سوخت هیدروژنی در مشعل های صنعتی

در عصر حاضر انرژی یک نقش کلیدی در زندگی انسان داشته و مقدار مصرف انرژی یک سنجش توسعه یافتگی جوامع قلمداد می شود. از سوی دیگر، تقاضای جهانی انرژی به واسطه افزایش جمعیت، استانداردهای زندگی و توسعه صنایع در حال افزایش می باشد. استفاده از سوخت های فسیلی به سرعت در حال افزایش بوده و حدود 90 % کل مصرف انرژی در جهان را شامل می شود. این در حالی است که تحقیق در خصوص منابع جایگزین انرژی همچنان وجود دارد.

سوخت های فسیلی

لازم به ذکر است که مصرف سوخت های فسیلی سهم عمده ای در آلودگی هوا را به خود اختصاص داده است. مسئله آلودگی هوا آنقدر جدی است که طی سی سال اخیر، بیشتر کشورها قوانین سختگیرانه در خصوص آن اتخاذ نموده اند. البته، این قوانین عصر جدیدی را در مهندسی انرژی به وجود آورده اند به عبارتی، تحقیق در مورد سیستم های احتراق پاک و منابع انرژی پاک.

شرکت دانش بنیان مخزن فولاد رافع (دابو صنعت) طراح وسازنده بویلر(بخار، آب داغ وروغن داغ)، دیگ چگالشی، پکیج های موتورخانه ای، مبدل حرارتی پوسته و لوله، مخازن تحت فشار و تجهیزات وابسته می باشد. واحد تحقیق و توسعه این شرکت همواره به دنبال راه هایی جهت کاهش مصرف انرژی و جایگزینی انرژی های نوین بوده است.

هیدروژن، منبع انرژی نوین

منابع انرژی فسیلی محدود می باشند و با سرعت زیادی رو به اتمام هستند. لذا، جهت پایداری انرژی در جهان، یافتن منابع انرژی جدید و جایگزین سوخت های فسیلی بسیار با اهمیت می باشد.  یکی از این منابع

قابل جایگزین هیدروژن می باشد. هیدروژن یک عنصر در دسترس و فراوان در زمین می باشد. هیدروژن

به عنوان یک گزینه مناسب برای جایگزینی سوخت های فسیلی، دارای انرژی ویژه بالا بر پایه جرم می باشد.

تولید هیدروژن

از طریق منابع مختلف می توان هیدروژن را تولید نمود و با اطمینان آنرا از طریق لوله کشی انتقال داد. در احتراق هیدروژن شاهد هیچ یک از آلاینده های زیست محیطی نظیر مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، اکسیدهای گوگرد و هیدروکربن های نسوخته نخواهیم بود. اما، تنها آلاینده ای که در طی احتراق شکل خواهد گرفت اکسیدهای هیدروژن (NOx) می باشد که یکی از عوامل گرمایش زمین می باشد.لذا به کارگیری شیوه های کاهش آلاینده اکسیدهای نیتروژن بسیار با اهمیت می باشد.

مزایای استفاده از سوخت هیدروژنی

هیدروژن دارای یک محدوده وسیع اشتعال پذیری در مقایسه با دیگر سوخت های هیدروکربنی می باشد. لذا، از آن می توان به عنوان سوخت در کاربردهایی نظیر موتورهای احتراق داخلی و مشعل بویلر هیدروژن سوز و … استفاده نمود.

همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود، برای شروع اشتعال، هیدروژن نیازمند به انرژی بسیار کمی است.

از طرفی هیدروژن دارای یک فاصله سرمایش دیواره کوچکی می باشد. لذا، شعله هیدروژن قادر است قبل از خاموش شدن، خیلی به دیواره های محفظه احتراق نزدیک شود. هیدروژن دارای یک درجه حرارت خوداشتعالی نسبتاً بالایی است لذا، می توان از هیدروژن در موتورهای احتراق داخلی با نسبت های تراکم بالاتر استفاده نمود. سرعت شعله هیدروژن بسیار بالاست. نفوذ پذیری هیدروژن نیز بسیار بالا می باشد.

