غاز الاصطناع

غاز الاصطناع (أو غاز التصنيع) هو الاسم الذي يطلق على خليط الغازات التي تحتوي على كميات مختلفة من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. أمثلة عن وسائل الإنتاج وتشمل الإصلاح بالبخار للغاز الطبيعي أو المواد الهيدروكربونية السائلة لإنتاج الهيدروجين، لتحويل إلى غاز (تغويز (بالإنجليزية: gasification)‏)الفحم، الكتلة الحيوية، وبعض أنواع النفايات إلى طاقة بشكل غاز.

إنتاجه[عدل]

التركيب الكيميائي لغاز الاصطناع يختلف حسب المواد الخام وعمليات التصنيع. يكون غاز الاصطناع المنتج بتغويز الفحم عادةً خليطًا بنسبة 30% إلى 60% أول أكسيد الكربون و25% إلى 30% هيدروجين و5% إلى 15% ثنائي أكسيد الكربون و0 إلى 5% ميثان. ويحتوي أيضًا غازات أخرى بمقادير أقل.^[1]

التفاعل الرئيسي المنتج لغاز الاصطناع، إعادة تشكيل البخار (أو إصلاح البخار)، هو تفاعل ماص للحرارة يحتاج 206 (كيلوجول/مول ميثان) لإتمام التحويل.

التفاعل الأول، بين فحم الكوك المشتعل والبخار، ماص جدًّا للحرارة، وينتج أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين H₂ (كان يسمى غاز الماء في الاصطلاح القديم). عند تبريد سرير فحم الكوك إلى درجة حرارة لا يمكن معها استمرار التفاعل الماص للحرارة يستبدل بالبخار تيار من الهواء.

يجري بعد ذلك التفاعلان الثاني والثالث، منتجين تفاعلًا ناشرًا للحرارة -يشكل في البداية ثنائي أكسيد الكربون ويرفع درجة حرارة سرير فحم الكوك- ثم التفاعل الثاني الماص للحرارة، الذي يتحول في ثنائي أكسيد الكربون إلى أحادي أكسيد الكربون CO. التفاعل الكلي ناشر للحرارة، وينتج عنه «غاز المنتِج» (اصطلاح قديم). يمكن بعد ذلك إعادة حقن البخار، ومن ثم الهواء.. إلخ. لإعطاء سلسلة لامنتهية من الدورات حتى استهلاك فحم الكوك أخيرًا. قيمة غاز المنتج الطاقية أقل بكثير بالمقارنة مع غاز الماء؛ والسبب الرئيسي في ذلك قابليته للانحلال مع النتروجين الجوي. يمكن استبدال الهواء بالأكسجين النقي لتفادي أثر الانحلال، وإنتاج غاز يمتلك قيمة حرارية أعلى بكثير.

عند استخدام غاز الاصطناع كوسيط على نطاق واسع في اصطناع الهيدروجين للأغراض الصناعية (يستخدم بشكل أساسي لإنتاج الأمونيا) فإن غاز الاصطناع ينتج أيضًا من الغاز الطبيعي (عبر تفاعل إصلاح البخار) كما يلي:

${\ce {CH4 + H2O -> CO + 3H2}}$

لإنتاج هيدروجين أكثر من هذا الخليط، يضاف المزيد من البخار ويجري تفاعل تحول غاز الماء:

${\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}$

يجب فصل الهيدروجين عن ثنائي أكسيد الكربون CO₂ ليكون قابلًا للاستخدام. يجري هذا بشكل رئيسي بعملية امتزاز تأرجح الضغط، وتحلية الغاز، والمفاعلات الغشائية.

تقنيات بديلة[عدل]

الأكسدة الجزئية المحفزة للكتلة الحية[عدل]

تحويل الكتلة الحية إلى غاز اصطناع غير مجدٍ عادةً. طورت جامعة مينيسوتا محفزًا معدنيًّا ينقص زمن تفاعل الكتلة الحية بمعامل يصل إلى 100. يمكن أن يعمل المحفز عند الضغط الجوي وينقص السفع (التفحم). العملية الكلية تنتج الحرارة التي تحتاجها (ذاتية الحرارة) لذا فالتسخين ليس ضروريًّا. طورت عملية أخرى في جامعة دلهي التقنية وهي عملية فعالة وليس فيها مشاكل حدوث ترسبات للمحفز (في هذه الحالة المحفز هو أكسيد السيريوم).^[2]^[3]

ثنائي أكسيد الكربون والميثان[عدل]

