تحويل الفحم إلى غاز
في الكيمياء الصناعية ، تُعد عملية تغويز الفحم عملية إنتاج الغاز التخليقي - وهو خليط يتكون أساسًا من أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين ( H2 ) وثاني أكسيد الكربون ( CO2 ) والميثان ( CH4 ) وبخار الماء ( H2O ) - من الفحم والماء والهواء و / أو الأكسجين.
تاريخيًا، كان الفحم يُحوّل إلى غاز لإنتاج غاز الفحم ، المعروف أيضًا باسم "غاز المدينة". غاز الفحم قابل للاشتعال، وكان يُستخدم للتدفئة والإضاءة العامة، قبل ظهور استخراج الغاز الطبيعي على نطاق واسع من آبار النفط. قد يتم التخلص التدريجي من تحويل الفحم إلى غاز للوصول إلى صافي انبعاثات غازات دفيئة صفرية . [ 1 ] ومع ذلك، يستمر استخدام الفحم، بما في ذلك تحويله إلى غاز، في الازدياد عالميًا. [ 2 ]
في الممارسة الحالية، تُستخدم منشآت تغويز الفحم واسعة النطاق بشكل أساسي لتوليد الكهرباء (سواء في محطات الطاقة الحرارية التقليدية أو محطات خلايا الوقود الكربوناتية المنصهرة )، أو لإنتاج المواد الكيميائية الأولية. ويمكن استخدام الهيدروجين الناتج عن تغويز الفحم لأغراض متنوعة ، مثل إنتاج الأمونيا ، ودعم اقتصاد الهيدروجين ، أو تحسين جودة الوقود الأحفوري . كما يُستخدم تغويز الفحم لإنتاج الميثان لتلبية الطلب على الغاز الطبيعي. [ 3 ]
بدلاً من ذلك، يمكن تحويل الغاز التخليقي المشتق من الفحم إلى وقود النقل مثل البنزين والديزل من خلال معالجة إضافية ، أو إلى ميثانول يمكن استخدامه كوقود للنقل أو مادة مضافة للوقود، أو يمكن تحويله إلى بنزين .
عند استخدام الهيدروجين بدلاً من الأكسجين/الهواء، تُسمى عملية تغويز الفحم بالتغويز الهيدروجيني. [ 4 ] [ 5 ] ويمكن تبريد الغاز الطبيعي الناتج عن تغويز الفحم حتى يتحول إلى سائل لاستخدامه كوقود في قطاع النقل. [ 6 ]
تاريخ
في الماضي، كان الفحم يُحوّل إلى غاز الفحم، الذي كان يُنقل عبر الأنابيب إلى المستهلكين لاستخدامه في الإضاءة والتدفئة والطهي. أدى ارتفاع أسعار النفط والغاز الطبيعي إلى زيادة الاهتمام بتقنيات "تحويل الطاقة الحرارية" مثل التغويز والميثنة والتسييل . كانت شركة الوقود الاصطناعي شركة ممولة من الحكومة الأمريكية، تأسست عام 1980 لخلق سوق لبدائل الوقود الأحفوري المستورد (مثل تغويز الفحم). أُغلقت الشركة عام 1985.
التاريخ المبكر لإنتاج غاز الفحم عن طريق التفحيم

استخدم العالم الفلمنكي يان بابتيستا فان هيلمونت مصطلح "الغاز" في كتابه " أصول الطب " ( حوالي 1609 ) لوصف اكتشافه "روحًا جامحة" تنبعث من الخشب والفحم المسخنين، والتي "لا تختلف كثيرًا عن فوضى القدماء". وأُجريت تجارب مماثلة عام 1681 على يد يوهان بيكر من ميونيخ، وعام 1684 على يد جون كلايتون من ويغان ، إنجلترا. وأطلق الأخير عليها اسم "روح الفحم". واكتشف ويليام مردوخ (المعروف لاحقًا باسم مردوخ) طرقًا جديدة لصنع الغاز وتنقيته وتخزينه. ومن بين إنجازاته، إضاءة منزله في ريدروث وكوخه في سوهو، برمنغهام عام 1792، ومدخل مبنى مفوضي شرطة مانشستر عام 1797، والواجهة الخارجية لمصنع بولتون ووات في برمنغهام ، ومصنع كبير للقطن في سالفورد ، لانكشاير عام 1805. [ 7 ]
أضاء البروفيسور يان بيتر مينكيليرز قاعة محاضراته في جامعة لوفان عام 1783، وأضاء اللورد دوندونالد منزله في كولروس ، اسكتلندا، عام 1787، حيث كان الغاز يُنقل في أوعية محكمة الإغلاق من مصانع القطران المحلية. وفي فرنسا، حصل فيليب لو بون على براءة اختراع لموقد غاز عام 1799، وعرض إنارة الشوارع عام 1801. وتوالت العروض التوضيحية في فرنسا والولايات المتحدة، ولكن من المتعارف عليه عمومًا أن أول محطة غاز تجارية بنتها شركة لندن وويستمنستر للغاز والإضاءة والكوك في شارع جريت بيتر عام 1812، حيث مدت أنابيب خشبية لإضاءة جسر وستمنستر بمصابيح الغاز ليلة رأس السنة عام 1813. وفي عام 1816، أسس رامبرانت بيل وأربعة آخرون شركة غاز بالتيمور ، أول شركة لتصنيع الغاز في أمريكا. تم بناء أول محطة غاز ألمانية في هانوفر عام 1825، وبحلول عام 1870 كان هناك 340 محطة غاز في ألمانيا تصنع غاز المدن من الفحم والخشب والخث ومواد أخرى.