 در نتیجه اولاً، هیدروژن موجب تسهیل در یکنواخت شدن مخلوط سوخت و هوا خواهد شد و ثانیاً، در صورت نشت هیدروژن از سیستم، به سرعت در فضای محیط پخش می شود و شرایط غیر ایمن به حداقل رسیده و یا به وجود نخواهد آمد.

نخستین مشعل هیدروژن

در سال های اخیر تحقیقات زیادی هم بصورت تجربی و هم تئوری در مورد هیدروژن از نظر تولید آن، ذخیره سازی آن، مباحث سیاست گذاری و اقتصادی، کاربرد هیدروژن در موتورها به عنوان سوخت تنها و یا به صورت افزوده به گاز طبیعی و پیل های سوختی صورت گرفته است.

در سال 2018 میلادی شرکت تویوتا ژاپن، نخستین مشعل هیدروژن در جهان را برای کاربرد در صنعت توسعه داد.  این مشعل ها هم اکنون در خط فورجینگ  کارخانهHonsha  تویوتا در حال استفاده می باشد. مطابق شکل زیر، در مشعل های رایج با سوخت هیدروژن، هیدروژن و اکسیژن قبل از اشتعال کاملاً با یکدیگر مخلوط می شوند در نتیجه، هیدروژن با سرعت با اکسیژن هوا واکنش می دهد و منجر به شعله دما بالا و مضر برای محیط زیست به واسطه شکل گیری آلاینده اکسیدهای نیتروژن می گردد. در نتیجه، کاربرد مشعل های با سوخت هیدروژن با چالش جدی زیست محیطی مواجه می باشد.

در مشعل های جدید توسعه یافته که دارای 2 ساختار جدید هستند هیدروژن با سرعت کمتری احتراق می یابد و در نتیجه در کنار عدم تولید آلاینده دی اکسید کربن در این مشعل ها، آلاینده اکسیدهای نیتروژن نیز کاهش چشمگیر خواهد یافت و عملکرد زیست محیطی برجسته ای نیز حاصل خواهد شد.

مطابق شکل زیر،در مشعل های توسعه یافته، هیدروژن و اکسیژن در مجاورت همدیگر جریان جریان یافته و بدون مخلوط شدن کامل مشتعل خواهند شد. در نتیجه احتراق با نرخ کندتری شکل گرفته و دمای شعله کمتری به دست خواهد آمد.

اگر مخلوط سوخت (یعنی مخلوط هیدروژن و اکسیژن) حاوی یک غلظت بالایی از اکسیژن در زمان اشتعال باشد، احتراق بسیار سریع رخ داده و دمای شعله بسیار بالا خواهد بود در نتیجه، جهت جلوگیری از این معضل، سوراخ های ریزی در لوله ایجاد شده اند تا هیدروژن را به مشعل ارسال نمایند. این عمل موجب پیش احتراق حجم کمی از هیدروژن و اکسیژن گردیده و در پی آن، غلظت اکسیژن تا سطح بهینه 19 % برای احتراق اصلی کاهش می یابد و موجب تقلیل دمای شعله خواهد شد.

برای دست یابی به اهداف چالشی سطح صفر گاز دی اکسید کربن که بخشی از چالش 2050 گروه تویوتا را شامل می شود، تویوتا در حال اجرای تکنولوژی های نوآورانه و فعالیت های روزانه بهبود مستمر Kaizen  می باشد. همچنین، هدف تویوتا کاربرد انرژی به دست آمده از منابع جدید نظیر هیدروژن در کارخانجات زیر مجموعه خود می باشد.

اگر نیاز به آشنایی بیشتر با محصولات شرکت مخزن فولاد رافع (دابو صنعت) دارید، می توانید از طریق لینک زیر با این محصولات آشنا شوید:

آشنایی با محصولات شرکت مخزن فولاد رافع