الابتكارات الهندسية الكيميائية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت في محطات توليد الطاقة الكهربائية

التحدي المستمر لانبعاثات سلفر ديوكسيد

(أ) على مدى عقود، كان ثاني أكسيد الكبريت أحد أكثر الملوثات تنظيماً من توليد الطاقة الصناعية، وهو ناتج أساساً عن احتراق الفحم والنفط، والثاني أكسيد الكربون مساهم رئيسي في الأمطار الحمضية، التي تتدهور الغابات، وتحمض البحيرات، والهياكل الأساسية للتآكل، وعلى مستوى الصحة البشرية، يرتبط التعرض لثاني أكسيد الكبريت بأمراض الجهاز التنفسي، بما في ذلك الارتفاع الحادي الحادي المزمن.

وفي حين أن قطاع الطاقة قد قطع شوطاً كبيراً في كبح الانبعاثات من خلال الضغط التنظيمي، فإن التحدي التقني يظل كبيراً، إذ أن النباتات التي تطلق الفحم، على وجه الخصوص، تنتج كميات كبيرة من الغاز المفلور المحتوي على ثاني أكسيد الكربون بتركيزات تختلف بمحتوى سلفور الوقود، وقد برزت الابتكارات الهندسية الكيميائية كعامل حاسم في تخفيض هذه الانبعاثات إلى مستويات قريبة من الصفر، وتطبق مبادئ تصميمات المواد الكيميائية الحرارية، ومنظومات نقل الأكسيد الكيمياء، وكميات،

والهدف ليس مجرد الامتثال للمعايير وإنما وضع عمليات قابلة للاستمرار اقتصادياً وقوية من الناحية التشغيلية ومستدامة بيئياً، ففهم التفاصيل الكيمائية والهندسية الأساسية لهذه النظم يساعد المهندسين على اختيار وتصميم وفهم التكنولوجيات المثلى لظروف نباتية محددة، كما أن الرحلة من أجهزة التنظيف التقليدية التابعة للنظم الحافزة والمتطورة في هندسة مراقبة الانبعاثات.

تقليدي لد السلفة في الغازات المفلورة: فوج العمل والحدود التي يفرضها

"السكرابير الرطبة وعملية "ليمستون

وتظل تكنولوجيا إزالة ثاني أكسيد الكربون الأكثر انتشاراً هي تدنيس غاز المداخن الرطبة (FGD). وفي حالة سكر مبتذلة نموذجية، يتم الاتصال بغاز فلوري مع ملوّث من الليم الحجري (كربونات الكالسيوم) أو الليم (أوكسيد الكالسيوم) في برج معادلة.

كما أن نظم السحب من الفول السوداني تبلغ عادة ما تصل إلى 90 في المائة من حيث إزالة ثاني أكسيد الكربون، مما يجعلها فعالة بالنسبة لمعظم سيناريوهات الامتثال التنظيمي، غير أن هذه النظم تنطوي على عيوب ملحوظة، وتتطلب استثمارات كبيرة في رأس المال من أجل برج الامتصاص، ومعدات مناولة السائل، ومرافق معالجة مياه الصرف، كما أن استهلاك المياه مرتفع، وتنتج هذه العملية كميات من الحافظة الرطبة أو من المواد السائل المتحركية التي يجب التخلص منها.

البدائل الجافة وشبه الجافة

أما بالنسبة للمصانع التي يكون فيها توافر المياه محدوداً أو التي لا تكون فيها نوعية النبضات ذات أولوية، فإن عمليات الدي جي دي دي جاف وشبه جافة توفر بديلاً لها، إذ أن الحقن الخام ينطوي على حقن مادة من مادة الكالسينول الجاف، مثل الليمون المهيد أو مركبات الكربون الصودية، قد يؤدي مباشرة إلى إنتاج الغاز المفلور، حيث يُحدث الجزء من المادة 80 من المادة ذات التحلل من المادة الثانية من المادة.