وصفت الزائرة الفرنسية فلورا تريستان ظروف العمل في مصنع هورسفيري رود التابع لشركة غاز لايت آند كوك في لندن في ثلاثينيات القرن التاسع عشر في كتابها "Promenades Dans Londres" :
أُشعل صفان من الأفران على كل جانب؛ وكان التأثير أشبه بوصف فرن فولكان، إلا أن العمال ذوي العين الواحدة كانوا ينبضون بشرارة إلهية، بينما كان عمال الأفران الإنجليز ذوو البشرة الداكنة كئيبين صامتين فاقدين للحيوية... أخبرني رئيس العمال أن مُشعلي النار يُختارون من بين الأقوى، ولكن مع ذلك يُصابون جميعًا بالسل بعد سبع أو ثماني سنوات من العمل الشاق ويموتون بسببه. وهذا ما يفسر الحزن واللامبالاة في وجوه هؤلاء الرجال التعساء وفي كل حركة من حركاتهم. [ 8 ]
كان أول إمداد عام بالغاز عبر الأنابيب لـ 13 مصباحًا غازيًا ، كل منها بثلاث كرات زجاجية، على امتداد شارع بال مول في لندن عام 1807. ويعود الفضل في ذلك إلى المخترع ورائد الأعمال فريدريك وينسور والسباك توماس سوج ، اللذين صنعا الأنابيب ومدّاها. تطلّب حفر الشوارع لمدّ الأنابيب تشريعًا ، مما أدى إلى تأخير تطوير إنارة الشوارع وتوفير الغاز للاستخدام المنزلي. في هذه الأثناء، كان ويليام مردوخ وتلميذه صموئيل كليج يقومان بتركيب إضاءة الغاز في المصانع وأماكن العمل، دون مواجهة أي عوائق من هذا القبيل.
التاريخ المبكر لإنتاج غاز الفحم عن طريق التغويز
في خمسينيات القرن التاسع عشر، كان لكل بلدة ومدينة صغيرة ومتوسطة الحجم محطة غاز لتوفير إنارة الشوارع. وكان بإمكان المشتركين أيضاً توصيل خطوط الغاز إلى منازلهم. وبحلول ذلك الوقت، أصبح استخدام إضاءة الغاز مقبولاً. ثم انتشر استخدام الغاز تدريجياً إلى الطبقة المتوسطة، ولاحقاً ظهرت مواقد الغاز وأجهزة الطهي التي تعمل بالغاز. [ 9 ]
شهدت ستينيات القرن التاسع عشر العصر الذهبي لتطوير غاز الفحم. فقد كشف علماء مثل كيكولي وبيركن أسرار الكيمياء العضوية، موضحين كيفية إنتاج الغاز وتركيبه. ومن هذا المنطلق، ظهرت محطات غاز أكثر تطوراً، بالإضافة إلى أصباغ بيركن الأرجوانية، مثل الموفين . وفي خمسينيات القرن التاسع عشر، طُوّرت عمليات إنتاج غاز المنتج وغاز الماء من فحم الكوك. ويُطلق على غاز الماء غير المُخصّب اسم غاز الماء الأزرق.
كان غاز موند ، الذي طوره لودفيج موند في خمسينيات القرن التاسع عشر ، غازًا منتجًا مصنوعًا من الفحم بدلاً من فحم الكوك. وكان يحتوي على الأمونيا وقطران الفحم، وكان يُعالج لاستخلاص هذه المركبات القيّمة.
يحترق غاز الماء الأزرق (BWG) بلهب غير مضيء، مما يجعله غير مناسب لأغراض الإضاءة. أما غاز الماء المكربن (CWG)، الذي طُوّر في ستينيات القرن التاسع عشر، فهو عبارة عن غاز الماء الأزرق مُخصّب بغازات مُستخلصة من رش الزيت في وعاء ساخن. يتميز هذا الغاز بقيمة حرارية أعلى ويحترق بلهب مضيء.
طُوِّرت عملية غاز الماء المُكربن على يد ثاديوس إس سي لوي عام ١٨٧٥. وتم تثبيت زيت الغاز في غاز الماء المُكربن عبر التكسير الحراري في المكربن والمُسخِّن الفائق لمجموعة توليد غاز الماء المُكربن. كانت تقنية غاز الماء المُكربن هي التقنية السائدة في الولايات المتحدة من ثمانينيات القرن التاسع عشر حتى خمسينيات القرن العشرين، لتحل محل تغويز الفحم. تبلغ القيمة الحرارية لغاز الماء المُكربن ٢٠ ميغا جول/م³ ، أي ما يزيد قليلاً عن نصف القيمة الحرارية للغاز الطبيعي.
تطور صناعة غاز الفحم في المملكة المتحدة
أدى ظهور مصابيح الغاز المتوهجة في المصانع والمنازل والشوارع، ليحل محل مصابيح الزيت والشموع بضوء ساطع وثابت، يكاد يضاهي ضوء النهار في لونه، إلى تحويل الليل إلى نهار بالنسبة للكثيرين، مما أتاح العمل الليلي في الصناعات التي كان الضوء فيها بالغ الأهمية، كصناعة الغزل والنسيج وصناعة الملابس وغيرها. يصعب على الأجيال التي نشأت على توفر الإضاءة بعد حلول الظلام بضغطة زر أن تُدرك الأهمية الاجتماعية لهذا التغيير. لم يقتصر الأمر على تسريع الإنتاج الصناعي فحسب، بل أصبحت الشوارع أكثر أمانًا، وتيسرت التفاعلات الاجتماعية، وانتشرت القراءة والكتابة على نطاق أوسع. بُنيت محطات الغاز في كل مدينة تقريبًا، وأُضيئت الشوارع الرئيسية بإضاءة ساطعة، ووُصل الغاز عبر الأنابيب إلى غالبية المنازل في المدن. لعب اختراع عداد الغاز وعداد الدفع المسبق في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر دورًا هامًا في بيع الغاز للمنازل والشركات.

