التغويز

طبقة ثابتة من الوقود الكربوني (مثل الفحم أو الكتلة الحيوية) يتدفق عبرها "عامل التغويز" (البخار، الأكسجين، و/أو الهواء) في اتجاه معاكس. ^{[ 17 ]} يُزال الرماد إما جافًا أو على شكل خبث . تتميز مُغَوِّزات الخبث بنسبة بخار إلى كربون أقل، ^{[ 18 ]} مما يؤدي إلى درجات حرارة أعلى من درجة انصهار الرماد. تتطلب طبيعة المُغَوِّز أن يتمتع الوقود بقوة ميكانيكية عالية، ويُفضل أن يكون غير متكتل ليشكل طبقة نفاذة، على الرغم من أن التطورات الحديثة قد خففت هذه القيود إلى حد ما. معدل إنتاج هذا النوع من المُغَوِّزات منخفض نسبيًا. الكفاءة الحرارية عالية نظرًا لانخفاض درجات حرارة الغاز الخارج نسبيًا. مع ذلك، يعني هذا أن إنتاج القطران والميثان يكون كبيرًا عند درجات حرارة التشغيل النموذجية، لذا يجب تنظيف غاز المنتج بشكل مكثف قبل استخدامه. يمكن إعادة تدوير القطران إلى المفاعل.

في عملية تغويز الكتلة الحيوية الدقيقة غير المكثفة، مثل قشور الأرز ، من الضروري ضخ الهواء إلى المفاعل بواسطة مروحة. يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة التغويز إلى مستويات عالية جدًا، تصل إلى 1000 درجة مئوية. فوق منطقة التغويز، تتشكل طبقة من الفحم الناعم الساخن، وعندما يُدفع الغاز عبر هذه الطبقة، تتحلل معظم الهيدروكربونات المعقدة إلى مكونات بسيطة من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. ^{[ 19 ]}

يشبه هذا النوع نوع التيار المعاكس، إلا أن غاز عامل التغويز يتدفق بالتوازي مع الوقود (إلى الأسفل، ومن هنا جاءت تسميته "مُغَوِّز التيار السفلي"). يتطلب الأمر إضافة حرارة إلى الجزء العلوي من طبقة الغاز، إما عن طريق حرق كميات صغيرة من الوقود أو من مصادر حرارة خارجية. يخرج الغاز الناتج من المُغَوِّز بدرجة حرارة عالية، وغالبًا ما تُنقل معظم هذه الحرارة إلى عامل التغويز المُضاف في أعلى الطبقة، مما يُحقق كفاءة طاقة مماثلة لنوع التيار المعاكس. وبما أن جميع القطران يمر عبر طبقة ساخنة من الفحم في هذا النوع، فإن مستويات القطران تكون أقل بكثير من مستوياتها في نوع التيار المعاكس.

يُحوّل الوقود إلى سائل في الأكسجين والبخار أو الهواء. يُزال الرماد جافًا أو على شكل تكتلات ثقيلة تفقد سيولتها. تكون درجات الحرارة منخفضة نسبيًا في مُغَوِّزات الرماد الجاف، لذا يجب أن يكون الوقود عالي التفاعل؛ وتُعدّ أنواع الفحم منخفضة الجودة مناسبة بشكل خاص. تتميز مُغَوِّزات التكتل بدرجات حرارة أعلى قليلًا، وهي مناسبة لأنواع الفحم عالية الجودة. يكون معدل تدفق الوقود أعلى من مُغَوِّزات الطبقة الثابتة، ولكنه ليس مرتفعًا مثل مُغَوِّزات التدفق المحمول. قد تكون كفاءة التحويل منخفضة نوعًا ما بسبب انجراف المواد الكربونية. يمكن استخدام إعادة التدوير أو الاحتراق اللاحق للمواد الصلبة لزيادة التحويل. تُعدّ مُغَوِّزات الطبقة المميعة مفيدة جدًا للوقود الذي يُنتج رمادًا شديد التآكل والذي قد يُلحق الضرر بجدران مُغَوِّزات الخبث. تحتوي أنواع وقود الكتلة الحيوية عمومًا على مستويات عالية من الرماد المُتآكل.

