فرآیند پیرولیز متان با پلاسما و مزیت‌های آن

اسدالله غلام‌پور _ پیرولیز یا آذرکافت به تجزیه حرارتی مواد در دمای بالا و اتمسفر خنثی، گفته می شود. آذرکافت شامل تجزیه شیمیایی بوده و البته برگشت‌ناپذیر است. به طور عمده در فرآوری مواد آلی، از پیرولیز استفاده می‌شود. بدنبال پیرولیز مواد آلی، ترکیبات فراری به همراه رسوب غنی از کربن بدست می‌ آید. فرآیندهایی که در آن،‌ بیشترِ رسوبات باقی‌مانده،‌ حاوی کربن باشند،‌ به «کربونیزه کردن» (Carbonization) معروفند. یک فرآیند پلاسمای حرارتی جدید، تولید هیدروژن و کربن سیاه در مقیاس تجاری را از نظر اقتصادی امکان پذیر می کند. انتخاب و بازده هر دو کربن جامد، با ارزش بالا و هیدروژن گازی مورد توجه ویژه قرار می گیرد. برای اولین بار، قابلیت حیات فنی از طریق داده‌های راکتور در مقیاس آزمایشگاهی نشان داده شده که بیانگر تبدیل مواد اولیه متان بیش از ۹۹٪، گزینش هیدروژن بیش از ۹۵٪، بازیابی جامد بیش از ۹۰٪ و توانایی تولید ذرات کربن با کریستالیته‌های متفاوت را دارد. شدت انرژی این فرآیند بر اساس داده‌های عملیات بلادرنگ از اولین کارخانه تجاری که از این فرآیند استفاده می‌کند، تعیین شد. در مرحله کنونی، این فناوری از حدود ۲۵ کیلووات ساعت به ازای هر کیلوگرم H2 تولید شده استفاده می کند، بسیار کمتر از الکترولیز آب که به ۶۰ کیلووات ساعت به ازای هر کیلوگرم H2 تولید شده نیاز دارد. انتظار می رود این شدت انرژی با بهبود بازیابی گرما و بهینه سازی انرژی به ۱۸ تا ۲۰ کیلووات ساعت در هر کیلوگرم هیدروژن کاهش یابد.

