شرح عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي: إحدى الطرق الرئيسية لإنتاج الهيدروجين

ما هو إعادة تحويل الغاز الطبيعي ولماذا يعتبر أمرًا مهمًا؟

يُعد إصلاح الميثان بالبخار الصناعي إحدى أقدم الطرق وأكثرها استخدامًا لإنتاج الهيدروجين النقي، كما أنه عنصر حاسم في إمدادات الطاقة العالمية. ومن بين هذه التقنيات، يُعد إصلاح الميثان بالبخار (SMR) الأكثر شيوعًا نظرًا لكفاءته العالية وتوافر البنية التحتية اللازمة. ويكمن الاختلاف الرئيسي في أن عملية تدفق الغاز هذه تكتسب أهمية خاصة، حيث يُعد غاز الهيدروجين أحد أهم مكونات الانتقال إلى أنظمة طاقة أنظف، نظراً لإمكانياته الكبيرة في الحد من انبعاثات غازات الدفيئة.

يُستخدم الهيدروجين الناتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي في صناعات وتطبيقات مختلفة على النحو التالي. فهو وقود استراتيجي لتشغيل خلايا الوقود المستخدمة في السيارات الكهربائية وتطبيقات الطاقة المتجددة الأخرى. وبالإضافة إلى قطاع الطاقة، يُستخدم الهيدروجين في تصنيع الأمونيا المستخدمة في الأسمدة، والميثانول المستخدم في صناعة المواد الكيميائية، وحتى وقود الطائرات ووقود الطائرات النفاثة. وتضمن القدرة على توليد الهيدروجين على نطاق صناعي مكانته باعتباره العامل الرئيسي الذي يتيح التحول العالمي نحو الطاقة المستدامة.

ومع ذلك، فإن هذه العملية لا تخلو من التحديات. فعلى الرغم من أنها رخيصة ومستخدمة على نطاق واسع، إلا أنها تعتمد على الوقود الأحفوري مثل الميثان، مما يؤدي إلى بصمة كربونية عالية. ولمواجهة ذلك، هناك حاجة إلى تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) للحد من آثارها على البيئة. كما أن عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي تنتج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، ويجب تنقية الهيدروجين الناتج بشكل إضافي لاستخدامه تجاريًا. ويتمثل التحدي الرئيسي الذي يجب معالجته من أجل مواصلة تطوير هذه التقنية في القدرة على تحقيق التوازن الصحيح بين كفاءة العملية وقابلية التوسع والاستدامة.

كيف يعمل ذلك؟ استكشاف الجانب العلمي لعملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي

يُعد إعادة تشكيل الغاز الطبيعي عملية حاسمة لإنتاج الهيدروجين، الذي يُستخدم في قطاعات صناعية عديدة مثل الصناعات الكيميائية والطاقة وخلايا الوقود. وتتألف العملية من ثلاث مراحل رئيسية: المعالجة المسبقة للغاز الخام، وتفاعل إعادة التشكيل، وتنقية الغاز التخليقي. ولذلك، من الضروري مناقشة كل مرحلة على النحو التالي.

المرحلة الأولى: المعالجة الأولية للغاز الخام

يتكون الغاز الطبيعي الخام في الغالب من الميثان، لكنه يحتوي أيضًا على شوائب تتراوح نسبتها بين 0.1 و2%، مثل مركبات الكبريت وبخار الماء والهيدروكربونات الثقيلة الأخرى. وعندما يتم امتصاص هذه الشوائب بواسطة المحفزات، فإنها تؤدي إلى تسميمها، مما يتسبب في تلوث العملية ويؤثر سلبًا على المراحل اللاحقة منها؛ ومن ثم تبرز الحاجة إلى عملية معالجة أولية لضمان سير العملية بسلاسة وعدم تقصير العمر الافتراضي للمحفز.

