احتراق پاک

چالش های زیست محیطی همانند تغییرات آب و هوایی، مباحث مربوط به گرمایش جهانی، تولید گازهای گلخانه ای و مسائل مرتبط با کیفیت هوا تقاضای روز افزونی را برای بهبود فرآیند احتراق به همراه داشته است. نوآوری های وسیعی جهت توسعه فناوری کربن خنثی با کاربرد در بخش های انرژی، گرما، صنعت و حمل و نقل در حال انجام است. دستیابی به احتراق پاک با استفاده از سوخت های جایگزین همانند سوخت های هیدروژنی، زیست توده و انواع انرژی های تجدید پذیر از یک سو و نیز جذب کربن در فرآیندهای احتراق معمول از سوی دیگر قابل انجام است. در حال حاضر استراتژی ترکیب سوخت به عنوان مثال ترکیب گاز طبیعی با سوخت هیدروژنی جهت تامین سوخت مشعل ها به مرحله اجرا درآمده است.

در این مقاله به انواع سوخت های پاک و احتراق آن ها، بررسی روش های استحصال سوخت های هیدروژنی، روش های ذخیره سازی هیدروژن و خواص این گاز و همچنین مزایا و معایب سوخت هیدروژن پرداخته شده است.

هیدروژن به عنوان سوخت پاک

در  حدود 95 درصد از جرم جهان از عنصر هیدروژن تشکیل شده است. نخستین بار در قرن 18 میلادی از واکنش اسیدهای قوی با فلزاتی همچون روی، گاز هیدروژن پدید آمد. هنری کاوندیش دریافت که از سوختن گاز هیدروژن، آب پدید می آید. انتخاب واژه هیدروژن به معنای آب ساز نیز به همین علت است. تا به امروز هیدروژن به عنوان سوخت فضاپیماها و نیز تولید متانول و آمونیاک مورد استفاده قرار گرفته است. چشم انداز استفاده از انواع گاز هیدروژن در ماشین های سوخت هیدروژنی، هواپیماها، مشعل های صنعتی و تاسیساتی دور از انتظار نیست.

موارد استفاده از هیدروژن (تولید آمونیاک و متانول)

انواع سوخت های پاک و احتراق آن ها

به طور کلی روش های استحصال هیدروژن سوختی به دو دسته استفاده از منابع فسیلی و غیر فسیلی طبقه بندی می‌شود. تولید از منابع غیر فسیلی همانند روش های فتوالکتروشیمیایی، مواد بیولوژیکی، بیوشیمیایی، ترموشیمیایی، ترمولیز، رادیولیز و الکترولیز آب و مواد زیست توده (هیدروژن زیستی) است. قابل ذکر است که در حال حاضر 98 درصد از کل هیدروژن تولید شده در جهان از سوخت های فسیلی به دست می آید. به طور کلی با توجه به روش استحصال، هیدروژن در دسته های زیر طبقه بندی می شود:

انواع هیدروژن ها متناسب با روش استحصال

هیدروژن سبز چیست؟

این نوع از هیدروژن با استفاده از الکترولیز آب به دست می آید. الکترولیز آب به فرآیندی گفته می شود که در آن به کمک یک جریان الکتریکی مستقیم و دو الکترود، آب به مولکول های سازنده یعنی هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شود. غالبا جریان الکتریکی مورد نیاز در این فرآیند از انرژی های تجدید پذیر همچون انرژی بادی به دست می آید.

الکترولیز آب

هیدروژن آبی (خاکستری) چیست؟

از متداولترین روش های تولید هیدروژن سوختی، ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار است. در طی این فرآیند به گاز طبیعی در حضور کاتالیزور و بخار گرما داده شده و گاز هیدروژن تولید می شود. متناسب با کیفیت گاز طبیعی به ازای تولید هر تن هیدروژن، 9 الی 12 تن کربن دی اکسید تولید می شود. اگر کربن دی اکسید در اتمسفر تخلیه گردد، به هیدروژن استحصال شده از این روش هیدروژن خاکستری گفته می شود. در صورتی که کربن دی اکسید جداسازی و ذخیره گردد، به هیدروژن حاصل از این روش هیدروژن آبی گفته می شود.

هیدروژن قهوه ای (سیاه) چیست؟

هیدروژن قهوه ای از ذغال سنگ قهوه ای و هیدروژن سیاه از زغال سنگ قیری تولید می شود.

