تقنية تنقية غاز الحفر بكفاءة عالية وتكلفة منخفضة لإزالة الكربون – مجموعة سيتشوان هونغهو للتكنولوجيا

Thread Content

تقنية تنقية الغاز الحيوي وإزالة الكربون بمعدلات استرداد عالية وتكاليف منخفضة
وانغ بين، هوانغ جياهو (شركة سيتشوان هونغهو للتكنولوجيا المحدودة، سيتشوان، تشنغدو 610036)
ملخص: يتم في هذا البحث تقديم نظرة عامة على تقنيات تنقية الغاز الحيوي، ومن خلال التحليل والمقارنة، يتبين أن استخدام تقنية الامتصاص بضغط متغير ذات معدلات استرداد عالية (99%) يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكاليف تنقية الغاز الحيوي، ويزيد من الإنتاج والأرباح، كما يساعد في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة. وبالتالي، فإن هذه التقنية تعتبر خيارًا مناسبًا للاستخدام الشامل للغاز الحيوي في التطبيقات المتقدمة. الكلمات المفتاحية: غاز البيوغاز، التنقية، إزالة الكربون، الامتصاص بالضغط المتغير، معدل استرداد عالٍ، تكلفة منخفضة. 1. مقدمة: الطاقة هي الأساس المادي لتطور الاقتصاد والمجتمع. بالإضافة إلى طاقة المياه، فإن طاقة الكتلة الحيوية هي أكثر مصادر الطاقة المتجددة استخدامًا، ويعتبر غاز البيوغاز أحد المجالات الرئيسية للتطوير في هذا المجال. من المتوقع أن يصل الاستهلاك السنوي لغاز البيوجين في الصين إلى 44 مليار متر مكعب بحلول عام 2020. نظرًا لعوامل مثل القيود الاقتصادية والتقنية، يشكل إنتاج الغاز الحيوي على نطاق صغير واستخداماته المحدودة جزءًا كبيرًا في الوقت الحالي داخل البلاد، لكن تحويل إنتاج الغاز الحيوي نحو مستويات أعلى، أي الإنتاج على نطاق واسع واستخداماته في مجالات أكثر تطورًا، هو اتجاه حتمي لتطور هذه الصناعة. تتكون غازات البيوغاز من مكونات معقدة، حيث يختلف تركيب الغازات باختلاف المواد الأولية وعمليات التخمير. يشكل غاز الميثان العنصر الرئيسي، حيث يشكل حوالي 50% إلى 70% من الحجم الكلي للغاز، بينما يشكل ثاني أكسيد الكربون حوالي 25% إلى 40%. أما الغازات الأخرى مثل نيتروجين، أكسجين، هيدروجين سيانيد، ماء، كربون مونوكسيد، هيدروجين، أمونيا، الهيدروكربونات المهلجنة، والسيلوكسانات، فهي تشكل حوالي 5% من الغازات الكلية【1】. تؤثر الغازات النجسة الموجودة فيه بدرجة أو بأخرى سلبًا على عملية استخدام الغاز الحيوي، ولذلك من الصعب استخدام الغاز الحيوي بشكل شامل وفعال دون معالجته أولاً. نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يشكل الجزء الأكبر من الغازات النجسة، فإن تكلفة إزالة الكربون تحدد إلى حد كبير مستوى تكلفة تنقية الغاز الحيوي. وفيما يلي، سنتناول بالتفصيل تقنيات إزالة الكربون من الغاز الحيوي. 2. نبذة عن تقنيات إزالة الشوائب من غاز البيوغاز ذو المحتوى المنخفض
2.1 يمكن إزالة بخار الماء المشبع الموجود في غاز البيوغاز باستخدام طريقة التكثيف، أو طريقة الامتصاص، أو باستخدام مواد لامتصاص الماء【2】. 2.2 تشكل الكبريتيدات في غاز الميثان المنقى من الكبريت خطرًا كبيرًا، فالهيدروجين الكبريتي (H2S) سام، وعند اتحاده مع الماء يؤدي إلى تآكل المعدات، كما أن احتراقه ينتج غازات الكبريت التي تلوث الغلاف الجوي. تنقسم تقنيات إزالة كبريت غاز البيوغاز إلى فئتين رئيسيتين: إزالة الكبريت في الموقع وإزالة كبريت غاز البيوغاز. عندما يكون حجم غاز البيوغاز كبيرًا أو محتوى الكبريت فيه مرتفعًا، يلزم استخدام طريقة التنقية الكيميائية الرطبة. تتميز هذه الطريقة بتعقيد إجراءات تنفيذها وارتفاع تكاليف تشغيلها، كما أنها عادةً لا تستطيع إزالة الكبريت العضوي【2】. يناسب الأسلوب الجاف الحالات التي يكون فيها حجم غاز البيوغاز صغيرًا أو محتوى الكبريت منخفضًا، فهو بسيط في