أدى تعليم وتدريب القوى العاملة الكبيرة، ومحاولات توحيد ممارسات التصنيع والتجارة، والحد من التنافس التجاري بين شركات التوريد، إلى تأسيس جمعيات لمديري الغاز، أولها في اسكتلندا عام 1861. وتأسست الجمعية البريطانية لمديري الغاز عام 1863 في مانشستر ، والتي أصبحت، بعد تاريخ مضطرب، نواة معهد مهندسي الغاز (IGE). وفي عام 1903، بدأ معهد المهندسين المدنيين (ICE) المُعاد هيكلته دورات لطلاب صناعة الغاز في معهد مدينة لندن ونقابات لندن . وحصل معهد مهندسي الغاز على الميثاق الملكي عام 1929. كانت الجامعات بطيئة في الاستجابة لاحتياجات الصناعة، ولم يتم تأسيس أول كرسي أستاذية لصناعات الفحم والغاز والوقود في جامعة ليدز إلا عام 1908. وفي عام 1926، افتتحت شركة غاز لايت آند كوك مبنى واتسون هاوس بجوار محطات غاز ناين إلمز . [ 10 ] وكان هذا المبنى في البداية مختبرًا علميًا . لاحقًا، ضمّ المركز قسمًا لتدريب المتدربين ، لكن إسهامه الأبرز في الصناعة تمثل في مرافق اختبار أجهزة الغاز، التي أُتيحت لجميع العاملين في هذا القطاع، بما في ذلك مصنّعي أجهزة الغاز. [ 10 ] وباستخدام هذه المرافق، لم يقتصر دور الصناعة على وضع معايير السلامة فحسب، بل شمل أيضًا وضع معايير الأداء لتصنيع أجهزة الغاز وصيانتها في منازل العملاء والمنشآت التجارية.
خلال الحرب العالمية الأولى ، كانت المنتجات الثانوية لصناعة الغاز، كالفينول والتولوين والأمونيا والمركبات الكبريتية ، مكونات قيّمة للمتفجرات . وكان يتم شحن كميات كبيرة من الفحم اللازم لمحطات الغاز بحراً، مما جعلها عرضة لهجمات العدو. وقبل الحرب، كانت صناعة الغاز توظف عدداً كبيراً من الموظفين، معظمهم من الذكور. إلا أن ظهور الآلة الكاتبة وظهور الكاتبات أحدث تغييراً اجتماعياً هاماً آخر، كان له، على عكس توظيف النساء في الصناعات الحربية، آثار طويلة الأمد.
شهدت فترة ما بين الحربين العالميتين تطورًا ملحوظًا في مجال التقطير الرأسي المستمر، الذي حلّ محل العديد من أجهزة التقطير الأفقية التي تعمل بنظام الدفعات. كما شهدت عمليات التخزين، ولا سيما خزانات الغاز الخالية من الماء ، والتوزيع تحسينات كبيرة مع ظهور أنابيب فولاذية بقطر يتراوح بين 2 و4 بوصات لنقل الغاز بضغط يصل إلى 50 رطلًا لكل بوصة مربعة (340 كيلو باسكال) كخطوط تغذية رئيسية، مقارنةً بأنابيب الحديد الزهر التقليدية التي كانت تعمل بمتوسط ضغط يتراوح بين 2 و3 بوصات (500-750 باسكال ). وقد وفّر استخدام البنزول كوقود للمركبات وقطران الفحم كمادة خام رئيسية لصناعة الكيماويات العضوية الناشئة، عائدات كبيرة لصناعة الغاز. إلا أن البترول حلّ محل قطران الفحم كمادة خام أساسية لصناعة الكيماويات العضوية بعد الحرب العالمية الثانية، وساهم فقدان هذه السوق في تفاقم المشاكل الاقتصادية التي واجهتها صناعة الغاز بعد الحرب.
تطورت على مر السنين مجموعة واسعة من الأجهزة والاستخدامات التي تعمل بالغاز. فقد ظهرت مواقد الغاز ، وأفران الغاز ، والثلاجات ، والغسالات، والمكاوي اليدوية ، وأدوات إشعال مواقد الفحم، وأحواض الاستحمام التي تعمل بالغاز، ومجموعات مصابيح الغاز التي يتم التحكم بها عن بُعد ، ومحركات الغاز بأنواعها المختلفة، وفي السنوات اللاحقة، أنظمة التدفئة المركزية بالغاز لتسخين الهواء والماء، وأنظمة تكييف الهواء ، وكلها أسهمت إسهامًا كبيرًا في تحسين جودة الحياة في المدن والبلدات حول العالم. ومع تطور الإضاءة الكهربائية المتاحة من الشبكة العامة، انطفأت مصابيح الغاز، باستثناء الأماكن التي كانت تُراعى فيها مطابقة الألوان، كما هو الحال في محلات الخياطة .
عملية

أثناء عملية التغويز، يُضخ الأكسجين وبخار الماء عبر الفحم مع تسخينه (وفي بعض الحالات ضغطه). إذا سُخّن الفحم بمصادر حرارة خارجية، تُسمى العملية "حرارية خارجية"، بينما تفترض العملية "حرارية داخلية" تسخين الفحم عبر تفاعلات كيميائية طاردة للحرارة تحدث داخل المُغَوِّز نفسه. من الضروري ألا يكون المؤكسد المُزوَّد كافيًا لأكسدة (احتراق) الوقود بشكل كامل. خلال التفاعلات المذكورة، تُؤكسد جزيئات الأكسجين والماء الفحم، مُنتجةً خليطًا غازيًا من ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ) ، وأول أكسيد الكربون (CO)، وبخار الماء (H₂O ) ، والهيدروجين الجزيئي (H₂ ) . (بعض المنتجات الثانوية مثل القطران والفينولات، وغيرها، هي أيضًا نواتج نهائية محتملة، اعتمادًا على تقنية التغويز المُستخدمة). أُجريت هذه العملية في الموقع داخل طبقات الفحم الطبيعية (يُشار إليها باسم تغويز الفحم تحت الأرض ) وفي مصافي الفحم. المنتج النهائي المطلوب عادة ما يكون غاز التخليق (أي مزيج من H2 + CO)، ولكن يمكن أيضًا تكرير غاز الفحم المنتج بشكل أكبر لإنتاج كميات إضافية من H2 :
- 3C (أي الفحم) + O₂ + H₂O → H₂ + 3CO
إذا أرادت مصفاة النفط إنتاج الألكانات (أي الهيدروكربونات الموجودة في الغاز الطبيعي والبنزين ووقود الديزل )، يُجمع غاز الفحم في هذه الحالة ويُوجّه إلى مفاعل فيشر-تروبش . أما إذا كان الهيدروجين هو المنتج النهائي المطلوب، فإن غاز الفحم (وخاصةً أول أكسيد الكربون) يخضع لتفاعل تحويل غاز الماء، حيث يُنتج المزيد من الهيدروجين من خلال تفاعل إضافي مع بخار الماء.