روش های تولید سوخت هیدروژنی

مبدل گاز طبیعی تبدیل با بخار آب/steam reformer

مطابق با دو معادله زیر، متان در واکنش تعادلی با بخار شرکت می کند و هیدروژن و کربن مونوکسید تولید می شود.

این واکنش گرماگیر بوده و برای تولید بیشتر هیدروژن و کربن مونوکسید باید واکنش در شرایط دمای بالا و فشار پایین انجام گردد. فشار معمولا ثابت است، لذا با بالا بردن درجه حرارت (در حدود 800 الی 900 درجه سانتی گراد) واکنش به سمت تولید هیدروژن هدایت می شود.

فلودیاگرام تولید هیدروژن صنعتی به روش ریفورمینگ متان

مبدل گاز طبیعی با استفاده از اکسیداسیون جزئی

باقیمانده حاصل از فرآیندهای شیمیایی ترجیحا برای تولید هیدروژن و مونوکسید کربن استفاده می شوند. واکنش اکسیداسیون جزئی مطابق با معادله زیر انجام می شود:

فرآیند اکسیداسیون جزئی یک واکنش گرمازا بوده و در دما های بالا در حدود 1200 تا 1500 درجه سانتی گراد بدون وجود کاتالیست، انجام می شود.

مبدل گاز طبیعی تبدیل اوتوترمال

واکنش ها در این فرآیند مخلوطی از واکنش های گرمازای اکسیداسیون جزئی و گرماگیر تبدیل با بخار آب است. در واقع انرژی مورد نیاز واکنش تبدیل با بخار آب توسط واکنش اکسیداسیون جزئی تامین می شود.

هیدروژن حاصل از زغال سنگ

فرآیندی که در آن زغال سنگ به گاز تبدیل می شود را گازی شدن زغال سنگ گویند. برای تولید هیدروژن یا گاز غنی از هیدروژن، معمولا زغال سنگ با استفاده از اکسیژن خالص 95 درصد، در درجه حرارت و فشارهای بالا، گازی می شود.

پیرولیز

در روش حرارت دادن هیدروکربن ها در غیاب هوا، هیدروکربن ها شکسته شده و به هیدروژن و کربن جامد تجزیه می شوند. از مزایای این روش تولید هیدروژن با خلوص بالا و از معایب آن تشکیل کربن جامد است که باید از راکتور خارج شود. با اضافه کردن هوا به راکتور داغ، کربن به صورت کربن دی اکسید از سیستم خارج می شود.

نحوه ذخیره سازی هیدروژن

از مشکلات پر اهمیت در استفاده از هیدروژن سوختی در حالت گاز، به چگالی پایین آن می توان اشاره کرد. در عین حال هیدروژن مایع بیشترین دانسیته انرژی را نسبت به دیگر انواع سوخت مایع دارا است. اما لازم است در دمای بسیار پایین در حدود منفی 253 درجه سانتیگراد و فشار های بالا ذخیره گردد. این امر موجب بروز مشکلاتی در زمینه حمل و نقل و ذخیره هیدروژن می گردد.

خواص سوخت هیدروژنی

• هیدروژن گازی بی رنگ، بی بو و بدون مزه است.
• این گاز در حدود 8 برابر سبک تر از گاز طبیعی است و به سرعت از منافذ ریز عبور می کند.
• ارزش حرارتی هیدروژن به ازای واحد جرم تقریبا 5/2 برابر گاز طبیعی است.
• گاز هیدروژن 8 برابر سریع تر از گاز طبیعی می سوزد.
• رنج اشتعال پذیری هیدروژن 4-77 درصد حجمی است. این در حالی است که رنج اشتعال پذیری گاز طبیعی 4-16 درصد حجمی است.
• انرژی جرقه زنی هیدروژن 15 برابر کمتر از گاز طبیعی است.

خواص انواع گاز هیدروژن مطابق جدول زیر است:

مقایسه خواص ترموفیزیکی سوخت های مختلف هیدروژن، متان، متانول و گازوئیل در جدول زیر آورده شده است:

