China: Hidrogénio PSA – tecnologias e tendências? 

Quando se fala em hidrogénio na China, muitas pessoas pensam imediatamente em eletrolisadores ou enormes reformadores de vapor. E sobreHidrogênio PSAmuitas vezes considerado algo secundário, apenas uma etapa de limpeza. Mas na prática, especialmente nos últimos 5-7 anos, é aqui que residem muitas subtilezas que determinam se todo o projecto será economicamente viável ou não. Eu mesmo me deparei com situações em que a reforma, ideal no papel, produzia hidrogênio, que então não poderia ser purificado de forma eficaz por uma instalação PSA padrão - e tudo piorou.

Não apenas uma “peneira”: onde realmente tropeçam com o PSA na China

O principal erro é considerar a tecnologia PSA (adsorção de curta pressão) como algo estabelecido e universal. Na China, as matérias-primas são muito diferentes: hidrogénio proveniente da reforma do metanol, da produção de cloro e álcalis, do gás de coqueria. A composição das impurezas (não apenas CO ou CO2, mas também vestígios de enxofre, aromáticos, umidade) é radicalmente diferente. Tomar uma solução “embalada” é um caminho direto para os problemas. Lembro-me de um projeto em Shandong, onde, devido a flutuações de pressão não contabilizadas no fluxo de matéria-prima, os adsorventes foram “envenenados”. muitas vezes mais rápido que o tempo estimado. Como resultado, a pureza do hidrogénio caiu abaixo dos 99,9% após apenas seis meses, embora o contrato garantisse três anos de operação estável.

O ponto chave é a adaptação dos adsorventes e do ciclo operacional. Fabricantes chineses de adsorventes, como ?Xinhua? ou ?Jiangsu Huanqiu?, produzem bons zeólitos e carvões ativados, mas sua seleção é quase alquimia. É necessário levar em consideração não apenas a composição típica, mas também possíveis picos de emissões de impurezas que são característicos de uma determinada produção principal. Muitas vezes, eles economizaram nesta fase comprando sorventes mais baratos e depois pagaram caro por substituições frequentes e tempo de inatividade.

Outra nuance é automação e controle. As instalações modernas de PSA chinesas não operam mais com pura lógica de relé. Mas a implementação de algoritmos de controle avançados que preveem mudanças na composição das matérias-primas ainda é rara. Principalmente um ciclo difícil é usado. Isto coloca desafios na integração com fontes renováveis, como quando o hidrogénio precisa de ser purificado a partir de fluxos associados à produção intermitente através de eletrólise solar. É aqui que as coisas ficam interessantes – a tendência para produtos flexíveis e “inteligentes”. PSA

Tendências: flexibilidade, integração e contexto “verde”

Agora o principal impulsionador é o chamado “hidrogênio verde”. Mas não basta produzi-lo por eletrólise; deve ser efetivamente purificado. As grandes unidades PSA tradicionais são projetadas para um fluxo constante. E aqui o fluxo pode saltar. Portanto, houve uma solicitação de sistemas modulares e rapidamente reconfiguráveis. Vi desenvolvimentos, por exemplo, deTecnologia Co. de Chengdu Yizhi.(o site deles éyzkjhx.ru), que se posiciona como um instituto de design com experiência em tecnologias químicas. Eles se concentram no projeto de sistemas de tratamento para fluxos específicos, inclusive instáveis. Não se trata apenas da venda de equipamentos, mas de engenharia chave na mão, que é extremamente importante.

A integração com sistemas de captura de carbono (CCUS) é outra área de foco. O hidrogênio proveniente da reforma a vapor do metano (SMR) estará conosco por muito tempo. E aqui o PSA não se trata apenas de obter H2 puro, mas também de liberar um fluxo concentrado de CO2 para posterior descarte ou uso. A eficiência desta separação e minimização das perdas de hidrogénio com o fluxo de efluentes é uma tarefa de engenharia separada. Algumas fábricas na China estão agora a atingir taxas de recuperação de hidrogénio acima de 90% com uma pureza de 99,999%, ao mesmo tempo que produzem CO2 em concentrações acima de 95%. Mas conseguir isto em condições industriais reais, e não numa instalação piloto, é outro desafio.

A tendência à descentralização também afeta. Em vez de uma enorme instalação de 100.000 Nm3/h, são construídas várias instalações de médio ou pequeno porte, localizadas mais próximas dos pontos de consumo. Isto altera os requisitos do PSA: maior ênfase na eficiência energética para pequenas instalações, facilidade de manutenção no local e, possivelmente, monitorização e diagnóstico remotos. Vi como um parque químico em Zhejiang instalou três sistemas PSA relativamente pequenos de diferentes fornecedores para comparação. Os resultados de confiabilidade e custos operacionais variaram significativamente.