- CO + H₂O → CO₂ + H₂
على الرغم من وجود تقنيات أخرى لتغويز الفحم حاليًا، إلا أن جميعها تستخدم، بشكل عام، نفس العمليات الكيميائية. بالنسبة للفحم منخفض الجودة (مثل الليغنيت أو أنواع الفحم البني الأخرى) الذي يحتوي على كميات كبيرة من الماء، توجد تقنيات لا تتطلب استخدام البخار أثناء التفاعل، حيث يكون الفحم (الكربون) والأكسجين هما المتفاعلان الوحيدان. كما أن بعض تقنيات تغويز الفحم لا تتطلب ضغوطًا عالية. بعضها يستخدم الفحم المسحوق كوقود، بينما يعمل البعض الآخر مع كميات كبيرة نسبيًا من الفحم. وتختلف تقنيات التغويز أيضًا في طريقة تزويدها بالغاز.
تعتمد تقنية "النفخ المباشر" على تزويد الفحم والمؤكسد باتجاه بعضهما البعض من جانبي قناة المفاعل. في هذه الحالة، يمر المؤكسد عبر فحم الكوك (وربما الرماد) إلى منطقة التفاعل حيث يتفاعل مع الفحم. ثم يمر الغاز الساخن الناتج عبر الوقود النقي ويسخنه، بينما يمتص بعض نواتج التحلل الحراري للوقود، مثل القطران والفينولات. لذا، يتطلب الغاز تكريرًا مكثفًا قبل استخدامه في تفاعل فيشر-تروبش. وتُعد نواتج التكرير شديدة السمية، وتتطلب مرافق خاصة لاستخدامها. ونتيجة لذلك، يجب أن يكون المصنع الذي يستخدم هذه التقنيات ضخمًا جدًا ليكون فعالًا من الناحية الاقتصادية. أحد هذه المصانع، وهو مصنع ساسول، يقع في جنوب إفريقيا . وقد بُني بسبب الحظر المفروض على البلاد والذي منعها من استيراد النفط والغاز الطبيعي. تتمتع جنوب إفريقيا بوفرة من الفحم البيتوميني والأنثراسيت، وقد تمكنت من ترتيب استخدام عملية التغويز "لورجي" عالية الضغط المعروفة التي تم تطويرها في ألمانيا في النصف الأول من القرن العشرين.
تعتمد تقنية "النفخ العكسي" (مقارنةً بالنوع السابق الذي تم اختراعه أولاً) على تزويد الفحم والمؤكسد من نفس جانب المفاعل. في هذه الحالة، لا يحدث تفاعل كيميائي بين الفحم والمؤكسد قبل منطقة التفاعل. يمر الغاز الناتج في منطقة التفاعل عبر نواتج التغويز الصلبة (فحم الكوك والرماد)، كما يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء الموجودين في الغاز كيميائياً إلى أول أكسيد الكربون والهيدروجين . بالمقارنة مع تقنية "النفخ المباشر"، لا توجد نواتج ثانوية سامة في الغاز، حيث يتم التخلص منها في منطقة التفاعل. طُوِّر هذا النوع من التغويز في النصف الأول من القرن العشرين، بالتزامن مع تقنية "النفخ المباشر"، إلا أن معدل إنتاج الغاز فيه أقل بكثير من معدل إنتاجه في "النفخ المباشر". ولم تُبذل أي جهود لتطوير عمليات "النفخ العكسي" حتى ثمانينيات القرن العشرين، حين بدأ معهد الأبحاث السوفيتي "كاتيكني يوغول" (معهد البحث والتطوير لتطوير حقل فحم كانسك-أتشينسك) أنشطة البحث والتطوير لإنتاج التقنية المعروفة حاليًا باسم عملية "تيرموكوكس-إس". ويعود سبب إحياء الاهتمام بهذا النوع من عمليات التغويز إلى كونه صديقًا للبيئة وقادرًا على إنتاج نوعين من المنتجات المفيدة (في آنٍ واحد أو بشكل منفصل): الغاز (سواءً كان غازًا احتراقيًا أو غازًا اصطناعيًا) وفحم الكوك متوسط الحرارة. يُمكن استخدام الغاز كوقود لغلايات الغاز ومولدات الديزل، أو كغاز اصطناعي لإنتاج البنزين، وما إلى ذلك. أما فحم الكوك، فيُستخدم كوقود تكنولوجي في صناعة المعادن، أو كمادة ماصة كيميائية، أو كمادة خام لصناعة قوالب الوقود المنزلية. يُعدّ احتراق الغاز الناتج في غلايات الغاز أنظف بيئيًا من احتراق الفحم الأصلي. وبالتالي، فإنّ محطة تستخدم تقنية التغويز مع "النفخ العكسي" قادرة على إنتاج منتجين قيّمين، أحدهما بتكلفة إنتاج شبه معدومة، إذ يُغطّى سعره بسعر السوق التنافسي للمنتج الآخر. بعد زوال الاتحاد السوفيتي ومشروعه "كاتيكنيوغول"، تبنّى العلماء الذين طوّروا هذه التقنية في الأصل هذه التقنية، ويجري الآن إجراء المزيد من الأبحاث عليها في روسيا، كما تُوزّع تجاريًا في جميع أنحاء العالم. ومن المعروف حاليًا وجود مصانع صناعية تستخدم هذه التقنية في أولان باتور (منغوليا) وكراسنويارسك (روسيا).