يُعد إزالة المركبات المحتوية على الكبريت أحد أهم الأنشطة في هذه المرحلة. حيث يتم امتصاص الشوائب مثل كبريتيد الهيدروجين (H₂S) بواسطة مواد مثل أكسيد الزنك (ZnO)، التي تتفاعل مع الكبريت لتكوين كبريتيد الزنك الصلب (ZnS). وتؤدي هذه العملية بشكل فعال إلى خفض محتوى الكبريت إلى أقل من 0.1 جزء في المليون لحماية محفزات إعادة التشكيل الحساسة.

يُعد التجفيف أمرًا لا يقل أهمية، حيث إن الرطوبة تعوق تفاعلات إعادة التشكيل وكذلك خطوات التنقية اللاحقة. ومن بين جميع عوامل التجفيف، تُفضل المناخل الجزيئية (4A، 5A، 13X) نظرًا لانتقائيتها العالية، واستقرارها الحراري، وقدرتها على إزالة الرطوبة إلى مستويات منخفضة جدًّا. وهي تعمل بشكل أفضل من المواد الأخرى مثل الألومينا المنشطة، التي تُعد أكثر ملاءمةً للتطبيقات ذات الرطوبة المنخفضة أو درجات الحرارة العالية، وهلام السيليكا، الذي يُستخدم كمجفف للطبقة الثانية. تُفضل المناخل الجزيئية لأنها تتمتع بعمر افتراضي أطول وتكون أكثر فعالية في إزالة الماء، مما يوفر تغذية بالميثان جافة جدًّا.

وأخيرًا، تتم إزالة الهيدروكربونات عالية الوزن الجزيئي لتجنب تكوّن الكوك على المحفزات، مما يجعل العملية اللاحقة أكثر موثوقية ومتانة. وفي نهاية هذه المرحلة، يصبح الغاز الطبيعي تيارًا من الميثان المنقى جاهزًا لإجراء تفاعل إعادة التشكيل.

المرحلة الثانية: رد الفعل الإصلاحي

والآن، يمر الميثان المنقى بعملية تحويل إلى غاز التخليق، وهو مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. وتتم هذه الخطوة عند درجة حرارة مرتفعة تتراوح عادةً بين 800 و1000 درجة مئوية، وتستخدم محفزًا قائمًا على النيكل لتسريع التفاعلات.

يُعد إصلاح الميثان بالبخار (SMR) أكثر عمليات الإصلاح شيوعًا في الصناعات. ويتم إنتاج الغاز التخليقي من الميثان عن طريق تحويل البخار باستخدام محفز. وتتميز هذه التفاعل بكفاءة عالية، حيث يبلغ معدل تحويل الميثان أكثر من 95%.

هناك أنواع أخرى من عمليات الإصلاح، مثل الإصلاح الحراري التلقائي (ATR)، والتي يمكن استخدامها بدلاً من (أو بالإضافة إلى) الإصلاح الحراري بالبخار (SMR). يجمع الإصلاح الحراري التلقائي (ATR) بين الأكسدة الجزئية والإصلاح بالبخار، ويولد الحرارة داخل العملية نفسها، مما يقلل من الطلب على الطاقة الخارجية. وتُفضل هذه الطريقة في التطبيقات التي تكتسب فيها أرصدة الكربون وتوفير الطاقة أهمية قصوى.

تتضمن مرحلة الإصلاح أيضًا تفاعل تحويل الماء والغاز (WGS). وهو تفاعل ثانوي يتفاعل فيه أول أكسيد الكربون مع الماء ليشكل المزيد من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. يعمل تفاعل WGS على تحسين إنتاج الهيدروجين مع تقليل نسبة أول أكسيد الكربون في الغاز التخليقي لتسهيل عملية تنقيته في خطوة لاحقة.

المرحلة الثالثة: تنقية الغاز التخليقي

تتمثل الخطوة الأخيرة في عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي في تنقية الغاز التخليقي للحصول على هيدروجين فائق النقاء، حيث يتجاوز مستوى النقاء في الغالب 99.99 %. وهذا يعني إزالة المركبات غير المرغوب فيها مثل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون والميثان والماء وغيرها، لأنها قد تؤثر على الاستخدامات اللاحقة.