تستخدم مفاعلات التغويز ذات الطبقة المميعة مادة خاملة في حالة مميعة، مما يُحسّن توزيع الحرارة والكتلة الحيوية داخل المفاعل. في حالة التمييع، تكون سرعة السائل السطحية أكبر من الحد الأدنى لسرعة التمييع اللازمة لرفع مادة الطبقة في مواجهة وزنها. تُقسم مفاعلات التغويز ذات الطبقة المميعة إلى ثلاثة أنواع: مفاعلات الطبقة المميعة الفقاعية (BFB)، ومفاعلات الطبقة المميعة الدوارة (CFB)، ومفاعلات الطبقة المميعة المزدوجة (DFB).

يتم تحويل مادة صلبة جافة مطحونة، أو وقود سائل مُذرّر، أو خليط وقود، إلى غاز باستخدام الأكسجين (أو الهواء في حالات أقل شيوعًا) في تدفق متزامن. تحدث تفاعلات التغويز في سحابة كثيفة من جزيئات دقيقة جدًا. معظم أنواع الفحم مناسبة لهذا النوع من المُغَوِّز نظرًا لارتفاع درجات حرارة التشغيل ، ولأن جزيئات الفحم منفصلة جيدًا عن بعضها البعض.

تُتيح درجات الحرارة والضغوط العالية إمكانية تحقيق إنتاجية أعلى؛ إلا أن الكفاءة الحرارية أقل نوعًا ما، إذ يجب تبريد الغاز قبل تنقيته بالتقنيات الحالية. كما تُؤدي درجات الحرارة العالية إلى عدم وجود القطران والميثان في الغاز الناتج؛ ومع ذلك، فإن متطلبات الأكسجين أعلى من أنواع المُغَوِّزات الأخرى. وتُزيل جميع مُغَوِّزات التدفق المُحَمَّل الجزء الأكبر من الرماد على شكل خبث، لأن درجة حرارة التشغيل أعلى بكثير من درجة انصهار الرماد.

يُنتج جزء أصغر من الرماد إما على شكل رماد متطاير جاف ناعم جدًا أو على شكل معلق رماد متطاير أسود اللون. يمكن لبعض أنواع الوقود، وخاصة أنواع معينة من الكتلة الحيوية، أن تُكوّن خبثًا مُسببًا للتآكل للجدران الداخلية الخزفية التي تحمي الجدران الخارجية للمُغَيِّر الغازي. مع ذلك، لا تحتوي بعض المُغَيِّرات الغازية من نوع التدفق المُحمل على جدران داخلية خزفية، بل على جدار داخلي مُبرَّد بالماء أو البخار ومُغطى بخبث مُتصلِّب جزئيًا. لا يُعاني هذا النوع من المُغَيِّرات الغازية من الخبث المُسبب للتآكل.

تحتوي بعض أنواع الوقود على رماد ذي درجات انصهار عالية جدًا. في هذه الحالة، يُخلط الحجر الجيري غالبًا مع الوقود قبل عملية التغويز. وعادةً ما تكفي إضافة كمية قليلة من الحجر الجيري لخفض درجات الانصهار. يجب أن تكون جزيئات الوقود أصغر بكثير من تلك المستخدمة في أنواع أخرى من أجهزة التغويز. وهذا يعني ضرورة طحن الوقود، الأمر الذي يتطلب طاقة أكبر نوعًا ما مقارنةً بأنواع أجهزة التغويز الأخرى. إن الجزء الأكبر من استهلاك الطاقة في عملية التغويز بالتدفق المحمول لا يكمن في طحن الوقود، بل في إنتاج الأكسجين المستخدم في عملية التغويز.