پلاسما یکی از چهار حالت اصلی ماده است. (سه حالت دیگر: جامد، مایع‌‌ و گاز می باشد). پلاسما گاز شبه‌خنثی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود نشان می‌دهند. به عبارت دیگر، پلاسما، گاز یونیزه‌شده‌ای است که همه یا بخش قابل توجهی از اتم های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به کاتیون تبدیل شده باشند، یا تعداد الکترون‌های آزاد آن، تقریباً برابر با تعداد یون‌های مثبت آن باشد. پلاسما حالتی است که در آن گاز به کمک جرقه الکتریکی یونیزه می شود و در نتیجه این یونیزاسیون درجه حرارت بسیار بالا (از ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ درجه سانتیگراد) در داخل محفظه تولید می شود. اگر جامد گرم شود، به مایع، و با ادامه گرم‌کردن، به گاز، و در ادامه به پلاسما تبدیل می‌شود. دمای پلاسما تقریباً در حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است. مشعل پلاسما چیزی شبیه به رعد و برق است ولی در محیط کنترل شده قرار دارد. مزیت اصلی فناوری پلاسما این است که بازیابی ماده و انرژی را از پسماندهای جامد، مایع و گاز امکان پذیر می کند. به منظور دفع آلودگی های زیست محیطی ناشی از کارخانجات صنعتی مانند صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی و سایر صنایع، رهیافت نوینی تحت عنوان پلاسمای حرارتی معرفی و امکان سنجی شده است. معرفی رایج ترین روش فعلی تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی ریفرمینگ بخار متان – Steam Methane Reforming (SMR) – است. اکثر شرکت های نفت و گاز اکنون در حال بررسی ترکیب ریفرمینگ بخار متان (SMR) با جذب و ذخیره کربن (Carbon Capture and Storage (CCS) هستند، اما این هنوز در مقیاس صنعتی به کار گرفته نشده است. با این حال، الکترولیز آب به عنوان منبعی از هیدروژن “دی کربنی زه شده” (H2 سبز) در هنگام استفاده از الکتریسیته کم کربن، نویدبخش است. متأسفانه، تفکیک آب بسیار انرژی بر است زیرا به حداقل ۲۸۵ کیلوژول در هر مول نیاز دارد، و بنابراین هزینه H2 حاصل از الکترولیز به طور قابل توجهی بالاتر از هزینه تولید شده از SMR باقی می ماند. یک مسیر اضافی برای تولید H2، پیرولیز متان در اثر حرارت برای تولید کربن جامد و H2 است. مزیت اصلی این روش این است که امکان تولید هیدروژن و کربن جامد بدون CO2 را فراهم می کند در حالی که از نظر ترمودینامیکی انرژی کمتری نسبت به تفکیک آب برای تولید H2 دارد و به انرژی تقریباً هفت برابر کمتر در هر جرم (یا مول) هیدروژن (۳۸ کیلوژول) نیاز دارد. در مقابل ۲۸۵ کیلوژول در هر مول H2. علاوه بر این، این فرآیند می تواند دو محصول قابل بازیافت تولید کند: هیدروژن و کربن با ارزش بالا. روش دیگر پیرولیز متان، تجزیه غیر حرارتی، پلاسما می باشد. تحقیقات در مورد تجزیه در اثر پلاسمای غیر حرارتی مرحله نسبتاً اولیه است. پلاسمای غیر حرارتی، گاز یونیزه شده ای است که به دلیل سرعت یونیزاسیون نسبتاً پایین در دمای پایین (ده ها تا صدها درجه سانتیگراد) باقی می ماند اما به دلیل وجود الکترون های آزاد پر انرژی دارای فعالیت شیمیایی قابل توجهی است. تجزیه متان در دمای پایین تر را می توان با وسایل الکترونیکی تسهیل کرد. فناوری‌های پلاسمای غیر حرارتی مختلف از جمله فناوری پلاسمای «قوس سر خوردن» و «قوس سرد» پیشنهاد شده‌اند. پیشرفت قابل توجه در این زمینه شامل پیشرفت هیدروژن اقیانوس اطلس است که در نهایت یک سرمایه گذاری تجاری ناموفق بود. تلاش های احیا شده برای تجاری سازی شامل تلاش های Aurora Hydrogen (کانادا) است. بیش از ۹۰٪ جهان اطراف ما از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده متشکل از فضای گازی یونیزه شامل یون ها، الکترون ها، رادیکال های آزاد شیمیایی و ذرات برانگیخته است. از آنجا که در دهه های اخیر، ورود تکنولوژی پلاسما در پژوهش های بنیادی و کاربردی علوم مختلف توانسته است صنایع وابسته به این تکنولوژی را متحول سازد، لذا به همین شیوه، فناوری پلاسما می تواند در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی نیز به طور چشمگیری وارد شود. تکنولوژی پلاسما، مزایای کلیدی را فراهم می کند. گازهای گلخانه ای تولید نمی کند، آثار تخریبی آن در محیط زیست پایین است و از همه مهمتر منجر به کاهش هزینه ی اقتصادی می شود. همچنین در جستجوی یک منبع جایگزین برای کاهش مصرف انرژی، پلاسما توانسته است روش های جدیدی برای تولید هیدروژن و گازهای غنی هیدروژنی برای فناوری پیل های سوختی و فرآیندهای تبدیلات گازی را پیشنهاد نماید. علاوه بر این، پلاسما قادر است آلاینده هایی سمی را حذف کند.استفاده از تکنولوژی پلاسما به منظور جایگزینی آن با تکنولوژیهای موجود در مباحث مشعل های پلاسمایی، جوشکاری پلاسمایی، گازی سازی، محافظت کوره ها و بویلرها از فرسایش و خوردگی، تصفیه آب، پردازش پساب های شیمیایی و صنعتی، حذف آلاینده های سمی و… می ‎تواند در افزایش بهره وری و صرفه جویی مصرف انرژی مفید باشد. از آنجا که تکنولوژی پلاسما به صورت گسترده ای توسعه نیافته است، بنابراین پتانسیل به کار گیری آن نیز بسیار  فراوان خواهد بود. پلاسماهای حرارتی امکان تبدیل انرژی الکتریکی به حرارتی را فراهم می کنند، بطوریکه هر چه اندازه نصب بزرگتر باشد با کارایی بیشتری همراه است. در مقایسه با پلاسماهای غیر حرارتی، نرخ یونیزاسیون به اندازه کافی بالاست تا گرمایش ژول را القا کند. پلاسماهای حرارتی یک منبع حرارتی انعطاف پذیر و قابل تنظیم هستند که می توانند عاری از انتشار CO2 باشند و به ویژه برای فرآیندهای گرماگیر مناسب هستند. پلاسمای حرارتی برای پردازش هیدروکربن از بخش‌های زیر تشکیل شده است: سیستم تامین گاز، منبع پلاسما، راکتور پیرولیز، سیستم فیلتر، نیمکت خنک‌کننده آب و میز تجزیه و تحلیل گاز خروجی. سیستم تامین گاز مسیریابی گازهای ورودی مورد استفاده در این کار را مدیریت می کند: هیدروژن، نیتروژن، مونوکسید کربن، آرگون و متان. نیتروژن ابتدا به عنوان گاز پلاسما قبل از تزریق متان برای گرم کردن راکتور تا رسیدن به حالت پایدار حرارتی با سرعت جریان استفاده می شود. مخلوطی از گاز پلاسما H2-N2 برای شرایط تحت تمرکز این کار استفاده شد. دو شرایط تجربی با شرایط فرآیند مشابه مورد مطالعه قرار گرفتند.

نتیجه گیری: پیرولیز متان در اشکال مختلف برای دهه‌ها در دست توسعه بوده است، اما تلاش‌های تجاری تاکنون ناموفق بوده است. این کار برای اولین بار  ویژگی های یک فرآیند تجزیه در اثر حرارت متان پلاسمامتان پلاسما در مقیاس تجاری را نشان می دهد که عملکرد بالای هر دو H2 و کربن با ارزش بالا را نشان می دهد: به ترتیب > ۹۵٪ و > ۹۰٪. با استفاده از داده‌های یک سیستم مقیاس تجاری موجود که از این فرآیند استفاده می‌کند، شدت انرژی کلی ۲۵ کیلووات ساعت به ازای هر کیلوگرم هیدروژن محاسبه شد که نشان دهنده ۴۲٪ است. اعلامیه منافع رقابتی نویسندگان اعلام می کنند که هیچ منافع مالی رقیب یا روابط شخصی شناخته شده ای ندارند که به نظر می رسد بر کار گزارش شده در این مقاله تأثیر بگذارد.

منبع: مجله بین المللی انرژی هیدروژن با دخل و‌ تصرف