Table of Contents
Flue Gas as a Heat Source for Steam Generation in Thermal EOR
ومن بين هذه الأساليب تقنيات " EOR " ، مثل فيضان البخار وحفز البخار على استخدام كميات كبيرة من الغازات ذات الحرارة العالية، التي تولد القدرة على إحداث تغيرات في الطاقة، والتي تولد عادةً كميات كبيرة من الغازات ذات القدرة العالية على التقلب، وتنتج هذه البخار عن حرق الغاز الطبيعي أو النباتات البديلة التي تعمل بالغاز.
تكوين وتصريفات الغازات المفلورة
(ب) الغاز المفلور هو مجرى العادم المطلق بعد احتراق الوقود الأحفوري مثل الفحم أو الغاز الطبيعي أو كوكا النفط في مرافق توليد الطاقة، ويتباين تركيبه تبعاً لنوع الوقود وظروف الاحتراق، ولكن الغاز الجاف العادي يتألف من حوالي 70 إلى 75٪ من النيتروجين (N2)، و10-15٪ من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، و3.5٪ من الأكسجين (الكلورو)
درجة الحرارة ودرجة الحرارة
ويخرج الغاز المفلور من أكوام محطات الطاقة الحديثة عند درجات حرارة تتراوح بين 120 درجة مئوية و200 درجة مئوية بعد مرورها بنظم استعادة الحرارة، غير أن هذا النوع من الطاقة في أعلى مجرى من الكوك، مثل منفذ الإكونوميزر أو قبل أن تكون وحدة التحلل الحراري للغاز المفلور أعلى بكثير، حيث يتراوح في كثير من الأحيان بين 300 درجة مئوية و600 درجة مئوية.
الخصائص المملحة والملوثة
ومن التحديات الرئيسية التي تواجه استخدام غاز المداخن الخام طبيعة التآكل، ويمكن أن تشكل أكاسيد الكبريت، ولا سيما ثاني أكسيد الكبريت، حمض السلفوري عندما تجمع بين بخار الماء ودرجات حرارة تقل عن نقطة الدهون، كما تسهم أنواع النيتروز في تكوين الأحماض، ويمكن لهذه البيئة الحمضية أن تخفض بسرعة سطح مبادلات الحرارة، وخلايا، ومعدات توليد البخار إذا لم تدار إدارة سليمة.
ألف - مزايا إدماج الغازات المفلورة في توليد الأشعة
إن إعادة استخدام الطاقة الحرارية الغازية المفلورة لتوليد البخار في أوروبا توفر عدة فوائد قاهرة تتجاوز المدخرات البسيطة في الوقود.
خفض تكاليف الوقود
إن توليد الغاز الحراري لليوران الحراري كثيف للوقود، وقد يستهلك مولد البخار العادي المستخدم في محاكاة البخار الدورية من 500 إلى 000 1 ميغابتو من الغاز الطبيعي يوميا، ويمكن للمشغلين، باستخدام حرارة النفايات من الغاز المفلور، أن يقللوا أو يزيلوا الحاجة إلى شراء الوقود لإنتاج البخار، وفي المناطق التي تكون فيها أسعار الغاز الطبيعي مرتفعة أو مقيَّدة، يمكن أن تؤدي هذه الوفورات في التكاليف إلى تحسين القدرة على البقاء اقتصاديا في الميدان.
استخدام ثاني أكسيد الكربون وعزله
ويحتوي غاز الفلو من محطات توليد الطاقة على تركيزات عالية من ثاني أكسيد الكربون، وعندما يتم احتجاز هذا الغاز واستخدامه في عمليات شركة EOR، يظل جزء من ثاني أكسيد الكربون محصوراً بصورة دائمة في الخزان عن طريق التفكك، وقطع الأشجار المتبقية، والتعدين، مما يؤدي إلى انخفاض صافي في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مقارنة بغاز التهوية مباشرة.
