تُنتج عملية تغويز الفحم خليطًا غازيًا معقدًا قد يتغير تركيبه بتغير ظروف التشغيل. بالنسبة للمحطات التي تحتاج إلى بيانات موثوقة عن غاز الميثان (CH₄)، يمكن لمستشعر الميثان الليزري توفير قياس سريع وانتقائي عندما يتوافق النظام البصري ونظام أخذ العينات مع العملية.
A مستشعر الميثان بالليزر يعتمد هذا الجهاز على مطيافية امتصاص ليزر الصمام الثنائي القابل للضبط (TDLAS) لقياس غاز الميثان (CH₄) من خلال امتصاصه المميز. وفي عملية تغويز الفحم، يوفر هذا الجهاز مراقبة سريعة وانتقائية لغاز الميثان كجزء من محلل غاز التخليق المصمم خصيصًا لهذه العملية.
مع ذلك، فإن دقة قياس غاز الميثان تعتمد على عوامل أخرى غير المستشعر نفسه. فتركيب الغاز، ودرجة الحرارة، والضغط، والرطوبة، والغبار، وطريقة أخذ العينات، والمعايرة، وموقع القياس، كلها تؤثر على النتيجة النهائية. لذا، يجب مراعاة كل من جهاز تحليل الغاز التخليقي وظروف العملية معًا.
ما هو الغاز التخليقي؟ لماذا يُعد قياس غاز الميثان (CH₄) مهمًا في عملية تغويز الفحم؟
الغاز التخليقي هو الغاز الناتج عن تفاعل مادة أولية تحتوي على الكربون في ظل ظروف تغويز مضبوطة. تغويز الفحم، وتشمل المكونات الرئيسية عادةً H₂ و CO و CO₂ و CH₄ و H₂O، على الرغم من أن التركيب الفعلي يعتمد على الفحم وتصميم المفاعل الغازي ودرجة حرارة التشغيل والضغط وعامل التغويز.
لا يُعدّ الميثان (CH₄) عادةً المكوّن الرئيسي للغاز التخليقي. ومع ذلك، يُمكن أن يُساعد قياس الميثان المهندسين على فهم التغيرات في تركيب الغاز التخليقي وعملية التغويز. على سبيل المثال، يُمكن تقييم بيانات الميثان جنبًا إلى جنب مع أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) والهيدروجين (H₂) لتحديد التغيرات في عملية التغويز. أثناء بدء التشغيل، أو تغيرات الحمل، أو ظروف التشغيل غير الطبيعية، يُمكن أن تُوفّر بيانات تركيب الغاز المستمرة معلومات قد لا تُوفّرها عينة واحدة من المختبر.
علاوة على ذلك، يقلل تحليل الغازات عبر الإنترنت من التأخير بين تغيير العملية وتوفر البيانات التحليلية. وهذا أمر بالغ الأهمية عندما يحتاج المشغلون إلى تعديل ظروف التشغيل بسرعة. لذا، تبدو استراتيجية التحليل العملية كما يلي:
الفحم ← المُغَيِّر الغازي ← الغاز التخليقي ← قياس CH₄/CO/CO₂/H₂ ← تقييم العملية ← إجراءات التحكم
كيف يقيس مستشعر الميثان بالليزر غاز الميثان (CH₄)؟
مستشعر ليزري للميثان يعتمد على TDLAS يستخدم هذا الجهاز ليزرًا ضيق النطاق لاستهداف خاصية امتصاص مرتبطة بغاز الميثان. فعندما يمر الليزر عبر غاز يحتوي على الميثان، يمتص الميثان جزءًا من طاقة الليزر عند أطوال موجية محددة. ويقوم محلل الغاز برصد التغير في شدة الضوء، ويستخدم إشارة الامتصاص لحساب تركيز الميثان.
تخضع العلاقة الأساسية للقياس لقانون بير-لامبرت. يعتمد الامتصاص المقاس على عوامل تشمل تركيز الغاز، وطول المسار البصري، والضغط، ودرجة الحرارة، وقوة وشكل خط الامتصاص المحدد. بعبارة أخرى:
الليزر ← امتصاص CH₄ ← الإشارة الضوئية ← معالجة الإشارة ← تركيز CH₄
يعمل جهاز TDLAS لأن الجزيئات لها خصائص امتصاص مميزة. باختيار خط امتصاص الميثان المناسب، يمكن للمحلل التركيز على CH₄ بدلاً من قياس استجابة الأشعة تحت الحمراء الواسعة.
ما الذي يجعل قياس CH₄ صعباً في غاز تغويز الفحم?
قد يكون مبدأ القياس بسيطاً، لكن غاز العملية ليس كذلك.
