中国: PSA 水素 - 技術とトレンド? 

中国で水素について話すとき、多くの人はすぐに電気分解装置や巨大な水蒸気改質装置を思い浮かべます。そして、についてPSA水素多くの場合、二次的なもの、単なるクリーニング手順と考えられています。しかし実際には、特に過去 5 ～ 7 年間、プロジェクト全体が経済的に実行可能かどうかを決定する多くの微妙な点がここにあります。私自身、理論上理想的な改質によって水素が生成されたものの、標準的な PSA 設備では効果的に精製できず、すべてが下り坂になった状況に遭遇しました。

単なる「ふるい」ではない：中国の PSA で実際につまずく場所

主な間違いは、PSA (短圧吸着) 技術が確立された普遍的なものであると考えることです。中国では、メタノール改質からの水素、塩素アルカリ製造からの水素、コークス炉ガスからの水素など、原料が大きく異なります。不純物の組成 (CO や CO2 だけでなく、微量の硫黄、芳香族化合物、水分も含む) は根本的に異なります。 「ボックス化された」ソリューションは問題への直接的な道です。山東省のあるプロジェクトを覚えています。そこでは、原材料の流れにおける説明のつかない圧力変動により、吸着剤が「汚染された」のではないかと思われます。予想時間よりも何倍も速い。その結果、契約では3年間の安定稼働が保証されていたにもかかわらず、わずか6か月で水素の純度が99.9%を下回った。

重要な点は、吸着剤と運転サイクルの適応です。新華社などの中国の吸着剤メーカーまたは「江蘇環球」では良質のゼオライトと活性炭が生産されますが、その選択はほとんど錬金術のようです。典型的な組成だけでなく、特定の主要生産物の特徴である不純物の考えられるピーク放出も考慮する必要があります。多くの場合、この段階では安価な吸着剤を購入することで節約できましたが、その後、頻繁な交換やダウンタイムに対して過大な支払いが発生しました。

もう 1 つのニュアンスは、自動化と制御です。現在の中国の PSA 設備は、純粋なリレー ロジックでは動作しなくなりました。しかし、原材料の組成の変化を予測する高度な制御アルゴリズムの実装はまだまれです。主にハードサイクルが使用されます。これは、太陽電気分解による断続的な生産に伴うフラックスから水素を精製する必要がある場合など、再生可能資源と統合するときに課題を引き起こします。ここが興味深いところです。柔軟で「スマートな」製品への傾向です。 ＰＳＡ

トレンド: 柔軟性、統合、および「グリーン」コンテキスト

現在の主な推進力は、いわゆる「グリーン水素」です。しかし、電気分解で生成するだけでは十分ではありません。それは効果的に浄化されなければなりません。従来の大型 PSA ユニットは、安定した流れを実現するように設計されています。そしてここで流れが急変する可能性があります。したがって、モジュール式で迅速に再構成可能なシステムが求められていました。たとえば、次のような発展を見てきました。成都宜之科技有限公司(彼らのウェブサイトはyzkjhx.ru) は、自らを化学技術の経験を持つ設計機関として位置づけています。彼らは、不安定な流れを含む特定の流れに対する処理システムの設計に重点を置いています。これは単なる機器の販売ではなく、非常に重要なターンキー エンジニアリングでもあります。

二酸化炭素回収システム (CCUS) との統合も、もう 1 つの重点分野です。水蒸気メタン改質 (SMR) から得られる水素は、長期間にわたって私たちに存在します。ここでの PSA は、純粋な H2 を取得するだけでなく、その後の廃棄または使用のために CO2 の濃縮ストリームを放出することも目的としています。この分離の効率と、流出流による水素の損失を最小限に抑えることは、別の工学的課題です。中国の一部の工場は現在、99.999%の純度で90%を超える水素回収率を達成しながら、95%を超える濃度のCO2を生成しています。しかし、パイロットプラントではなく、実際の産業条件でこれを達成することは別の課題です。

地方分権化の傾向も影響しています。 100,000 Nm3/h の巨大な設備を 1 つ設置する代わりに、消費地点の近くに複数の中小規模の設備を建設します。これにより、PSA の要件が変わります。小規模な設備のエネルギー効率、オンサイトのメンテナンスの容易さ、および場合によってはリモート監視と診断が重視されるようになります。浙江省のある化学パークが、比較のためにさまざまなサプライヤーからの比較的小型の PSA システムを 3 つ設置している様子を見ました。信頼性と運用コストの結果は大きく異なりました。

