هیدروژن صنعتی چگونه تولید و خالص‌سازی می‌شود؟

هیدروژن یکی از مهم‌ترین گازهای مورد استفاده در صنایع پالایشگاهی، پتروشیمی، شیمیایی و انرژی است؛ اما برخلاف تصور رایج، هیدروژن صنعتی معمولاً به‌صورت مستقیم از یک منبع طبیعی استخراج نمی‌شود، بلکه باید از ترکیبات حاوی هیدروژن مانند گاز طبیعی، زغال‌سنگ، زیست‌توده یا آب تولید شود. انتخاب فناوری تولید هیدروژن به عواملی مانند نوع خوراک، ظرفیت مورد نیاز، خلوص محصول، دسترسی به انرژی، هزینه عملیاتی و الزامات زیست‌محیطی بستگی دارد.

امروزه بخش عمده تقاضای هیدروژن همچنان به کاربردهای سنتی صنعتی، به‌ویژه پالایش نفت و تولید مواد شیمیایی، اختصاص دارد. بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، تقاضای جهانی هیدروژن در سال ۲۰۲۵ از ۱۰۰ میلیون تن عبور کرده و تقریباً تمام این تقاضا همچنان در صنایع موجود متمرکز بوده است. در مقابل، هیدروژن کم‌انتشار هنوز سهم کوچکی از تولید جهانی را تشکیل می‌دهد.

اما هیدروژن تولیدشده در یک واحد صنعتی، لزوماً از همان ابتدا دارای خلوص مورد نیاز فرآیند نیست. در بسیاری از فرآیندهای متداول، گاز خروجی از واحد تولید شامل ترکیبی از هیدروژن و ناخالصی‌هایی مانند مونوکسید کربن، دی‌اکسید کربن، متان، بخار آب و سایر ترکیبات است. بنابراین، خالص‌سازی هیدروژن بخش مهمی از زنجیره تولید صنعتی به شمار می‌رود.

در این مقاله بررسی می‌کنیم که هیدروژن صنعتی چگونه تولید می‌شود، چه فناوری‌هایی برای این کار وجود دارد، فرآیند خالص‌سازی چگونه انجام می‌شود و چرا فناوری Pressure Swing Adsorption یا PSA در بسیاری از واحدهای صنعتی اهمیت ویژه‌ای دارد.

هیدروژن یکی از مواد اولیه کلیدی در صنایع مختلف است. در پالایشگاه‌ها از آن برای فرآیندهایی مانند هیدروتریتینگ و هیدروکراکنینگ استفاده می‌شود؛ فرآیندهایی که برای حذف ترکیبات گوگردی و بهبود کیفیت محصولات نفتی اهمیت دارند.

در صنایع پتروشیمی و شیمیایی نیز هیدروژن ماده اولیه مهمی برای تولید آمونیاک، متانول و برخی مواد شیمیایی دیگر است. علاوه بر این، استفاده از هیدروژن در فرآیندهای احیای مستقیم آهن، سوخت‌های سنتزی، ذخیره‌سازی انرژی و برخی کاربردهای نوظهور در حال توسعه است.

بنابراین، وقتی از «هیدروژن صنعتی» صحبت می‌کنیم، منظور صرفاً یک گاز برای مصرف انرژی نیست؛ بلکه هیدروژن در بسیاری از زنجیره‌های تولیدی، یک خوراک فرآیندی حیاتی محسوب می‌شود.

به‌طور کلی، مسیرهای تولید هیدروژن را می‌توان در چند گروه اصلی قرار داد:

1.ریفرمینگ گاز طبیعی، به‌ویژه Steam Methane Reforming یا SMR

2.گازی‌سازی زغال‌سنگ و زیست‌توده

3. الکترولیز آب

4. فناوری‌های نوظهور مانند مسیرهای ترموشیمیایی، فتوشیمیایی و زیستی

در حال حاضر، ریفرمینگ سوخت‌های فسیلی همچنان یکی از مهم‌ترین مسیرهای تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی است، در حالی که الکترولیز آب به‌عنوان یکی از مسیرهای اصلی تولید هیدروژن کم‌انتشار در حال توسعه است.

یکی از رایج‌ترین روش‌های تولید هیدروژن از گاز طبیعی، Steam Methane Reforming یا SMR است.

