مواقد الهيدروجين (جاهزة للاستخدام مع H2)

الهيدروجين كوقود نظيف

أنظمة الاحتراق مثل محركات الاحتراق الداخلي، والشعلات، وتوربينات الغاز وغيرها، التي تستخدم الوقود الأحفوري ينبعث منها ثاني أكسيد الكربون. ونتيجة لذلك، يحدث تغير المناخ والاحتباس الحراري. تعد إزالة الكربون كحل صناعي نظيف طريقة أساسية تعزز عمليات الإنتاج لدينا للوصول إلى بيئة أفضل. يعد استبدال الوقود أحد الطرق للتغلب على هذه المشكلة.

الهيدروجين يتمتع بإمكانيات كبيرة في إزالة الكربون من قطاعات النقل والصناعة والتجارة والسكن. إن القدرة على توليد الهيدروجين من خلال مصادر الطاقة المتجددة المختلفة تجعله جزءًا لا يتجزأ من نظام الطاقة المتجددة. تسمح هذه الطريقة للمهندسين بتبديل خطوط أنابيب الغاز الطبيعي بالهيدروجين لتقليل انبعاثات الكربون والاعتماد على الوقود الأحفوري.

نهاية استخدام هذا الهيدروجين كانت موضوعًا للبحث خلال العقود الأخيرة. نظرًا لخصائصه الفيزيائية، يمكن العثور على العديد من الدراسات والأبحاث حول لهب الهيدروجين نظرًا لأن سلوكه في الاحتراق يظهر عدة خصوصيات مقارنة بالوقود الغازي التقليدي. الهيدروجين لديه حد اشتعال واسع في الهواء (4-75 في المائة حسب الحجم)، وطاقة اشتعال منخفضة (0.019 ملي جول)، وكثافة منخفضة (0.0899 كيلوغرام/متر مكعب)، ودرجة حرارة لهب كظومة عالية (2380 كلفن).

بِالتّالِي، ما زالت الأجهزة المختلفة للاحتراق في قطاعات مختلفة تتطلب بحثًا عميقًا لإعادة تكييفها أو إعادة تصميمها لضمان ظروف تشغيل آمنة وفعالة عند استخدام الهيدروجين كوقود مدخل. التحدي الكبير الذي علينا مواجهته هو استخدام المصانع الحالية وتكييفها لتشغيل بالوقود الهيدروجين بدلاً من بناء مُنشَآت جديدة.

سيكون تحويل هذه المرافق التي تستخدم حاليًا الوقود الأحفوري إلى استخدام الهيدروجين ناجحًا كمجتمع مع هذا المصدر الجديد للطاقة الذي ينتج ملوثات أقل من السابق. من الضروري تطوير تقنية الاحتراق الفعّالة والأقل تلويثًا لهذا الوقود.

من الناحية التقنية، يجب النظر في بعض العوامل التي ستكون أساسية في تحويل هذه المصانع الحالية لاستخدام الاحتراق بالهيدروجين، خاصة في تطبيقها على مراجل محطات توليد الكهرباء.

تم عرض خصائص الهيدروجين في الشكل الغازي في الجدول أدناه:

خصائص وقود الهيدروجين

خصائص وقود الهيدروجين	قيم
الكثافة	0.0899 [kg/Nm3] (gas) / 0.0708 [kg/l](liquid)
الکمية الحرارية الأدنى [كيلوكالوري / Nm3]	2580
الکمية الحرارية العالية [كيلوكالوري / Nm3]	3050
حدود القابلية للاشتعال % الحجم في الهواء	4-75%
حدود التفجير % الحجم في الهواء	18.3-59%
السعة الحرارية النوعية [KJ/ (kg. K))]	Cp=14.199 / Cv=10.074
معامل الانتشار [سنتميتر مربع / ثانية]	0.61
أقصى سرعة للهب [متر/ ثانية]	2.8
درجة حرارة الاشتعال التلقائي [C]	571

تبلغ سرعة اللهب في احتراق الهيدروجين حوالي 1.7 متر في الثانية، بينما تكون سرعة لهب الغاز الطبيعي أقل بكثير وتقترب من 0.4 متر في الثانية. قد يؤدي عدم التوازن في اللهب المحلي وسرعات التدفق في لهب الهيدروجين المختلط جزئيًا أو مختلطًا مسبقًا إلى حدوث مشكلة تتعلق بالسلامة بسبب السرعات العالية للهب.