実際的な障壁と落とし穴

最大の障壁の 1 つは、保守スタッフの資格です。複雑なマルチポートバルブ、定期的なチェックが必要な敏感なバルブ、吸着剤の状態の診断など、これらはすぐには教えられません。現場でよく目にするのは、整備士チームはメインの生産をよく知っているにもかかわらず、彼らにとって PSA の設置はブラックボックスであるという事実です。問題が発生した場合、サプライヤーのエンジニアが呼ばれるため、長いダウンタイムが発生します。上記の企業を含むいくつかの企業成都宜之科技有限公司、現在では、契約にオンサイトトレーニングの延長サイクルを含めることが義務付けられていますが、これはまだ広く普及していません。

問題は部品の信頼性だ。バルブは最も弱い部分です。中国のメーカーはすでに優れた吸着器と制御システムの作り方を学んでいますが、高速 PSA サイクル用の高周波バルブは依然として海外から購入されたりコピーされたりすることがあり、これが耐久性に影響を与えています。四川省のアンモニア製造プラントの 1 つでは、1 年間の稼働後に 1 つのモジュールのバルブのバッチ全体を緊急に交換する必要が生じ、計算されたサイクル数に耐えられなくなったという話がありました。

エネルギー消費は見落とされがちな要素です。 PSA はパージ、圧縮、真空引きにエネルギーを必要とします。高い純度や回収率を追求するため、システムは過剰な数のステージや長いサイクルで設計される場合があり、これにより運用コストが大幅に増加します。純度、回収率、エネルギー消費の間の理想的なバランスは、プロジェクトごとに常に妥協点として求められます。

事例：メタノール製造との統合

良いケーススタディは、寧夏回族自治区のメタノール工場の近代化です。副生として水素を含むガスが発生しましたが、以前は単に燃焼させていました。 PSAを供給して精製し、水素をメタノール合成プロセスに戻すことにしました。典型的なプロジェクトのように思えます。

しかし、問題は組成にありました。H2、CO、CO2 に加えて、かなりの割合の窒素と微量の高級炭化水素が含まれていました。標準的なスキームでは対応できず、水素の純度が低く、合成反応器に戻されるとバランスが崩れる可能性がありました。関連研究所のデザイナー華西テクノロジー(説明に記載されているように成都宜之科技有限公司、これらはこの会社によって作成されました）は、非標準のソリューションである 2 段階 PSA を提案しました。第 1 段階では、大部分の CO2 と重質不純物が除去され、第 2 段階では、異なる吸着剤のセット、つまり細かく精製された CO2 と窒素が使用されます。水素の損失を最小限に抑えるために、サイクルの設定を工夫する必要がありました。

その結果、打ち上げから慣らし運転を経て、純度99.99％の水素を安定供給することができ、総メタノール収率を数％向上させることができました。しかし、最も重要なことは、設置費用が推定 4 年ではなく、ほぼ 6 年で元が取れたことです。なぜでしょうか?彼らは、より複雑なシステムを維持するためのコストの増加や、体制を調整するために原材料の組成をより頻繁に分析する必要性を考慮していませんでした。これは典型的な話です。すべてが完璧なエンジニアリングですが、計算されていない運営コストのせいで経済が行き詰まっています。

今後の展望: 中国の PSA はどうなるか

今後数年間で、革命ではなく進化が見られると思います。焦点は「できるだけ多くの純粋な水素を生成する」ことから移ります。 「特定の条件下でできるだけ安く安定して生産するか？」これは、PSA システムが個別のデバイスとしてではなく、技術チェーン全体の不可欠な部分として設計される、カスタマイズされたソリューションに対する需要の増加を意味します。

デジタル化が発展していきます。吸着剤の状態をオンラインで監視するためのセンサーの導入、バルブの予知保全のためのビッグデータの使用、リアルタイムでサイクルを最適化するためのデジタルツインなど、これはもはや空想ではなく、競争力を高めるために必要なものです。中国企業、特に次のようなデザイン機関成都宜之科技有限公司、ローカルな現実に近く、実際のオブジェクトでそのようなソリューションを迅速にテストできるため、ここでは利点があります。

そして最後はエコロジーです。二酸化炭素排出量削減の圧力により、水素を精製するためだけでなく、工場全体の排出量を管理するツールとしても PSA の改善が求められます。 PSA の設置は、経済効率の向上 (貴重な H2 の還元による) と環境への影響の削減を同時に実現するユニットになります。これは投資家と国にとって強力な主張です。したがって、そのテクノロジーは明らかに成熟しているにもかかわらず、PSA水素中国にはまだ成長と複雑化の可能性がたくさんあります。重要なことは、これはカタログからの単なる理論ではなく、常に実践であることを忘れないことです。