در این فرآیند، متان موجود در گاز طبیعی در حضور بخار آب و در دمای بالا وارد واکنش می‌شود. واکنش اصلی را می‌توان به‌صورت زیر نمایش داد:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

محصول این مرحله که معمولاً به آن Reformate گفته می‌شود، فقط هیدروژن نیست و شامل مونوکسید کربن، بخار آب، دی‌اکسید کربن و مقداری متان باقی‌مانده نیز می‌شود.

به همین دلیل، تولید هیدروژن در یک واحد SMR با خروجی هیدروژن با خلوص نهایی مورد نیاز یک فرآیند صنعتی یکسان نیست و مراحل بعدی برای افزایش مقدار هیدروژن و حذف ناخالصی‌ها ضروری هستند.

پس از ریفرمینگ، گاز حاصل می‌تواند وارد واکنش Water-Gas Shift یا WGS شود.

در این مرحله، مونوکسید کربن با بخار آب واکنش داده و هیدروژن و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

این واکنش دو هدف مهم دارد: نخست، تبدیل بخشی از CO به CO₂ و دوم، افزایش مقدار هیدروژن موجود در جریان گاز.

در واحدهای صنعتی ممکن است یک یا چند مرحله WGS با شرایط عملیاتی متفاوت مورد استفاده قرار گیرد تا تبدیل CO به شکل مؤثرتری انجام شود. پس از آن، جریان گازی برای مرحله جداسازی و خالص‌سازی آماده می‌شود.

مطابق گزارش‌های فنی DOE، ترکیب WGS و PSA یکی از آرایش‌های متداول برای تولید هیدروژن با خلوص بالا از گازهای حاصل از ریفرمینگ است.

خالص‌سازی هیدروژن به مجموعه فرآیندهایی گفته می‌شود که طی آن ناخالصی‌های موجود در جریان گاز حذف شده و هیدروژن به مشخصات مورد نیاز مصرف‌کننده می‌رسد.

ناخالصی‌های متداول بسته به فرآیند تولید می‌توانند شامل موارد زیر باشند:

 مونوکسید کربن (CO)

 دی‌اکسید کربن (CO₂)

 متان (CH₄)

 بخار آب (H₂O)

 نیتروژن (N₂)

 ترکیبات گوگردی

* سایر گازهای موجود در خوراک

نوع و مقدار این ناخالصی‌ها به فناوری تولید، کیفیت خوراک و شرایط عملیاتی واحد بستگی دارد.

به همین دلیل، طراحی سیستم خالص‌سازی باید بر اساس ترکیب خوراک، فشار، دما، ظرفیت، خلوص مورد نیاز و میزان بازیابی هیدروژن انجام شود.

یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده برای خالص‌سازی هیدروژن در مقیاس صنعتی، Pressure Swing Adsorption یا PSA است.

در فرآیند PSA، جداسازی گازها بر اساس تفاوت رفتار جذبی ناخالصی‌ها روی مواد جاذب انجام می‌شود. برخی ترکیبات مانند CO₂، CO، CH₄ و H₂O تمایل بیشتری به جذب شدن روی جاذب دارند، در حالی که هیدروژن در شرایط مناسب از بستر عبور کرده و به‌عنوان محصول با خلوص بالاتر از واحد خارج می‌شود.

نکته مهم در PSA این است که جاذب‌ها به‌صورت دائمی اشباع نمی‌شوند. سیستم با تغییر فشار، مرحله جذب و باززنده‌سازی را به‌صورت چرخه‌ای تکرار می‌کند.

یک واحد PSA معمولاً از چندین بستر جذب تشکیل می‌شود که به‌صورت متناوب در مراحل مختلف چرخه قرار می‌گیرند.

چرخه کلی را می‌توان به‌صورت ساده شامل مراحل زیر در نظر گرفت:

۱. Adsorption | جذب

گاز خوراک با فشار مشخص وارد بستر می‌شود. ناخالصی‌ها توسط جاذب جذب شده و هیدروژن از بستر عبور می‌کند.

۲. Depressurization | کاهش فشار

پس از رسیدن بستر به شرایط مورد نظر، فشار آن کاهش داده می‌شود تا ظرفیت جذب جاذب برای مرحله بعد بازیابی شود.

۳. Purge | شست‌وشو

در برخی آرایش‌ها، بخشی از گاز محصول برای پاک‌سازی و باززنده‌سازی بستر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۴. Repressurization | افزایش مجدد فشار

بستر برای ورود دوباره به مرحله جذب به فشار عملیاتی بازگردانده می‌شود.