في جهاز تحويل الغاز بالبلازما، يتم تغذية شعلة بتيار كهربائي عالي الجهد، مما يؤدي إلى تكوين قوس كهربائي ذي درجة حرارة عالية. ويتم استخلاص البقايا غير العضوية على شكل مادة تشبه الزجاج.

تتميز عملية تحويل النفايات إلى غاز بعدة مزايا مقارنة بعملية الحرق:

• يمكن إجراء عملية تنظيف غازات المداخن الشاملة والضرورية على الغاز التخليقي بدلاً من الحجم الأكبر بكثير من غازات المداخن بعد الاحتراق.
• يمكن توليد الطاقة الكهربائية في المحركات والتوربينات الغازية ، وهي أرخص بكثير وأكثر كفاءة من دورة البخار المستخدمة في حرق النفايات. ويمكن استخدام خلايا الوقود أيضاً، ولكن هذه التقنية تتطلب معايير صارمة فيما يتعلق بنقاء الغاز.
• قد تؤدي المعالجة الكيميائية ( تحويل الغاز إلى سوائل ) للغاز التخليقي إلى إنتاج أنواع أخرى من الوقود الاصطناعي بدلاً من الكهرباء.
• تقوم بعض عمليات التغويز بمعالجة الرماد الذي يحتوي على معادن ثقيلة في درجات حرارة عالية جدًا بحيث يتم إطلاقه في شكل زجاجي ومستقر كيميائيًا.

يُعدّ الوصول إلى كفاءة كهربائية إجمالية مقبولة (إيجابية) تحديًا رئيسيًا لتقنيات تحويل النفايات إلى غاز. وتُقابل الكفاءة العالية لتحويل الغاز التخليقي إلى طاقة كهربائية باستهلاك كبير للطاقة في المعالجة الأولية للنفايات، واستهلاك كميات كبيرة من الأكسجين النقي (الذي يُستخدم غالبًا كعامل تحويل إلى غاز)، وتنظيف الغاز. ومن التحديات الأخرى التي تبرز عند تطبيق هذه العمليات عمليًا، الحصول على فترات تشغيل طويلة في المحطات، بحيث لا يكون من الضروري إغلاق المحطة كل بضعة أشهر لتنظيف المفاعل.

وصف المدافعون عن البيئة عملية التغويز بأنها "حرق مقنّع"، مؤكدين أن هذه التقنية لا تزال تشكل خطراً على جودة الهواء والصحة العامة. ووفقاً للتحالف العالمي لبدائل المحارق، "منذ عام 2003، فشلت العديد من المقترحات لإنشاء محطات معالجة النفايات التي كانت تعتمد على تقنيات التغويز في الحصول على الموافقة النهائية للتشغيل، وذلك لعدم صمود ادعاءات الجهات الداعمة للمشاريع أمام التدقيق العام والحكومي في الادعاءات الرئيسية". ^{[ 22 ]} وشهدت إحدى المحطات التي عملت في أوتاوا بين عامي 2009 و2011، 29 حادثة انبعاثات و13 حالة انسكاب خلال تلك السنوات الثلاث. كما أنها لم تكن قادرة على العمل إلا بنسبة 25% تقريباً من الوقت. ^{[ 23 ]}

تم اقتراح العديد من عمليات تحويل النفايات إلى غاز، ولكن لم يتم بناء واختبار سوى عدد قليل منها، ولم يتم تنفيذ سوى عدد قليل منها كمحطات لمعالجة النفايات الحقيقية، وفي معظم الأحيان بالاشتراك مع الوقود الأحفوري. ^{[ 24 ]}

يقوم مصنع واحد (في تشيبا ، اليابان، باستخدام عملية Thermoselect ^{[ 25 ]} ) بمعالجة النفايات الصناعية بالغاز الطبيعي والأكسجين النقي منذ عام 2000، ولكنه لم يوثق بعد إنتاج صافي طاقة إيجابي من العملية.