مشعل هیدروژنی چیست؟ مشعل هیدروژنی با مشعل گازسوز چه تفاوت هایی دارد؟

مشعل های با سوخت هیدروژنی دارای تفاوت هایی با مشعل های معمولی هستند که در ادامه به بررسی این تفاوت ها پرداخته شده است. از مزایا و معایب سوخت هیدروژن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سرعت شعله در احتراق هیدروژنی تقریبا برابر 1/7 متر بر ثانیه است، این درحالی است که سرعت شعله گاز طبیعی به طور قابل توجهی کمتر و درحدود 0/4 متر بر ثانیه است. شعله مشعل هیدروژنی دارای دمای آدیاباتیک بالاتر و در حدود 2182 درجه سانتی‌گراد است، در حالیکه گاز طبیعی دارای دمای شعله آدیاباتیک 1937 درجه سانتی‌گراد است (این اندازه‌گیری‌ ها از کتاب احتراق ایروین گلسمن (ویرایش دوم،1987) ذکر شده است). این تفاوت‌های قابل توجه در احتراق هیدروژن، مهندسان را بر آن داشت تا مواد مورد استفاده در ساخت مشعل را مورد ارزیابی مجدد قرار دهند.

• مشعل‌ های معمولی دارای اجزای مختلف فلزی و آجر نسوز است. افزایش دمای شعله در احتراق هیدروژن سوختی مستلزم ارتقا فولاد مورد استفاده برای ساخت نازل، گلوگاه و تثبیت‌کننده شعله به یک آلیاژ ضد زنگ و مقاوم در برابر درجه حرارت‌ های بالاتر است. همچنین ترکیب آجر های نسوز باید اصلاح شود تا در برابر دمای بالای احتراق هیدروژن به عنوان سوخت پاک، مقاوم شود.

• سرعت شعله ناشی از سوخت های هیدروژنی تقریبا 5 برابر گاز طبیعی است، لذا مشعل‌ های پیش مخلوط برای احتراق هیدروژن مناسب نیستند. با افزایش H2 در سوخت، این نوع از مشعل‌ ها بیشتر مستعد فلش‌ بک یا برگشت شعله هستند.

• سرعت بالاتر شعله ناشی از سوخت هیدروژن باعث می‌شود تا فرآیند احتراق سریع‌ تر از گاز طبیعی اتفاق بیفتد. این فرآیند احتراق سریع، انرژی احتراق را در یک ناحیه کوچک آزاد می‌کند، که منجر به افزایش موضعی دما در ناحیه نزدیک به شعله می‌ شود. نواحی بالاتر از 1370 درجه سانتی‌گراد برای تشکیل آلاینده ناکس مناسب است. داده‌ های آزمایشگاهی بیان گر آن است که استفاده از سوخت هیدروژن در مشعل‌ های متداول میزان انتشار آلاینده ناکس را تا 3 برابر افزایش می‌دهد. این مساله یکی از ضرر های هیدروژن درصورت شرکت در فرآیند احتراق، برای محیط زیست است. لذا استفاده از رویکردهای متنوع جهت کاهش آلاینده ناکس همانند استفاده از FGR، تزریق بخار و … ضروری است. استفاده از مشعل‌های چند مرحله‌ای روش دیگر کاهش ناکس است. افزایش ترکیب H2 در سوخت مشعل موجب کاهش انتشار آلاینده‌های کربن مونوکسید و کربن‌دی‌اکسید خواهد شد.

• استفاده از سوخت هیدروژنی، منجر به تغییراتی در مکان و نحوه انتقال حرارت تابشی و همرفتی در داخل دیگ خواهد شد که ممکن است بر سرعت تولید بخار و دمای بخار تاثیر بگذارد.

• براساس معادلات استوکیومتری در حالت بدون هوای اضافی، هوای مورد نیاز احتراق در هیدروژن سوختی در حدود 30% کمتر از هوای مورد نیاز احتراق با سوخت گاز طبیعی است. همچنین مشعل هیدروژنی به علت اشتعال‌پذیری بالاتر، با مقدار هوای اضافی کمتری کار خواهد کرد. کاهش میزان هوای مورد نیاز به نوبه خود موجب افزایش درجه حرارت شعله ناشی از سوخت های هیدروژنی خواهد شد که استفاده از FGR می‌تواند این مشکل را بر طرف نماید.

• مشعل طراحی شده برای استفاده از ترکیب سوخت حاوی هیدروژن باید مجهز به یک سیستم کنترل دقیق و تجهیز Wobbe Index meter  و یا در برخی موارد specific gravity meter باشد تا ترکیب جریان سوخت اندازه‌گیری شده و هوای مورد نیاز تزریق گردد. عدد Wobbe به صورت تقسیم ارزش حرارتی بالای سوخت به مجذور چگالی مخصوص تعریف می‌شود. چگالی مخصوص به صورت چگالی گاز به چگالی هوا در شرایط استاندارد تعریف می‌شود.

