هیدروژن به عنوان سوخت در مشعل های صنعتی

در عصر حاضر انرژی یك نقش كلیدی در زندگی انسان داشته و مقدار مصرف انرژی یك 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 % كل مصرف انرژی در جهان را شامل می شود. این در حالی است كه تحقیق در خصوص منابع جایگزین انرژی همچنان وجود دارد.

سوخت های فسیلی

لازم به ذكر است كه مصرف سوخت های فسیلی سهم عمده ای در آلودگی هوا را به خود اختصاص داده است. مسئله آلودگی هوا آنقدر جدی است كه طی سی سال اخیر، بیشتر كشورها 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 پاك و منابع انرژی پاك.

شرکت دانش بنیان مخزن فولاد رافع (دابو صنعت) طراح وسازنده بویلر(بخار، آب داغ وروغن داغ)، بویلرچگالشی، پکیج های موتورخانه ای، مبدل های حرارتی، مخازن تحت فشاروتجهیزات 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.  یكی از این منابع

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

به عنوان یك 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 كشی انتقال داد. در احتراق هیدروژن شاهد هیچ یك از آلاینده های زیست محیطی نظیر مونوكسید كربن، دی اكسید كربن،

اكسیدهای گوگرد و هیدروكربن های نسوخته نخواهیم بود. اما، تنها آلاینده ای كه در طی احتراق شكل خواهد گرفت اكسیدهای هیدروژن (NOx) می باشد كه یكی از عوامل گرمایش زمین می باشد.لذا به كارگیری شیوه های كاهش آلاینده اكسیدهای نیتروژن بسیار با اهمیت می باشد.

مزایای استفاده از هیدروژن

هیدروژن دارای یك محدوده وسیع اشتعال پذیری در مقایسه با دیگر سوخت های هیدروكربنی می باشد. لذا، از آن می توان به عنوان سوخت در كاربردهایی نظیر موتورهای احتراق داخلی و مشعل بویلرها و … استفاده نمود.

همانطور كه در شكل زیر مشاهده می شود، برای شروع اشتعال، هیدروژن نیازمند به انرژی بسیار كمی است.

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

 در نتیجه اولاً، هیدروژن موجب تسهیل در یكنواخت 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، كاربرد 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 شركت تویوتا ژاپن، نخستین مشعل هیدروژن در جهان را برای كاربرد در صنعت توسعه داد.  این مشعل ها هم اکنون در خط فورجینگ  کارخانهHonsha  تویوتا در حال استفاده می باشد. مطابق شكل زیر، در مشعل های رایج با سوخت هیدروژن، هیدروژن و اكسیژن قبل از اشتعال كاملاً با یكدیگر مخلوط می شوند در نتیجه، هیدروژن با سرعت با اكسیژن هوا واكنش می دهد و منجر به شعله دما بالا و مضر برای محیط زیست به واسطه شكل گیری آلاینده اكسیدهای نیتروژن می گردد. در نتیجه، كاربرد مشعل های با سوخت هیدروژن با چالش جدی زیست محیطی مواجه می باشد.

در مشعل های جدید توسعه یافته كه دارای 2 ساختار جدید هستند هیدروژن با سرعت كمتری احتراق می یابد و در نتیجه در كنار عدم تولید آلاینده دی اكسید كربن در این مشعل ها، آلاینده اكسیدهای نیتروژن نیز كاهش چشمگیر خواهد یافت و عملكرد زیست محیطی برجسته ای نیز حاصل خواهد شد.

مطابق شكل زیر،در مشعل های توسعه یافته، هیدروژن و اكسیژن در مجاورت همدیگر جریان جریان یافته و بدون مخلوط شدن كامل مشتعل خواهند شد. در نتیجه احتراق با نرخ كندتری شكل گرفته و دمای شعله كمتری به دست خواهد آمد.

اگر مخلوط سوخت (یعنی مخلوط هیدروژن و اكسیژن) حاوی یك غلظت بالایی از اكسیژن 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 كمی از هیدروژن و اكسیژن گردیده و در پی آن، غلظت اكسیژن تا سطح بهینه 19 % برای احتراق اصلی كاهش می یابد و موجب تقلیل دمای شعله خواهد شد.

برای دست یابی به اهداف چالشی سطح صفر گاز دی اكسید كربن كه بخشی از چالش 2050 گروه تویوتا را شامل می شود، تویوتا در حال اجرای تكنولوژی های نوآورانه و فعالیت های روزانه بهبود مستمر Kaizen  می باشد. همچنین، هدف تویوتا كاربرد انرژی به دست آمده از منابع جدید نظیر هیدروژن در كارخانجات 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