وتتفاعل نظم التبريد شبه الجافة، مثل أجهزة الاستيعاب الجاف للرش، وتضعف مصباح الليمون في غاز المداخن الساخنة، وتتفاعل الجسيمات المنزفة مع ثاني أكسيد الكربون، ويمكن لهذه النظم أن تحقق الكفاءة حوالي 90 في المائة، وتنتج منتجاً للنفايات الجافة، غير أنها حساسة إزاء درجة الحرارة ورطوبة الغاز، والحاجة إلى حلول متطورة في مجال الهندسة المحتوية على مقياس وثبات.

السلف في التصميم والنشاط

مصممة خصيصاً للقدرات العليا

ومن أكثر المجالات نشاطاً في البحوث الهندسية الكيميائية تطوير مواد متطورة تتخطى أداء الحجر الجيري الطبيعي أو الليمون، والمقاييس الرئيسية لجهاز السوائب هي قدرته على السو2 (كتلة من السو2 التي تُمسك كل كتلة من السوربانت) ومعدل رد الفعل وقابلية تجديده، وقد استكشف المهندسون أكاسيد المعادن، مثل مفاعلات النحاس والزنكلور()

ومن الاتجاهات الواعدة استخدام السهام المدعومة، حيث تفرق مرحلة نشطة على مستوى عال من الدعم في المناطق المحيطة مثل الألمنيا أو السيليكا أو التيتانيا، ويوفر الدعم السلامة الهيكلية ويزيد من تعرض المواقع النشطة لمرحلة الغاز، مثلا، يمكن أن يكون أكسيد النحاس المدعوم على الألومينا رد فعل ثاني أكسيد الكربون لتكوين سلفات النحاس، ويمكن إعادة إنتاج النفايات السائلة المستنفدة().

Regenerable Sorbents for Cyclic Operation

ومفهوم المواد القابلة للتجدد هو محوري للعديد من مخططات مراقبة الانبعاثات المتقدمة، وبدلاً من استخدام مادة ذات مرة تصبح منتجاً نفايات، فإن النظم القابلة للتجدد تتيح استخدام السائل مراراً، مع خطوات التجديد الدوري، وهذا النهج يتوافق مع مبادئ الاقتصاد الدائري ويقلل من حجم النفايات الصلبة المرسلة إلى مدافن القمامة.() وتشمل تكنولوجيات الترميز الكيميائية، التي تناقش بمزيد من التفصيل، نماذج للسرير.()

وفي هذه النظم، يكون اختيار السوربت حاسماً، إذ يجب أن يحافظ على تفاعله على مدار دورات عديدة، وأن يقاوم الاستنزاف، وأن يكون قادراً على التجديد الكامل عند درجات حرارة معقولة، أما العمل الأخير بشأن حلقة الكالسيوم، حيث يتم الكربون في أكسيد الكالسيوم وحسابه لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، فقد تم توسيع نطاقه ليشمل الضبط بواسطة استغلال كفاءة الكالوريوم بالنسبة لأنواع الكبريت (600 درجة حرارة).

تكنولوجيات التحفيز والتخصيب

التخفيض الانتقائي في التحفيز من أجل مكافحة ثاني أكسيد الكربون

وفي حين أن التخفيض الانتقائي للثديث هو أفضل ما يعرف عن إزالة أكسيد النيتروجين، فقد وضعت أيضاً نُهج حفازة لمعالجة ثاني أكسيد النيتروجين، وتتمثل إحدى الاستراتيجيات في تأكسد ثاني أكسيد النيتروجين إلى ثاني أكسيد النيتروجين، يليها امتصاص غاز ثاني أكسيد النيتروجين في الماء أو حمض السلفورية المميتة لإنتاج حامض الكبريت القابل للتسويق.

أما المصانع التي تستند إلى خماسي الفانديوم (V2O5) على دعم التيتانيا أو الحريرية فهي نشطة بالنسبة لثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة تتراوح بين 400 و500 درجة مئوية. وفي محطة توليد الطاقة، يمكن وضع السرير المحفز في أعلى مجرى الهواء حيث يكون غاز المداخن لا يزال ساخناً، ثم يتم التخلص من ثاني أكسيد الكربون الناتج في مجرى أعلى بنسبة 99 إلى 500 درجة مئوية أو كوادر.

