هیدروژن به‌عنوان یکی از اجزای اصلی در صنعت پالایش نفت، نقشی حیاتی در فرآیندهای مختلف پالایشی ایفا می‌کند. هیدروژن عمدتا در واحدهای مختلف نظیر تصفیه هیدروژنی، هیدروکراکینگ و ایزومریزاسیون، هیدروژنه کردن با هدف گوگرد‌زدایی و بهبود کیفیت محصولات نهایی پالایشی مورد استفاده قرار میگیرد. با توجه به افزایش تقاضا برای سوخت‌های پاک‌تر و همچنین تشدید استانداردهای محیط‌زیستی، مدیریت بهینه مصرف هیدروژن و بهره‌وری، هیدروژن در پالایشگاه‌ها بیش از پیش اهمیت یافته است. در این مقاله، زنجیره ارزش هیدروژن در پالایشگاه‌های نفت خام با نگاهی کلان مورد بررسی قرار گرفته است.
مدیریت بهینه هیدروژن در پالایشگاه
امروزه، پالایشگاه‌ها با چالش‌های متعددی روبه‌رو هستند؛ از جمله افزایش نیاز به پالایش نفت خام‌های سنگین‌تر و پیچیده‌تر که باعث مصرف بیشتر هیدروژن می‌شود. همچنین، ارتقا مقررات محیط‌زیستی و نیاز به کاهش انتشار کربن‌دی‌اکسید، صنعت پالایش را با چالش‌های جدیدی مواجه کرده است. علاوه بر فرایند‌های گوگرد زدایی و بهبود کیفیت محصولات، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت جایگزین می‌تواند در بسیاری از این فرآیندها به کاهش آلاینده‌ها و بهبود بهره‌وری کمک کند. استفاده از سوخت غنی از هیدروژن در کوره‌ها و بویلر‌های تولید کننده بخار، با ترکیب 20% تا 75% حجمی هیدروژن، می‌تواند کاهش قابل‌توجهی در انتشار کربن‌دی‌اکسید ایجاد کند. این اقدام می‌تواند به کاهش 5 کیلوگرم کربن‌دی‌اکسید به ازای هر بشکه تولید نفت خام کمک کند، که نشان‌دهنده پتانسیل بالای هیدروژن در کاهش آثار منفی محیط‌زیستی است.
برای مطالعه مقاله “استفاده از هیدروژن پاک در صنعت پالایش برای کربن‌زدایی و آینده‌ای پایدار در صنعت نفت” اینجا کلیک کنید.
مدیریت بهینه هیدروژن در پالایشگاه‌های نفتی یکی از الزامات اصلی برای دستیابی به بهره‌وری بیشتر و رعایت استانداردهای محیط‌زیستی است. در این زمینه، پالایشگاه‌ها به‌طور مداوم در حال بهبود فرآیندهای تولید، توزیع و استفاده از هیدروژن هستند. استفاده بهینه از هیدروژن می‌تواند به کاهش مصرف انرژی و بهبود کیفیت محصولات نهایی کمک کند. به‌عنوان مثال، هزینه تولید هیدروژن معمولاً بین 950 تا 1،400 دلار به ازای هر تن هیدروژن تخمین زده می‌شود. با کاهش 1 تن در ساعت مصرف هیدروژن، می‌توان سالانه بیش از 8 هزار تن هیدروژن را صرفه‌جویی کرده و حداقل 8 میلیون دلار هزینه را کاهش داد.
شبکه تبادل هیدروژن در پالایشگاه‌های نفت (زنجیره ارزش هیدروژن در پالایشگاه)
شبکه هیدروژن در پالایشگاه‌های نفت به‌عنوان یک سیستم یکپارچه برای تولید، توزیع و استفاده از هیدروژن شناخته می‌شود. این شبکه به‌طور مؤثر نیازهای پالایشگاه را برای تأمین هیدروژن با فشار و خلوص مناسب تأمین می‌کند که شامل بخش تولید، توزیع و مصرف است.