با قرار دادن چند بستر در زمان‌بندی مناسب، می‌توان تولید هیدروژن را به‌صورت تقریباً پیوسته انجام داد؛ در حالی که هر بستر به‌صورت جداگانه در یکی از مراحل چرخه قرار دارد.

گزارش‌های فنی DOE نیز PSA را یکی از فناوری‌های بالغ برای حذف ناخالصی‌های جریان هیدروژن معرفی می‌کنند و امکان دستیابی به خلوص‌های بسیار بالا، بسته به طراحی و شرایط سیستم، وجود دارد.

مزیت اصلی PSA این است که می‌تواند چندین ناخالصی را در یک سیستم جداسازی جذب کند و هیدروژن با خلوص بالا را به‌صورت پیوسته در اختیار مصرف‌کننده قرار دهد.

با این حال، عملکرد PSA تنها به نوع جاذب وابسته نیست. پارامترهایی مانند:

 فشار خوراک- دمای خوراک-ترکیب گاز ورودی- زمان هر مرحله از چرخه- نوع و مقدار جاذب-فشار تخلیه- ترتیب باز و بسته شدن ولوها-* نرخ بازیابی هیدروژن و میزان Purge

می‌توانند روی خلوص، Recovery و مصرف انرژی سیستم اثرگذار باشند.

به همین دلیل، PSA را نباید صرفاً مجموعه‌ای از مخازن پرشده با جاذب در نظر گرفت؛ طراحی سیکل، کنترل ولوها، منطق کنترلی و یکپارچه‌سازی آن با واحد تولید هیدروژن، بخش مهمی از عملکرد واقعی سیستم هستند.

خیر. انتخاب فناوری جداسازی به مشخصات خوراک و محصول بستگی دارد.

در برخی کاربردها می‌توان از فناوری‌هایی مانند:

Membrane Separation

در غشاها، اجزای مختلف گاز بر اساس تفاوت در نفوذپذیری از یکدیگر جدا می‌شوند. غشاها می‌توانند در برخی کاربردها به‌عنوان فناوری اصلی یا مکمل فرآیند جداسازی مورد استفاده قرار گیرند.

Cryogenic Separation

در شرایطی که جداسازی در دماهای بسیار پایین از نظر فنی و اقتصادی توجیه‌پذیر باشد، فرآیندهای کرایوجنیک نیز می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند؛ هرچند انتخاب این روش کاملاً به ترکیب خوراک و شرایط پروژه وابسته است.

برخی غشاهای فلزی، مانند فناوری‌های مبتنی بر پالادیم، به دلیل نفوذپذیری انتخابی هیدروژن مورد توجه قرار گرفته‌اند. این فناوری‌ها بیشتر در حوزه‌های تخصصی و توسعه فناوری مطرح هستند.

در عمل، ممکن است یک واحد صنعتی به جای تکیه بر یک فناوری واحد، از ترکیبی از فرآیندهای پیش‌تصفیه، واکنش، جداسازی و polishing استفاده کند.

یکی دیگر از مسیرهای مهم تولید هیدروژن، Electrolysis یا الکترولیز آب است.

در این روش، انرژی الکتریکی برای شکستن مولکول آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود:

2H₂O → 2H₂ + O₂

فناوری‌های مختلفی برای الکترولیز وجود دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به:

 Alkaline Electrolysis

 PEM Electrolysis

 Solid Oxide Electrolysis

 AEM Electrolysis

اشاره کرد.

در الکترولیز، کیفیت آب ورودی، طراحی الکترولایزر، مصرف برق و منبع تولید برق از عوامل مهم در عملکرد و شدت انتشار کربن فرآیند هستند. برای مثال، هیدروژنی که با برق کم‌کربن تولید می‌شود، از نظر انتشار گازهای گلخانه‌ای با هیدروژنی که با برق پرکربن تولید شده است، شرایط یکسانی ندارد.

IEA گزارش کرده است که ظرفیت الکترولیز نصب‌شده در جهان در سال ۲۰۲۵ تقریباً دو برابر شده و از ۴ گیگاوات عبور کرده است؛ با این حال، هیدروژن کم‌انتشار هنوز سهم محدودی از تولید جهانی دارد.