طورت طريقة من مرحلتين في عام 2012 وهي تنتج غاز اصطناع يتكون من أول أكسيد الكربون والهيدروجين فقط. في الخطوة الأولى، يتفكك الميثان عند درجة حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية مشكلًا بالتالي خليطًا من الكربون والهيدروجين (التفاعل: طاقة + CH₄ -< 2H₂). يفضل استخدام مسخن بلازما لتوفير التسخين في الخطوة الأولى. في الخطوة الثانية يضاف ثنائي أكسيد الكربون CO₂ إلى المزيج الساخن من الكربون والهيدروجين (التفاعل: C + CO₂ -< 2CO). الكربون وثنائي أكسيد الكربون يتفاعلان عند درجة حرارة مرتفعة لتشكيل أول أكسيد الكربون (التفاعل: C + CO₂ -< 2CO). يشكل بالتالي خليط أول أكسيد الكربون من الخطوة الثانية مع الهيدروجين من الخطوة الأولى غاز اصطناع عالي النقاوة يتكون من CO وH₂ فقط.^[4]

يمكن عوضًا عن ذلك استخدام الماء بدل CO₂ في الخطوة الثانية لتحقيق كمية أكبر من الهيدروجين في غاز الاصطناع.^[5] في هذه الحالة، تفاعل الخطوة الثانية يكون: C + H₂O -> 2 CO + H₂. كلا الطريقتين تسمحان أيضًا بتغيير نسبة أول أكسيد الكربون إلى غاز الهيدروجين.

ثنائي أكسيد الكربون والهيدروجين[عدل]

طاقة الأشعة الأمواج الميكروية[عدل]

يمكن تقسيم ثنائي أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون ومن ثم جمعه مع الهيدروجين لتشكيل غاز الاصطناع. إحدى طرق إنتاج أول أكسيد الكربون من ثنائي أكسيد الكربون هي بمعالجته بأشعة الأمواج الميكروية (أو أشعة الأمواج الصغرية)، ويجري اختبار هذه الطريقة من قبل مشروع الوقود الشمسي التابع للمعهد الهولندي لأبحاث الطاقة الأساسية. ادُّعي أن هذه التقنية استُخدمت أثناء الحرب الباردة في الغواصات الروسية النووية للسماح لها بالتخلص من ثنائي أكسيد الكربون دون ترك أثر من الفقاعات. تشير الدوريات المتوفرة للعامة المنشورة أثناء الحرب الباردة إلى أن الغواصات الأمريكية كانت تستخدم أجهزة غسل غاز كيميائية تقليدية للتخلص من ثنائي أكسيد الكربون. تشير الوثائق المنشورة بعد غرق الكورسك، وهي غواصة من نوع أوسكار من زمن الحرب الباردة، إلى أن أجهزة غسل الغاز التي تعمل على فائق أكسيد البوتاسيوم كانت تستخدم للتخلص من ثنائي أكسيد الكربون في ذلك النوع من الغواصات.^[6]

الطاقة الشمسية[عدل]

يمكن استخدام الحرارة المولدة بالطاقة الشمسية المركزة لتوجيه التفاعلات الترموكيميائية لفصل ثنائي أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون أو لصنع الهيدروجين. يمكن استخدام الغاز الطبيعي مادةً أولية في منشأة تشرك الطاقة الشمسية المركزة مع محطة طاقة كهربائية تعمل على الغاز الطبيعي محسنة بغاز الاصطناع أثناء سطوع الشمس. طور مشروع أشعة-الشمس-إلى-البترول جهازًا يسمح بالإنتاج الفعال باستخدام هذه التقنية. يدعى الجهاز المسترجع الحراري المفاعل المستقبل الحلقي ذا الدوران العكسي (أو سي آر 5).^[7]^[8]^[9]

طاقة الرياح[عدل]

اقتُرح نظام طاقة ريحي طائر لتزويد تفاعل إصلاح البخار بالحرارة.^[10] يتفادى هذا النظام حرق الغاز الطبيعي لأجل الحرارة ويبسط مصلح البخار.