مصانع ألعاب منخفضة الارتداد وطرق رد الفعل

وثمة مجال ناشئ هو تطوير عوامل حفازة منخفضة الحرارة تعمل تحت درجة مئوية 200 درجة مئوية، مما يسمح بوضع أجهزة التحكم الجسيمية في مجرى المجرى حيث يكون الغاز أنظف ولكنه أكثر برودة، وكثيرا ما تستخدم هذه العوامل المحفزة معادن نبيلة مثل البلاتين أو البلادين أو الذهب المدعوم على أكاسيد قابلة للتكرار مثل الإسيرا أو الزركونيا، وتتكون الآلية من تشكيل أنواع من الأكسجين النبيلة التي تستهلك درجة حرارة في المادة 3

وثمة مسار مبتكر آخر هو التخفيض الحافز المباشر لثاني أكسيد الكربون في الكبريت الأولي باستخدام عامل خفض مثل الهيدروجين أو أول أكسيد الكربون أو الميثان، وهو ما يميز إنتاج منتج صلب قيّم (الكبريت) بدلاً من حمض الكبريت الذي قد يكون أسهل تخزيناً ونقلاً، أما رد الفعل، ثاني أكسيد الكربون + 2 H2 ⁇ S + 2H2O، فهو يتطلب نشاطاً إيجابياً.

الفصل: الدقة والكفاءة

الكمبرانيون المتعددة العضوية والإنجابية

وتتيح تكنولوجيا الميمبرون إمكانية فصل ثاني أكسيد الكربون المستمر والفعال من حيث الطاقة عن الغاز المفلور دون الحاجة إلى مواد كيميائية أو خطوات تجديدية، وهذا المبدأ واضح: فالإمبران الانتقائي يسمح للثاني أكسيد الكربون بأن يفرط بصورة تفضيلية على النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والأكسجين، والقوى المحركة للارتطام هي الفرق الجزئي للضغط عبر الميمبراين، الذي يمكن الحفاظ عليه بتطبيق فراغ أو غاز كشط.

وقد درست بشكل واسع، بالنسبة للثانية الثانية، المزخرفات المتعددة البوليميرات أو البوليسولفونات، لفصل الغاز، والتحدي هو أن الغاز مثمر للغاية ويمكن أن يحط من عدد كبير من البوليمرات بمرور الوقت، وقد تناول الباحثون ذلك عن طريق استحداث مواد مقاومة للمواد الكيميائية، مثل تعددية البيوتيزميت أو البوليمرات البيرفلورية، التي تظهر فيها قابلية عالية للاختراق.

أجهزة اتصال مكبرات ونظم هجينة

ويُعدّ بديل عن أجهزة القياس الكثيفة هو جهاز الاتصال بالكمبائن، حيث تعمل أجهزة الإغراق المجهرية كحاجز بين الغاز ومصقول السائل، ولا توفر هذه المواد السائلة القدرة على الانتقاء، بل توفر واجهة عالية السطح لنقل الكتلة دون أن تفرق مرحلة واحدة في الأخرى.

ولا تزال تكنولوجيا الكيمبراني من أجل إزالة ثاني أكسيد الكربون على نطاق تجريبي بالنسبة لمعظم التطبيقات، إذ أن التكلفة الرأسمالية لنمائط الدمج والحاجة إلى المعالجة المسبقة لإزالة الجسيمات والهيروسولات تشكل حواجز أمام الاعتماد الواسع النطاق، ومع تحسن صناعة الخميرة وانخفاض التكاليف، فإن هذا النهج يمكن أن يصبح تنافسيا، لا سيما بالنسبة للمصانع الصغيرة أو للبقايا التي يكون فيها الفضاء محدودا، والقدرة على العمل دون مواصلة نقل أجزاء أخرى وبحد أدنى من المواد الكيميائية.