هیدروژن خاکستری، آبی و سبز چه تفاوتی دارند؟

عبارت‌های «خاکستری»، «آبی» و «سبز» بیشتر برای توصیف مسیر تولید و شدت انتشار کربن استفاده می‌شوند.

هیدروژن خاکستری معمولاً از سوخت‌های فسیلی مانند گاز طبیعی تولید می‌شود و CO₂ حاصل از فرآیند در آن جذب و ذخیره نمی‌شود.

هیدروژن آبی نیز می‌تواند از سوخت‌های فسیلی تولید شود، اما در این مسیر، سیستم جذب، استفاده یا ذخیره‌سازی کربن یا CCUS برای مدیریت بخشی از انتشار CO₂ در نظر گرفته می‌شود.

هیدروژن سبز معمولاً به هیدروژنی گفته می‌شود که از الکترولیز آب با استفاده از برق تجدیدپذیر تولید شده باشد.

با این حال، رنگ‌بندی هیدروژن به‌تنهایی نمی‌تواند تمام ویژگی‌های زیست‌محیطی یک پروژه را مشخص کند. برای ارزیابی دقیق‌تر باید کل زنجیره تأمین انرژی، خوراک، انتشار مستقیم و غیرمستقیم و عملکرد واقعی واحد بررسی شود.

طراحی یک واحد صنعتی هیدروژن صرفاً انتخاب یک تکنولوژی تولید نیست. یک پروژه موفق باید تمام زنجیره فرآیند را به‌صورت یکپارچه بررسی کند.

۱. کیفیت خوراک

ترکیب خوراک مستقیماً روی طراحی تجهیزات و سیستم جداسازی اثر می‌گذارد.

۲. خلوص مورد نیاز

هر مصرف‌کننده مشخصات خاص خود را دارد و طراحی سیستم باید بر اساس Product Specification انجام شود.

۳. Hydrogen Recovery

افزایش خلوص همیشه به معنی افزایش بازیابی نیست. بین Purity، Recovery، انرژی و هزینه سرمایه‌گذاری باید تعادل مناسبی ایجاد شود.

۴. مصرف انرژی

کمپرسورها، ریفرمرها، سیستم‌های بخار، PSA و تجهیزات جانبی همگی در مصرف انرژی واحد نقش دارند.

۵. قابلیت اطمینان

از آنجا که هیدروژن در بسیاری از فرآیندهای پالایشگاهی و پتروشیمی یک خوراک حیاتی است، Availability و Reliability سیستم اهمیت زیادی دارد.

۶. کنترل فرآیند

کنترل دقیق فشار، دما، ترکیب گاز و زمان‌بندی سیکل PSA برای حفظ عملکرد پایدار ضروری است.

اگر بخواهیم فرآیند را به‌صورت ساده جمع‌بندی کنیم، در یک واحد متداول مبتنی بر گاز طبیعی می‌توان زنجیره زیر را مشاهده کرد:

Natural Gas → Reforming → Water-Gas Shift → Gas Conditioning → PSA → High-Purity Hydrogen

البته این آرایش برای همه پروژه‌ها یکسان نیست و بسته به خوراک و فناوری انتخاب‌شده می‌تواند تغییر کند.

برای مثال، در یک پروژه الکترولیز، مسیر اصلی به شکل دیگری خواهد بود:

Water Treatment → Electrolyzer → Gas Separation → Purification → Compression → Hydrogen Product

بنابراین، طراحی مهندسی باید بر اساس شرایط واقعی پروژه انجام شود، نه بر اساس یک آرایش ثابت و عمومی.

یکی از مهم‌ترین نکات در پروژه‌های هیدروژن، نگاه کردن به واحد به‌عنوان یک سیستم یکپارچه است.

بهینه‌سازی یک تجهیز به‌تنهایی الزاماً به معنی بهینه شدن کل واحد نیست. برای مثال، تغییر شرایط عملیاتی PSA ممکن است خلوص هیدروژن را افزایش دهد، اما اگر باعث افزایش قابل توجه Purge یا کاهش Recovery شود، عملکرد کلی واحد الزاماً بهتر نخواهد شد.

به همین دلیل، مهندسی فرآیند، شبیه‌سازی، انتخاب تجهیزات، طراحی سیستم کنترل، مدیریت انرژی و تحلیل اقتصادی باید در کنار یکدیگر انجام شوند.

