كيف يمكن لمحفز الابتكار أن يساعد معايير الانبعاثات المترية

The Evolving Emission Landscape for Refineries

وتواجه عمليات الترميد ضغوطا متزايدة من الجهات التنظيمية والمجتمعات المحلية والمستثمرين لتقليل آثارها البيئية، وقد دفعت الهيئات العالمية مثل المنظمة البحرية الدولية أكابير الكبريت على الوقود البحري من ٣,٥ في المائة إلى ٠,٥ في المائة )المنظمة البحرية الدولية لعام ٢٠٢٠(، بينما تفرض وكالة حماية البيئة التابعة للولايات المتحدة معايير صارمة لمراقبة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تحد من الكبريت في الفضاء السولفين إلى ١٠ أجزاء من المادة ٤.

وتكلفة عدم الامتثال شديدة، إذ يمكن أن تصل العقوبات إلى ملايين الدولارات لكل انتهاك، وفي الحالات القصوى، يمكن تعليق العمليات، فبعد الغرامات، يربط مفهوم الجمهور ونشاط حملة الأسهم بشكل متزايد الأداء البيئي بتقييم الشركات، وتقليص مخاطر الانبعاثات التي تفقد الوصول إلى أسواق رأس المال وتواجه مقاطعة المستهلكين، وهذا الواقع يجعل الابتكار الحفاز دعامة مركزية لاستراتيجيات استدامة المصفاة.

How Catalyst Innovation Directly Reduces Emissions

وتعجل المحفزات برد الفعل الكيميائي دون استهلاكها، مما يتيح للمصافي تحويل النفط الخام إلى وقود ومواد كيميائية أكثر كفاءة، مع انخفاض عدد المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها، وتستهدف الهندسة المحفزة الحديثة الآليات الدقيقة التي تولد الملوثات، بدلا من معالجة الانبعاثات في كومة الوقود، تمنع المحفزات المتقدمة من تكوينها في المقام الأول أو تحويلها إلى مواد غير مؤذية في إطار العملية.

نظم التحفيز الانتقائية

وتستخدم تكنولوجيا التكييف الذاتي المركب حافزا - عادة ما يكون من نوع فوتواديوم أو من مادة الزيليت - للرد على النيتروجين مع موصل (عادة الأمونيا أو اليوريا) لإنتاج بخار النيتروجين والماء، وتنشر أجهزة التسخين ذات الصلصة الحرارية على أجهزة التسخين المطلقة، والمغليانح، ومنتجات الترددات الفلورة (التقاطرة المحفزة) التي تعمل على خفض التركيز غير الضاري بنسبة تصل إلى 90 في الآونة الأخيرة.

كما حلت عوامل الحفازات النحاسية السحابية بالفانادروم التقليدية في بعض التطبيقات، حيث أتاحت نوافذ درجات الحرارة الأوسع والسمية الأقل، وتتيح هذه التطورات للمصافي أن تلبي قيوداً مشدِّدة دون التضحية بكفاءة الطاقة، وقد وثق مختبر تكنولوجيا الطاقة الوطني التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة تحسينات في الكفاءة تخفض في الوقت نفسه من زلبة الأمونيا وتعالج الشواغل المتعلقة بالتلوث الثانوي.

مصانع توليد الطاقة الكهربائية من طراز Ultra-Low Sulfur Fuels

وتزيل الهيدرودروترات الكبريت والنيتروجين والفلزات من مجاري الهيدروكربون باستخدام عوامل حفازة تتألف من سلفيدات النبات أو التنغستن التي يتم ترقيتها بالكوبالت أو النيكل، وتحتاج دفعة الديزل الفوقية - 15 جزء من المليون أو أدنى - ومركبات البنزين التي تقل مساحتها عن 10 أجزاء من الكبريت إلى ثورة في التصميم الحفاز.

وتشمل العوامل المحفزة الحديثة لتحميل المعادن العالي، والهياكل القطبية المثلى، والمروجين الجدد مثل الفوسفور أو البورون، وتستخدم بعض المحفزات التركيبات الثنائية الفلزات أو الثلاثية الفلزات لتحقيق زيادة الإكبريت في درجات الحرارة والضغوط الأقل، مما يقلل من استخدام الطاقة ويوسع نطاق الحياة الحفازة، ويمكن أن تجهز المواد التي ترفع إلى هذه الميزات المتطورة من المنتجات المحفزة أكثر كثافة، ونسبة أعلى من الكبريتات النفطية.