التشغيل ويتطلب استثمارات تقنية قليلة، كما يمكنه إزالة أنواع متعددة من الكبريت العضوي إلى مستويات تصل إلى ppm. بالإضافة إلى ذلك، هناك طرق جديدة لإزالة الكبريت مثل الفصل بواسطة الأغشية، والامتصاص تحت ضغط متغير، وإزالة الكبريت بيولوجيًا. 2.3 إزالة الشوائب الأخرى: تكون نسبة الشوائب الأخرى منخفضة، وعادةً ما يمكن إزالتها في وحدات التنقية أو التخليص الموجودة بالفعل【2】. إذا كانت هناك متطلبات خاصة في بعض الصناعات، مثل استخدامها في التوربينات الغازية، فيمكن امتصاص المواد السيلوكسانية باستخدام محاليل مختلطة من الهيدروكربونات، أما الهيدروكربونات المهلجنة فيمكن إزالتها باستخدام الكربون النشط المخصص لعملية الامتصاص عند درجات حرارة معينة【3】. 3. نبذة عن تقنيات إزالة ثاني أكسيد الكربون: تنبع تقنيات إزالة الكربون من غاز البيوجين في معظمها من صناعة الكيماويات، وتشمل الامتصاص الفيزيائي، والامتصاص الكيميائي، والامتصاص بتغيير الضغط، والفصل بالأغشية، وغيرها. نظرًا لصغر حجم معالجة غاز البيوجين، يجب التركيز أكثر على التصميم الصغير الحجم وتوفير الطاقة. يعتمد الامتصاص الفيزيائي على خاصية ارتفاع قابلية ذوبان الغازات الحمضية في المحاليل مقارنة بـ CH4، لإزالة ثاني أكسيد الكربون. يتم إعادة تدوير المحلول عن طريق خفض الضغط، أو التبخير السريع، أو الإزالة بالغازات. الطريقة الأكثر استخدامًا هي طريقة الغسيل بالماء تحت ضغط عالٍ【2،3】. يعتمد الامتصاص الكيميائي في إزالة ثاني أكسيد الكربون على مبدأ حدوث تفاعلات قابلة للعكس بين المواد الكيميائية والغازات الحمضية الموجودة في المحلول. الامتصاص في درجات حرارة منخفضة وإعادة التكوين في درجات حرارة عالية، والمثال النموذجي على ذلك هو طريقة الألكوهول أمينات【1،2】. لا ينتج عملية إنتاج الغاز الحيوي بخارًا كمنتج ثانوي، بل يتم توليد البخار خصيصًا لإعادة تنشيط المحلول، وهو ما يشكل عبئًا إضافيًا ويستهلك الغاز الحيوي، مما يقلل من الإنتاج. يعتمد التفريق بواسطة الأغشية على اختلاف معدلات انحلال وانتشار مكونات الغازات في البوليمرات البوليمرية؛ حيث يؤدي فرق الضغط على جانبي الغشاء إلى اختلاف معدلات نفاذ هذه المكونات عبر جدار الغشاء، مما يؤدي إلى فصلها عن بعضها البعض【2】. يوجد نوعان من طرق الفصل بالأغشية، وهما طريقة الفصل بالضغط العالي في الحالة الغازية، وطريقة الفصل بالضغط المنخفض باستخدام أغشية الامتصاص في الحالة الغازية-السائلة. يعتمد الترشيح بالتغيير الضغطي على مبدأ اختلاف قدرة سطح المادة الماصة على امتصاص مكونات غاز الحفر، وذلك لإزالة ثاني أكسيد الكربون. يتميز هذا الجهاز بدرجة عالية من الأتمتة، ويعمل بشكل مستقر، كما أن عمره الافتراضي طويل، بالإضافة إلى انخفاض تكاليف التنقية【1،2،4】. لكن أجهزة الامتصاص بالضغط التقليدية تعاني من خسائر كبيرة في غاز CH4. عندما تكون نسبة CH4 بين 90% و95%， فإن معدل الاسترداد يصل إلى أقصى حد 90% فقط【8،10،11】، بينما يكون المعدل في الحالات الأخرى أقل من 60%【9】. يُعد هذا العيب عائقًا أمام استخدام الترشيح بالضغط المتغير في مجال تنقية غاز البيوغاز. المفتاح لحل مشكلة انخفاض معدل استرداد غاز CH4 يكمن في استخدام مواد امتصاص فعالة، وذلك بهدف تحسين معامل الفصل بين خليط غازات CH4/CO2 وزيادة قدرة المواد الامتصاصية على امتصاص غاز CO2. من خلال الاستفادة من أحدث التقنيات المحلية والدولية【6،7】، طورت شركة هونغهو للتكنولوجيا مادة امتصاصية مخصصة لتنقية غاز البيوغاز، مما يسمح بتحقيق معدل استرداد لغاز CH4 يصل إلى 99٪، ويكون محتوى غاز CH4 في الغازات الناتجة أقل من 1٪، كما تصل نقاء الغاز الناتج إلى 97٪–99٪ (ويمكن تعديله حسب الحاجة). يتمتع هذا المادة الامتصاصية بقدرة امتصاص عالية ومعامل فصل كبير، مما يساهم في تقليل حجم الجهاز وخفض التكاليف الإجمالية للاستثمار وتقليل تكاليف التشغيل. 4. مقارنة تقنيات إزالة الكربون من غاز البيوجين 4.1 مؤشرات غاز المدخلات: يتم استخدام غاز البيوجين وفقًا للمؤشرات المذكورة في الجدول 1 كغاز مدخلات في مقارنة التقنيات المختلفة. الجدول 1: مؤشرات الغاز الخام
