La production d'hydrogène peut sembler simple : produire de l'hydrogène, le séparer, le purifier et l'acheminer vers l'étape suivante. En pratique, cependant, produire de l'hydrogène avec la pureté requise tout en garantissant la sécurité et l'efficacité du procédé est bien plus complexe. La présence d'oxygène, l'humidité résiduelle, le méthane non converti, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone et les variations des conditions de procédé peuvent tous affecter la qualité de l'hydrogène et les performances de l'installation. Sans mesures de gaz fiables, les opérateurs risquent de ne pas détecter un écart avant que la qualité du produit ne se détériore ou que la sécurité du procédé ne soit compromise. C'est pourquoi le choix d'un équipement d'analyse de gaz adapté est essentiel à la production d'hydrogène.
La production d'hydrogène nécessite généralement des analyseurs d'hydrogène, d'oxygène et d'humidité, ainsi que, selon le procédé de production, des analyseurs de CO, CO₂, CH₄ et autres gaz de procédé. Les installations d'électrolyse surveillent principalement H₂, O₂ et l'humidité, tandis que les installations de reformage du méthane à la vapeur et de gazéification requièrent généralement une analyse multicomposante de H₂, CO, CO₂, CH₄ et des gaz apparentés pour le contrôle du procédé, la sécurité et la vérification de la pureté de l'hydrogène.
Identifier les gaz à mesurer n'est que la première étape. La question technique essentielle concerne l'emplacement d'installation de chaque analyseur, la plage de mesure requise et le principe de mesure adapté à la composition du gaz à cet endroit. Chez ESEGAS, nous abordons l'analyse de l'hydrogène en partant du procédé lui-même, car la configuration optimale de l'analyseur dépend de la technologie de production, de l'objectif de la mesure, du gaz ambiant et de la précision requise.
Pourquoi les analyseurs de gaz sont-ils nécessaires à la production d'hydrogène ?
Une usine de production d'hydrogène peut fonctionner en continu tout en subissant des variations de composition du gaz, d'efficacité de séparation, de pureté ou de sécurité du procédé. Si ces variations ne sont pas détectées rapidement, les opérateurs risquent de se retrouver avec un hydrogène non conforme, une efficacité de procédé réduite ou des mélanges gazeux dangereux. Une analyse de gaz appropriée fournit des informations en continu permettant d'identifier ces problèmes avant qu'ils n'affectent les performances de l'usine.
Dans les usines à hydrogène, Analyseurs de gaz Ils sont généralement utilisés à trois fins principales : le contrôle des procédés, la vérification de la qualité des produits et la surveillance de la sécurité. Ces fonctions se chevauchent souvent, c’est pourquoi un seul analyseur est rarement suffisant pour l’ensemble d’une unité de production.
Pour le contrôle des procédés, les analyseurs de gaz permettent aux opérateurs d'évaluer l'efficacité des réactions, les taux de conversion, les performances de séparation et les conditions de purification. Dans le reformage du méthane à la vapeur, par exemple, les mesures de H₂, CO, CO₂ et CH₄ peuvent indiquer si les réactions de reformage et de conversion du méthane se déroulent comme prévu.
Pour le contrôle qualité, les analyseurs vérifient la pureté de l'hydrogène et détectent les impuretés susceptibles d'affecter les applications en aval. Selon l'utilisation finale, il peut s'agir d'oxygène, d'humidité, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de méthane ou d'azote.
Pour la surveillance de la sécurité, l'analyse des gaz revêt une importance particulière dans les procédés où l'hydrogène et l'oxygène peuvent entrer en contact. Une mesure continue permet de détecter toute anomalie de mélange ou de contamination avant que les concentrations n'atteignent un seuil de fonctionnement dangereux.
Quels analyseurs de gaz sont nécessaires pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau ?
L'électrolyse de l'eau est souvent considérée comme une méthode propre et relativement simple de production d'hydrogène, mais la surveillance des gaz reste essentielle. Les électrolyseurs produisent simultanément de l'hydrogène et de l'oxygène, et les performances de la membrane, les différences de pression, la charge de fonctionnement et l'efficacité de la séparation des gaz peuvent influencer le passage entre les deux flux.
Le plus important Analyseurs de gaz Une usine d'électrolyse de l'hydrogène comprend généralement des analyseurs d'hydrogène, des analyseurs d'oxygène et des analyseurs d'humidité.