FCC Catalyst Additives for Emission Control

(ب) إنَّ التكسير الحافز للفلور هو مجموعة العمل من المصافي الحديثة، وتحويل زيوت الغاز الثقيل إلى البنزين والنفثالينات، غير أنَّ مركب التوليد المُزيل ينتج عنه ثعلب نيتروز وثاني أكسيد الكبريت، حيث يُقدِّم المصنعون المُصنِّعون المُعدِّفين المُتخصصين المُنَزَّقين في قائمة المواد التراكمية، وعلى سبيل المثال، تحتوي مادة التراكمات المُ المُضافية المُخْصْعَةُخْعَةُخْصْصْصْعَةُومَةُخْضَةُولَةُ

وتتيح هذه المواد الإضافية للمصافي الوفاء بحدود الانبعاثات دون الاستثمار في أجهزة التنظيف الباهظة الثمن أو نظم الخفض غير التحليلي الانتقائية، والاقتصادات جذابة: فالتكاليف المضافة هي بضع سنتات لكل برميل من الأغذية، بينما يمكن للمشاريع الرأسمالية أن تبلغ عشرات الملايين من الدولارات، ويضمن التحسين المستمر في الاستقرار والنشاط المضافين أن تكون أنظمة الجماعة المالية المؤثرة متوافقة مع أنظمة التغيير.

حافزاً للمجمعات العضوية فولاتلي (VOCs) و CO

يمكن أن تؤدي عوامل التحفيز في مجال الطاقة إلى تحويل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة إلى ثاني أكسيد الكربون والمياه، وتستخدمها أجهزة التكرير على مغلي حرارة النفايات، ومسخات المعالجة الحرارية، وأجهزة الحفز الحديثة على استخدام المعادن الثمينة (الإضافة، والبلاديوم) الموزعة على المناطق المرتفعة السطح مثل الأكسيد الخماسي أو أكسيد الكربون المختلط

المنافع الاقتصادية الخارجة عن الامتثال

وفي حين أن استيفاء معايير الانبعاثات هو المحرك الرئيسي لاعتماد المواد الحفازة، فإن المكاسب المالية الإضافية كبيرة، إذ أن الحفازات المتقدمة تحسن إنتاج العمليات - يمكن أن يوفر حافزاً مائياً يقلل استهلاك الهيدروجين بنسبة 10 في المائة مصفاة متوسطة الحجم سنوياً، كما أن دورات الحياة الحفازة الطويلة تعني أقل تغيراً، وأقل وقتاً للانتكاس، وانخفاض تكاليف التخلص من النفايات، كما أن بعض الجيل القادم من الحافزات على تركيبات المفاعلة ذات الجيل الثاني في السنوات الخمس الماضية أو أكثر قبل الاستبدال، مقارنة بثلاث سنوات.

وكفاءــة الطاقة منفعة رئيسية أخرى، إذ أن كثيرا من الابتكارات الحفازة تقل درجات حرارة وضغوط الرد، وتخفض استهلاك الوقود والطاقة، مثلا، تعمل عوامل حفازة جديدة لتعقب الهيدروكولوجيا بدرجات حرارة أقل من الصيغ التقليدية، مما يقلل استخدام الطاقة بنسبة تصل إلى ١٥ في المائة، وهذا يقلل مباشرة من النطاق ١ وينطاق ٢ من انبعاثات غازات الدفيئة، ويقابل أهداف صافية، وعندما تجمع المصافيات بين النفقات المحسنة وبين تحقيق التكامل الأمثل للعمليات )مثلا(.

سائقو الهيئات التنظيمية الذين يرسمون نموذجاً لتنمية المحفزات

وتصبح الأنظمة أكثر تعقيداً وترابطاً، ففي الولايات المتحدة، تفرض قاعدة التلوث الجوي عبر الدولة والقاعدة الإقليمية للتحية الحد الأقصى للثانية الثانية والثمرة التي تؤثر على عمليات المصفاة، وتضيف قواعد كاليفورنيا المتعلقة برصد الوقود المنخفض الكربون وبرنامج كاب وتجارة السلع حوافز اقتصادية لخفض جميع الانبعاثات، بما في ذلك الملوثات القياسية، في الاتحاد الأوروبي، أنظمة الحفز على التنفيذ المستمر للانبعاثات.

كما أن مؤشر كفاءة الطاقة لدى المنظمة البحرية الدولية (EEXI) ومؤشر كثافة الكربون (CII) يؤثران تأثيراً غير مباشر على المصافي من خلال الطلب على أنواع الوقود البحري الأنظف، مما يزيد من الطلب على المواد الحفازة التي يمكن أن تنتج زيت وقود منخفض جداً (VLSFO) وقود المستودعات البديلة مثل الميثانول أو الأمونيا.