المعيار | التدفق (Nm3/يوم) | الضغط (kPaG) | درجة الحرارة (°C) | CH4 (%) | CO2 (%) | المكونات الأخرى (%)
20000 | 5 | 40 | 57 | 41 | 2 | 4.2

تكلفة تركيب أجهزة إزالة الكربون من الغاز الحيوي التابعة لشركة هونغهو تكنولوجيز أقل من تكلفة الطرق التقليدية للاستخلاص بالترشيح تحت الضغط، كما أنها أقل أيضًا من تكلفة استخدام مادة MDEA وطرق الفصل بالأغشية. لكنها أعلى قليلاً من تكلفة طريقة الغسيل بالماء تحت الضغط العالي [1,2,3,4,5,8,9]. 4.3 معدل استرداد الميثان: يصل معدل استرداد الميثان في جهاز تنقية الغاز الحيوي الخاص بشركة هونغهو للتكنولوجيا إلى 99%، وهو رقم أعلى من معدلات الاسترداد في الأجهزة الأخرى【1,2,3,4,5,8,9】. 4.4 تكاليف التشغيل file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png ملاحظة: يتم احتساب ضغط خروج الغاز المنتج بقيمة 0.8 ميجا باسكال دائمًا. تكاليف تشغيل جهاز تنقية الغاز الحيوي من الكربون الخاص بشركة هونغهو للتكنولوجيا أقل بكثير مقارنة بالتقنيات الأخرى【1】. 5. الخلاصة: تتميز تقنية إزالة الكربون وتنقية غاز الحفر المطورة من قبل شركة سيتشوان هونغهو للتكنولوجيا المحدودة، بالإضافة إلى درجة التشغيل الأوتوماتيكي العالية وسهولة الاستخدام والسلامة والبيئة الصديقة، بمزايا بارزة أخرى مثل انخفاض تكلفة الاستثمار وانخفاض تكاليف التشغيل، بالإضافة إلى معدل استرداد غاز الميثان الذي يصل إلى 99٪، وهو ما يتجاوز المعايير الدولية والمحلية. المراجع: هاو وي. تقنيات واقتصاديات تحويل الغاز الحيوي إلى غاز طبيعي (CNG). جيانغ هاو وآخرون. تقنيات تنقية الغاز الحيوي لإنتاج الميثان الحيوي وتطبيقاتها. مجلة الغاز الحيوي في الصين، 2012، العدد 30، الصفحات 6-11. سونغ كانهوي وآخرون. الوضع الحالي لتقنيات تنقية الغاز الحيوي. مجلة الغاز الحيوي في الصين، 2007، العدد 25، الصفحات 23-27. زين فنغ وآخرون. استخدامات الغاز الحيوي بشكل أكثر فعالية وتقنيات تنقيته. مجلة علوم وتقنيات البيئة، 2012، العدد 11، الصفحات 103-108. لي دونغ وآخرون. الوضع الحالي لموارد الغاز الحيوي في الصين وآفاق استخدامها. مجلة الهندسة الكيميائية الحديثة، 2009، العدد 4، الصفحات 1-5. يو شينجيانغ وآخرون. طريقة تحضير الكربون المسامي باستخدام القوالب واستخدامه في امتصاص CH4/N2/CO2. مجلة الهندسة البتروكيميائية، 2016، العدد 2، الصفحات 221-226. لي تونغ وآخرون. تعديل الكربون النشط وتأثير ذلك على قدرته على امتصاص CO2/CH4. مجلة علوم الفحم، 2011، العدد 12، الصفحات 2012-2017. تشن شيانغ وآخرون. الوضع الحالي لتطور تقنيات تنقية الغاز الحيوي لإنتاج الميثان الحيوي. مجلة الهندسة الزراعية، 2012، العدد 7، الصفحات 30-34. لي شينغ وآخرون. التقدم في تقنيات تنقية الغاز الحيوي لإنتاج الميثان الحيوي عالي النقاء. مجلة الهندسة الكيميائية الحديثة، 2014، العدد 11، الصفحات 19-23. شركة سيتشوان ياليان للتكنولوجيا المحدودة. طريقة لاستخلاص الميثان من الغاز الحيوي. براءة اختراع صينية: CN200910060286، تاريخ الحصول على البراءة: سبتمبر 2010. شركة سيتشوان ياليان للتكنولوجيا المحدودة. طريقة لاستخلاص الميثان من غاز مدافن النفايات. براءة اختراع صينية: CN200810045223، تاريخ الحصول على البراءة: يوليو 2008.