لهب الهيدروجين له درجة حرارة لهب كظومة الحرارة أعلى بحوالي 2182 درجة مئوية، بينما يبلغ درجة حرارة لهب الغاز الطبيعي 1937 درجة مئوية. زيادة درجة حرارة اللهب في احتراق الهيدروجين مقارنة بالغاز الطبيعي أو الوقود السائل يتطلب ترقية المواد المستخدمة في صنع المِنافت ومثبت اللهب وغرفة الاحتراق لتحمل درجات حرارية أعلى.

نظرًا لدرجة حرارة اللهب الأعلى للهيدروجين مقارنة بالوقود التقليدي مثل الغاز الطبيعي، فإن انبعاثات الملوثات لأكسيد النيتروجين (NOx) ستزيد حتى 3 مرات. لذلك، من الضروري استخدام مقاربات مختلفة لتقليل التلوث بالملوثات أكاسيد النيتروجين (NOx)، مثل استخدام FGR وحقن البخار والاحتراق المرحلي.

وفقًا لمعادلات القياس الكيميائي للميثان والهيدروجين، تم الإبلاغ عن الحاجة إلى 0.31 و 0.24 كيلوغرام من الهواء لكل ميجاجول من الطاقة، على التوالي. وهذه الكمية أقل بنسبة %30 من الهواء المطلوب لاحتراق الميثان. بسبب الحد العالي من القابلية للاشتعال للهيدروجين، هناك حاجة إلى كمية أقل من الهواء الزائد.

لهب الهيدروجين يظهر انخفاضًا في الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء بدلاً من الأشعة فوق البنفسجية؛ يجب استخدام ماسحات قادرة على قياس الموجات فوق البنفسجية لاكتشاف اللهب. يُقترح استخدام ماسحات التردد لتحسين السلامة.

ملاحظة: ستتناقص رؤية اللهب عند استخدام FGR.

وفقًا

وفقًا لقواعد ATEX، يُصنف الهيدروجين كمجموعة غازية IIC. لذلك، يتم اختيار المعدات المستخدمة بناءً على متطلبات المنطقة 1 / المجموعة IIC. ستكون المعدات المانعة للانفجار من النوع EExd كافية لمنع المخاطر الناتجة عن تسريبات الغاز الهيدروجين.

إنتاج الهيدروجين

تسخين جزيئات الهيدروكربون يمكن أن ينتج الهيدروجين في عملية تسمى “تحويل الهيدروجين”. في هذه العملية، يتم الحصول على الهيدروجين من الغاز الطبيعي. عن طريق تمرير تيار كهربائي، يتم تحلل الماء إلى الأكسجين والهيدروجين في عملية التحليل الكهربائي. يستخدم الطحالب والبكتيريا الضوء الشمس كمصدر للطاقة لإنتاج الهيدروجين في ظروف معينة.

بشكل عام، تُصنف طرق استخراج الهيدروجين إلى مصادر الوقود الأحفوري وغير الأحفوري.

1. إنتاج الهيدروجين من المصادر غير الأحفورية

• الكهروكيميائية الضوئية
• المواد البيولوجية
• البيوكيميائية
• الكيميائية الحرارية
• التحلل الحراري للمياه
• التحليل الإشعاعي للمياه
• مواد الكتلة الحيوية
• التحليل الكهربائي للمياه

2.إنتاج الهيدروجين من المصادر الأحفورية

اليوم يتم الحصول على %98 من إجمالي الهيدروجين المنتج في جميع أنحاء العالم من الوقود الأحفوري.