التحليل الكهربائي المشترك[عدل]

بتوظيف التحليل الكهربائي المشترك (أي التحويل الكهروكيميائي للبخار وثنائي أكسيد الكربون باستخدام الكهرباء المولدة من الطاقات المتجددة) يمكن إنتاج غاز الاصطناع في إطار سيناريو تقنين ثنائي أكسيد الكربون، ما يسمح بدورة كربون مغلقة.^[11]

الكهرباء[عدل]

جرب مختبر أبحاث بحرية الولايات المتحدة الأمريكية استخدام الكهرباء لاستخراج ثنائي أكسيد الكربون من الماء^[12]^[13] ومن ثم تحويل غاز الماء إلى غاز اصطناع. تصبح هذه العملية مجدية اقتصاديًّا إذا كان سعر الكهرباء أقل من 20 دولار للميغاواط الساعي.

المصادر المتجددة[عدل]

تُستخدم الكهرباء المولدة من مصادر طاقات متجددة أيضًا لمعالجة ثنائي أكسيد الكربون والماء لتشكيل غاز الاصطناع عبر التحليل الكهربائي مرتفع درجات الحرارة. هذه محاولة للحفاظ على حياد الكربون في عملية التوليد. افتتحت شركة أودي بالشراكة مع شركة تسمى سَنفاير محطة رائدة في نوفمبر 2014 لتوليد الديزل الاصطناعي (أو الديزل الكهربائي أو إي ديزل) بواسطة هذه العملية.^[14]

استخداماته[عدل]

الإنارة الغازية[عدل]

استخدمت عمليات تغويز الفحم لصناعة غاز الاصطناع لعدة سنوات لتصنيع الغاز المضيء (غاز الفحم) للإنارة الغازية، والطبخ بالغاز، وللتدفئة في بعض الحالات، وذلك قبل توافر البنية التحتية للإنارة الكهربائية والغاز الطبيعي بشكل واسع. يمكن استخدام غاز الاصطناع المنتج في منشآت التغويز بتحويل النفايات إلى طاقة لتوليد الكهرباء.

السعة الطاقية[عدل]

يمتلك غاز الاصطناع غير الميثاني عادةً قيمة تسخين أدنى (120 وحدة حرارية بريطانية لكل قدم مكعب). يمكن أن يجري غاز الاصطناع غير المعالج في عنفات هجينة تسمح بمراديد أكبر بسبب عملها في درجات حرارة أقل، وبسبب امتداد عمر قطعها.^[15]

الحديد الإسفنجي[عدل]

يستخدم غاز الاصطناع لإرجاع فلزات الحديد الخام إلى حديد إسفنجي بشكل مباشر.^[16]

مراجع[عدل]

^ "Syngas composition". National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. مؤرشف من الأصل في 2020-03-27. اطلع عليه بتاريخ 2015-05-07.
^ New route to carbon-neutral fuels from carbon dioxide discovered by Stanford-DTU team نسخة محفوظة 27 مارس 2020 على موقع واي باك مشين.
^ Selective high-temperature CO2 electrolysis enabled by oxidized carbon intermediates نسخة محفوظة 27 مارس 2020 على موقع واي باك مشين.
^ "US 9,452,935 B2 - Process and system for conversion of carbon dioxide to carbon monoxide". worldwide.espacenet.com. European Patent Office. مؤرشف من الأصل في 2019-12-17. اطلع عليه بتاريخ 2019-12-17.
^ "US 9,309,125 B2 - Process and system for generating synthesis gas". worldwide.espacenet.com. European Patent Office. اطلع عليه بتاريخ 2019-12-17.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: url-status (link)
^ NWT magazine 6/2012
^ D'Alessio، L.؛ Paolucci، M. (1989). "Energetic aspects of the syngas production by solar energy: Reforming of methane and carbon gasification". Solar & Wind Technology. ج. 6 ع. 2: 101–104. DOI:10.1016/0741-983X(89)90018-0.
^ "Creating fuel from sunlight". جامعة منيسوتا. 23 أكتوبر 2013. مؤرشف من الأصل في 2020-04-01. اطلع عليه بتاريخ 2016-02-22.
^ "Sunshine-to-Petrol project reference 1" (PDF). sandia.gov. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2012-09-20. اطلع عليه بتاريخ 2018-04-07.
^ L. Goldstein. "Beyond electricity generation: airborne wind energy system for synthetic fuel production and energy storage". Presentation at Airborne Wind Energy Conference, 2013. مؤرشف من الأصل في 2020-03-27.
^ "Power-to-Syngas - an enabling technology for the transition of the energy system? Production of tailored synfuels and chemicals using renewably generated electricity". S. Foit, I.C. Vince, L.G.J. de Haart, R.-A. Eichel, Angew. Chem. Int. Ed. (2016) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607552/abstract نسخة محفوظة 2018-01-18 على موقع واي باك مشين.
^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA544002 نسخة محفوظة 2015-09-24 على موقع واي باك مشين.
^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA539765 نسخة محفوظة 2017-12-04 على موقع واي باك مشين.
^ "Audi in new e-fuels project: synthetic diesel from water, air-captured CO2 and green electricity; "Blue Crude"". Green Car Congress. 14 نوفمبر 2014. مؤرشف من الأصل في 2020-03-27. اطلع عليه بتاريخ 2015-04-29.
^ Emmanuel O. Oluyede. "FUNDAMENTAL IMPACT OF FIRING SYNGAS IN GAS TURBINES". Clemson/EPRI. CiteSeerX:10.1.1.205.6065. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الاستشهاد بدورية محكمة يطلب |دورية محكمة= (مساعدة)
^ CHATTERJEE, AMIT (12 Sep 2012). SPONGE IRON PRODUCTION BY DIRECT REDUCTION OF IRON OXIDE (بالإنجليزية). PHI Learning Pvt. Ltd. ISBN:9788120346598. Archived from the original on 2020-05-11.