تبدأ العملية بتحسين عملية تحويل الماء والغاز، حيث يتفاعل أول أكسيد الكربون المتبقي في الغاز التخليقي مع البخار لتوليد كميات إضافية من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. وتُستخدم هذه الخطوة، إلى جانب تحسين إنتاجية الهيدروجين، في خفض مستويات أول أكسيد الكربون لتسهيل عملية إزالته.

بعد ذلك، تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون إما عن طريق الامتصاص الكيميائي باستخدام الأمينات أو عن طريق الامتصاص بالتناوب الضغطي (PSA). تتفاعل عملية الغسل بالأمينات مع ثاني أكسيد الكربون باستخدام مذيبات كيميائية، بينما تستخدم تقنية PSA مواد ماصة مثل الزيوليت لامتصاص ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي واستعادة أكثر من 85% من الهيدروجين.

ثم تعمل عملية التمثيل بالميثان على إزالة بقايا أول أكسيد الكربون عن طريق تحويله إلى ميثان وماء باستخدام الهيدروجين. وتضمن هذه الخطوة خفض مستوى أول أكسيد الكربون إلى أقل من 10 أجزاء في المليون، مما يجعل تيار الهيدروجين آمنًا للاستخدام في التطبيقات الحساسة مثل خلايا الوقود.

يتجاهل معظم الناس عملية التجفيف في عمليات التنقية، لكن الحقيقة هي أن حتى أقل كمية من الرطوبة يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات. وتُعد المناخل الجزيئية (5A، 13X) أكثر المواد المجففة استخدامًا نظرًا لقدرتها العالية على امتصاص الماء، واستقرارها الحراري، وعمرها التشغيلي الطويل. تتطلب التطبيقات ذات الرطوبة المنخفضة أو درجات الحرارة المرتفعة مواد أخرى مثل الألومينا المنشطة، بينما يُستخدم هلام السيليكا كمواد تجفيف احتياطية. ومع ذلك، تُعد المناخل الجزيئية هي الخيار المفضل نظرًا لفعاليتها في توفير نقاط ندى منخفضة للغاية، وبالتالي ضمان جودة واستقرار تيار الهيدروجين.

وأخيرًا وليس آخرًا، لا تزال هناك تقنيات مثل التقطير المبرد أو تقنية الأغشية للتخلص من الشوائب. وفي المنشآت التي تستخدم تقنية احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون (CCS)، يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه بعد ضغطه، مما يقلل الانبعاثات بنسبة تصل إلى 90%.

يُعد إعادة تشكيل الغاز الطبيعي عملية لإنتاج الهيدروجين تتسم ببعض التعقيد ولكنها فعالة للغاية. وفي عملية تجديد المحفز، تُعد كل خطوة — إلى جانب مراحل المعالجة المسبقة وما بعد إعادة التشكيل والتنقية — حاسمة لتحقيق عوائد عالية وحماية المعدات وضمان نقاء المنتج. وتساعد التفاعلات الوقائية، مثل تفاعل WGS وتفاعل الميثان، على تعزيز الكفاءة وتقليل الملوثات إلى أدنى حد. ومن بين التقنيات الحاسمة، لا تزال المناخل الجزيئية هي عامل التجفيف الأكثر شيوعًا، خاصة في تطبيقات درجات الحرارة العالية والرطوبة المنخفضة والامتصاص الدقيق. ويرجع ذلك بشكل خاص إلى عدد من المزايا التي تتمتع بها مقارنة بالمبادلات الحرارية الأخرى، والتي تشمل استقرارًا فائقًا في الأداء بالإضافة إلى مستويات رطوبة منخفضة للغاية، وجميعها عوامل حيوية لضمان نجاح عملية الإصلاح. ومع التقدم في مجالي إعادة التشكيل الذاتي الحراري واحتجاز الكربون، تظل هذه التقنية ذات صلة وتستمر في التطور بمساعدة التطورات الجديدة في مجالي إعادة التشكيل الذاتي الحراري واحتجاز الكربون.