• شرایط استاندارد به صورت دمای صفر درجه سانتی‌گراد و فشار 101/325 کیلوپاسکال تعریف می‌شود. Mair دبی جرمی هوا است که دبی جرمی هوا در شرایط استاندارد برابر 28/96 کیلوگرم بر کیلومول است. شاخص Wobbe برای مقایسه انرژی خروجی احتراق گازهای سوختی با ترکیبات مختلف در یک دستگاه (آتش، اجاق گاز و غیره) استفاده می‌شود. اگر دو سوخت دارای شاخص‌ های Wobbe یکسان باشند، برای تنظیمات فشار و تنظیم شیر یکسان، انرژی خروجی نیز یکسان خواهد بود. معمولاً تغییرات تا 5% مجاز است.
• هیدروژن به عنوان سوخت پاک، به پنج برابر حجمی جریان سوخت در مقایسه با گاز طبیعی نیاز دارد. لذا تجهیزات سوخت‌ رسانی و اندازه خطوط سوخت‌ رسانی نیاز به بررسی مجدد خواهد داشت.

• با جایگزین شدن سوخت هیدروژنی به جای سوخت های هیدروکربنی، تعداد اتم‌های کربن کاهش می‌یابد. سوخت با هیدروژن خالص هیچ یک از محصولات شامل کربن دی‌اکسید و کربن مونوکسید را ندارد و این یکی از مهمترین فواید سوخت های جایگزین برای دوست داران محیط زیست است. با توجه به معادلات استوکیومتری گاز متان و هیدروژن می‌توان نتیجه گرفت که در گاز طبیعی به ازای هر مگاژول انرژی 0/31 کیلوگرم و برای هیدروژن به 0/24 کیلوگرم هوا نیاز است. در احتراق هیدروژن 30% هوای کمتر مورد نیاز است. همچنین به دلیل حد اشتعال بالای هیدروژن در هوای اضافی کمتر نیز می‌تواند کار کند. احتراق هیدروژنی باعث افزایش دمای شعله خواهد شد که باعث افزایش دمای خروجی دودکش خواهد شد.

• در احتراق هیدروژنی به دلیل دمای بالای شعله الزامات طراحی بویلر نیز مورد توجه قرار خواهد گرفت. در احتراق هیدروژن به دلیل بالا بودن دمای شعله و همچنین کاهش دبی جرمی گاز احتراق بویلر می‌تواند بر میزان انتقال حرارت جابجایی، تولید و کیفیت بخار تاثیر منفی بگذارد.

• سوخت هیدروژنی به تولید بخار آب منجر می‌شود، اکثر اسکنرهای تشخیص شعله به دلیل وجود مقدار بالای بخار آب در تشخیص و تایید شعله مشکل دارند.

• شعله هیدروژنی در محدوده وسیع‌ تری از نور نامرئی تشکیل می‌گردد و احتمال نشت بیشتر از منافذ کوچک را به همراه دارد. همچنین از ویژگی های هیدروژن می توان به بدون بو و بدون رنگ بودن آن اشاره کرد، لذا احتمالا نیاز به ترکیب آن با برخی افزودنی های شیمیایی است تا برای انسان قابل درک باشد.

• شعله هیدروژنی تابش بسیار کمی در محدوده طیف مادون قرمز دارد و عمده تابش در محدوده فرابنفش قرار می‌گیرد. لذا لازم است جهت تشخیص شعله از اسکنر های با قابلیت سنجش امواج فرابنفش استفاده گردد. جهت ایمنی بیشتر این اسکنرها باید قابلیت تشخیص سوسو زدن شعله (اسکنرهای فرکانسی) را نیز داشته باشند. استفاده از مکانیزم FGR به نامرئی‌ تر شدن شعله نیز می‌افزاید.

• برای طراحی مشعل هیدروژنی باید چگالی کم این گاز را در نظر بگیریم. اگرچه طراحی نازل‌ های هیدروژن شبیه سوخت گاز است اما نباید از سرعت بالای گاز در این نقاط غافل ماند. سرعت انتشار شعله هیدروژنی تقریبا 8 برابر بیشتر از گاز طبیعی است.

• دمای شعله آدیاباتیک با خلوص 99% در حدود 1985 درجه سانتی‌گراد است، که تقریبا 170 درجه بالاتر از دمای شعله گاز طبیعی است. این دمای بالا در طراحی بویلر لازم است بررسی گردد.

