厳しい

リストを保存して読む 発行者: Callum O'Reilly、炭化水素工学上級編集者、2021 年 8 月 16 日月曜日 11:50

米国エネルギー省 (DOE) によると、現在、米国で生産される水素の 95% が天然ガス改質または水蒸気メタン改質 (SMR) です。 これはおそらく、最も費用対効果が高くエネルギー効率の高い水素製造方法の 1 つです。

図 1. 典型的な SMR プロセスの概要。

図 1 は、典型的な SMR プロセスの概要を示しています。 SMR は成熟した生産プロセスと考えられており、メタン源 (つまり、天然ガス、バイオガス、合成ガスなど) が触媒の存在下で高温蒸気と吸熱反応して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素が生成されます。

CH4 + H2O (+ 熱) → CO + 3H2

続いて、一酸化炭素と水蒸気が触媒の存在下で反応して、「水性ガスシフト」反応に関して追加の水素と二酸化炭素が生成されます。

CO + H2O → CO2 + H2 (+ 熱)

最後に、水素ガスは圧力スイング吸着 (PSA) によって精製され、二酸化炭素やその他の不純物が除去されます。 多くの場合、アンモニア プラントが水素プラントの下流に存在し、水素が窒素と反応してアンモニアが生成されます。

高温と高圧の組み合わせにより、流体隔離要件に重大な課題をもたらす過酷な使用環境が生じます。 改質器と蒸気発生器では、温度と圧力がそれぞれ 1500°F と 1500 psig に達するか、それを超えることがあります。 これらの高温と圧力の上昇は、改質器、ボイラー給水、供給ガスライン、蒸気ドラムブライドル、パージ用途、ブローダウン用途など、SMR プロセス内のさまざまなモジュールおよび用途全体に蔓延しています。

SMR アイランドを超えて、プラントのアンモニア セクションでも、これらの温度と圧力の課題は窒素用途全体にわたって継続します。たとえば、コンプレッサーやフレア ヘッダーへの窒素供給バルブは 400°F で 4000 psig 以上に達する場合があります。

世界が再生可能エネルギーへの取り組みを進める中、水素はクリーンに燃焼する分子であり、化石燃料の代替となる可能性があることから、エネルギー転換の「戦略的支柱」として強い勢いを増している。 SMR プロセスを炭素捕捉および隔離 (CCS) 技術と組み合わせることで、「灰色水素」と呼ばれる従来の水素生成を、「青色水素」とも呼ばれる低炭素水素の生成に変換することができます。 ブルー水素が一次エネルギー源として経済的に実行可能となるためには、将来の自動車やその他の用途に対するエネルギー省のコスト目標を達成するために、生産、貯蔵、流通などを含む水素バリューチェーン全体のコストを削減する必要があります。 水素製造に関しては、電気分解など他の方法と比較して、SMR プロセスが依然として最も費用効果の高い方法です。 SMR プロセスは成熟した技術と考えられていますが、商業的および環境的最適化の機会が存在し、プロセスの特定の領域での持続的なより高い温度と圧力によって実現されています。 例えば、Hydrogen Council と McKinsey & Co. は、「高温で ATR [自己熱改質] を実行すると、メタンから水素への変換率も増加し、その結果、生成ガス中のメタン含有量が低下し、排出量がさらに削減されます」と主張しています。 「1 その結果、新しいプラントは、特定の用途やモジュールにおいて、既存の施設に比べてはるかに高温、高圧で稼働するように設計されています。 さらに、大気への漏れのない真の閉ループシステムの有効性は、商業的観点と環境的観点の両方から非常に重要になります。 そのため、ポジティブシャットオフによる信頼性の高い絶縁は、これらの用途のバルブにとって非常に困難になるだけでなく、生産プロセス全体にとっても極めて重要になります。

より低い温度と圧力では、堅固な Stellite® または Stellite 溶接オーバーレイ トリムを備えたトルク シート ゲート バルブが、厳密な遮断を必要としない用途には十分な場合があります。 トルクシートバルブの設計では、ライン圧力に対して適切にシールするために、バルブコンポーネントに大きな力を加える必要があります。 時間の経過とともに、これらの力により、このタイプのバルブの重要なシール部品が磨耗し、その結果、定位置固定バルブ設計に比べて製品寿命が短くなります。

温度と圧力が上昇するにつれて、初期設置時の遮断性能を向上させるために、ゲート バルブは同様に固体ステライトまたはステライト溶接オーバーレイ トリムを備えた Y パターン グローブ バルブに置き換えられることがよくあります。 残念ながら、グローブ バルブの遮断性能の向上は、バルブ全体での大幅な圧力降下と製品寿命の短さによって相殺されます。

グローブ バルブの設計には曲がりくねった流路が含まれており、その結果、高い圧力降下 (Cv の低下) が発生するだけでなく、シール要素に持続的な浸食が発生します。 さらに、ゲート バルブと同様に、グローブ バルブもトルク シートであり、ライン圧力に対してシールするために「ハンマーで打ち込む」必要があり、その結果、バルブの内部コンポーネントが継続的に摩耗します。 多回転および上昇ステムの機構と組み合わせると、グローブ バルブのシール効果がこれらの要因によって損なわれることが多く、その結果、バルブの寿命全体を通じてパッキンが大気中へ漏れます。 パッキンの漏れに加えて、シートの漏れもグローブ バルブの性能を悩ませることがよくあります。これは、閉じたグローブ バルブの上流セクションと下流セクションの間の温度差により、バルブの入口側の熱膨張と出口部分の熱収縮が生じるためです。プラグを含むバルブ。 そのため、プラグとシートのシール効果が損なわれ、グローブバルブから下流に漏れが発生します...

米国ユニオンテックの Robert Hsia が執筆。

この記事は元々、『Hydrocarbon Engineering』誌 2021 年 8 月号に掲載されたものです。 記事全文を読むには、ここにサインインするか、無料トライアル購読に登録してください。

オンラインで記事をご覧ください: https://www.hyderocarbonengineering.com/special-reports/16082021/severe-service-solutions/

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