«الجليد القابل للاحتراق» يحوّل نفايات النفط إلى مصدر للتدفئة بانبعاثات أقل!

تقنية روسية جديدة تجمع بين معالجة المخلفات النفطية واستعادة الطاقة الحرارية، في حل قد يمنح المناطق النائية القريبة من حقول النفط والغاز نموذجاً أكثر استقلالية لإنتاج الحرارة والتخلص من النفايات.

في وقت لا تزال فيه مخلفات صناعة النفط تمثل تحدياً بيئياً وتقنياً مكلفاً، يعمل باحثون روس على تحويل جزء من هذه المشكلة إلى مصدر للطاقة. فقد طوّر فريق علمي تقنية تعتمد على حرق النفايات النفطية بالتزامن مع الغاز المستخرج من هيدرات الغاز، أو ما يُعرف إعلامياً باسم «الجليد القابل للاحتراق»، بهدف الحد من الانبعاثات الضارة والاستفادة من الحرارة الناتجة في أنظمة التدفئة.

وجاء المشروع ثمرة تعاون بين باحثين من مختبر «انتقال الحرارة» في كلية هندسة الطاقة ومعهد «كوتاتيلادزه» للفيزياء الحرارية التابع لفرع سيبيريا في الأكاديمية الروسية للعلوم، حيث انتقل العمل من النمذجة الرياضية إلى اختبار منظومة تجريبية تحاكي ظروف التشغيل الصناعية.

مشكلة بيئية تتجاوز مرحلة استخراج النفط

لا تقتصر الآثار البيئية لصناعة النفط على عمليات الاستخراج نفسها. فالإنتاج والتكرير والنقل تولّد جميعها كميات كبيرة من المخلفات والحمأة النفطية التي قد تحتوي على هيدروكربونات بترولية ومعادن ثقيلة ومركبات عضوية متطايرة.

وتتطلب معالجة هذه النفايات عادةً تقنيات مثل الحرق التقليدي أو التصلب أو المعالجة البيولوجية أو الأكسدة. ورغم قدرة هذه الأساليب على الحد من المخاطر، فإن لكل منها تحديات تتعلق بالكلفة، واحتمالات التسرب، والحاجة إلى تجهيزات متخصصة، إضافة إلى صعوبة تطبيق بعضها في المواقع الصناعية النائية.

من هنا، حاول الباحثون تطوير مقاربة تؤدي وظيفتين في آن واحد: التخلص من المخلفات النفطية بصورة أكثر كفاءة، واسترداد الطاقة الحرارية الناتجة عن العملية لاستخدامها في التدفئة.

ما هو «الجليد القابل للاحتراق»؟

هيدرات الغاز هي مواد بلورية صلبة تشبه الثلج، تتشكل عندما تحتجز جزيئات الماء جزيئات الغاز داخل بنيتها البلورية تحت ظروف معينة من الضغط ودرجات الحرارة المنخفضة.

وعند تسخين هذه الهيدرات أو خفض الضغط المحيط بها، تتحلل بنيتها وتطلق الغاز المحتجز، والذي يمكن استخدامه وقوداً قابلاً للاحتراق. ولهذا السبب شاع وصفها بـ«الجليد القابل للاحتراق».

وفي الطبيعة، توجد هيدرات الغاز في بعض رواسب قاع البحار والمناطق الباردة حيث تتوافر ظروف الضغط والحرارة المناسبة. لكن الباحثين في المشروع الروسي لا يعتمدون على الهيدرات الطبيعية، بل ينتجون هيدرات غاز اصطناعية داخل مفاعلات مخصصة.

وأوضح مهندس الأبحاث كيريل فيتالييفيتش فينوغرادسكي، من مختبر هيدرات الغاز للشباب في جامعة تومسك التقنية وأحد المشاركين في الدراسة، أن فريقه نجح في إنتاج الهيدرات على شكل مسحوق، وهو ما يمنحها مزايا لوجستية مقارنة ببعض التقنيات التي تنتجها على هيئة معلق يحتوي على كميات أكبر من الماء.

وبحسب فينوغرادسكي، يمكن نقل الهيدرات المسحوقة لمسافات طويلة عند ضغوط منخفضة نسبياً، كما تسمح الظروف المناخية الباردة في الشتاء الروسي بالاستفادة من درجات الحرارة الطبيعية المنخفضة خلال عمليات النقل والتخزين.

من النموذج الرياضي إلى غرفة الاحتراق

بدأ تطوير التقنية ببناء نموذج رياضي يتيح للباحثين دراسة مجموعة واسعة من المتغيرات المؤثرة في عملية الاحتراق، بما فيها درجة الحرارة، وزاوية اللهب، وحجم الجزيئات، ومعدلات تغذية الوقود والنفايات.

وتساعد هذه النماذج على تحديد الظروف المثلى التي تضمن احتراقاً أكثر استقراراً وكفاءة، قبل الانتقال إلى التجارب العملية.

بعد ذلك، اختُبرت التقنية باستخدام حمأة نفطية نموذجية داخل وحدة تجريبية صُممت على هيئة نظام غلاية يحاكي غلايات الماء الساخن المستخدمة صناعياً.

ويعتمد النظام على موقدين داخل غرفة الاحتراق. يُزوَّد الموقد الأول بالغاز الناتج عن تفكيك هيدرات الغاز في وحدة لإعادة التغويز، في حين تُرش النفايات النفطية عبر الموقد الثاني بزاوية تقارب 45 درجة بالنسبة إلى محور اللهب الغازي.

وعندما تدخل رذاذات المخلفات النفطية إلى منطقة اللهب، تشتعل وتحترق، بينما تنتقل الحرارة الناتجة إلى مبادل حراري لتسخين سائل التبريد المستخدم في نظام التدفئة.