التعبئة الكيميائية وضبط السلفة المحتوية على مواد السائلة

أساسيات التعبئة الكيميائية

ويُمثل الاحتراق الكيميائي للثغرات (CLC) تحولاً في النموذج في كيفية إدارة محطات الطاقة للانبعاثات، وبدلاً من حرق الوقود مباشرة بالهواء، تستخدم شركة CLC ناقلاً للأوكسجين المعدني لنقل الأكسجين من الهواء إلى الوقود في عملية دوائية ذات خطين، وفي مفاعل الوقود، تخفض أكسيد المعادن بواسطة الوقود، وتنتج ثاني أكسيد الكربون وثدي الماء، بينما تُضاف مادة أكسيد الكربون المحتوي على ثاني أكسيد الكربون

(ب) إن سلوك الكبريت في نظم الـ (CLC) معقد، ويمكن، تبعاً لمواد حاملي الأكسجين وظروف التشغيل، الإفراج عن الكبريت باعتباره كبريتاً في ناقلات الأكسجين، أو تحويله إلى أنواع أخرى مثل H2S.() وبالنسبة لمراقبة الانبعاثات الفعالة، يسعى المهندسون إلى الحصول على ناقلات أوكسجين ذات كفاءة عالية بالنسبة للكبريت، ويُلزمونه كبريت ثابت لا يُطلق إلا أثناء فترة تجديد منفصلة(2).

التكامل مع استرداد السلفر

ومن الميزات الرئيسية لمركبات الكربون الكلورية فلورية بالنسبة لوقود الكبريت العالية، إتاحة الفرصة لدمج استرداد الكبريت مباشرة في العملية، ويمكن أيضاً تجديد حاملات الأكسجين التي تصبح منشطة في مفاعل ثالث، وإنتاج تيار مركز من ثاني أكسيد الكربون يناسب إنتاج حامض السلفوريك أو استعادة سلفور كلوز، مما يتفادى الحاجة إلى نظام منفصل من أجهزة تصنيع الغازات الفلورية، مما يبسط تصميم النباتات ويخفض من تكاليف إنتاج رؤوس الأموال.

ويجري البحث لتحديد المواد التي تحمل على نقل الأوكسجين والتي تجمع بين طاقة عالية من الأوكسجين، وسرعة الحركية، والقوة الميكانيكية، ومقاومة الكبريت، ولا تزال التكلفة عاملا هاما؛ وقد يكون جرد ناقلات الأوكسجين لمصنع تجاري الحجم مئات الأطنان، بحيث تكون المواد غير المقيدة مثل المعادن الطبيعية (الليمنية، والهيمنة) أكثر من ناقلات الاصطناعية.

التنفيذ الفعلي العالمي والنظر في العمليات

التكامل مع الهياكل الأساسية النباتية القائمة

ويتطلب تحويل الابتكارات من المختبر إلى التشغيل الكامل لمحطات توليد الطاقة اهتماماً دقيقاً بالتكامل، إذ أن النباتات الموجودة لديها مساحة محدودة، ودرجات حرارة محددة، وموجزات ضغط، وإجراءات تشغيل ثابتة، ويجب أن يتم إعادة استخدام نظام جديد لمراقبة الانبعاثات دون تعطيل العمليات الجارية أو فرض فترات توقف مفرطة، ويجب على المهندسين أن ينظروا في انخفاض الضغط على المعدات الجديدة، ونوافذ درجات الحرارة للرد على المواد الكيميائية، وتوافق المواد مع مكونات الغاز الفلوريد.

فعلى سبيل المثال، قد يتطلب تركيب وحدة فصل عن المعادن سداً مسبقاً للغاز المفلور وإزالة الجسيمات لحماية البقايا، مما يضيف إلى تكلفة رأس المال وعقوبة الطاقة، وبالمثل، يجب وضع نظام للتأكسة التحفيزية في نافذة درجة الحرارة التي تضاهي النشاط الحفاز، الذي قد يتطلب إعادة تدوير الغاز إذا مر بالفعل عبر نموذج متقن.

تحليل التكاليف والفوائد والهياكل المحفزة

ويتوقف قرار اعتماد تكنولوجيا متقدمة لمراقبة الانبعاثات اعتماداً قوياً على البيئة التنظيمية والقيمة الاقتصادية للمنتجات الثانوية، وفي المناطق التي توجد فيها حدود صارمة فيما يتعلق بثاني أكسيد الكربون، يمكن أن تبرر تكلفة عدم الامتثال (الحدائق، وعمليات الإغلاق) استثماراً كبيراً في المعدات الجديدة، إذ أن قيمة الأسهم من فدز الفلور أو حمض السلفوريك من الأكسدة الحافزة يمكن أن تعوض تكاليف التشغيل بالنسبة للتكنولوجيات التي تنتج سلفاًاً في السوق.