تقنية التغويز بطبقة تدفق الهواء المضغوط، التي طُوّرت بالتعاون بين مجموعة ويلسون وشركة شل (التقنية الهجينة). على سبيل المثال، تُعدّ التقنية الهجينة تقنية متطورة لتغويز الفحم المسحوق، حيث تجمع بين مزايا غلاية استعادة الحرارة المهدرة من شل SCGP، وتتضمن أكثر من مجرد نظام نقل، إذ تشمل ترتيب موقد تغويز الفحم المسحوق المضغوط، وجدار مائي غشائي لموقد النفث الجانبي، ونظام تصريف متقطع، وقد تم التحقق من صحة هذه التقنية في محطة SCGP الحالية، مما يجعلها تقنية ناضجة وموثوقة. في الوقت نفسه، تتغلب هذه التقنية على تعقيدات العملية الحالية، بما في ذلك مشاكل مبرد الغاز التخليقي (حوض النفايات) وفلاتر الرماد المتطاير التي تتعطل بسهولة، وتجمع بين تقنية التغويز الحالية المستخدمة على نطاق واسع في عملية تبريد الغاز التخليقي. فهي لا تحافظ فقط على خصائص غلاية استعادة الحرارة المهدرة من شل SCGP الأصلية للفحم، من حيث القدرة العالية على التكيف وسهولة التوسع، بل تستفيد أيضًا من مزايا تقنية التبريد الحالية.
تغويز الفحم تحت الأرض
التغويز الجوفي للفحم (UCG) هو عملية تغويز صناعية تُجرى في طبقات الفحم غير المستخرجة. تتضمن هذه العملية حقن عامل مؤكسد غازي ، عادةً الأكسجين أو الهواء، ونقل الغاز الناتج إلى السطح عبر آبار إنتاج محفورة من السطح. يمكن استخدام الغاز الناتج كمادة خام كيميائية أو كوقود لتوليد الطاقة . يمكن تطبيق هذه التقنية على موارد غير مجدية اقتصاديًا استخراجها بالطرق التقليدية. كما أنها توفر بديلاً لأساليب تعدين الفحم التقليدية . بالمقارنة مع تعدين الفحم والتغويز التقليديين، فإن التغويز الجوفي للفحم له تأثير بيئي واجتماعي أقل، على الرغم من وجود مخاوف بيئية، بما في ذلك احتمال تلوث المياه الجوفية.
تقنية احتجاز الكربون
تُستخدم تقنيات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه بشكل متزايد في مشاريع تغويز الفحم الحديثة لمعالجة مشكلة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري المرتبطة باستخدام الفحم والوقود الكربوني. وفي هذا الصدد، يتميز التغويز بميزة كبيرة على الاحتراق التقليدي للفحم المستخرج، حيث يُخفف ثاني أكسيد الكربون الناتج عن الاحتراق بشكل كبير بواسطة النيتروجين والأكسجين المتبقي في غازات العادم الناتجة عن الاحتراق عند ضغط قريب من الضغط الجوي، مما يجعل عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون صعبة نسبياً، وتستهلك طاقة كبيرة، ومكلفة (وهذا ما يُعرف باحتجاز ثاني أكسيد الكربون "بعد الاحتراق" ).
في عملية التغويز ، يُزوَّد المُغَوِّز عادةً بالأكسجين، ويُحرق ما يكفي من الوقود لتوفير الحرارة اللازمة لتغويز الكمية المتبقية؛ علاوة على ذلك، تُجرى عملية التغويز غالبًا تحت ضغط مرتفع. ويكون الغاز التخليقي الناتج عادةً تحت ضغط أعلى وغير مُخفَّف بالنيتروجين، مما يُسهِّل إزالة ثاني أكسيد الكربون بكفاءة وفعالية وبتكلفة أقل . وقد وجدت مراجعة أُجريت عام 2025 أنَّ احتجاز ثاني أكسيد الكربون قبل الاحتراق في أنظمة التغويز المتكاملة لدورة الغاز يُمكن أن يحقق كفاءة تزيد عن 90%، مما يُوفِّر إمكانات كبيرة لإزالة الكربون من استخدام الفحم. [ 11 ]
مشاريع تعتمد على تقنية دورة التغويز المتكاملة ( IGCC ) في الولايات المتحدة مع احتجاز ثاني أكسيد الكربون واستخدامه/تخزينه
صُمم مشروع كيمبر التابع لشركة ميسيسيبي باور كمحطة توليد طاقة متكاملة تعمل بالفحم الليغنيتي، لتوليد 524 ميغاواط صافية من الطاقة من الغاز التخليقي، مع احتجاز أكثر من 65% من ثاني أكسيد الكربون الناتج باستخدام عملية سيليكسول . وقد طُوّرت تقنية التغويز المتكامل بالنقل (TRIG) المستخدمة في محطة كيمبر، وهي مرخصة من قبل شركة KBR. وسيتم نقل ثاني أكسيد الكربون عبر خط أنابيب إلى حقول النفط المستنفدة في ميسيسيبي لتعزيز عمليات استخلاص النفط . إلا أن المحطة لم تحقق أيًا من أهدافها، وتم التخلي عن خطط توليد الطاقة باستخدام "الفحم النظيف" في يوليو 2017. ومن المتوقع أن تستمر المحطة في العمل بحرق الغاز الطبيعي فقط.
ستكون محطة طاقة الهيدروجين في كاليفورنيا (HECA) محطة توليد طاقة متعددة الاستخدامات تعمل بالفحم وفحم الكوك البترولي، بقدرة صافية تبلغ 300 ميغاواط (إنتاج الهيدروجين لتوليد الطاقة وتصنيع الأسمدة). سيتم احتجاز 90% من ثاني أكسيد الكربون الناتج (باستخدام تقنية ريكتيسول ) ونقله إلى حقل إلك هيلز النفطي لتعزيز استخلاص النفط، مما يتيح استخراج 5 ملايين برميل إضافية من النفط المحلي سنويًا. في 4 مارس 2016، أمرت لجنة الطاقة في كاليفورنيا بإنهاء طلب HECA.