في عام ٢٠٠٧، أنشأت شركة زي-جين منشأة تجريبية لتغويز النفايات في نيو بيدفورد، ماساتشوستس . صُممت المنشأة لعرض عملية تغويز أنواع محددة من النفايات غير البلدية باستخدام التغويز بالمعادن السائلة . ^{[ ٢٦ ]} جاءت هذه المنشأة بعد معارضة شعبية واسعة النطاق أدت إلى تعليق خطط إنشاء مصنع مماثل في أتلبورو، ماساتشوستس . ^{[ ٢٧ ]} يبدو أن شركة زي-جين قد توقفت عن العمل اليوم، وتم إغلاق موقعها الإلكتروني في عام ٢٠١٤. ^{[ ٢٨ ]}

وفي الولايات المتحدة أيضاً، في عام 2011، تم اختبار نظام بلازما من إنتاج شركة بايروجينيسيس كندا لتحويل النفايات الصلبة البلدية والنفايات الخطرة والنفايات الطبية الحيوية إلى غاز في قاعدة هورلبورت فيلد التابعة لقيادة العمليات الخاصة الجوية في فلوريدا. وقد أُغلق المصنع، الذي بلغت تكلفة إنشائه 7.4 مليون دولار، ^{[ 29 ]} وبِيعَ في مزاد تصفية حكومي في مايو 2013. ^{[ 30 ] [ 31 ]} وكان سعر المزايدة الافتتاحي 25 دولاراً. وتم إغلاق المزايدة الفائزة.

في ديسمبر 2022، افتُتح مصنع سييرا للوقود الحيوي في رينو، نيفادا، لتحويل نفايات مدافن النفايات إلى نفط خام اصطناعي. ^{[ 32 ]} أُغلق المصنع في عام 2024، وقدّمت الشركة المالكة له، فولكروم بيوإنرجي، طلبًا للحماية من الإفلاس. ^{[ 33 ]}

توفر وحدات التغويز خيارًا مرنًا للتطبيقات الحرارية، إذ يمكن تركيبها في الأجهزة التي تعمل بالغاز الموجودة ، مثل الأفران والمواقد والغلايات ، حيث يمكن استبدال الوقود الأحفوري بالغاز التخليقي. وتتراوح القيمة الحرارية للغاز التخليقي عمومًا بين 4 و10 ميغا جول/ ^م³ . 

تُستخدم عملية التغويز على نطاق صناعي حاليًا بشكل أساسي لإنتاج الكهرباء من الوقود الأحفوري كالفحم، حيث يُحرق الغاز التخليقي في توربينات غازية. كما تُستخدم عملية التغويز صناعيًا في إنتاج الكهرباء والأمونيا والوقود السائل (النفط) باستخدام دورات التغويز المتكاملة المركبة ( IGCC )، مع إمكانية إنتاج الميثان والهيدروجين لخلايا الوقود. وتُعدّ دورات التغويز المتكاملة المركبة (IGCC) أيضًا طريقة أكثر كفاءة في احتجاز ثاني أكسيد الكربون _{مقارنةً} بالتقنيات التقليدية. وقد بدأت محطات تجريبية تعمل بتقنية دورات التغويز المتكاملة المركبة (IGCC) بالعمل منذ أوائل سبعينيات القرن الماضي، ودخلت بعض المحطات التي شُيّدت في تسعينيات القرن الماضي الخدمة التجارية.

في المشاريع الصغيرة وتطبيقات البناء، حيث يكون مصدر الخشب مستدامًا، تم تركيب محطات تغويز الكتلة الحيوية الجديدة الخالية من الكربون بقدرة تتراوح بين 250 و1000 كيلوواط في أوروبا، والتي تنتج غازًا اصطناعيًا خاليًا من القطران من الخشب وتحرقه في محركات ترددية متصلة بمولد كهربائي مع استعادة الحرارة. يُشار إلى هذا النوع من المحطات غالبًا باسم وحدة توليد الطاقة والحرارة المشتركة للكتلة الحيوية الخشبية، ولكنه في الواقع محطة تتضمن سبع عمليات مختلفة: معالجة الكتلة الحيوية، وتوصيل الوقود، والتغويز، وتنظيف الغاز، والتخلص من النفايات، وتوليد الكهرباء، واستعادة الحرارة. ^{[ 34 ]}