Barreiras práticas e armadilhas

Uma das maiores barreiras é a qualificação do pessoal de manutenção. Válvulas multiportas complexas, válvulas sensíveis que requerem verificação regular, diagnóstico da condição dos adsorventes - não são ensinadas rapidamente. Muitas vezes me deparei com o fato de que uma equipe de mecânicos conhece muito bem a produção principal, mas para eles a instalação do PSA é uma caixa preta. Caso haja algum problema, os engenheiros do fornecedor são chamados, o que acarreta longos períodos de inatividade. Algumas empresas, incluindo a mencionadaTecnologia Co. de Chengdu Yizhi., é agora obrigatório incluir no contrato um ciclo alargado de formação presencial, mas isso ainda não se tornou uma prática generalizada.

A questão é a confiabilidade dos componentes. As válvulas são o elo mais fraco. Os fabricantes chineses já aprenderam a fazer bons adsorvedores e sistemas de controle, mas as válvulas de alta frequência para ciclos rápidos de PSA às vezes ainda são compradas no exterior ou copiadas, e isso afeta a durabilidade. Houve uma história em uma das fábricas de produção de amônia em Sichuan, quando foi necessário trocar urgentemente todo o lote de válvulas em um módulo após um ano de operação - elas simplesmente não conseguiam suportar o número calculado de ciclos.

O consumo de energia é um fator frequentemente esquecido. PSA requer energia para purga, compressão e aspiração. Na busca por altas taxas de pureza e recuperação, os sistemas às vezes são projetados com um número excessivo de estágios ou ciclos longos, o que aumenta drasticamente os custos operacionais. O equilíbrio ideal entre pureza, recuperação e consumo de energia é sempre um compromisso que se procura projeto a projeto.

Case: integração com produção de metanol

Um bom estudo de caso é a modernização da fábrica de metanol de Ningxia. Havia um subproduto de gás contendo hidrogênio, que anteriormente era simplesmente queimado. Decidimos fornecer PSA para purificá-lo e devolver o hidrogênio ao processo de síntese do metanol. Pareceria um projeto típico.

Mas o problema estava na composição: além de H2, CO, CO2, havia uma porcentagem decente de nitrogênio e vestígios de hidrocarbonetos superiores. O esquema padrão não dava conta, a pureza do hidrogênio era baixa e seu retorno ao reator de síntese poderia perturbar o equilíbrio. Designers de um instituto associado àTecnologia Huaxi(conforme indicado na descriçãoTecnologia Co. de Chengdu Yizhi., foram criados por esta empresa), propuseram uma solução não padronizada: um PSA de dois estágios. A primeira etapa removeu a maior parte do CO2 e impurezas pesadas, a segunda, com um conjunto diferente de adsorventes, CO finamente purificado e nitrogênio. Tive que mexer na configuração dos ciclos para minimizar a perda de hidrogênio.

Como resultado, após o lançamento e o período de rodagem, foi possível obter um fornecimento estável de hidrogênio com pureza de 99,99% e aumentar o rendimento total de metanol em vários por cento. Mas o mais importante é que a instalação se pagou não nos estimados 4 anos, mas em quase 6. Por quê? Não levaram em conta o aumento dos custos de manutenção de um sistema mais complexo e a necessidade de análises mais frequentes da composição das matérias-primas para ajustar o regime. Esta é uma história típica: tudo é engenharia perfeita, mas a economia está mancando devido a custos operacionais não calculados.

Olhando para o futuro: o que acontecerá com a PSA na China

Penso que nos próximos anos não veremos uma revolução, mas uma evolução. O foco mudará de “produzir o máximo de hidrogênio puro possível” e “produzir o máximo de hidrogênio puro possível”. “produzi-lo da forma mais barata e estável possível sob condições específicas?”. Isto significa um aumento na procura de soluções personalizadas, onde o sistema PSA é concebido não como um dispositivo separado, mas como parte integrante de toda a cadeia tecnológica.

A digitalização irá desenvolver-se. A introdução de sensores para monitorização online do estado dos adsorventes, a utilização de big data para manutenção preditiva de válvulas, gémeos digitais para otimização de ciclos em tempo real - isto já não é uma fantasia, mas uma necessidade de competitividade. As empresas chinesas, especialmente institutos de design comoTecnologia Co. de Chengdu Yizhi., têm uma vantagem aqui, pois estão mais próximos da realidade local e podem testar rapidamente tais soluções em objetos reais.

E a última coisa é a ecologia. A pressão para reduzir a pegada de carbono forçará melhorias no PSA não só para purificar o hidrogénio, mas também como ferramenta para gerir as emissões em toda a fábrica. A instalação PSA pode tornar-se uma unidade que aumenta simultaneamente a eficiência económica (devolvendo H2 valioso) e reduz o impacto ambiental. Este é um argumento poderoso para os investidores e o Estado. Assim, apesar da sua aparente maturidade, a tecnologiaHidrogênio PSAA China ainda tem muitas perspectivas de crescimento e complexidade. O principal é não esquecer que isso é sempre uma prática, e não apenas uma teoria de catálogo.