التحديات في تنفيذ الابتكارات في مجال حفز الاستثمار

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن نشر عوامل حفازة جديدة في مصفاة تشغيلية ليس أمراً تافهاً، فالتكامل مع المعدات الموجودة يتطلب هندسة دقيقة، فعلى سبيل المثال، قد يتطلب استبدال عامل محفز للهيدرويدرات بتركيب أكثر نشاطاً ضغطاً جزئياً أعلى من الهيدروجين، مما قد يتجاوز القدرة المضغوطة أو حدود تصميم المفاعلات، كما يجب أن تنظر أجهزة الترميم في انخفاض الضغط، ونقل الحرارة، والتجهيزات الحفازة/ال اللوجستية، كما أن الاختبارات ضرورية لتقليل من المخاطرة.

وثمة تحد آخر هو التسمم الحفاز، إذ يمكن أن تحتوي المواد الوسيطة على معادن أثرية (الفناديوم والنيكل والزرنيخ) تؤدي إلى تعطيل عوامل التحفيز، وكثيرا ما تكون لدى شركات الحفازات المتقدمة حساسية أكبر لهذه الملوثات، ويجب على مشغلي المواد الترميمية الاستثمار في تحسين رصد المواد الوسيطية، وربما في أسرار الحراسة لحماية الشحنة الحفازة الرئيسية.

دراسات الحالة: الأثر الحقيقي العالمي للابتكار في مجال حفز

Refinery in Rotterdam Achieving IMO 2020 Compliance

وقد أعادت وحدة التحفيز الأوروبي الرئيسية تجهيزها بالهيدروترات بعامل محفز جديد من نوع كومو يحتوي على دعم من السيليكا - اللومينا لهيكل الشعري المقطعي، وقد حقق هذا الحفاز نسبة 99.8 في المائة من كبريتات الديزل عند درجة حرارة أقل من 30 درجة مئوية، وزاد سرعة الفضاء بنسبة 10 في المائة عن الحافز السابق، وتجاوزت فترة التكرير بناء مفاعل جديد لتوليد، ووفر 40 مليون يورو في تكلفة رأس المال(2).

وحدة اتحاد شركات أمريكا الشمالية باستخدام مضافات خفض النيتروز

وتواجه وحدة من وحدات لجنة المنافسة النباتية في تكساس قضايا الامتثال لاتفاقات حماية البيئة مع جهاز إعادة توليد رقم (NOx) يبلغ متوسطه 250 مليون دولار، وهو ما يتجاوز الحد الأقصى المسموح به البالغ 200 جزء من المليون، وتوضح المفاعلات إضافة مضافة للحد من النيتروز تستند إلى العسيرات بنسبة 2 في المائة من المخزون الحفاز، وفي غضون أسابيع، انخفضت قيمة النيتروز إلى 150 مليون دولار، وظلت الوحدة ممتثلة لأكثر من سنتين دون أي تعديلات على الأجهزة.

Asian Refinery Switching to Low-Temperature SCR

تركيب مفاعل في كوريا الجنوبية محفز للجهاز المغناطيسي للجهاز المغناطيسي على مغليه المسيل لسريره لتصل إلى 2021 حداً لمقياس التركيز الملاحظ قدره 50 مليون متراً، وكان حجم حرارة الغاز المفلور 180 درجة مئوية فقط، وكان الحفاز التقليدي الذي يستند إلى التخدير يتطلب حرقاً جديداً، وقد حقق عامل الحفاز المنخفض انخفاضاً بنسبة 85 في المائة دون أي مدخل حراري.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا المحفزات من أجل مراقبة الانبعاثات

تعليم الآلات وتصميم المصانع

وقد اكتسبت نماذج التعلم من الآلات (التحفيز) عادةً ما تعتمد على التجارب التجريبية والجرّاء، مع أخذ سنوات لتطوير تركيبة جديدة، وقد بدأت الآن في تسريع العملية بالتنبؤ بالنشاط الحفاز والانتقائي وعمره استناداً إلى التكوين والهيكل، واستعان الباحثون في مؤسسات مثل مركز تحليل الابتكار في مجال الطاقة، بنماذج كيميائية حاسوبية أعلى من نماذج المواد المرشحة في فترة مبكرة.

Biocatasis and Enzyme-Based Emission Control

فالأنزيمات تتيح انتقائية غير مسبوقة وتعمل في درجة الحرارة والضغط في المحيط، وفي حين لا يزال الباحثون في مرحلة مبكرة، يستكشفون الأنزيمات اللازمة لتحلل الإكبريت (التحلل الأحيائي) ويحولون ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية مفيدة، وهناك تطبيق عملي يتمثل في استخدام الأندروا الكربونية لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون من الغاز المفلوري، وتحويلها إلى مركبات ثنائية الكربون للتعدين.

