مع تزايد السعي العالمي نحو الطاقة النظيفة والتنمية المستدامة، أصبحت طاقة الهيدروجين، باعتبارها ناقلًا فعالًا ونظيفًا للطاقة، جزءًا لا يتجزأ من رؤية الناس. وباعتبارها حلقة وصل رئيسية في سلسلة صناعة طاقة الهيدروجين، فإن تقنية تنقية الهيدروجين لا تقتصر على ضمان سلامة وموثوقية طاقة الهيدروجين فحسب، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على نطاق تطبيقها وفوائدها الاقتصادية.
1. متطلبات منتج الهيدروجين
الهيدروجين، باعتباره مادة خام كيميائية وناقلًا للطاقة، له متطلبات مختلفة للنقاء ومحتوى الشوائب باختلاف تطبيقاته. في إنتاج الأمونيا الاصطناعية والميثانول والمنتجات الكيميائية الأخرى، ولمنع تسمم المحفزات وضمان جودة المنتج، يجب إزالة الكبريتيدات والمواد السامة الأخرى من غاز التغذية مسبقًا لتقليل محتوى الشوائب بما يلبي المتطلبات. في المجالات الصناعية، مثل المعادن والسيراميك والزجاج وأشباه الموصلات، يلامس غاز الهيدروجين المنتجات مباشرةً، وتكون متطلبات النقاء ومحتوى الشوائب أكثر صرامة. على سبيل المثال، في صناعة أشباه الموصلات، يُستخدم الهيدروجين في عمليات مثل تحضير البلورات والركائز، والأكسدة، والتلدين، وغيرها، والتي تفرض قيودًا شديدة على الشوائب مثل الأكسجين والماء والهيدروكربونات الثقيلة وكبريتيد الهيدروجين، وغيرها، في الهيدروجين.
2. مبدأ عمل إزالة الأكسجين
تحت تأثير محفز، تتفاعل كمية صغيرة من الأكسجين الموجود في الهيدروجين مع الهيدروجين لإنتاج الماء، محققةً بذلك عملية إزالة الأكسجين. هذا التفاعل طارد للحرارة، ومعادلة التفاعل هي كما يلي:
2H₂+O₂ (محفز) -2H₂O+Q
نظرًا لأن التركيب والخصائص الكيميائية ونوعية المحفز نفسه لا تتغير قبل التفاعل وبعده، فمن الممكن استخدام المحفز بشكل مستمر دون تجديد.
يتألف جهاز إزالة الأكسدة من هيكل أسطواني داخلي وخارجي، مع وضع المحفز بين الأسطوانتين الخارجية والداخلية. يُركّب عنصر التسخين الكهربائي المقاوم للانفجار داخل الأسطوانة الداخلية، ويوجد مستشعرا حرارة في أعلى وأسفل عبوة المحفز لرصد درجة حرارة التفاعل والتحكم فيها. تُغلّف الأسطوانة الخارجية بطبقة عازلة لمنع فقدان الحرارة وتجنب الحروق. يدخل الهيدروجين الخام إلى الأسطوانة الداخلية من المدخل العلوي لجهاز إزالة الأكسدة، ويُسخّن بواسطة عنصر تسخين كهربائي، ثم يتدفق عبر طبقة المحفز من الأسفل إلى الأعلى. يتفاعل الأكسجين الموجود في الهيدروجين الخام مع الهيدروجين بتأثير المحفز لإنتاج الماء. يمكن تقليل محتوى الأكسجين في الهيدروجين المتدفق من المخرج السفلي إلى أقل من جزء واحد في المليون. يتدفق الماء الناتج عن هذا المزيج من جهاز إزالة الأكسدة في صورة غازية مع غاز الهيدروجين، ويتكثف في مبرد الهيدروجين اللاحق، ثم يُرشّح في فاصل الهواء والماء، ثم يُفرّغ من النظام.
3. مبدأ عمل الجفاف
يُجفف غاز الهيدروجين بطريقة الامتزاز، باستخدام المناخل الجزيئية كمواد ماصة. بعد التجفيف، يمكن أن تصل نقطة ندى غاز الهيدروجين إلى أقل من -70 درجة مئوية. المنخل الجزيئي هو نوع من مركبات سيليكات الألومنيوم ذو شبكة مكعبة، تُشكل بعد التجفيف العديد من التجاويف المتساوية الحجم داخله، وتتميز بمساحة سطح كبيرة جدًا. تُسمى المناخل الجزيئية بالمناخل الجزيئية لأنها قادرة على فصل الجزيئات ذات الأشكال والأقطار والقطبية ودرجات الغليان ومستويات التشبع المختلفة.
الماء جزيء شديد الاستقطاب، وللمنخل الجزيئي انجذاب قوي للماء. امتصاص المنخل الجزيئي هو امتصاص فيزيائي، وعندما يصل إلى درجة التشبع، يستغرق الأمر فترة من الوقت للتسخين والتجدد قبل أن يُعاد امتصاصه. لذلك، يتضمن جهاز التنقية مجففين على الأقل، أحدهما يعمل والآخر يتجدد، لضمان استمرار إنتاج غاز الهيدروجين المستقر عند نقطة الندى.