لماذا تختار المناخل الجزيئية من Jalon لتنقية الهيدروجين؟

تُعد «جالون» إحدى الشركات الرائدة في تصنيع المناخل الجزيئية في الصين وعلى الصعيد العالمي. وبفضل ما يزيد عن 20 عامًا من التميز، نقدم حلولًا لا مثيل لها لعملائنا في 86 دولة ومنطقة، مدعومة بـ 112 براءة اختراع مسجلة. وتُعد الجودة جوهر علامة «جالون» التجارية، حيث نطبق معايير ISO 9001 و ISO 14001 لضمان الاتساق والتحسين المستمر في كل مرحلة من مراحل الإنتاج.

يتعاون فريق البحث والتطوير المتطور لدينا، الذي يضم 56 خبيرًا مؤهلًا تأهيلاً عاليًا، مع كبار العلماء من المؤسسات الأكاديمية، مما يمكّننا من تطوير أحدث تقنيات المناخل الجزيئية، وتقديم حلول متميزة لتنقية الهيدروجين. عندما تختار «جالون»، فأنت لا تكتفي باختيار منتج فحسب، بل تستثمر في الابتكار والجودة التي لا تضاهى، وشراكة ستدفعك نحو النجاح في صناعة الهيدروجين.

لماذا يتم النظر في هذا المسار؟

تُعد عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي الطريقة الأكثر شيوعًا وفعالية لإنتاج الهيدروجين، وذلك بفضل فعاليتها ومرونتها وتكاملها مع المنشآت القائمة. وبالمقارنة مع الطرق الأخرى، مثل التفكيك الكيميائي الحراري للماء أو التحليل الكهربائي، فإنها أرخص بكثير، مما يجعلها مناسبة لاستخدامات الهيدروجين على المدى القصير إلى المتوسط.

اليوم، يتم إنتاج معظم الهيدروجين عن طريق إعادة تشكيل الغاز الطبيعي، وذلك لأن الغاز الطبيعي رخيص الثمن ومتوفر بسهولة، خاصة في الولايات المتحدة. وقد ساهمت التطورات الحديثة في مجال احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) في تحسين هذه العملية من خلال الحد من آثارها على البيئة. ويمكن أن ينتج عن إعادة تشكيل الغاز الطبيعي هيدروجين منخفض الكربون، يُعرف أيضًا باسم «الهيدروجين الأزرق»، من خلال احتجاز انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يدعم جهود إزالة الكربون على الصعيد العالمي.

كما تتميز هذه الطريقة بمرونة كبيرة ويمكن استخدامها في كل من التطبيقات متوسطة الحجم وإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع. وتتيح هذه المرونة تلبية احتياجات صناعات متنوعة مثل قطاع النقل (خلايا الوقود والمركبات الكهربائية) والعمليات الصناعية، بما في ذلك تصنيع الأمونيا والميثانول. وعلى الرغم من النمو السريع لمصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، إلا أنها لا تتمتع بالاستقرار الكافي لتحل محل الهيدروجين المستمد من الوقود الأحفوري بشكل كامل. لذلك، يلعب إصلاح الغاز الطبيعي دورًا مهمًا كوقود انتقالي، وهو ما يمثل خطوة نحو طاقة أنظف وأكثر استدامة.

ما هي الآثار البيئية والتحديات المرتبطة بعملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي؟

ومع ذلك، فإن عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي لا تخلو من المشاكل، وهي مشاكل بيئية في المقام الأول. كما تنتج هذه العملية كمية كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، التي تنشأ أساسًا عن استخدام الميثان، وهو وقود أحفوري. وهذه الانبعاثات، إذا لم يتم احتجازها وتخزينها، تسهم بشكل مباشر في تغير المناخ، وهو ما يتعارض مع دور الهيدروجين كناقل للطاقة النظيفة.