Analyseur d'hydrogène
Un analyseur d'hydrogène sert à mesurer la concentration en H₂ ou la pureté de l'hydrogène à des points précis du processus. Selon l'application, il peut être installé en aval d'un équipement de séparation des gaz, d'un équipement de purification ou avant la livraison finale de l'hydrogène.
Pour les flux d'hydrogène à concentration plus élevée, la mesure de la conductivité thermique est généralement appropriée car l'hydrogène a une conductivité thermique significativement différente de celle de nombreux gaz ambiants.
Chez ESEGAS, nous pouvons configurer les analyseurs d'hydrogène en fonction de la plage d'hydrogène attendue, du gaz de fond, de la pression, de la température et des conditions de processus, plutôt que de traiter chaque mesure d'hydrogène comme une application identique.
Analyseur d'oxygène
La mesure de l'oxygène est particulièrement importante du côté hydrogène d'un électrolyseur. Même une faible variation de la concentration en oxygène peut indiquer un passage de gaz, une dégradation des performances du séparateur, des problèmes de membrane ou des conditions de fonctionnement instables.
Un analyseur d'oxygène peut donc être utilisé pour surveiller :
- O₂ dans le flux d'hydrogène
- teneur en oxygène après séparation des gaz
- concentration en oxygène avant purification de l'hydrogène
- impuretés d'oxygène dans le produit final
La plage de détection requise dépend de l'usage de la mesure : surveillance des processus, contrôle de la sécurité ou qualité du produit final.
Analyseur d'hydrogène dans l'oxygène
Le flux d'oxygène doit également être surveillé car de l'hydrogène peut passer du côté de l'oxygène.
Cette mesure diffère de la mesure de l'oxygène dans l'hydrogène. Dans un cas, l'analyseur détecte l'O₂ dans un milieu riche en H₂ ; dans l'autre, il détecte l'H₂ dans un milieu riche en O₂. Ces différentes matrices gazeuses peuvent nécessiter des configurations d'analyseur et des stratégies d'étalonnage différentes.
La surveillance des deux sens de croisement permet aux opérateurs de mieux comprendre les performances de séparation de l'électrolyseur.
Analyseur d'humidité
L'hydrogène sortant d'un électrolyseur contient généralement de la vapeur d'eau qui doit être réduite lors des étapes de séchage et de purification en aval.
Un analyseur d'humidité peut être installé après le séchoir ou l'unité de purification pour vérifier :
- concentration d'humidité résiduelle
- performances du sèche-linge
- stabilité de la qualité de l'hydrogène
- conformité du produit final
Pour l'hydrogène fourni aux procédés en aval sensibles, la mesure de l'humidité peut être tout aussi importante que la mesure globale de la pureté de l'hydrogène.
Quels analyseurs de gaz sont nécessaires pour la production d'hydrogène par reformage du méthane à la vapeur ?
Le reformage du méthane à la vapeur produit un mélange gazeux beaucoup plus complexe que l'électrolyse. L'hydrogène est généré simultanément avec du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane résiduel, de la vapeur d'eau et d'autres composants du procédé. Par conséquent, la mesure de l'hydrogène seul ne permet pas un contrôle efficace du procédé.
Dans les usines SMR, les réacteurs multicomposants Analyseurs de gaz sont souvent nécessaires car les opérateurs doivent comprendre comment la composition du gaz évolue à travers le reformeur, le réacteur de conversion et le système de purification de l'hydrogène.
Analyse de la sortie du Reformer
À la sortie du reformeur, les gaz cibles typiques comprennent :
- H₂
- CO
- CO₂
- CH₄
Ces mesures permettent d'évaluer l'efficacité du reformage et d'identifier les variations de la conversion du méthane.
Une augmentation inattendue de la concentration de méthane peut indiquer un reformage incomplet ou une modification des conditions de procédé. Parallèlement, les concentrations de CO et de CO₂ fournissent des informations complémentaires sur le bilan réactionnel.
Analyse de la sortie du système de conversion eau-gaz
Après reformage, le gaz entre généralement dans une ou plusieurs étapes de conversion du gaz à l'eau. Dans cette étape, le monoxyde de carbone réagit avec la vapeur d'eau pour produire de l'hydrogène et du dioxyde de carbone supplémentaires.