تحليل الصور الفوتوغرافية لتدمير المركبات العضوية الثابتة

ويمكن لمحللي المواد الكيميائية مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) الذي ينشط بواسطة الضوء فوق البنفسجي أن يكسدوا الأوعية الفوقية وحتى المسببات للأمراض في المجاري الجوية، وقد تستفيد المصافي التي تُنتج عنها انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد النيتروز وثكنات التحميل من نظم التوكسين الكيميائي المضغوطة الضوئية، وتشمل الابتكارات الأخيرة التحلل الرئوي 2 مع التحميلات النيتروجينية أو الكربونية

الاقتصاد المحفز

ومع تزايد مطالب الاستدامة، تصبح إدارة دورة الحياة الحفازة حاسمة، فالطرق الجديدة لإعادة توليد وتجديد الحفازات المنفقة تتيح للمصافي استعادة المعادن القيمة وإعادة استخدام مواد الدعم، وتخفض العمليات الهيدروميتالوريطية التي تُجمع فيها السائلة والكوبالت والنيكل من المحفزات المائية المستنفدة ذات معدلات التعافي العالية (95 في المائة) وتخفض إعادة تصميم هذه المعادن آثار التعدين وتُوفِّر مواءمة مع مبادئ الاقتصاد الدائري.

التوصيات الاستراتيجية للمشغلين المعنيين بالتنقيب

وينبغي أن تعتمد عمليات التجديد التي تهدف إلى البقاء قبل وضع أنظمة الانبعاثات استراتيجية استباقية لإدارة الحفازات، ويبدأ ذلك بتحليل دقيق للمخزونات الوسيطة لفهم مستويات السم والكبريت المحتملة، وينبغي للمشغلين أن يتعاملوا مع موردين حفازين في مرحلة مبكرة من دورة التخطيط لتركيبات للتصميم المشترك تضاهي تشكيلات محددة للوحدة وقوائم المنتجات المرغوبة.

(ب) إن مؤشرات النشاط الحفاز في الوقت الحقيقي (مثلاً، بيانات درجة حرارة المفاعل، انخفاض الضغط، محتوى كبريت المنتج) تتيح للمشغلين تحقيق أقصى قدر من طول الدورة والتخطيط للتغييرات خلال فترات التناوب المقررة، وتجنب التجاوزات غير المخطط لها، ويمكن أن يكشف إدماج البيانات الحفازة مع التوأم الرقمي المحسن عموماً عن فرص زيادة خفض الانبعاثات ووفورات الطاقة.

وأخيراً، ينبغي أن تظل المصافي على علم بالتكنولوجيات الحفازة الناشئة من خلال الشراكات مع مؤسسات البحوث والمشاركة في مجموعات صناعية مثل مصنعي الوقود الأمريكيين أو الرابطة الأوروبية لمنتجات النفط، وكثيراً ما توفر مشاريع البحث التعاونية إمكانية الوصول المبكر إلى مواد حفازة جديدة وقوائم خفض المخاطر التي تقل عن المخاطر بالنسبة لمصافي الأفراد.

الاستنتاج: حفز الابتكار بوصفه مؤسسة للانتعاش المستدام

ويُمهد الطريق إلى الوفاء بمعايير الانبعاثات الأكثر صرامة بالابتكار الحفاز، إذ إن نظم إعادة التصنيع التي تُقحم النيتروجين إلى المحفزات المولدة للهيدروت والتي توفر وقود الكبريت المنخفض، كل تقدم يمكِّن من تشغيل المصافي في إطار أطر تنظيمية مشدِّدة مع تحسين الربحية، والقضية الاقتصادية للتحسينات الحفازة هي: سرعة الاسترداد، وانخفاض استهلاك الطاقة، وطول مدة أطول، وانخفاض النفايات.

وستصبح أفضل الوسائل التي تُعامل اختيار الحفاز كاستثمار استراتيجي بدلا من نفقات الصيانة هي التي ستتمكن من نقل الموجة القادمة من أنظمة الانبعاثات، ومع نضج التعلم الآلي، والتحليل الأحيائي، ونماذج الاقتصاد الدائري، فإن العقد القادم سيشهد أدوات أقوى لمراقبة الانبعاثات، ولن تتقيد المصافي التي تعتمد هذه الابتكارات في وقت مبكر بمعايير اليوم فحسب، بل ستشكل أيضا مستقبل الصناعة المستدام.