تحسين كفاءة الطاقة
وتشهد محطات توليد الطاقة بالفعل وجود كفاءة حرارية تبلغ نحو 33 إلى 45 في المائة، مما يعني أن جزءا كبيرا من محتوى الطاقة في الوقود قد فقد كدفئة نفايات، ومن خلال استخلاص واستخدام هذه الحرارة من النفايات، يمكن أن تتجاوز الكفاءة الإجمالية لمصنع الطاقة وعملية " EOR " 60 إلى 70 في المائة، مما يمثل تحسنا كبيرا في استخدام الطاقة الأولية ويقلل من الأثر البيئي الإجمالي للمرافقتين.
أوجه التآزر التشغيلية
كما أن عمليات " يورو " التي تتقاسمها الشبكة بالقرب من الهياكل الأساسية القائمة لتوليد الطاقة تخلق أوجه تآزر في إدارة المواقع، وتقاسم المنافع، والسماح بذلك، ويمكن تقاسم أنابيب الخرسانة، ومرافق معالجة المياه، والهياكل الأساسية الكهربائية، مما يقلل من الإنفاق الرأسمالي على كلا المرفقين، وعلاوة على ذلك، يمكن للعمليات المتكاملة أن تحسن موثوقية إمدادات البخار، حيث تعمل محطات توليد الطاقة عادة على مدار السنة مع إنتاج يمكن التنبؤ به.
التحديات التقنية واستراتيجيات التخفيف
وعلى الرغم من وعدها، فإن استخدام غاز المداخن لتوليد البخار يشكل عدة عقبات تقنية يجب معالجتها من خلال تصميم نظام دقيق واختيار المواد.
إزالة الملوثات وتكييف الغازات
وقبل أن يتم توجيه الغاز المفلور عبر مبادلات الحرارة أو مولدات البخار المباشرة، يجب إزالة الملوثات إلى مستويات مقبولة، ويمكن تخفيض أكاسيد الكبريت باستخدام نظم تصبو الغاز المبللة أو الجاف، وتتم السيطرة على النيتروجين عادة عن طريق التخفيض الحافز الانتقائي، وتُزال المادة المضغوطة عن طريق أجهزة التحفّظ الكهروطية أو أجهزة تكييف البيوت.
اختيار المواد للبيئة المراسلة العالية التناسب
ولا يمكن معالجة غاز المداخن غير المعالجة في درجات حرارة مرتفعة بسبب التآكل الحمضي والأكسدة، بل إن السبيكات ذات المحتوى العالي من الكروم والنيكل، مثل الصفوف الصلبة غير الملموسة 304L أو 316L أو المواد ذات الطواف العالية مثل إنكونيل، مطلوبة لسطح المبادلات الحرارية وقطع الأغطية.
Acid Dew Point Corrosion
ومن أهم الاعتبارات المتعلقة بالتصميم الحفاظ على درجة حرارة الغاز المفلور فوق نقطة الديوز عند جميع نقاط النظام، وتتوقف نقطة الديوكسيد الحمضي على تركيز ثلاثي الكبريت وثبخار المياه، ولكنها عادة ما تقع في نطاق 110 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية بالنسبة لغاز المداخن المستخرج من الفحم، وإذا انخفضت مستويات السطح إلى أدنى من درجة الحرارة، فإن نظم الحرق الحراري الملوثة ذات التآكل السريع تشمل استراتيجيات تصميم الغازات.
تكامل نظام الحرارة
ويجب أن يوازن نظام التكامل الحر بين درجات الحرارة في الغاز المفلور ودورة المياه والبخار، ويمكن استخدام غاز الفلوي عند 300-400 درجة مئوية في ما يتعلق بمياه تغذية المغليات أو توليد البخار المنخفض الضغط مباشرة، كما أن زيادة التكوينات المتقدمة تستخدم مولداً لبخار التعافي من الحرارة مماثلاً للأصناف الموجودة في محطات توليد الطاقة ذات الدراجة المشتركة، ويمكن أن يشمل فريق الموارد البشرية أقساط لتصلب الحرارة إلى الغلاف الجوي، ومصممة، وأجهزة التبريد،
النهج التكنولوجية لنظم الغازات من نوع إلى Steam
وقد اقتُرحت عدة تشكيلات هندسية واختُبرت لتحويل الطاقة الحرارية الغازية المفلورة إلى بخار مناسب لحقن EOR.