سيكون مشروع تكساس للطاقة النظيفة (TCEP) التابع لشركة Summit مشروعًا لتوليد الطاقة بقدرة 400 ميغاواط يعمل بالفحم بتقنية التغويز المتكامل لدورة الغاز (IGCC)، بالإضافة إلى إنتاج سماد اليوريا. وسيقوم المشروع باحتجاز 90% من ثاني أكسيد الكربون الناتج عنه قبل الاحتراق باستخدام عملية Rectisol . أما ثاني أكسيد الكربون المتبقي، والذي لم يُستخدم في تصنيع الأسمدة، فسيُستخدم في تعزيز استخراج النفط في حوض بيرميان غرب تكساس.
تُعتبر محطات مثل مشروع تكساس للطاقة النظيفة، التي تستخدم تقنية احتجاز الكربون وتخزينه، حلاً جزئياً أو مؤقتاً لمشاكل التنظيم، شريطة أن تصبح مجدية اقتصادياً من خلال تحسين التصميم والإنتاج بكميات كبيرة. وقد لاقت هذه المحطات معارضة من جهات تنظيم المرافق العامة والمستهلكين بسبب ارتفاع التكلفة، ومن دعاة حماية البيئة مثل بيل ماكيبين ، الذين يرون أن أي استخدام مستمر للوقود الأحفوري يأتي بنتائج عكسية. [ 12 ]
التسويق التجاري
بحسب مجلس تقنيات التغويز والغاز التخليقي، وهو اتحاد تجاري، يوجد على مستوى العالم 272 محطة تغويز عاملة تضم 686 وحدة تغويز، و74 محطة قيد الإنشاء تضم 238 وحدة تغويز. وتستخدم معظمها الفحم كمادة خام. [ 13 ]
حتى عام 2017، كان التوسع الكبير في صناعة تغويز الفحم مقتصراً على الصين، حيث تشجع الحكومات المحلية وشركات الطاقة هذه الصناعة لتوفير فرص عمل وسوق للفحم. وتقع معظم هذه المحطات في مناطق نائية غنية بالفحم.
تدرك الحكومة المركزية التعارضات مع الأهداف البيئية: فبالإضافة إلى إنتاج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، تستهلك هذه المصانع كميات كبيرة من المياه في مناطق تعاني من ندرة المياه. [ 14 ]
أُجري مشروع تجريبي للفحم منخفض الجودة (الليغنيت) في مناجم فحم ثار (باكستان) باستخدام طبقات الفحم المُهدرة التي كانت دون حدود المواصفات المطلوبة لمحطة توليد الطاقة عند مدخل المنجم (فحم غير مطابق للمواصفات). اعتمدت المحطة التجريبية على تقنية التغويز بالتيار الصاعد، واستخدمت مزيجات مختلفة من النفايات الصلبة البلدية مع فحم الليغنيت غير المطابق للمواصفات لتحسين كفاءة التغويز وإنتاج الهيدروجين. [ 15 ]
الأثر البيئي
الأثر البيئي لصناعة غاز الفحم المصنّع

منذ نشأتها وحتى اعتماد الغاز الطبيعي على نطاق واسع، كان هناك أكثر من 50,000 محطة لإنتاج الغاز المصنّع في الولايات المتحدة وحدها. عادةً ما تُنتج عملية تصنيع الغاز عددًا من المنتجات الثانوية التي تُلوّث التربة والمياه الجوفية داخل وحول المحطة، لذا تُشكّل العديد من محطات الغاز القديمة مصدر قلق بيئي بالغ ، وغالبًا ما تكون تكاليف التنظيف والمعالجة مرتفعة. كانت محطات إنتاج الغاز المصنّع تُقام عادةً بالقرب من المجاري المائية أو بجوارها، والتي كانت تُستخدم لنقل الفحم ولتصريف مياه الصرف الصحي الملوثة بالقطران والأمونيا و/أو زيوت التقطير، بالإضافة إلى نفايات القطران ومستحلبات القطران والماء.
في بدايات تشغيل محطات الغاز الطبيعي المسال، كان يُنظر إلى قطران الفحم على أنه نفايات، وكثيراً ما كان يُتخلص منه في البيئة داخل وحول مواقع المحطات. ومع تطور استخدامات قطران الفحم بحلول أواخر القرن التاسع عشر، كان سوق القطران متقلباً، وكانت المحطات التي لا تستطيع بيع القطران في وقت معين تخزنه لاستخدامه لاحقاً، أو تحاول حرقه كوقود للمراجل، أو تتخلص منه كنفايات. وكان يتم التخلص من نفايات القطران عادةً في خزانات الغاز القديمة، أو الأنفاق، أو حتى في مناجم الفحم (إن وجدت). وبمرور الوقت، تتحلل نفايات القطران مُطلقةً الفينولات والبنزين ( وغيرها من المركبات العطرية أحادية الحلقة - BTEX ) والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات على شكل أعمدة ملوثة قد تتسرب إلى البيئة المحيطة. وشملت النفايات الأخرى " بلو بيلي " [ 16 ] ، وهو مركب فيروفيريسيانيد، ويُستمد لونه الأزرق من الأزرق البروسي ، الذي كان يُستخدم تجارياً كصبغة . عادةً ما يكون نبات "بلو بيلي" مادة حبيبية، وكان يُباع أحيانًا محليًا بشعار "طرق خالية من الأعشاب الضارة مضمونة". ويمكن أن يُضفي وجود "بلو بيلي" على مخلفات محطات الغاز رائحة مميزة تشبه رائحة اللوز المر أو المرزبان ، وهي رائحة مرتبطة بغاز السيانيد .
