"التغويز" تقنية لتحويل المتبقيات الزراعية الصلبة إلى وقود غازى

أكد الدكتور ناصر مصطفى العشماوى رئيس بحوث متفرغ بمعهد بحوث الهندسة الزراعية أن تقنية التغويز ليست بالجديدة، فقد بدأت فى القرن التاسع عشر فى انجلترا، من خلال الأفران التى استخدمت فى حرق الفحم لصهر الحديد، استخدمت عملية التغويز فى أثناء الحرب العالمية الثانية بكثرة فى أوروبا وآسيا، لتوفير الوقود اللازم للسيارات وعربات النقل الثقيل والجرارات الزراعية، ولكن بعد توافر إمدادات البترول ومشتقاته، فقد حل الوقود السائل محل الوقود الغازى، لسهولة تداوله وتوافره بصورة أسهل، وفى عالمنا اليوم، يجب أن نقلل من اعتمادنا على البترول، ونزيد من استخدام الوقود الغازى، ومن بدء تلك الخطوة باستخدام البقايا الصلبة للمحاصيل الزراعية، يمكننا تشغيل الآلات فى المزارع ومصانع المنتجات الزراعية، هذا الغاز يسمى غاز الخشب wood gas أو غاز المولدات generator gas أو غاز المصsuction gas
1 - ما هى عملية التغويز؟ GASSIFICATION
عملية التغويز هى العملية التى يتحول من خلالها الوقود الصلب (كالبقايا الزراعية) إلى غازات ذات قيمة حرارية وقابلة للاشتعال، وتتضمن عملية التحويل هذه، احتراق الوقود الصلب فى وسط متحكم فيه، بطريقة تحد من كمية الأكسجين المتوافر، أى أن عملية الاحتراق تتم فى عدم وفرة من الأكسجين، ومن الناحية الكيميائية فإن عملية التغويز هى تفاعل أكسدة واختزال(Oxidation-reduction reaction)
الهدف من عملية التغويز (Gasification) هو تحويل أكبر جزء ممكن من الطاقة المخزونة فى الوقود الصلب إلى الحالة الغازية، وبأقل قدر ممكن من الشوائب، وبصورة عامة فقد وجد أن نحو 70% من طاقة الوقود الصلب، يمكن تحويلها إلى غازات ذات قيمة حرارية وقابلة للاشتعال.
2 - ما هى خصائص هذا الغاز؟
غاز المولدات (producer gas) يتميز بكونه غازاً نظيفاً لا لون له، ويمكن استخدامه فى عمليات التسخين المختلفة، وتشغيل المحركات محل الغاز الطبيعى أو البنزين أو السولار، والمكونات الكيميائية التقليدية لهذا الغاز هى الهيدروجين (H2) ويشغل نسبة من 13 15 %، أول أكسيد الكربون (CO) ويشغل نسبة من 18 25 %، وثانى أكسيد الكربون (CO2) ويشغل نسبة من 5 10 %، وغاز الميثان CH4 ويشغل 3 5 %، والنيتروجين ((N2 ويشغل نسبة من 45 54 %، وتبعاً لعملية التغويز ذاتها ونوع الوقود الصلب المستخدم، يمكن أن يحتوى الغاز على كميات مختلفة من القطران (Tars) والسخان (soot) والرطوبة (moisture) والرماد (ash)، وكل ذلك يجب إزالته عند استخدام الغاز كوقود للمحركات، وذلك لتفادى حدوث أضرار للمحركات، أما إذا استخدم الغاز فى عمليات التسخين، فإن عملية إزالة تلك المكونات أو عملية التنظيف تصبح غير ضرورية.
والقيمة الحرارية لغاز المولدات فى حدود من 5 إلى 8 ميجا جول / متر مكعب، ويجب استخدام الغاز فى مكان توليده نظراً لانخفاض القيمة الحرارية له، وصعوبة تسييله تحت الظروف العادية، فلن يمكن عملياً تخزينه.
3 - ما هو نوع الوقود الصلب الممكن تحويله إلى غاز؟
بصورة عامة أى وقود صلب يحتوى على الكربون (Carbonaceous Solid Fuel) مثل الخشب، الفحم النباتى، الفحم، قش النباتات ومنها قش الأرز، وأعواد الذرة، وحطب القطن، وروث الحيوانات، وبقايا عالج القطن وقشرة بذرة القطن، والحبوب، وأى مواد نباتية يمكن تحويلها إلى غاز باستخدام تقنية التغويز، والمحتوى الرطوبى للوقود الصلب يجب أن تكون أقل من 50 %، ويفضل محتوى رطوبى يتراوح من 10 20 %،
4 - ماهى أنواع مفعلات التغويز؟
تصميم وحدات التغويز أو وحدات إنتاج الغاز، تختلف وتتباين للطريقة التى يتم فيها دخول الهواء اللازم للاشتعال، واتجاه سريان الغاز خلال المفاعل بالنسبة لاتجاه سريان الوقود، وهناك أربعة أنواع من وحدات التغويز كالتالى:
4 - 1- وحدة التغويزات السريان الصاعد Updraft gasifier
تكون فتحة دخول الهواء فى هذا النوع من وحدات التغويز قرب قاعدة الوحدة، حيث يتم الاشتعال وينتج الغاز، ويترك الغاز وحدة التغويز بالمرور إلى أعلى على وتد الوقود ليخرج من فتحة قرب قمة الوحدة.