Les mesures typiques comprennent :
- CO
- CO₂
- H₂
La concentration résiduelle de CO est particulièrement importante car elle indique les performances de la conversion du moteur électrique.
Analyse PSA des entrées et sorties
L'adsorption modulée en pression est largement utilisée pour purifier l'hydrogène après reformage et conversion du gaz à l'hydrogène.
À l'entrée du PSA, l'analyse multicomposante des gaz peut fournir des informations sur le mélange gazeux entrant dans l'étape de purification.
À la sortie du PSA, l'objectif de mesure change. La priorité devient la pureté de l'hydrogène et l'élimination des impuretés résiduelles telles que :
- CO
- CO₂
- CH₄
Une surveillance continue peut aider à identifier la détérioration de l'adsorbant, les changements de performance du cycle ou les conditions de purification anormales.
Quels analyseurs de gaz sont nécessaires pour la gazéification du charbon ou de la biomasse ?
La gazéification produit un gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane et d'autres composants. La composition de ce gaz peut varier considérablement en fonction de la matière première, des conditions de fonctionnement du gazéificateur, de la température, de l'apport d'oxydant et du traitement ultérieur.
Cela rend multicomposant Analyseurs de gaz particulièrement précieux dans la production d'hydrogène par gazéification.
Les composants cibles typiques comprennent :
- H₂
- CO
- CO₂
- CH₄
- O₂
Au lieu de se fier à une seule mesure d'hydrogène, les opérateurs peuvent utiliser la composition complète du gaz de synthèse pour évaluer l'efficacité de la gazéification, le comportement de conversion, les performances de la conversion en aval et les exigences de purification.
Chez ESEGAS, nous recommandons généralement d'évaluer la matrice gazeuse complète avant de choisir l'analyseur. Pour les applications complexes liées au gaz de synthèse, différents principes de mesure peuvent être combinés au sein d'un même système d'analyse afin de surveiller simultanément plusieurs gaz.
Quelles impuretés faut-il surveiller dans l'hydrogène produit ?
Une forte concentration en hydrogène ne garantit pas automatiquement que le gaz réponde aux exigences de son application finale. De faibles concentrations d'impuretés spécifiques peuvent affecter les piles à combustible, les catalyseurs, les équipements de compression, les systèmes de stockage ou les procédés chimiques en aval.
Les mesures d'impuretés requises dépendent donc de l'utilisation qui sera faite de l'hydrogène.
| Impureté | Pourquoi il faut le surveiller | Source commune |
| O₂ | Sécurité et pureté du produit | Passage d'électrolyse, entrée d'air |
| H₂O | Qualité du produit et protection en aval | Électrolyse, gaz de procédé humide, étape de séchage |
| CO | Pureté et protection du catalyseur | SMR, gazéification |
| CO₂ | Pureté et contrôle des procédés | SMR, gazéification |
| CH₄ | Réformer l'efficacité et la pureté | Réformage du méthane à la vapeur |
| Non | Pureté de l'hydrogène | Infiltration d'air ou contamination des aliments |
C’est pourquoi la qualité de l’hydrogène ne doit pas être évaluée uniquement par une valeur de pureté globale. Un flux d’hydrogène peut paraître très pur tout en contenant une faible concentration d’une impureté qui a une incidence sur l’application en aval.
Sélection du bon Analyseurs de gaz Elle nécessite donc à la fois une mesure de la concentration et une analyse spécifique des impuretés.
Quelles technologies de mesure sont utilisées pour l'analyse du gaz de production d'hydrogène ?
Les différents gaz interagissent différemment avec les technologies de mesure. C'est pourquoi il n'existe pas de principe de détection unique idéal pour toutes les applications de production d'hydrogène.
Chez ESEGAS, la configuration de l'analyseur est basée sur le gaz cible, la plage de concentration, le gaz de fond, les interférences potentielles, le temps de réponse et les conditions de traitement.
Mesure de conductivité thermique
La technologie de conductivité thermique est largement utilisée pour la mesure de la concentration en hydrogène car l'hydrogène possède une conductivité thermique élevée par rapport à de nombreux autres gaz.
Cela peut convenir pour :
- mesure de la pureté de l'hydrogène
- analyse H₂ à pourcentage élevé
- surveillance de l'hydrogène par procédé
- mélanges de gaz binaires ou quasi-binaires sélectionnés
Toutefois, le gaz ambiant doit être soigneusement évalué car des variations dans d'autres composants gazeux peuvent influencer le résultat de la mesure.
