출 테스트가 선호되는 이유입니다. 재료 열화: 수소는 강철을 취화시키고 고온 수소 공격을 유발하며, 메탄에서는 둘 다 발생하지 않습니다. 불꽃 가시성: 수소는 거의 보이지 않는 불꽃으로 연소되므로 화재 감지는 시각적 감지가 아닌 열, 자외선 또는 적외선이어야 합니다.