4-2 - وحدة التغويز ذات السريان المتعامد Cross-draft gasifier
يدخل الهواء إلى تلك الوحدة من فتحة على ارتفاع مستوى منخفض وبسيط من أحد جوانب الوحدة، ويخرج من الجانب المقابل أو المعاكس عند نفس المستوى، وتتم تغذية الوقود من أعلى الوحدة، كما فى وحدة السحب الصاعد، ولكن الغاز هنا لا يسرى خلال منظقة الانحلال (Pyrolsis zone) وتلك الوحدة تنتج غازاً ذا جودة مرتفعة يصلح للاستخدام فى المحركات.
4-3 - وحدات التغويز ذات المرقد المتحرك (Fluidized-bed gasifiers)
وتلك وحدة تم تطويرها حديثاً، وتستخدم مع أنواع عديدة من الوقود، يحدث الاحتراق وإنتاج الغاز (التغويز) فى هذه الوحدة فى مرقد من الرمل الساخن، والتى يتم تقليبها بواسطة تيار صاعد من الهواء بطريقة متحكم فيها، للمحافظة على درجة حرارة منتظمة للرمل، يجب تسخين الرمل قبل أن تبدأ عملية الاحتراق، ولكن ولأن الرمل يظل ساخناً لفترات طويلة، فإن عملية الاحتراق تبدأ بسرعة بعد إيقاف عملية التسخين الأولى، وتتم تغذية الوقود إلى مرقد الرمل فى حبيبات صغيرة تحمل مع الهواء الصاعد، ويتم الاشتعال والانحلال فى مرقد الرمل الساخن، وعادة يحتوى الغاز الناتج على رماد، ولهذا فهو يناسب الاستخدامات لعمليات التسخين، كما أن بعض الوحدات قد تحتوى على وحدات فصل وفلاتر تنقية، وذلك لتنقية الغاز لاستخدامه فى المحركات.
4-4 - وحدات التغويز ذات التيار أو السحب الهابط Down-draft gasifier
وهى تعتبر من أفضل الوحدات لإنتاج غاز ذى جودة عالية، لاستخدامه فى المحركات، فى هذا التصميم يدخل الوقود من قمة الوحدة، أما الهواء يتغذى من خلال رشاشات (nozzles) أو ممرات (tuners) مباشرة أعلى منطقة الاشتعال (Combustion zone)، ويدفع الغاز الناتج فى منطقة الاشتعال، يمر خلال مرقد من الفحم النباتى الساخن أسفل العنق الضيق للوحدة، وبسبب ارتفاع درجة الحرارة فى تلك المنطقة، فإن معظم القطران يتحلل ويتحول إلى غازات قابلة للاحتراق، ويخرج الغاز من فتحة داخلية بعد مروره إلى أسفل على الفحم النباتى، وعندما يستهلك الفحم النباتى فإن الرماد يتساقط خلال الشبكة (Grate) إلى قاعدة الوحدة، وحدات التغويز ذات السحب الهابط استخدمت بكثرة مع بلوكات صغيرة من الخشب كوقود لتوليد غاز للآلات المتحركة.
5 - كيف يستخدم الغاز؟
يستخدم الغاز الناتج من عملية التغويز إما بالحرق المباشر أو كوقود للمحركات.
5-1- الحرق المباشر للغاز Direct Combustion
حرق غاز المولدات الناتج من حرق الخشب وكوالح الذرة، أو أى وقود آخر يعطى عملية احتراق أنظف من الحرق المباشر للوقود الصلب ذاته، حتى ولو احتوى الغاز على قطران، فإنه لا يزال غاز احتراق نظيفاً جداً.
5-2 - استخدام الغاز كوقود للمحركات:
رغم أن غاز المولدات استخدم ولسنوات طويلة كوقود للمحركات، فإن استخدامه أساساً كوقود إحتياطى للظروف الطارئة فقط، وذلك بسبب الوفرة والسعر المناسب من الوقود، سواء من خلال أنابيب الغاز أو وقود البترول، ويمكن استخدام الغاز فى محركات الاشتعال بالشرارة (SI) أو فى محركات الديزل DI بدون أى تعديلات أساسية، وهذا يجعل إمكانية تشغيل تلك المحركات على الوقود السائل رغم أنها صممت لتعمل على غاز المولدات.
وللمحافظة على المحركات وتفادى تلفها، يجب إزالة القطران والرماد من الغاز، جهاز فصل (سيكلون فصل) يفصل الحبيبات كبيرة الحجم من تيار الغاز، بينما يقول فلتر يعمل على درجات الحرارة الالية باكتمال عملية تنقية الغاز من الحبيات الباقية – كما تضاف وحدة لتبريد الغاز.
6– دور معهد بحوث الهندسة الزراعية فى تطوير تقنية التغويز:
يقوم الباحثون بمعهد بحوث الهندسة الزراعية بدور كبير فى تطوير تقنية التغويز، حيث قام فريق بحثى بمحطة أبحاث واختبار الجرارات والآلات الزراعية بالإسكندرية التابعة للمعهد بتصنيع وحدة تغويز، كما يقوم الفريق على تطوير الوحدة لرفع كفاءتها بتصميم مغذى مستمر، واستخدام وتطوير وحدات نقية للغاز أعلى كفاءة وأقل تكلفة، وأيضاً على رفع القيمة الحرارية للغاز الناتج.