Mesure NDIR
La technologie infrarouge non dispersive est couramment appliquée aux gaz actifs dans l'infrarouge tels que :
- CO
- CO₂
- CH₄
Cela rend la NDIR particulièrement utile dans les applications de SMR, de conversion de gaz, de gaz de synthèse et de gazéification.
Un analyseur de processus multicomposant peut combiner des canaux NDIR pour CO, CO₂ et CH₄ avec un autre principe de mesure pour H₂ ou O₂.
Technologies de mesure de l'oxygène
L'oxygène peut être mesuré à l'aide de plusieurs technologies selon l'application.
Ceux-ci peuvent inclure:
- mesure paramagnétique
- capteurs électrochimiques
- mesure à base de zircone
La technologie appropriée dépend de la plage d'oxygène, du gaz ambiant, des conditions de fonctionnement, de la vitesse de réponse requise et du fait que la mesure soit destinée au contrôle de processus ou à la détection de traces d'oxygène.
Mesure TDLAS
La spectroscopie d'absorption laser à diode accordable peut s'avérer utile pour certaines mesures de gaz à réponse rapide et à faible concentration.
Selon l'application, TDLAS peut être utilisé pour :
- mesure de l'humidité
- analyse de gaz traces sélectionnée
- surveillance des procédés in situ ou extractifs
Sa rapidité de réponse peut la rendre intéressante pour les procédés dynamiques de production d'hydrogène.
Où faut-il installer les analyseurs de gaz dans une usine d'hydrogène ?
Même une technologie d'analyseur performante ne fournira aucune information utile si le point de mesure est mal choisi. L'emplacement de l'analyseur de gaz doit donc être déterminé en fonction de l'objectif du procédé.
Un schéma simplifié de production d'hydrogène pourrait ressembler à ceci :
Alimentation en eau ou en combustible → réaction ou électrolyse → séparation des gaz → purification → séchage → hydrogène final
Les emplacements typiques des analyseurs comprennent :
- Sortie d'hydrogène de l'électrolyseur
- Sortie d'oxygène de l'électrolyseur
- Point de vente Reformer
- Sortie de gaz à eau
- Entrée PSA
- Point de vente PSA
- Sortie de sèche-linge
- Ligne de production finale d'hydrogène
Chaque point de mesure a une fonction différente.
Par exemple, un analyseur installé immédiatement après un électrolyseur peut se concentrer sur le croisement des composants et la sécurité du procédé, tandis qu'un analyseur installé après le sécheur final peut se concentrer sur la qualité de l'hydrogène et les spécifications d'humidité.
Lors de la conception Analyseurs de gaz Pour ces applications, le conditionnement des échantillons est également important. La pression, la température, la condensation, les particules, le débit et les composants corrosifs peuvent tous affecter la fiabilité de l'analyseur.
Faut-il utiliser un analyseur de gaz monocomposant ou multicomposant ?
Les installations de production d'hydrogène nécessitent souvent à la fois des analyseurs de gaz uniques et des systèmes multicomposants. Le choix optimal dépend de l'objectif de la mesure plutôt que du seul nombre de gaz.
| Analyseur de gaz unique | Analyseur de gaz multicomposants |
| Axé sur un élément essentiel | Mesure plusieurs gaz de procédé |
| Convient aux points de sécurité ou de pureté dédiés | Adapté aux flux de processus complexes |
| Objectif de mesure simple | Fournit des informations plus générales sur le processus |
| Souvent utilisé pour O₂, H₂ ou l'humidité | Souvent utilisé pour les combinaisons de H₂, CO, CO₂ et CH₄ |
Pour les installations d'électrolyse, des analyseurs dédiés peuvent convenir aux mesures critiques d'oxygène dans l'hydrogène et d'hydrogène dans l'oxygène.
Pour les usines de SMR et de gazéification, les composants multiples Analyseurs de gaz Elles offrent souvent une plus grande valeur ajoutée car plusieurs gaz doivent être interprétés conjointement pour comprendre les performances du processus.
Dans de nombreux projets, la solution la plus efficace consiste à combiner les deux approches.
Comment choisir le bon analyseur de gaz pour la production d'hydrogène ?