يمكن تشغيل محركات الديزل بنظام الوقود المزدوج باستخدام غاز المُنتِج. ويمكن بسهولة استبدال أكثر من 80% من الديزل عند الأحمال العالية، و70-80% عند تغيرات الأحمال العادية. ^{[ 35 ]} كما يمكن لمحركات الإشعال الشراري وخلايا الوقود الصلبة أن تعمل بنسبة 100% باستخدام غاز التغويز. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]} ويمكن استخدام الطاقة الميكانيكية الناتجة عن المحركات، على سبيل المثال، لتشغيل مضخات المياه للري أو لتوصيلها بمولد كهربائي لتوليد الطاقة الكهربائية.

على الرغم من وجود وحدات التغويز الصغيرة منذ أكثر من مئة عام، إلا أن مصادر الحصول على آلة جاهزة للاستخدام كانت قليلة. عادةً ما تُصنع هذه الوحدات الصغيرة يدويًا . لكن في الولايات المتحدة حاليًا، تُقدم عدة شركات وحدات تغويز لتشغيل المحركات الصغيرة.

من حيث المبدأ، يمكن أن تتم عملية التغويز باستخدام أي مادة عضوية تقريبًا، بما في ذلك الكتلة الحيوية والنفايات البلاستيكية . ويمكن حرق الغاز التخليقي الناتج. بدلاً من ذلك، إذا كان الغاز التخليقي نظيفًا بدرجة كافية، فيمكن استخدامه لإنتاج الطاقة في محركات الغاز أو التوربينات الغازية أو حتى خلايا الوقود، أو تحويله بكفاءة إلى ثنائي ميثيل الإيثر (DME) عن طريق تجفيف الميثانول، أو إلى الميثان عبر تفاعل ساباتير ، أو إلى وقود اصطناعي شبيه بالديزل عبر عملية فيشر-تروبش . في العديد من عمليات التغويز، تُحتفظ معظم المكونات غير العضوية للمادة الأولية، مثل المعادن، في الرماد. في بعض عمليات التغويز (التغويز بالخبث)، يكون هذا الرماد على شكل مادة صلبة زجاجية ذات خصائص ترشيح منخفضة ، ولكن صافي إنتاج الطاقة في التغويز بالخبث يكون منخفضًا (أحيانًا سلبيًا) وتكون التكاليف أعلى.

بغض النظر عن شكل الوقود النهائي، فإن عملية التغويز نفسها والمعالجة اللاحقة لا تُصدر غازات دفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون بشكل مباشر، ولا تحبسها. مع ذلك، قد يكون استهلاك الطاقة في عمليات التغويز وتحويل الغاز التخليقي كبيرًا، وقد يتسبب بشكل غير مباشر في انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون ؛ وفي عمليات التغويز بالبلازما والتكتل، قد يتجاوز استهلاك الكهرباء أي طاقة مُنتجة من الغاز التخليقي.

ينتج عن احتراق الغاز التخليقي أو أنواع الوقود المشتقة منه نفس كمية ثاني أكسيد الكربون التي كانت ستنبعث من الاحتراق المباشر للوقود الأصلي. ويمكن أن يلعب تغويز الكتلة الحيوية واحتراقها دورًا هامًا في اقتصاد الطاقة المتجددة، لأن إنتاج الكتلة الحيوية يزيل نفس كمية ثاني أكسيد الكربون _من الغلاف الجوي التي تنبعث من التغويز والاحتراق. وبينما تُعد تقنيات الوقود الحيوي الأخرى، مثل الغاز الحيوي والديزل الحيوي ، محايدة للكربون ، فإن التغويز، من حيث المبدأ، يمكن تشغيله باستخدام مجموعة أوسع من المواد الأولية، ويمكن استخدامه لإنتاج مجموعة أوسع من أنواع الوقود الناتجة.