1. تولید هیدروژن
در پالایشگاه‌های نفت هیدروژن در فرایند‌های مختلف متناسب ماهیت واکنش‌های شیمیایی و شرایط عملیاتی واحدهای مختلف تولید می‌شود. تنها واحد فرایندی در پالایشگاه‌های نفت با هدف تولید هیدروژن، واحد ریفورمینگ متان با بخار آب (Steam Methane Reforming-SMR) می‌باشد. در سایر فرایند‌های تولید کننده هیدروژن در پالایشگاه، هیدروژن به عنوان محصول جانبی تولید می‌شود که پس از جداسازی قابلیت استفاده در واحدهای فرایندی مصرف کننده را دارد. واحد SMR عمدتا در پالایشگاه‌های دارای واحد هیدروکرکینگ (IZOMAX) جهت تامین هیدروژن خالص مورد نیاز این واحد احداث می‌شود.
برای مطالعه مقاله “مروری بر فرایند های تولید گاز سنتز از گاز طبیعی” اینجا کلیک کنید.
واحدهای ریفورمینگ کاتالیستی نفتا (Naphtha Catalytic Reforming) و واحد کراکینگ بستر سیال (Fluid Catalytic Cracking-FCC) از واحدهای فرایند مهم در پالایشگاه محسوب می‌شود که مقدار قابل توجهی هیدروژن به عنوان محصول جانبی نیز در این واحد تولید می‌شود. هیدروژن تولیدی معمولاً با خلوص حدد 90 درصد تولید می‌شود که می‌توان آن را با استفاده از روش‌های مختف خالص‌سازی به خلوص 99 درصد افزایش داد.
2. توزیع هیدروژن
پس از تولید و انجام فرایند‌های تصفیه، هیدروژن از طریق خطوط لوله یا سیستم‌های توزیع اختصاصی در پالایشگاه توزیع می‌شود. این شبکه به‌گونه‌ای طراحی شده که هیدروژن را با فشار و خلوص مورد نیاز به واحدهای فرآیندی مختلف منتقل می‌کند.
3. استفاده از هیدروژن
هیدروژن در فرآیندهای مختلف پالایشی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار میگیرد:
- واحدهای تصفیه هیدروژنی (Hydrotreatment) دیزل، نفتا یا نفت سفید: یکی از کاربردهای اساسی هیدروژن در پالایشگاه‌ها، استفاده از هیدروژن در واحدهای تصفیه هیدروژنی با هدف حذف گوگرد، نیتروژن و سایر ناخالصی‌های موجود در برش‌هاب مختلف نفت خام است. شایان ذکر است در بسیاری از واحدهای تصفیه هیدروژنی، اگر هیدروژن با خلوص بالا (~90%) استفاده شود، معمولاً ترکیبات گوگردی و نیتراته خذف نشده و تنها برای حفظ فشار سیستم مورد استفاده قرار میگیرد.
- هیدروکراکینگ (Hydrocracking) (IZOMAX) ترکیبات سنگین: یکی دیگر از کاربردهای کلیدی هیدروژن در پالایشگاه‌های نفتی، فرآیند هیدروکراکینگ است. در این فرآیند، هیدروژن برای شکستن هیدروکربن‌های سنگین‌تر به محصولات هیدروکربنی سبک‌تر با ارزش افزوده بالاتر مورد استفاده قرار میگیرد. این فرآیند باعث کاهش حجم هیدروکربن‌های سنگین و در عین حال افزایش تولید سوخت‌های سبک‌تر می‌شود که به تقاضای بازار سوخت‌های پاک‌تر و با کیفیت‌تر پاسخ می‌دهد.