وينبغي أن يُعزى تحليل تكاليف دورة الحياة ليس فقط إلى رأس المال ونفقات التشغيل، بل أيضاً إلى تكاليف التخلص من النفايات، واستهلاك المياه، وعقوبات الطاقة، وكثيراً ما تكون للنظم المتقدمة والمتجددة تكاليف رأسمالية أعلى، ولكن تكاليف التخلص من النفايات أقل من التكاليف ذات الصلة بالأخطار، وقد يكون لنظم ميبراين استهلاك أقل من الطاقة ولكن تكاليف استبدال الزئبق الأعلى، ومع التوسع في آليات تسعير الكربون، فإن أوجه التآزر بين التحكم في ثاني أكسيد الكربون والأخذ في مركبات الكربون.

توجيهات البحوث المستقبلية وتكنولوجيات التمكين الناشئة

التوابع الرقمية والتفعيل الفعلي

وتتناسب تعقيدات نظم مراقبة الانبعاثات الحديثة مع التدمير الرقمي، وتأتي النماذج الرقمية للتوائم - البيروتية للنظم المادية التي تتضمن بيانات الاستشعار ونماذج العمليات - مع حفز مختلف سيناريوهات التشغيل، والتنبؤ بتدهور الأداء، والارتقاء بمعدلات التغذية الحاد أو دورات التجديد إلى الحد الأمثل.

الكتلة الأحيائية ومستودعات النفايات

وتثير شواغل الاستدامة الاهتمام بالمواد المستمدة من الكتلة الأحيائية أو النفايات الصناعية، فعلى سبيل المثال، تبين أن للشحن الأحيائي الناتج عن المخلفات الزراعية صلة بالشركة سو-2، ويمكن تعزيز هيكلها الخليوي عن طريق التنشط الكيميائي، ويمكن استخدام الرماد الدقيق من محطات توليد الطاقة نفسها كعنصر مغري، مما يتيح استخداماً لتدفق النفايات الذي قد يتطلب التخلص منه.

الفصل الكيميائي العالي التأشيري

وثمة حدود ناشئة هي استخدام أجهزة الكهروكيميائية ذات دولة صلبة، مثل خلايا وقود أكسيد الصلب أو الكهرباء، لإزالة ثاني أكسيد الكربون في الوقت الذي تولد فيه الطاقة أو تنتج مواد كيميائية قيمة، وفي درجات الحرارة العالية، تظهر بعض المواد السهرية وجود سلوكية أيونية يمكن استغلالها لنقل أو بروتونات الأوكسجين، مما يتيح ردود فعل تحول ثاني أكسيد الكربون إلى أنواع أقل ضرراً.

الخلاصة: بوابة لحلول لجريمة أنظف

وقد تكون الابتكارات الهندسية الكيميائية قد أوصلت بالفعل مجموعة من التكنولوجيات - من المواد السائلة المتقدمة والمحفزة إلى المواد الكيميائية، وهي عوامل يمكن أن تدفع الانبعاثات إلى الصفر، وقد يعتمد الحل الأمثل لمصنع معين على نوع الوقود وحجم النباتات، وقيود التعبئة، وظروف السوق المحلية.

(ب) يلزم إجراء بحوث متزامنة من أجل تحقيق النضج التجاري، وتخفيض التكاليف، وضمان الموثوقية الطويلة الأجل، ودمج الأدوات الرقمية واستكشاف المواد الصناعية ذات القاعدة الأحيائية يمثلان مسارات واعدة لزيادة التحسين، وبما أن قطاع الطاقة ينتقل نحو مستقبل منخفض الكربون، فإن دور الهندسة الكيميائية في تصميم عمليات أنظف وأكثر كفاءة لن ينمو إلا في إطار من التطور.