وحسب طريقة الاستخراج، يتم تصنيف الهيدروجين في الفئات التالية:

هيدروجين أخضر

مع الطاقات المتجددة، يتم تحليل الماء إلكتروليتيًا، ويتم تفكيك جزيئة الماء إلى جزيئات الهيدروجين والأكسجين. تستخدم هذه الطريقة تيار كهربائي مباشر واثنين من الأقطاب، مما ينتج عنه غاز الهيدروجين في الكاثود وغاز الأكسجين في الأنود. يبلغ حجم غاز الهيدروجين الذي يتم إنتاجه خلال هذه العملية ضعف حجم الأكسجين. كما أن الهيدروجين المحصل عليه يحتوي على بعض الرطوبة والشوائب (%1-2)، لذا يمكن تمرير الهيدروجين من خلال محفز البلاتين لجعل الهيدروجين أكثر نقاءً وتقليل تركيز الأكسجين، حيث يتم تقليل كمية الأكسجين إلى 1 جزء في المليون.

يمكن تقليل نقطة الندى للهيدروجين عن طريق تمرير الغاز عبر الغربال الجزيئي لإزالة الرطوبة من غاز الهيدروجين. نظرًا لأن الهيدروجين المحصل عليه في هذه الطريقة من مصادر متجددة ولا تشكل منتجاتها خطرًا على البيئة، فإن الهيدروجين المنتج بهذه الطريقة يُطلق عليه اسم الهيدروجين الأخضر.

هيدروجين أزرق/رمادي

يعد إنتاج الهيدروجين باستخدام عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار أحد أكثر طرق إنتاج الهيدروجين شيوعًا واقتصادية في العالم. أثناء عملية الإصلاح، يتم تسخين الغاز الطبيعي في وجود المحفز والبخار. ونتيجة لهذا التفاعل، تنقسم جزيئات الميثان إلى أول أكسيد الكربون والهيدروجين.

يمكن فصل أول أكسيد الكربون عن الهيدروجين من خلال تفاعل تحول الماء والغاز (WGSR). يمكن تحقيق WGSR عن طريق تمرير أول أكسيد الكربون عبر أكاسيد معينة مثل Fe2O3. مشكلة طريقة الإصلاح بالبخار هي إنتاج المنتجات الثانوية مثل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، وكلها غازات دفيئة. اعتمادا على نوعية الغاز الطبيعي، يتم إنتاج 9 إلى 12 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الهيدروجين.

يُعتبر الهيدروجين رماديًا إذا تم إطلاق ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. وإلا يتم فصل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، يُطلق على الهيدروجين المنتج اسم هيدروجين أزرق.

الهيدروجين البني/الأسود

يأتي الهيدروجين البني من الفحم البني أو البترول (يستغرق إنتاج الفحم البني من رواسب الخث ملايين السنين). يتم تصنيع الهيدروجين الأسود أيضًا باستخدام الفحم القاري (مادة مشابهة للقار).

مكاننا

في الوقت الحالي، تمكنت الدراسات حول مواقد الهيدروجين من تحقيق خليط يتكون من حوالي %20 من الهيدروجين و %80 من الغاز الطبيعي في مواقد الحمل القسري، المواقد المختلطة بالمنفث، المواقد المختلطة مسبقًا، والمواقد المختلطة بعد الاحتراق. قد يحدث ظاهرة التراجع في معدلات الاحتراق الأعلى.

نحو الحافة في تكنولوجيا علم الاحتراق، يجري البحث في قسم البحث والتطوير لدينا لإنشاء احتراق موثوق للوقود الهيدروجيني النقي دون مشكلة التراجع. نتيجة لذلك، نحن فخورون بأن مواقدنا العالية التقنية والجاهزة للهيدروجين تعمل بشكل جيد، مع أدنى كمية من الانبعاثات وفقًا للمعايير الدولية.