يشهد مستقبل الطاقة تحولا كبيرا ، حيث يظهر الهيدروجين كمصدر واعد وصديق للبيئة. يرجع الطلب العالمي المتزايد على الهيدروجين إلى قدرته على توليد المياه كمنتج ثانوي وحيد أثناء الاحتراق ، مع الحد الأدنى من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، اعتمادا على طريقة إنتاجه. ومع ذلك ، فإن دمج الهيدروجين في التطبيقات المختلفة يمثل تحديات فريدة ، لا سيما عندما يتعلق الأمر بأنظمة الاحتراق. في هذه المقالة ، نستكشف كيف تعالج تقنية شعلة الجدار المشع المشكلات المرتبطة بإدخال وقود الهيدروجين في عمليات الاحتراق.
أهمية وقود الهيدروجين
تكمن أهمية وقود الهيدروجين في كيفية توليده. يمكن تصنيف طرق إنتاج الهيدروجين إلى عدة فئات ، حيث الأكثر شيوعا هي الهيدروجين الأزرق والهيدروجين الرمادي والهيدروجين الأخضر. يتم إنتاج الهيدروجين الأزرق عن طريق إصلاح الميثان البخاري (SMR) ويلتقط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة. من ناحية أخرى ، يتم إنتاج الهيدروجين الرمادي دون التقاط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يتم توليد الهيدروجين الأخضر ، الذي يحمل أكبر قدر من البشر بالاستدامة ، باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية لتشغيل عمليات التحليل الكهربائي.
ارتفاع استخدام الهيدروجين في تطبيقات معينة
في حين أن هناك اهتماما متزايدا باستخدام الهيدروجين كوقود ، إلا أن بعض التطبيقات تستخدم مستويات عالية من الهيدروجين لسنوات. على سبيل المثال ، في إنتاج الإيثيلين من المواد الأولية للإيثان ، تحتوي الغازات المنبعثة على 70-85٪ من الهيدروجين ، والذي يستخدم كوقود لأفران التكسير.
تحديات احتراق الهيدروجين
إن دمج كميات كبيرة من الهيدروجين في أنظمة الاحتراق الحالية ليس انتقالا مباشرا. الهيدروجين ، في حالته الطبيعية ، هو عنصر غازي منخفض الكثافة ، مما يجعله عرضة للتسربات من أنظمة الأنابيب. كما أنها تمتلك خصائص فريدة مقارنة بالوقود الهيدروكربوني التقليدي ، بما في ذلك قيمة تسخين عالية على أساس الكتلة ولكن قيمة تسخين منخفضة على أساس الحجم بسبب كثافتها المنخفضة. تؤدي قيمة التسخين الحجمية المنخفضة هذه إلى معدلات تدفق حجمي أعلى وضغط غاز وقود أعلى ، مما يؤدي إلى تحديات تصميم محددة.
علاوة على ذلك ، يتمتع الهيدروجين بسرعة لهب أعلى ودرجة حرارة اشتعال مقارنة بالعديد من أنواع الوقود الشائعة ، مما يجعله أكثر عرضة للفلاش باك ويستلزم تعديلات التصميم. ومع ذلك ، فإن احتراق الهيدروجين يوفر مزايا ، مثل غياب الكربون ، مما يؤدي إلى تقليل انبعاثات السخام وأول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات غير المحترقة.
اعتبارات التصميم
لمعالجة خصائص الاحتراق المعقدة للهيدروجين ، قد تحتاج الشعلات إلى أن تكون قادرة على إطلاق النار على كل من الغاز الطبيعي والوقود عالي الهيدروجين ، مما قد يعقد تصميمها وتشغيلها. هذا مهم بشكل خاص عند استخدام SMR لإنتاج الهيدروجين. يتم تشغيل الشعلات المصممة لإطلاق النار على الهيدروجين في البداية بالغاز الطبيعي ، حتى يتم إنشاء عملية SMR وإنتاج الهيدروجين. هذا يعني أن الشعلات قد تحتاج إلى أن تكون قادرة على إطلاق النار على كل من الغاز الطبيعي والوقود الذي يحتوي على مستوى عال من الهيدروجين. نظرا لأن خصائص الاحتراق بين الهيدروجين وأنواع الوقود الأخرى يمكن أن تكون مختلفة بشكل كبير ، فقد يؤدي ذلك إلى تعقيد مفهوم تصميم الموقد وتشغيله.
تحديات مواقد المعالجة المختلطة مسبقا تكون
تصميمات الموقد الجاهزة التقليدية عرضة للمشكلات عند استخدام مستويات عالية من الهيدروجين في مزيج الوقود. تشمل التحديات:
- الفلاش باك: تزيد سرعة اللهب المرتفعة للهيدروجين من خطر حدوث الفلاش باك ، مما يؤدي إلى الاحتراق الداخلي داخل الموقد والتدمير المحتمل.
- أكاسيد النيتروجين الحراري: يمكن أن تؤثر درجة حرارة اللهب الثابت للهيدروجين على انبعاثات أكاسيد النيتروجين الحرارية ، مما يتطلب تقييما على أساس كل حالة على حدة.
- مستوى الضوضاء: تؤدي زيادة ضغط غاز الوقود إلى مستويات ضوضاء أعلى.
- شفط الهواء: يعتمد شفط الهواء في الشعلات المخلوطة مسبقا على ضغط غاز الوقود ، مما قد يؤثر على كفاءة الاحتراق.
إدخال تقنية WALFIRETM
للتغلب على هذه القيود ، طور John Zink Hamworthy موقد الحائط المشع WALFIRE لسخانات العمليات ، والذي يستهدف بشكل خاص التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل أفران تكسير الإيثيلين. يعمل WALFIRE كموقد على غرار الانتشار ، حيث لا يتم خلط الهواء وغاز الوقود مسبقا قبل الاحتراق. هذا يلغي خطر الفلاش باك ، مما يضمن التشغيل الآمن بغض النظر عن تركيز الهيدروجين في غاز الوقود. تستخدم التقنية الضغط السلبي للفرن لشفط الهواء ، مما يجعله مستقلا عن ضغط غاز الوقود وتكوينه ، وبالتالي تبسيط تعديلات جودة الوقود أثناء التشغيل.
دراسة حالة: مصنع البتروكيماويات في الولايات المتحدة
شهد مصنع للبتروكيماويات في الولايات المتحدة فترات صيانة عالية وذكريات الماضي المتكررة عند استخدام شعلات الجدران المشعة منخفضة للغاية من أكاسيد النيتروجين (ULN) في فرن تكسير الإيثيلين. من خلال استبدال مواقد الحائط هذه بمواقد WALFIRE ، وسع المصنع نافذة التشغيل الخاصة به ، مما أدى إلى القضاء على مخاطر الفلاش باك ، وتقليل متطلبات الصيانة مع الحفاظ على أداء الانبعاثات.
الخلاصة
يمكن أن يؤدي دمج مستويات عالية من الهيدروجين في أنظمة الاحتراق إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو القضاء عليها بشكل كبير مقارنة بالوقود الهيدروكربوني التقليدي. ومع ذلك ، فإن الخصائص الفريدة للهيدروجين تشكل تحديات تتطلب حلولا مبتكرة. تظهر تقنيات مثل WALFIRE القدرة على تبني الهيدروجين بأمان كمصدر للوقود ، مما يمهد الطريق لمستقبل طاقة أكثر اخضرارا واستدامة. مع استمرار نمو الطلب على الهيدروجين ، تعد حلول الاحتراق الإبداعية ضرورية لعالم أنظف وأكثر صداقة للبيئة.