Choisir un analyseur uniquement en fonction du nom du gaz peut entraîner des erreurs de mesure ou des coûts système inutiles. Un analyseur d'hydrogène adapté à un procédé donné peut ne pas fonctionner correctement dans un autre, car le gaz ambiant, la plage de concentration, l'humidité, la pression et les gaz interférents diffèrent.
Chez ESEGAS, nous vous recommandons d'évaluer les facteurs suivants avant de faire votre choix. Analyseurs de gaz pour un projet de production d'hydrogène :
- méthode de production d'hydrogène
L'électrolyse, le reformage du méthane à la vapeur (SMR), la gazéification et d'autres procédés de production d'hydrogène génèrent des compositions gazeuses différentes. - Composants du gaz cible
Déterminez si l'application nécessite H₂, O₂, CO, CO₂, CH₄, de l'humidité ou plusieurs composants à la fois. - Gamme de mesure
La mesure des processus au niveau du pourcentage et la détection des impuretés à l'état de traces nécessitent des configurations d'analyseur différentes. - Composition du gaz de fond
Le gaz de la matrice peut affecter la pertinence et la précision du principe de mesure sélectionné. - Pression et température de l'échantillon
Ces conditions déterminent si un conditionnement de l'échantillon, une réduction de pression, un refroidissement ou un chauffage est nécessaire. - Délai de réponse requis
Les mesures liées à la sécurité et les flux de processus à évolution rapide peuvent nécessiter une réponse plus rapide de l'analyseur. - Objectif de mesure
L'optimisation des processus, la surveillance de la sécurité et la vérification finale de la qualité nécessitent souvent des stratégies de mesure différentes.
En examinant ces conditions avant la sélection des instruments, nous pouvons configurer un système d'analyse de gaz plus fiable et adapté à l'application.
Quelles solutions d'analyse de gaz ESEGAS peut-elle fournir pour la production d'hydrogène ?
La production d'hydrogène ne requiert que rarement une solution unique pour l'analyse des gaz. Un électrolyseur, un reformeur, un gazéificateur, une unité PSA et une ligne de production d'hydrogène final peuvent nécessiter des plages de mesure et des technologies d'analyse différentes.
Chez ESEGAS, nous proposons des solutions d'analyse de gaz configurables pour des applications telles que :
- mesure de la concentration et de la pureté de l'hydrogène
- surveillance de l'oxygène
- analyse du croisement H₂/O₂
- Analyse des procédés CO, CO₂ et CH₄
- analyse des gaz de procédé multicomposants
- analyse de gaz de synthèse
- surveillance de l'humidité et de certains gaz traces
- systèmes de conditionnement d'échantillons personnalisés
Notre approche repose sur l'analyse des conditions réelles du procédé plutôt que sur la sélection d'un modèle d'instrument. Nous évaluons les gaz cibles, les plages de concentration, la composition du gaz ambiant, la pression, la température, le point de mesure et le temps de réponse requis avant de recommander une solution adaptée.
Ceci est particulièrement important pour Analyseurs de gaz utilisé dans la production d'hydrogène, car un même composant cible peut nécessiter une configuration de mesure complètement différente selon l'endroit où il est mesuré.
Conclusion
La production d'hydrogène ne nécessite pas un analyseur de gaz universel. Le système d'analyse approprié dépend du procédé de production, du point de mesure, de la composition du gaz et des exigences de qualité finales de l'hydrogène.
Les installations d'électrolyse nécessitent généralement une surveillance de l'H₂, de l'O₂ et de l'humidité, notamment pour contrôler les pertes par échange d'hydrogène et garantir la qualité finale de l'hydrogène. Les installations de reformage du méthane à la vapeur requièrent généralement des analyses d'H₂, de CO, de CO₂ et de CH₄ tout au long des étapes de reformage, de conversion du gaz à l'eau et de purification. Les installations de production d'hydrogène par gazéification bénéficient d'une analyse multicomposante du gaz de synthèse, tandis que les lignes de production d'hydrogène final peuvent nécessiter une surveillance spécifique des impuretés et de l'humidité.
Chez ESEGAS, nous sélectionnons et configurons Analyseurs de gaz En adaptant la technologie d'analyse aux conditions réelles de production plutôt qu'en appliquant une solution standard à chaque installation d'hydrogène, nous aidons les producteurs d'hydrogène à obtenir un contrôle de procédé plus fiable, un fonctionnement plus sûr et une qualité d'hydrogène constante, en fonction de leurs besoins spécifiques.