انظر أيضًا[عدل]

الطاقة من النفايات

[1] "Syngas composition". National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. مؤرشف من الأصل في 2020-03-27. اطلع عليه بتاريخ 2015-05-07.

[2] New route to carbon-neutral fuels from carbon dioxide discovered by Stanford-DTU team نسخة محفوظة 27 مارس 2020 على موقع واي باك مشين.

[3] Selective high-temperature CO2 electrolysis enabled by oxidized carbon intermediates نسخة محفوظة 27 مارس 2020 على موقع واي باك مشين.

[4] "US 9,452,935 B2 - Process and system for conversion of carbon dioxide to carbon monoxide". worldwide.espacenet.com. European Patent Office. مؤرشف من الأصل في 2019-12-17. اطلع عليه بتاريخ 2019-12-17.

[5] "US 9,309,125 B2 - Process and system for generating synthesis gas". worldwide.espacenet.com. European Patent Office. اطلع عليه بتاريخ 2019-12-17.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: url-status (link)

[6] NWT magazine 6/2012

[7] D'Alessio، L.؛ Paolucci، M. (1989). "Energetic aspects of the syngas production by solar energy: Reforming of methane and carbon gasification". Solar & Wind Technology. ج. 6 ع. 2: 101–104. DOI:10.1016/0741-983X(89)90018-0.

[8] "Creating fuel from sunlight". جامعة منيسوتا. 23 أكتوبر 2013. مؤرشف من الأصل في 2020-04-01. اطلع عليه بتاريخ 2016-02-22.

[9] "Sunshine-to-Petrol project reference 1" (PDF). sandia.gov. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2012-09-20. اطلع عليه بتاريخ 2018-04-07.

[10] L. Goldstein. "Beyond electricity generation: airborne wind energy system for synthetic fuel production and energy storage". Presentation at Airborne Wind Energy Conference, 2013. مؤرشف من الأصل في 2020-03-27.

[11] "Power-to-Syngas - an enabling technology for the transition of the energy system? Production of tailored synfuels and chemicals using renewably generated electricity". S. Foit, I.C. Vince, L.G.J. de Haart, R.-A. Eichel, Angew. Chem. Int. Ed. (2016) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607552/abstract نسخة محفوظة 2018-01-18 على موقع واي باك مشين.

[12] ttp://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA544002 نسخة محفوظة 2015-09-24 على موقع واي باك مشين.

[13] ttp://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA539765 نسخة محفوظة 2017-12-04 على موقع واي باك مشين.

[14] "Audi in new e-fuels project: synthetic diesel from water, air-captured CO2 and green electricity; "Blue Crude"". Green Car Congress. 14 نوفمبر 2014. مؤرشف من الأصل في 2020-03-27. اطلع عليه بتاريخ 2015-04-29.

[synheat-15] Emmanuel O. Oluyede. "FUNDAMENTAL IMPACT OF FIRING SYNGAS IN GAS TURBINES". Clemson/EPRI. CiteSeerX:10.1.1.205.6065. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الاستشهاد بدورية محكمة يطلب |دورية محكمة= (مساعدة)

[16] CHATTERJEE, AMIT (12 Sep 2012). SPONGE IRON PRODUCTION BY DIRECT REDUCTION OF IRON OXIDE (بالإنجليزية). PHI Learning Pvt. Ltd. ISBN:9788120346598. Archived from the original on 2020-05-11.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]