أدى التحول إلى عملية غاز الماء المكربن في البداية إلى انخفاض إنتاج قطران غاز الماء مقارنةً بحجم قطران الفحم. ومع ظهور السيارات، انخفض توافر النفتا لزيت الكربنة، نظرًا لرغبة الناس في استخدامها كوقود للمحركات. غالبًا ما واجهت محطات توليد الغاز التي تحولت إلى استخدام أنواع أثقل من الزيوت مشاكل في إنتاج مستحلبات القطران والماء، والتي كان من الصعب والمكلف والمستهلك للوقت التخلص منها. (إن سبب تحول مستحلبات القطران والماء معقد ويرتبط بعدة عوامل، منها الكربون الحر في زيت الكربنة واستبدال الفحم الحجري بالكوك كمادة خام). أدى إنتاج كميات كبيرة من مستحلبات القطران والماء إلى امتلاء سعة التخزين المتاحة في محطات توليد الغاز بسرعة، وكثيرًا ما كانت إدارة المحطة تتخلص من هذه المستحلبات في حفر، والتي ربما استُعيدت منها لاحقًا أو لم تُستعاد. وحتى في حال استُعيدت المستحلبات، يبقى الضرر البيئي الناجم عن وضع القطران في حفر غير مبطنة قائمًا. يُعد إلقاء المستحلبات (وغيرها من المخلفات القطرانية مثل حمأة القطران، وقيعان الخزانات، والقطران غير المطابق للمواصفات) في التربة والمياه المحيطة بمحطات الغاز المصنعة عاملاً مهماً في التلوث الموجود في محطات الغاز المصنعة السابقة (المعروفة باسم "FMGPs" في مجال المعالجة البيئية ) اليوم.
تشمل الملوثات الشائعة المرتبطة بالمنتجات الغازية سريعة التداول ما يلي:
- بي تي إي إكس
- ينتشر من رواسب الفحم/قطران الغاز
- تسرب زيت المكربن/الزيت الخفيف
- تسربات من أوعية التقطير، التي تجمع الهيدروكربونات القابلة للتكثيف من الغاز
- نفايات/حمأة قطران الفحم
- توجد عادة في أحواض خزانات الغاز وبرك التصفية.
- لا قيمة لإعادة بيع رواسب قطران الفحم، ولذلك كانت تُلقى دائمًا.
- المركبات العضوية المتطايرة
- الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs)
- يوجد في قطران الفحم، وقطران الغاز، والقطران بتركيزات كبيرة.
- المعادن الثقيلة
- لحام يحتوي على الرصاص لأنابيب الغاز الرئيسية، وأنابيب الرصاص، ورماد الفحم.
- السيانيد
- تحتوي نفايات أجهزة التنقية على كميات كبيرة من الفيروسيانيدات المعقدة.
- السخام
- لا يوجد إلا في الأماكن التي يُستخدم فيها النفط الخام كمادة أولية لعملية التغويز.
- مستحلبات القطران
غالباً ما يكون قطران الفحم وحمأة قطران الفحم أكثر كثافة من الماء، ويتواجدان في البيئة كسائل كثيف غير مائي .
في المملكة المتحدة، أُعيد تطوير عدد من مواقع مصانع الغاز السابقة لأغراض سكنية وغيرها (بما في ذلك قبة الألفية )، باعتبارها أراضيَ واعدةً قابلةً للتطوير ضمن حدود المدن. وتؤدي فرص التطوير هذه حاليًا إلى مشاكل تتعلق بالتخطيط ونظام الأراضي الملوثة، وقد نوقشت مؤخرًا في مجلس العموم.
الأثر البيئي لعملية تغويز الفحم الحديثة
تتطلب عمليات تغويز الفحم ضوابط وتدابير لمنع التلوث للحد من انبعاثات الملوثات. [ 17 ] [ 18 ] تشمل الملوثات أو الانبعاثات التي تثير القلق في سياق تغويز الفحم بشكل أساسي ما يلي:
- الرماد والخبث
تُنتج مُغَيِّرات الغاز غير المُخَبَثة رمادًا جافًا مشابهًا للرماد الناتج عن احتراق الفحم التقليدي، والذي قد يُشكِّل خطرًا بيئيًا إذا كان الرماد (الذي يحتوي عادةً على معادن ثقيلة) قابلًا للترشيح أو مُسبِّبًا للتآكل، وإذا كان لا بد من تخزين الرماد في أحواض خاصة. أما مُغَيِّرات الغاز المُخَبَثة، والتي تُستخدم في العديد من تطبيقات تغويز الفحم الرئيسية حول العالم، فتتميز بميزة كبيرة تتمثل في انصهار مكونات الرماد لتكوين خبث زجاجي، مما يؤدي إلى احتجاز آثار المعادن الثقيلة في مصفوفة زجاجية غير قابلة للترشيح، ويجعل المادة غير سامة. ولهذا الخبث غير الضار استخدامات مفيدة متعددة، مثل استخدامه كركام في الخرسانة، وركام في الأسفلت المستخدم في بناء الطرق، وحبيبات في السفع الرملي، وحبيبات التسقيف، وغيرها. [ 19 ]
- ثاني أكسيد الكربون (CO2 )
يُعد ثاني أكسيد الكربون ذا أهمية قصوى في تغير المناخ العالمي.
- الزئبق
- الزرنيخ
- الجسيمات الدقيقة (PM)
يتكون الرماد في عملية التغويز من الشوائب غير العضوية الموجودة في الفحم. تتفاعل بعض هذه الشوائب لتكوين مواد صلبة مجهرية يمكن أن تبقى معلقة في الغاز التخليقي الناتج عن عملية التغويز.
- ثاني أكسيد الكبريت ( SO2 )
يحتوي الفحم عادةً على نسبة كبريت تتراوح بين 0.2 و 5% من وزنه الجاف، والذي يتحول إلى كبريتيد الهيدروجين (H₂S ) وكبريتيد الكربونيل (COS) في وحدات التغويز نتيجةً لارتفاع درجات الحرارة وانخفاض مستويات الأكسجين. تُزال هذه "الغازات الحمضية" من الغاز التخليقي الناتج عن وحدات التغويز بواسطة معدات إزالة الغازات الحمضية قبل حرقه في التوربينات الغازية لتوليد الكهرباء، أو قبل استخدامه في تصنيع الوقود.
