Производство «зеленого водорода» требует не только возобновляемой энергии, но и высокочистых технологий на всех этапах от подготовки воды до транспортировки и хранения газа. Поэтому инжиниринговые компании начали разработку насосов и трубопроводных систем, способных перегонять капризную молекулу.
Фото: Silica Насос Zyclon Z04 используется в сушильной камере для обеспечения циркуляции водорода
Елена Иванова
Число проектов в области водородной энергетики растет, поскольку она рассматривается как ключевое направление декарбонизации промышленности. При этом становится очевидным, что для производства зеленого водорода одних источников возобновляемой энергии недостаточно. Создаются новые технологические процессы на всех этапах, которые требуют оборудования и агрегатов, работающих в сверхчистых средах. Производители процессного оборудования всё активнее разрабатывают специальные насосы и трубопроводы для водородной отрасли.
Фото: livejournal Оборудование для нефтехимии не подходит для производства водорода и требует своих технологических решений
Почему обычное оборудование не подходит
Многие традиционные насосы проектировались для нефтехимии и работы с углеводородами, где требования к чистоте среды существенно ниже. В водородной энергетике ситуация иная. При производстве зеленого водорода существуют несколько проблем, которые не позволяют использовать оборудование и агрегаты, которые прекрасно работают в производстве нефтехимической продукции один к одному.
Во-первых, высок риск утечек из-за малого размера молекулы водорода. Требования к коррозионной стойкости оборудования значительно выше, чем при переработке углеводородов. Мембраны электролизеров особенно чувствительны к загрязнениям, а попадание смазочных материалов в среду может иметь фатальные последствия.
В отличие от традиционных промышленных газов, водород чрезвычайно чувствителен к загрязнениям. Даже минимальные примеси могут снижать эффективность электролизёров, ухудшать работу топливных элементов, вызывать коррозию оборудования, сокращать срок службы мембран и катализаторов. Поэтому особенно жёсткие требования предъявляются к качеству воды, герметичности систем, чистоте внутренних поверхностей.
Поэтому для водородных производств всё чаще используются специальные насосы и арматура, рассчитанные на работу с ультрачистой водой и высокочистыми газами. Даже микроскопические загрязнения способны привести к снижению эффективности дорогостоящих электролизных установок.
Фото: Edwards Винтовые насосы используются для перекачки больших объемов газа
Насосы для водорода: кулачковые, винтовые или даже пластинчато-роторные?
В промышленности чаще всего применяются два типа сухих (безмасляных) насосов: кулачковые (когтевые) и винтовые.
Компания Busch Vacuum Solutions разработала серию MINK MH специально для работы с водородом, включая рециркуляцию водорода в промышленных топливных элементах высокой мощности и технологических линиях.
Речь идет о сухом бесконтактном кулачковом (когтевой) компрессоре или насосе. Для использования в водородных технологиях конструкция насоса была адаптирована под новую среду. Внутри рабочей камеры два кулачковых ротора вращаются навстречу друг другу, но не соприкасаются ни между собой, ни со стенками корпуса. Это исключает трение, износ и необходимость какой-либо смазки в рабочей зоне.
Для обеспечения герметичности насосы оснащены герметичной магнитной муфтой, что полностью исключает утечку летучих молекул водорода во внешнюю среду. Специальное покрытие предотвращает «водородное охрупчивание» металла.
Британско-шведский концерн Edwards предлагает решения промышленного масштаба для химической, нефтехимической и водородной энергетики. Речь идет о серии EDP. Это сухой винтовой вакуумный насос.
Сжатие газа происходит за счет вращения двух синхронизированных винтов. В рабочей камере также полностью отсутствуют масло и трущиеся пары, что делает процесс чистым и безопасным.
Насосы серии Edwards EDP выпускаются во взрывозащищенном исполнении по высшему классу (для газов группы IIC, куда входит водород). Используется непрерывная подача инертного газа (азота) в уплотнения вала. Это создает избыточное давление («газовый затвор»), блокирующее выход водорода наружу. Насосы имеют регулируемую систему жидкостного охлаждения, чтобы температура внутри корпуса не достигла точки самовоспламенения водорода.
Кулачковые насосы используются для рециркуляции средних объемов водорода. Герметичность обеспечивается за счет глухого корпуса без сквозного вала. Эти агрегаты компактны, не требуют расходных материалов и работают с влажным газом.
Винтовые насосы используются на крупных производствах для глубокого вакуума при откачке больших объемов газа. Вместо магнитной муфты в них используется азотный затвор. Этот тип насосов стабильно выдерживает агрессивные химические примеси.
Инженерная наука и регуляторы говорят, что для промышленного применения с водородом стандартные сухие пластинчато-роторные насосы использовать категорически запрещено из-за риска взрыва и утечек. Однако в Германии разработали специальный насос этого типа для использования именно для этого газа.
Фото: Fink Chem+Tec Пластинчато-роторный насос Z04 может использоваться для водорода
Насос Ziclón Z04: высокотехнологичный спецкласс пластинчато-роторных агрегатов для водорода
Насос немецкой инжиниринговой фирмы Fink Chem+Tec Ziclón Z04 — уникальный агрегат. Это действительно сухой пластинчато-роторный насос, который успешно применяется для работы с водородом. Однако он кардинально отличается от стандартных промышленных насосов, поскольку спроектирован специально под экстремальные требования водородной энергетики.
Однако Ziclón Z04 обеспечивает абсолютную герметичность процесса. В его конструкции также используется магнитная муфта. У обычных насосов вал двигателя проходит сквозь корпус, и стандартные сальники не могут удержать летучие молекулы водорода. Модель Ziclón Z04 оснащена герметичной магнитной муфтой. Корпус физически полностью изолирован, что исключает утечку газа во внешнюю среду.
Вместо стандартного чугуна и обычной углеродистой стали, которые подвержены водородной хрупкости, в Ziclón Z04 применяется нержавеющая сталь высокого класса, Сплавы Hastelloy, а также керамика и карбид вольфрама. Эти материалы химически инертны к водороду и не разрушаются со временем.
Стандартный пластинчато-роторный насос работает при атмосферном давлении. Конструкция Ziclón Z04 рассчитана на системное давление до 400 бар и рабочую температуру до 300 °C. Это позволяет использовать его внутри замкнутых контуров высокого давления, например, в системах осушки водорода после электролиза.
Поскольку насос работает без масла, он не загрязняет водород.
Проблема микроабразивного износа графитовых пластин здесь решена тем, что сухой углеродный фильтр на выходе легко улавливает эту пыль, поскольку пыль удалить проще, чем масло. Кроме того, насос имеет взрывозащищенный сертификат ATEX.
Однако насос Ziclón Z04 — это не массовое стандартное оборудование, а высокотехнологичный спецкласс пластинчато-роторных машин. Стандартная модель прошла глубокую модернизацию, получив магнитный привод, спецсплавы заменили чугун, стала возможна работа под сверхдавлением 400 бар. Это сделало его пригодным для водорода.