این رویکرد در پروژه‌های صنعتی بزرگ اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ زیرا حتی تغییرات کوچک در مصرف انرژی یا بازیابی هیدروژن می‌تواند در طولانی‌مدت تأثیر قابل توجهی بر هزینه عملیاتی داشته باشد.

در پروژه‌های هیدروژن صنعتی، تنها تأمین یک تجهیز کافی نیست؛ آنچه اهمیت دارد، طراحی و یکپارچه‌سازی کل سیستم بر اساس نیاز فرآیند است.

شرکت هتکو (HATCO) با تمرکز بر مهندسی و ساخت تجهیزات و سیستم‌های فرآیندی برای صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، در حوزه فناوری‌های مرتبط با تولید و خالص‌سازی گازهای صنعتی فعالیت می‌کند.

توانمندی‌های هتکو در حوزه‌هایی مانند Hydrogen PSA، Gas Compression، PSA Gas Generation، تجهیزات فرآیندی و خدمات مهندسی EPC می‌تواند در زنجیره تأمین پروژه‌های هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد. این رویکرد به پروژه اجازه می‌دهد بخش‌های مختلفی مانند طراحی فرآیند، تجهیزات، سیستم‌های فشرده‌سازی، کنترل و یکپارچه‌سازی فرآیند در یک چارچوب مهندسی منسجم دیده شوند.

هتکو همچنین در سوابق پروژه‌ای خود، تجربه مرتبط با Hydrogen PSA در پروژه‌های پالایشگاهی را دارد؛ موضوعی که اهمیت ویژه‌ای در تأمین هیدروژن با خلوص مورد نیاز فرآیندهای پالایشگاهی دارد.

در چنین پروژه‌هایی، هدف تنها تولید هیدروژن نیست؛ بلکه دستیابی به ترکیبی متوازن از خلوص، ظرفیت، بازیابی، قابلیت اطمینان، مصرف انرژی و پایداری عملیاتی است.

مسیر آینده صنعت هیدروژن احتمالاً به یک فناوری واحد محدود نخواهد شد. SMR، گازی‌سازی، الکترولیز، CCUS، غشاها و فناوری‌های جدید جداسازی هرکدام می‌توانند در شرایط خاص خود جایگاه داشته باشند.

بر اساس آخرین گزارش IEA، تولید هیدروژن کم‌انتشار در سال ۲۰۲۵ حدود ۲۰ درصد رشد کرده، اما هنوز کمتر از بخش کوچکی از تولید جهانی را تشکیل می‌دهد. در عین حال، ظرفیت الکترولیز در حال افزایش است و پروژه‌های بزرگ جدید در حال توسعه هستند.

در این میان، فناوری‌های جداسازی و خالص‌سازی نیز اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند؛ زیرا افزایش تولید هیدروژن به‌تنهایی کافی نیست و صنایع به هیدروژنی با کیفیت مشخص، خلوص پایدار و قابلیت تأمین مطمئن نیاز دارند.

تولید هیدروژن صنعتی یک فرآیند چندمرحله‌ای است که می‌تواند بر اساس نوع خوراک و فناوری انتخابی، مسیرهای متفاوتی داشته باشد. در واحدهای مبتنی بر گاز طبیعی، SMR یکی از مسیرهای متداول تولید هیدروژن است و پس از آن، واکنش Water-Gas Shift برای افزایش تولید هیدروژن و تبدیل CO به CO₂ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در ادامه، فناوری‌هایی مانند PSA می‌توانند ناخالصی‌های موجود در جریان گاز را جدا کرده و هیدروژن با خلوص مورد نیاز فرآیند را تولید کنند. در کنار آن، فناوری‌هایی مانند غشاها و سایر روش‌های جداسازی نیز بسته به شرایط پروژه قابل استفاده هستند.

از سوی دیگر، الکترولیز آب به‌عنوان یکی از مسیرهای مهم تولید هیدروژن کم‌انتشار در حال توسعه است.

در نهایت، انتخاب فناوری مناسب برای تولید و خالص‌سازی هیدروژن باید بر اساس ظرفیت، خوراک، فشار، خلوص، Recovery، مصرف انرژی، الزامات زیست‌محیطی و اقتصاد پروژه انجام شود. این نگاه سیستماتیک است که یک واحد هیدروژن را از یک مجموعه تجهیزات منفرد به یک راهکار صنعتی قابل اتکا تبدیل می‌کند.