وبهذه الطريقة لا تكون عملية الحرق مجرد وسيلة للتخلص من النفايات، بل تتحول إلى جزء من منظومة لاستعادة الطاقة.

نتائج تشير إلى خفض الانبعاثات وتحسين الاحتراق

أظهرت التجارب التي أجراها الفريق أن تشغيل المنظومة بكفاءة يتطلب، وفق ظروف الاختبار، تغذية تقارب 12 كيلوغراماً من الحمأة النفطية في الساعة، إلى جانب ما يصل إلى 0.5 كيلوغرام من هيدرات الغاز في الساعة.

ووفق النتائج التي أوردها الباحثون، ساهم استخدام الغاز المستخرج من الهيدرات في خفض عدد من الملوثات الناتجة عن احتراق المخلفات النفطية.

وسُجل انخفاض في تركيز أول أكسيد الكربون بنحو 11%، وثاني أكسيد الكبريت بنحو 5%، وأكاسيد النيتروجين بنحو 15% ضمن ظروف التجربة، إلى جانب زيادة كفاءة احتراق المخلفات بنحو 3%.

وتشير بيانات الفريق أيضاً إلى أن مستويات بعض الملوثات كانت أقل بعدة مرات مقارنة بطرق أخرى للتخلص من النفايات درست في إطار المقارنة. إلا أن تحويل هذه النتائج التجريبية إلى تقييم بيئي شامل على المستوى الصناعي سيظل مرتبطاً بعوامل مثل نوع المخلفات النفطية، وتصميم المنشأة، ومصدر الغاز، واستهلاك الطاقة في إنتاج الهيدرات ونقلها.

الماء والحرارة… منتجات جانبية قابلة للاستفادة

إحدى النقاط اللافتة في المشروع هي محاولة الباحثين الاستفادة من أكبر قدر ممكن من مخرجات العملية بدلاً من التعامل معها كنفايات جديدة.

فبحسب الفريق، يمكن أن ينتج عن معالجة المخلفات النفطية مع الغاز المستخرج من الهيدرات ماء يمكن، بعد استيفاء متطلبات المعالجة والجودة المناسبة، توجيهه إلى بعض الاستخدامات المنزلية أو الصناعية.

لكن القيمة الأهم تكمن في الطاقة الحرارية الناتجة عن الاحتراق.

فقد وضع الباحثون ثلاثة نماذج تقنية لاستخدام هذه الحرارة في تدفئة تجمعات سكانية تقع في مناطق شديدة البرودة، قد تنخفض فيها درجات الحرارة إلى نحو 30 درجة مئوية تحت الصفر.

وصُممت السيناريوهات لتلبية احتياجات تجمعات يبلغ عدد سكانها نحو 150 و700 و2500 نسمة، ما يفتح الباب أمام تطبيقات محتملة في البلدات والمنشآت الصناعية النائية.

لماذا تهم هذه التقنية المناطق النفطية النائية؟

تكتسب الفكرة أهمية خاصة في المناطق التي تقع بالقرب من حقول النفط والغاز وبعيداً عن شبكات الطاقة والبنية التحتية المركزية.

فمثل هذه المواقع تواجه في كثير من الأحيان مشكلتين متزامنتين: الحاجة إلى التخلص من المخلفات النفطية محلياً، والحاجة إلى توفير مصدر مستقر للتدفئة في بيئات شديدة البرودة.

وإذا أثبتت التقنية قدرتها على العمل بكفاءة وأمان على نطاق أوسع، فقد يصبح بالإمكان دمج الوظيفتين داخل منظومة واحدة؛ إذ تُعالج النفايات في الموقع، فيما تستخدم الحرارة الناتجة لتدفئة المنشآت أو التجمعات السكانية القريبة.

وهذا النموذج يقترب من مفهوم الدورة الإنتاجية المغلقة، التي تسعى إلى تقليل الفاقد وإعادة استخدام الطاقة والمواد قدر الإمكان بدلاً من التخلص منها.

تقنية واعدة… لكنها تحتاج إلى اختبار صناعي أوسع

رغم النتائج المشجعة، لا تزال التقنية في مرحلتها التجريبية، ويختلف نجاح الاختبارات المخبرية أو شبه الصناعية عن إثبات الجدوى التجارية والبيئية لمنظومة تعمل بصورة مستمرة وعلى نطاق واسع.

فالتقييم النهائي لأي تطبيق مستقبلي سيحتاج إلى احتساب دورة الحياة الكاملة للعملية، بما يشمل الطاقة المطلوبة لإنتاج هيدرات الغاز وتخزينها ونقلها، وكلفة المنشآت، ومعالجة غازات الاحتراق والمياه الناتجة، إضافة إلى اختبار أنواع مختلفة من المخلفات النفطية.

كما سيكون من الضروري مقارنة التقنية ليس فقط بالحرق التقليدي، بل أيضاً بأحدث تقنيات استعادة الهيدروكربونات ومعالجة الحمأة النفطية وإعادة التدوير.

ومع ذلك، يقدم المشروع تصوراً مختلفاً للتعامل مع أحد أكثر مخلفات قطاع الطاقة تعقيداً: فبدلاً من النظر إلى النفايات النفطية باعتبارها عبئاً يجب التخلص منه فحسب، يحاول الباحثون إدخالها ضمن منظومة تستعيد جزءاً من طاقتها وتستخدمه لتوفير الحرارة.

وفي المناطق النائية والباردة تحديداً، قد يكون هذا الدمج بين معالجة النفايات وإنتاج الطاقة محلياً هو الجانب الأكثر أهمية في التقنية، وربما العامل الذي يحدد قدرتها على الانتقال مستقبلاً من المختبر إلى التطبيقات الصناعية الفعلية.