يحتوي المجفف على هيكل أسطواني داخلي وخارجي، مع وجود مادة ماصة محملة بين الأسطوانتين الخارجية والداخلية. يتم تثبيت مكون التسخين الكهربائي المقاوم للانفجار داخل الأسطوانة الداخلية، ويوجد مستشعران لدرجة الحرارة في أعلى وأسفل عبوة المنخل الجزيئي للكشف عن درجة حرارة التفاعل والتحكم فيها. يتم تغليف الأسطوانة الخارجية بطبقة عازلة لمنع فقدان الحرارة وتجنب الحروق. يتم عكس تدفق الهواء في حالة الامتزاز (بما في ذلك حالات العمل الأولية والثانوية) وحالة التجديد. في حالة الامتزاز، يكون الأنبوب العلوي هو مخرج الغاز والأنبوب السفلي هو مدخل الغاز. في حالة التجديد، يكون الأنبوب العلوي هو مدخل الغاز والأنبوب السفلي هو مخرج الغاز. يمكن تقسيم نظام التجفيف إلى مجففين برجيين وثلاثة مجففات برجية وفقًا لعدد المجففات.
4. عملية البرجين
تم تركيب مجففين في الجهاز، يتناوبان ويتجددان خلال دورة واحدة (48 ساعة) لضمان التشغيل المستمر للجهاز بأكمله. بعد التجفيف، يمكن أن تصل نقطة ندى الهيدروجين إلى أقل من -60 درجة مئوية. خلال دورة العمل (48 ساعة)، يمر المجففان (أ) و(ب) بحالة عمل وتجدد على التوالي.
في دورة تحويل واحدة، يمر المجفف بحالتين: حالة العمل وحالة التجديد.
حالة التجديد: حجم غاز المعالجة هو حجم الغاز الكامل. تشمل حالة التجديد مرحلة التسخين ومرحلة التبريد بالنفخ.
1) مرحلة التسخين - يعمل السخان داخل المجفف، ويتوقف تلقائيًا عن التسخين عندما تصل درجة الحرارة العليا إلى القيمة المحددة أو يصل وقت التسخين إلى القيمة المحددة؛
2) مرحلة التبريد – بعد توقف المجفف عن التسخين، يستمر تدفق الهواء عبر المجفف في المسار الأصلي لتبريده حتى يتحول المجفف إلى وضع العمل.
·حالة العمل: حجم الهواء المعالج يعمل بكامل طاقته، والسخان الموجود داخل المجفف لا يعمل.
5. سير عمل الأبراج الثلاثة
تُستخدم حاليًا عملية الأبراج الثلاثة على نطاق واسع. يحتوي الجهاز على ثلاثة مجففات تحتوي على مُجففات (منخل جزيئي) ذات قدرة امتصاص عالية ومقاومة ممتازة للحرارة. تتناوب المجففات الثلاثة بين التشغيل والتجديد والامتصاص لضمان التشغيل المستمر للجهاز بأكمله. بعد التجفيف، يمكن أن تصل نقطة ندى غاز الهيدروجين إلى أقل من -70 درجة مئوية.
خلال دورة التبديل، يمر المجفف بثلاث حالات: العمل، والامتصاص، والتجديد. في كل حالة، يقع المجفف الأول الذي يدخل إليه غاز الهيدروجين الخام بعد إزالة الأكسجين، والتبريد، وترشيح الماء.
1) حالة العمل: حجم غاز المعالجة بكامل طاقته، والسخان داخل المجفف لا يعمل، والوسط هو غاز الهيدروجين الخام الذي لم يتم تجفيفه؛
يقع المجفف الثاني الداخل في:
2) حالة التجديد: 20% من حجم الغاز: تتضمن حالة التجديد مرحلة التسخين ومرحلة التبريد بالنفخ؛
مرحلة التسخين – يعمل السخان داخل المجفف، ويتوقف تلقائيًا عن التسخين عندما تصل درجة الحرارة العليا إلى القيمة المحددة أو يصل وقت التسخين إلى القيمة المحددة؛
مرحلة التبريد - بعد توقف المجفف عن التسخين، يستمر تدفق الهواء عبر المجفف في المسار الأصلي لتبريده حتى يتحول المجفف إلى وضع العمل؛ عندما يكون المجفف في مرحلة التجديد، يكون الوسط عبارة عن غاز الهيدروجين الجاف المجفف؛
يقع المجفف الثالث الموجود في:
3) حالة الامتزاز: حجم غاز المعالجة هو 20٪، والسخان في المجفف لا يعمل، والوسط هو غاز الهيدروجين للتجديد.
وقت النشر: ١٩ ديسمبر ٢٠٢٤