تبادل غير مباشر مع شركة نقل النفايات
وفي هذا النهج، ينقل مبادىء الحرارة الطاقة الحرارية من غاز المداخن إلى سوائل نقل حراري عالية الحرارة، عادة ما يكون زيت حراري أو ملح مائل، ثم يعمم السوائل المسخونة على مولد البخار التقليدي حيث ينقل الحرارة إلى الماء، وهذا يزيل الاندفاع عن الغاز المفلور من عملية توليد البخار، مما يتيح لكل نظام فرعي أن يتفادى بصورة مستقلة.
مباشرة عملية توليد ستام
وتشمل نظم الاتصال المباشرة إدخال غاز المداخن بالحقن في عمود حيث يُدخل في اتصال وثيق مع قطرات المياه، حيث تحدث الحرارة والنقل الجماعي مباشرة، مما ينتج البخار، بينما يُستخرج أيضاً بعض الملوثات من مجرى الغاز، وهذا النهج أبسط وأكثر كفاءة من التبادل غير المباشر، ولكنه يُدخل ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى إلى البخار، مما قد يؤثر على الكيمياء المحتوية على ثاني أكسيد الكربون أو يتطلب وجوداً آخراً.
مولدات شعاعية لتنظيف الجراثيم
ويضم النهج الأكثر نضجاً من الناحية التقنية قسماً لتنظيف الغاز المفلور (التدمير، والعزل الجسيمي) في مجرى مجموعة من المواد التقليدية من الموارد البشرية، وتمر الغاز المطهرة من خلال أقسام تبادل الحرارة التي تغذي مياه العجلات، وتولد البخار المشبعة، وتلوث البخار بشكل اختياري، وتعتمد هذه التشكيلة على المكونات المثبتة، ولكنها تتطلب تدقيقاً في تطابق عبء تشغيل الغازات الحرارية.
تجميع الكربون والدمج الحراري
ويجمع التصميمات الناشئة بين نظم احتجاز الكربون واسترداد الحرارة، وفي هذه التشكيلات، يمر غاز المداخن أولاً من خلال وحدة احتجاز ثاني أكسيد الكربون (مثل نظام حرق الأمين أو فصل الخماسي) الذي قد يتطلب طاقة حرارية كبيرة لتجديدها، بينما تستخدم الطاقة الحرارية المتبقية في غاز المداخن لتوليد البخار، بينما يقلل هذا الناتج من صافي انبعاثات الكربون المتاحة لوكالة الطاقة الكهربائية، فإنه يوفر مساراً
دراسات الحالة والمشاريع الرائدة
وقد قيّمت عدة مشاريع إيضاحية جدوى استعادة حرارة الغاز المفلطح لأوراق الطاقة الحرارية، مع نتائج مختلطة تبرز الوعد والتحديات العملية على السواء.
كاليفورنيا: موقع تجريبي في حقل النفط الثقيل
وفي وادي سان جوكين في كاليفورنيا، وهو مشروع تجريبي يدمج الغاز المفلور من مصنع لتوليد الغاز المختلط يبلغ 50 ميغاواط مع عملية فيضان بخار البخار، وقد استخدم النظام مبادلا حراريا غير مباشر بالزيت الحراري كسائل متوسط لتوليد 60 ليفة/شهر من البخار الجيد بنسبة 200 1 بيزو. وعلى مدى فترة عمل مدتها سنتان، أظهر النظام كفاءة حرارية تبلغ 85 في المائة بالنسبة لمولدات حرارية طبيعية.