يوجد حاليًا عدد قليل من محطات تحويل الكتلة الحيوية إلى غاز على نطاق صناعي. منذ عام 2008 في سفينليونغا، السويد، تُنتج محطة لتحويل الكتلة الحيوية إلى غاز ما يصل إلى 14  ميغاواط _حراري ، لتزويد الصناعات وسكان سفينليونغا بالبخار اللازم للعمليات والتدفئة المركزية على التوالي. يستخدم جهاز التغويز أنواعًا مختلفة من وقود الكتلة الحيوية، مثل نفايات الخشب المشبعة بمادة CCA أو الكريوزوت ، وأنواع أخرى من الخشب المعاد تدويره، لإنتاج غاز التخليق الذي يُحرق في الموقع. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

تتضمن أمثلة المشاريع التجريبية ما يلي:

• أنتج مشروع غوبي غاز في غوتنبرغ ، السويد، بقدرة 32 ميغاواط، حوالي 20  ميغاواط من الغاز الطبيعي البديل من مخلفات الغابات، وضخّه في شبكة الغاز الطبيعي منذ ديسمبر 2014. ^{[ 41 ]} أُغلقت المحطة نهائيًا في أبريل 2018 بسبب مشاكل فنية واقتصادية. وكانت شركة غوتنبرغ إنرجي قد استثمرت 175 مليون يورو في المحطة، وباءت محاولات بيعها لمستثمرين جدد بالفشل لمدة عام. ^{[ 42 ]}
• تلك التابعة لشبكة الطاقة المتجددة في النمسا، ^{[ 43 ]} بما في ذلك محطة تستخدم التغويز المزدوج للطبقة المميعة والتي زودت مدينة غوسينغ بـ 2  ميغاواط من الكهرباء، المنتجة باستخدام محركات الغاز الترددية من جنرال إلكتريك جينباخر ^{[ 44 ]} و 4 ميغاواط من الحرارة، ^{[ 45 ]} المولدة من رقائق الخشب، منذ عام 2001. تم إيقاف تشغيل المحطة في عام 2015. ^{[ 46 ]} 
• أثبتت محطة تجريبية تابعة لشركة "جو جرين غاز" في سويندون بالمملكة المتحدة إنتاج غاز الميثان من مخلفات النفايات بقدرة 50  كيلوواط. وقد حفز هذا المشروع إنشاء منشأة تجارية بتكلفة 25 مليون جنيه إسترليني تهدف إلى توليد 22 جيجاواط/ساعة سنوياً من الغاز الطبيعي عالي الجودة من مخلفات الخشب والوقود المشتق من النفايات، ومن المقرر الانتهاء منها في عام 2018. ^{[ 47 ]}
• محطة كيمريك التجريبية في بيتييا التي أنتجت 3  ميغاواط من الغاز التخليقي النظيف من خلال عملية التغويز بالتدفق المحمول للسائل الأسود. ^{[ 21 ]} تم إغلاق المحطة نهائياً بسبب مشاكل مالية في عام 2016 ^{[ 48 ].}
• عملية وينكلر عالية الحرارة (HTW)، وهي عملية تغويز في طبقة مميعة دائرية مضغوطة. خلال تسعينيات القرن الماضي، تم اختبار HTW باستخدام مجموعة متنوعة من المواد الأولية، بما في ذلك الفحم منخفض الرتبة وأنواع مختلفة من الكتلة الحيوية؛ كالخشب والوقود المشتق من النفايات (RDF) والنفايات الصلبة البلدية (MSW). أُغلق آخر مرفق HTW نهائيًا في عام 2002. ومنذ عام 2015، تستمر اختبارات العملية في وحدة تجريبية بسعة 0.1 طن/ساعة في جامعة دارمشتات، بينما تُقترح وحدات مُعاد تصميمها على نطاق كامل في أمستردام وروتردام ^{[ 49 ] [ 50 ].}