• به علت سبک بودن مولکول هیدروژن، احتمال نشت هیدروژن از منافذ 1/3 تا 2/8 بیشتر از گاز طبیعی است و سرعت هیدروژن 2/9 برابر سرعت گاز طبیعی است، از طرفی ارزش سوختی هیدروژن به ازای واحد حجم 3 تا 3/5 برابر کمتر از گاز طبیعی است. بنابراین در یک جمع بندی نهایی می‌توان نتیجه گرفت اگرچه میزان نشت و سرعت هیدروژن بیشتر از گاز طبیعی است، اما با نشت گاز طبیعی مقدار بیشتری انرژی آزاد خواهد شد.

• هیدروژن بسیار سبک‌تر از هوا و گازهای دیگر است، لذا در صورتی که استفاده از این سوخت در فضای باز یا در محیط با تهویه مناسب انجام گردد، مشکلی از نظر نشت این گاز وجود نخواهد داشت. در خطوط انتقال از گسکت‌ ها و فلنج‌ های خاص جهت کاهش نشت استفاده می‌گردد. مجددا توجه به این نکته ضروری است که اگر چه میزان نشت این سوخت بیشتر از انواع سوخت است اما خطر انفجار آن پایین‌تر خواهد بود. با این حال جهت از بین بردن حساسیت، با توجه به قوانین ATEX، هیدروژن در گروه گازی IIC قرار می‌گیرد. لذا تجهیزات مورد استفاده، متناسب با Zone 1 / Group IIC انتخاب می‌گردد. تجهیزات ضدانفجاری EExd برای جلوگیری از خطرات ناشی از نشت گاز هیدروژن کافی خواهد بود.

• تُردی هیدروژنی نوعی خوردگی است که در آن اتم هیدروژن به داخل ماده نفوذ می‌کند و روی ساختار شبکه‌ ای فلز رسوب می‌کند. درنتیجه هیدروژن، تحتِ نو ترکیبیِ مولکولی قرار خواهد گرفت، این پدیده به خصوص در نقص‌های ساختاری مواد رخ می‌دهد. درنتیجه افزایش حجم منجر به فشار داخلی بالا و در نتیجه تنش‌های کششی داخلی می‌گردد که باعث شکننده شدن مواد و ایجاد ترک خواهد شد و به آن ترک ناشی از هیدروژن گفته می‌شود. سه عامل (دمای خطوط گاز، فشار کاری هیدروژن، مولکول اکسیژن موجود در گاز هیدروژن) موجب ایجاد این پدیده در لوله‌های کربن استیل که مسیر عبور هیدروژن است، می‌گردد. روش جلوگیری از وقوع این پدیده در لوله‌ها، کار کردن در فشارهای نه چندان بالا است، بنابراین لازم است در محل‌های انتقال هیدروژن به لوله‌ ها، در محل‌هایی که شیرهای اطمینان مشعل قرار دارد، فشار خیلی بالا نباشد. به طور معمولی در شرایط کاری با فشار پایین خوردگی ایجاد نخواهد شد.

جهت برطرف کردن مشکلات ناشی از استفاده از سوخت هیدروژن به عنوان سوخت گازی، شرکت E&M COMBUETION پیشنهاد استفاده از مخلوط گاز هیدروژن به همراه 15-20% گاز طبیعی را عنوان کرده و مورد ارزیابی قرار داده است. مزایای استفاده از این روش به شرح زیر است:

• افزایش ارزش حرارتی مخلوط و دستیابی به احتراق پایدار و کارآمدتر
• کاهش دمای شعله مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی منجر به کاهش انتشار آلاینده های ناکس نسبت به سوخت هیدروژن خالص خواهد شد.
• تشخیص شعله بهبود خواهد یافت

اختلاط گاز طبیعی و هیدروژن به دو صورت می‌تواند انجام شود. اولین روش طراحی یک میکسر است، که شرکت E&M با موفقیت این روش را مورد آزمایش قرار داده است. این تجهیز شامل یک منیفولد است که با شیرهای کنترلی جهت ثابت نگه داشتن نسبت مخلوط، تجهیز شده است و قبل از خط گاز مشعل قرار می‌گیرد. روش دیگر مخلوط کردن سوخت‌ها در سری مشعل است. به صورتی که گاز از قسمت مرکزی و هیدروژن در نواحی اطراف از مسیرهای مجزا و توسط تجهیزات کنترلی مستقل تزریق گردد.