Demonstration Canadian Oil Sands
وقد اختبر مشغل رمل النفط في ألبرتا مولدا مباشرا لبخار الاتصال باستخدام غاز المداخن من محطة توليد الطاقة العاملة بالغاز الطبيعي، وكان البخار المنتج يحتوي على نحو 8 في المائة من ثاني أكسيد الكربون حسب الحجم، وهو ما تم حقنه إلى جانب البخار في الخزان، وتشير الدراسات المختبرية إلى أن وجود معدات إنتاجية محسنة من ثاني أكسيد الكربون تبلغ 5.8 في المائة مقارنة بمواد البخار النقي في ظروف مماثلة، وذلك بسبب انخفاض كمية الغازات السطحية.
دمج الكابتونات في الشرق الأوسط
وقد أجرت شركة نفطية وطنية كبرى في الشرق الأوسط تقييماً يجمع بين احتجاز الكربون بعد الاحتراق مع شركة EOR الحرارية، وفي نموذجها، تم أسر ثاني أكسيد الكربون من محطة تربين الغاز المحتوية على 500 ميغاواط تستخدم فيها صبغة الأمين، ويجري توجيه الغاز المفلور المتبقي (التي لا تزال تبلغ 150 درجة مئوية) إلى مجموعة من المواد الكيميائية التي تولد البخار لأغراض الحقن، كما أن سعر ثاني أكسيد الكربون المستخدم هو 000 100 دولار مستعمل أيضاً لتعويضات.
التحليل الاقتصادي والبيئي
وتتوقف القدرة الاقتصادية على توليد البخار المفلور على تفاعل معقد بين العوامل، بما في ذلك أسعار الوقود، وسياسة الكربون، وتكاليف رأس المال، والموثوقية التشغيلية.
تكاليف رأس المال والتشغيل
ويتطلب تركيب نظام لاسترداد حرارة غازات المداخن لتوليد البخار في أوروبا استثماراً كبيراً في رأس المال، ويمكن أن يكلف نظام نموذجي يولد 000 100 لتر/شهر من البخار ما بين 5 ملايين و15 مليون دولار، تبعاً لاحتياجات تنظيف الغاز المفلور، ونوعية مواد البورصة الحرارية، وتعقيد التكامل، وتشمل تكاليف التشغيل الكهرباء للمراوح والمضخات، وصيانة أسطح مبادلات الحرارة، والعلاج الكيميائي لجودة الماء.
الوعي بالغاز الطبيعي وبأسعار الكربون
ويبين التحليل الاقتصادي للكسر حتى أن التكامل بين الغازات المفلورة يصبح مؤاتياً عندما تتجاوز أسعار الغاز الطبيعي حوالي 3.50 دولار إلى 5.00 دولار لكل ميغابتو، تبعاً لبارامترات المشروع المحددة، وفي الأسعار المتوسطة للغاز في الولايات المتحدة (التي تقل أحياناً عن 3.00 دولار/MMBtu)، لا تزال الاقتصادات تشكل تحدياً للعديد من الحقول الساحلية، غير أن أسعار الغاز أعلى من مثيلاتها في أوروبا وآسيا - أو حيث تفرض ضرائب الكربون تكلفة على الانبعاثات(10).
المنافع البيئية وتقييم دورة الحياة
ومن منظور دورة الحياة، فإن استخدام حرارة نفايات الغاز المفلطح لتوليد البخار يتجنب كل من انبعاثات الاحتراق المرتبطة بتوليد البخار التقليدي والاختراع المباشر لثاني أكسيد الكربون المفلور.() وتتوقف تخفيضات الانبعاثات الصافية على نسبة الطاقة الحرارية المستردة وكفاءة محطة توليد الطاقة، وبالنسبة لمصنع مشتعل بالفحم مع 35 في المائة من الكفاءة الكهربائية، مما يزيد على 40 في المائة من الطاقة الحرارية المتبقية المتجمعة لتوليد الطاقة البخارية.
التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية
ونظراً لأن صناعة النفط والغاز تواجه ضغطاً متزايداً لخفض الانبعاثات التشغيلية، فإن التكنولوجيات التي تعيد استخدام مسارات حرارة النفايات ستحظى بالاهتمام، وستحدد مجالات عديدة من البحث والتطوير النشطين الدور المقبل للغاز المفلور في مجال التغير الحراري.
المواد المتقدمة لإدارة الكوروسيون
ويجري العمل على تطوير مواد فعالة من حيث التكلفة يمكن أن تصمد أمام البيئة التآكلية لغاز المداخن الساخنة، ويقوم الباحثون بالتحقيق في تركيبات المصفوفة الخزفية، وأجهزة التصفيف ذات الحرارة العالية، وخطوط الصلب المتطورة التي لا تطاق مع تحسن مقاومة التآكل، ويمكن أن تؤدي التخفيضات في تكلفة المواد أو تحسين حياة الخدمات إلى تحسين اقتصاديات استعادة حرارة الغاز المفلور.
النظم الهجينة ذات الناتج الحراري الشمسي أو الأرضي
ويمكن أن يؤدي الجمع بين استعادة حرارة الغاز المفلور مع مصادر حرارة منخفضة الكربون مثل الطاقة الشمسية المركزة أو الطاقة الحرارية الأرضية إلى إنشاء نظم لتوليد البخار الهجينة تعمل على مدار السنة بأقل قدر من مدخلات الوقود الأحفوري، وفي المناطق الصحراوية التي لديها موارد شمسية قوية، يمكن استكمال إنتاج نظام المعلومات المسبقة عن البضائع بالدفء المستمر بين ليلة وضحاها، مما يوفر إمدادات ثابتة من البخار لعمليات " EOR " .
تحقيق الاستخدام الأمثل ومراقبته
ويمكن التقدم في أجهزة الاستشعار ونظم التحكم والتعلم الآلي أن يؤدي إلى تحقيق الحد الأمثل في الوقت الحقيقي من استعادة حرارة الغاز المفلور، ومن خلال الرصد المستمر لدرجات حرارة الغاز المفلور وتكوينه ومعدل التدفق، يمكن لنظام صرف الحرارة أن يكيف ظروف التشغيل مع الكفاءة القصوى مع تجنب نظم التآكل، ويمكن أن تحدد الخوارزميات الجاهزة لتنظيف مبادلات الحرارة أو استبدال المكونات قبل حدوث الإخفاقات، وتحسين موثوقية النظام وخفض تكاليف التشغيل.
سائقو السياسات والتنظيم
ويمكن للسياسات الحكومية التي تشجع على احتجاز الكربون أو استخدام حرارة النفايات أو توليد البخار المنخفض الكربون أن تعجل بالتبني، وفي الولايات القضائية التي لديها معايير للوقود النظيف أو معايير أداء الانبعاثات، قد يكون التكامل بين الغاز المفلطح مؤهلاً للحصول على الائتمانات أو المعاملة التفضيلية، وسيكون تطور المشهد الخاص بتسعير الكربون والاتجار بالانبعاثات عاملاً رئيسياً لتحديد ما إذا كانت هذه التكنولوجيا تنتقل من طيارات متناهية إلى انتشار واسع النطاق.
خاتمة
ويمكن استخدام الغاز المتدفق من محطات توليد الطاقة كمصدر حراري لتوليد البخار في مجال الطاقة الحرارية أن يكون ممكناً من الناحية التقنية، ويوفر مزايا مفيدة في خفض تكاليف الوقود، وكفاءة الطاقة، وتخفيض انبعاثات الكربون، غير أن النهج يواجه تحديات كبيرة تتصل بالمناولة الملوثة، وإدارة التآكل، وتكاليف رأس المال، ويتوقف النجاح في النشر على تصميم النظم بعناية، واختيار المواد المناسبة، والظروف الاقتصادية المواتية التي تدفعها أسعار الوقود وسياسة الاعتماد على نحو أمثل.