- أكاسيد النيتروجين (NO x )
يشير مصطلح (NO x ) إلى أكسيد النيتريك (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO 2 ). يحتوي الفحم عادةً على ما بين 0.5 و3% من النيتروجين على أساس الوزن الجاف، ويتحول معظمه إلى غاز النيتروجين غير الضار. وتنتج كميات ضئيلة من الأمونيا وسيانيد الهيدروجين ، والتي يجب إزالتها أثناء عملية تبريد الغاز التخليقي. وفي حالة توليد الطاقة، يمكن أن تتشكل أكاسيد النيتروجين أيضًا في اتجاه مجرى الاحتراق نتيجة احتراق الغاز التخليقي في التوربينات.
انظر أيضاً
مراجع
تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعموم من مواقع إلكترونية أو وثائق تابعة لوزارة الطاقة الأمريكية .
- ↑ "إزالة الكربون من المواد الكيميائية الجزء الأول: ستتفاقم التحديات على مستوى القطاع بعد عام 2030" .
- ↑ https://ourworldindata.org/grapher/coal-consumption-by-country-terawatt-hours-twh
- ↑ https://www.dakotagas.com/
- ↑ "تحويل الفحم إلى غاز طبيعي بديل (SNG)" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2014-08-06 .
- ^ ساسيدار ، نالابانيني (مايو 2025). “تحويل الفحم في الموقع وخارجه إلى ميثان باستخدام الهيدروجين” (PDF) . المجلة الهندية للطاقة وموارد الطاقة . 4 (3): 1– 5. دوي : 10.54105/ijeer.C1044.04030525 . ISSN 2583-1186 . S2CID 258753397 . تم الاسترجاع 2025-05-28 .
- ↑ "سوق نقل الغاز الطبيعي المسال براً في الولايات المتحدة" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 29 أبريل 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يونيو 2014 .
- ↑ سبيت، جيمس ج. (2007). الغاز الطبيعي: دليل أساسي . إلسيفير . ص 120-121 . ISBN 9780127999845.
- ↑ تريستان، فلورا (1840) نزهات في لندن . ترجمة بالمر، د، وبينسل، ج. (1980) يوميات فلورا تريستان في لندن، مسح لحياة لندن في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. جورج بريور، ناشرون، لندن. مقتطف أسوأ من تجارة الرقيق في الملحق 1، بارتي-كينغ، هـ (1985).
- ↑ على سبيل المثال ، انظر كتاب "تمكين التقدم: 150 عامًا من الطاقة والمشاريع لشركة نيويورك ستيت إلكتريك آند غاز" (NYSEG)، بقلم ديفيد ل. يتر، 2003، الصادر عن شركة نيويورك ستيت إلكتريك آند غاز. يوثق هذا المصدر النمو السريع لشركات الغاز والكهرباء المحلية لتوفير الإضاءة، ولاحقًا استخدامات أخرى، في شمال ولاية نيويورك خلال النصف الأخير من القرن التاسع عشر.
- 1 2 إيفرارد، ستيرلنغ (1949). تاريخ شركة غاز لايت وكوك 1812-1949 . لندن: إرنست بن المحدودة. (أعيد طبعه عام 1992، لندن: إيه آند سي بلاك (ناشرون) المحدودة لمتحف غاز لندن. ISBN 0-7136-3664-5) الفصل العشرون، "السير ديفيد ميلن واتسون، بارونيت: الجزء الأول: التوسع".
- ↑ نيما، أنكيت؛ كومار، أرفيند؛ واردوكار، فيلاس؛ جوشي، مايور (2025). "مراجعة نقدية معمقة لتقنيات احتجاز الكربون المختلفة: تقييم فعاليتها ودورها في الحد من انبعاثات تغير المناخ". تحويل الطاقة وإدارتها . 323 119244. doi : 10.1016/j.enconman.2024.119244 .
- ↑ جو نوسيرا (15 مارس 2013). "حل حقيقي للكربون" (مقال رأي مبني على حقائق) . صحيفة نيويورك تايمز . تم الاطلاع عليه في 16 مارس 2013 .
- ↑ "صناعة التغويز" . مجلس تقنيات التغويز والغاز التخليقي. 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-05-2016 .
- ↑ إدوارد وونغ (8 فبراير 2017). ""محطات الفحم "غير العقلانية" قد تعرقل جهود الصين في مجال تغير المناخ" . صحيفة نيويورك تايمز . تاريخ الاطلاع: 8 فبراير 2017 .
- ↑ خان، محمد معيد؛ أمجد، عبد الباسط (2024). "إنتاج الهيدروجين من النفايات البلدية ومزيج الليغنيت منخفض الجودة" . نتائج في الهندسة . 24 103495. doi : 10.1016/j.rineng.2024.103495 .
- ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 28-05-2008 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 14-06-2009 .
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link ) - ↑ بيتشوك، إم آر، تكنولوجيا العمليات والبيئة لإنتاج الغاز الطبيعي الاصطناعي والوقود السائل ، الولايات المتحدة، تقرير وكالة حماية البيئة EPA-660/2-2-75-011، مايو 1975
- ↑ بيتشوك، إم آر، تغويز الفحم وعملية الفينول سولفان ، الاجتماع الوطني الـ 168 للجمعية الكيميائية الأمريكية، أتلانتيك سيتي، سبتمبر 1974
- ^ كريس هيجمان ومارتن فان دير بورجت. التغويز، الطبعة الثانية، إلسفير (2008).
روابط خارجية
- Gasifipedia، وهي مجموعة شاملة من الموارد الإلكترونية لتعزيز فهم أفضل لتكنولوجيا التغويز (مع التركيز على تغويز الفحم)، تم تطويرها وصيانتها من قبل المختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (NETL). مؤرشفة بتاريخ 23 أكتوبر 2013 على موقع Wayback Machine.
- برنامج أنظمة التغويز، التابع للمختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة (NETL) بوزارة الطاقة الأمريكية. مؤرشف بتاريخ 3 يناير 2018 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
- "الخبرة العملية المكتسبة خلال العشرين سنة الأولى من تشغيل محطة التغويز في السهول الكبرى وآثارها على المشاريع المستقبلية" (PDF-3.1MB)، مكتب الطاقة الأحفورية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، مايو 2006.
- تقنيات تحويل الفحم إلى غاز
- الغازات الصناعية