كما أن هذه العملية تستهلك كميات كبيرة من الطاقة، حيث تتطلب حرارة عالية لتشغيل عملية إصلاح الميثان بالبخار (SMR) في درجات حرارة مرتفعة. وغالبًا ما يتم توليد هذه الطاقة عن طريق حرق المزيد من الوقود الأحفوري، مما يعني أن عملية إنتاج الهيدروجين — وهو وقود صديق للبيئة — تعتمد على عمليات كثيفة الكربون.

ومع ذلك، تتولد كميات صغيرة من أول أكسيد الكربون (CO) أثناء عملية إعادة التشكيل، وهو ما يشكل خطراً على العمال ويتطلب اتخاذ تدابير بيئية صارمة. كما أن تطبيق هذه العملية على نطاق أصغر يسبب مزيداً من أوجه القصور والمشكلات الاقتصادية، حيث إن هذه التكنولوجيا تكون أكثر فعالية عند تطبيقها على نطاق واسع.

وللتغلب على هذه المشكلات، يجري حالياً العمل على إدخال تحسينات على مفاعلات SMR ومفاعلات تحويل غاز الماء. وقد تكون إمكانيات تعزيز كفاءة أنظمة استرداد الحرارة وتحسين ظروف التفاعل من العوامل الرئيسية في هذا الصدد. إلى جانب ذلك، من الضروري زيادة استخدام تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) لالتقاط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون اللازمة لإنتاج «الهيدروجين الأزرق». وتكتسي هذه العوامل أهمية كبيرة لأنها تساعد في خفض التكلفة البيئية النسبية لعملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي.

ماذا يخبئ المستقبل لعملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي؟

يعتمد مستقبل عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي على التطور التكنولوجي والاتجاهات السائدة نحو إزالة الكربون في جميع أنحاء العالم. ومع تزايد استهلاك الهيدروجين في الأسواق الاستراتيجية مثل قطاع السيارات الكهربائية والطاقة المتجددة، ستظل عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي الطريقة الرائدة للإنتاج في المستقبل القريب. ومع ذلك، فإن استدامتها على المدى الطويل لا تزال موضع تساؤل، حيث تعتمد على الاستفادة من تقنيات احتجاز الكربون والتحول نحو تقنيات أنظف.

من المتوقع أن يُحدث الهيدروجين المتجدد — الذي يتم توليده عن طريق تحليل الماء كهربائيًّا باستخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح — تغييرًا جوهريًّا في الهيكل الحالي لإنتاج الهيدروجين وتسويقه. ويرجع ذلك إلى أنه من المتوقع أن تنخفض تكلفة تقنيات الطاقة المتجددة في المستقبل، مما قد يؤدي إلى انخفاض استخدام عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي. كما أنه من الممكن إيجاد تآزر بين مدخلات الطاقة المتجددة وأنظمة إعادة التشكيل كحل وسيط محتمل للإنتاج الضخم للهيدروجين.

ستظل الخطوات الرامية إلى زيادة كفاءة العمليات، وخفض انبعاثات الكربون، والسعي إلى استعادة الحرارة تحظى بالتقدير في القطاع الصناعي. علاوة على ذلك، ستحدد الحوافز الحكومية وتطوير البنية التحتية للهيدروجين الآفاق المستقبلية لهذه التكنولوجيا، لا سيما في الولايات المتحدة الأمريكية ودول مختلفة في أوروبا.

ورغم أن القضايا البيئية لا تزال تشكل تحديًا، فإن عملية إعادة تشكيل الغاز الطبيعي ستظل جزءًا من عملية إنتاج الهيدروجين، باعتبارها جسرًا يربط بين البنية التحتية الحالية للوقود الأحفوري واقتصاد الهيدروجين في المستقبل.