- واحدهای ایزومریزاسیون (Isomerization) نفتا: هیدروژن نقش مؤثری در ارتقای ارزش محصولات نفتی ایفا می‌کند. برخی از فرآیندهای مهمی که با استفاده از هیدروژن انجام می‌شوند، شامل تولید دیزل با گوگرد بسیار کم (ULSD)، رفع موم از ترکیبات (Dewaxing)، و ایزومریزاسیون است. در فرآیند ایزومریزاسیون، هیدروژن به‌عنوان یک عامل شیمیایی برای تغییر ساختار هیدروکربن‌ها و تبدیل آن‌ها به ترکیبات با نقطه اشتعال پایین‌تر و بهبود کیفیت سوخت استفاده می‌شود. این فرآیند به تولید سوخت‌های با کیفیت بالا (بهبود عدد اکتان) و مطابق با استانداردهای محیط‌زیستی کمک می‌کند.
- فرآیندهای هیدروژناسیون (Hydrogenation): حذف ترکیبات آروماتیک متناسب با استانداردهای تعریف شده سوخت‌های مختلف و همچنین بهبود ترکیب محصولات.
هیدروژن یکی از ارکان حیاتی فرآیندهای پالایشی در صنعت نفت است. از اصلاح کیفیت سوخت‌های تولیدی تا حذف ناخالصی‌ها و تبدیل هیدروکربن‌های سنگین‌تر به محصولات سبک‌تر، هیدروژن نقشی کلیدی در فرآیندهای مختلف پالایش نفت ایفا می‌کند.
هیدروژن اضافی تولید شده در پالایشگاه‌ها می‌تواند برای تأمین سوخت گازی مورد استفاده قرار گیرد. هیدروژن همراه با گازهای C1 تا C4 به سیستم‌های سوخت گازی پالایشگاه‌ها اضافه می‌شود. این کاربرد علاوه بر بهینه‌سازی مصرف هیدروژن، به افزایش کارایی سیستم‌های پالایشگاه و کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند. از آنجا که هیدروژن یک سوخت پاک است، استفاده از آن به‌جای گاز طبیعی یا سایر سوخت‌های فسیلی می‌تواند به کاهش انتشار کربن‌دی‌اکسید و سایر آلاینده‌ها کمک کند.
برای مطالعه مقاله “روند تقاضای بالقوه هیدروژن خالص و هیدروژن ناخالص (گاز سنتز) طی سال‌های آینده” اینجا کلیک کنید.
جمع‌بندی
هیدروژن به‌عنوان یک عنصر کلیدی در پالایشگاه‌های نفت، نقشی غیرقابل انکار در بهبود فرآیندهای پالایشی و ارتقای کیفیت محصولات دارد. با این حال، افزایش تقاضا و چالش‌های عملیاتی مرتبط با مصرف هیدروژن، ضرورت مدیریت دقیق و بهینه‌سازی آن را بیش از پیش ضروری کرده است. بهینه‌سازی تولید و مصرف هیدروژن از طریق روش‌های مختلف نظیر بازیابی هیدروژن از گازهای زائد، استفاده از فناوری‌های پیشرفته، و بهینه‌سازی شرایط فرآیندی نه تنها به کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری کمک می‌کند بلکه اثرات محیط‌زیستی را نیز کاهش می‌دهد. پالایشگاه‌ها با اعمال این راهکارها و نظارت مداوم بر عملکرد سیستم هیدروژن می‌توانند به اهداف اقتصادی و محیط‌زیستی خود دست یابند و از هیدروژن به‌طور بهینه و مؤثر استفاده کنند.
این نکته نیز شایان ذکر است، مدیریت و بهینه‌سازی تولید و مصرف هیدروژن در پالایشگاه‌های نفت، با رویکرد توسعه زنجیره ارزش هیدروژن مبتنی بر یکپارچه‌سازی جریان‌های هیدروژن مازاد و سایر ترکیبات و خوراک‌های در دسترس در پالایشگاه‌های نفت به عنوان یک فرصت سرمایه گذاری بالقوه در صنعت پالایش باید مورد توجه ویژه قرار گیرد. لذا تیم ویرا جهت برگزاری جلسات و کارگاه‌های مشترک و ارائه خدمات مشاوره تخصصی به سرمایه‌گذاران، مدیران و کارشناسان صنعت پالایش آمادگی دارد.