قد يحتوي الغاز التخليقي المشتق من الفحم على عدة غازات بتراكيز متفاوتة للغاية. كما قد يحتوي على رطوبة وغبار ومركبات أخرى. في الوقت نفسه، قد تتغير درجة الحرارة والضغط أثناء التشغيل. وتخلق هذه الظروف العديد من التحديات العملية.
درجة الحرارة والضغط
يمكن أن تؤثر درجة الحرارة والضغط على شكل وشدة خطوط الامتصاص الجزيئي. ونتيجة لذلك، قد يحتاج نظام TDLAS إلى تعويض درجة الحرارة والضغط أو ظروف قياس مضبوطة. وقد ركزت الأبحاث الحديثة في مجال TDLAS للميثان تحديدًا على طرق تصحيح تغيرات درجة الحرارة والضغط، نظرًا لتأثير كليهما على دقة القياس.
رطوبة
يمكن أن يؤثر بخار الماء على النفاذية الضوئية، وقد يتداخل مع خصائص الامتصاص المجاورة، وذلك بحسب نطاق الطول الموجي المُختار. وقد أظهرت الأبحاث التي أُجريت على قياسات امتصاص الليزر ثنائي الطاقة (TDLAS) للميثان أن الرطوبة قد تؤثر على شدة الإشارة التي يستقبلها الكاشف الضوئي، حتى عندما تظل إشارة امتصاص الميثان نفسها مستقرة نسبيًا في ظل الظروف المختبرة. لذا، ينبغي على المهندسين تقييم مستوى الرطوبة قبل اختيار المسار البصري وتكوين أخذ العينات.
غبار
يُعدّ الغبار مشكلة عملية أخرى. إذ قد تحتوي تيارات تغويز الفحم على جزيئات تُشتّت ضوء الليزر أو تُضعفه. ويمكن أن يؤدي ارتفاع تركيز الجزيئات إلى تقليل الإشارة الضوئية المنقولة، ما يُصعّب التحليل الطيفي.
ركزت الأبحاث الحديثة بشكل خاص على دراسة تداخل الجسيمات في مستشعرات الميثان بتقنية امتصاص الليزر الزمني (TDLAS)، ووجدت أن الجسيمات قد تساهم في التوهين البصري وخطأ القياس. وبناءً على ذلك، ينبغي أن يراعي تصميم محلل الغاز ما يلي:
تراكم الغبار ← تصميم المسبار/المرشح ← الحماية البصرية ← فترة الصيانة
وهذا أحد الأسباب التي تجعل نظام أخذ العينات لا ينبغي اعتباره ملحقًا يتم إضافته بعد اختيار محلل الغاز.
أين ينبغي تركيب جهاز تحليل الغاز التخليقي لتغويز الفحم؟
تعتمد نقطة القياس الصحيحة على ما يحتاج النبات إلى معرفته.
تشمل المواقع المحتملة ما يلي:
- مخرج جهاز تحويل الغاز
- خط أنابيب الغاز التخليقي الخام
- قسم تبريد الغاز
- قسم تنقية الغاز
- خط غاز التخليق المُكيَّف
- خط غاز الوقود
- معدات المعالجة النهائية
إذا كان الهدف هو فهم عملية التغويز نفسها، فقد توفر نقطة قياس قريبة من جهاز التغويز معلومات أكثر مباشرة عن العملية. ومع ذلك، قد يعرض هذا الموقع أيضًا محلل الغاز أو مسبار أخذ العينات لدرجات حرارة أعلى، وغبار، وضغط، ورطوبة.
بدلاً من ذلك، قد يوفر موقع في اتجاه مجرى الغاز غازًا أنظف، ولكنه قد يؤدي إلى تأخير العملية أو تغيير تركيبة الغاز من خلال التبريد أو التنظيف أو المعالجة الكيميائية. لذلك، ينبغي على المهندسين الإجابة على ثلاثة أسئلة قبل اختيار نقطة التركيب:
- ما هو قرار العملية الذي سيدعمه قياس CH₄؟
- هل توفر النقطة المختارة غازًا تمثيليًا؟
- هل يمكن لنظام التحليل أن يعمل بشكل موثوق في ظل هذه الظروف؟
هذا النهج أكثر فائدة من اختيار نقطة التثبيت بناءً على سهولة الوصول فقط.
هل تقنية TDLAS أفضل من تقنية NDIR لقياس غاز الميثان في غاز الفحم؟
ليس في كل التطبيقات. يستخدم كل من TDLAS وNDIR أساليب قياس مختلفة، ويمكن أن يكون كل منهما مناسبًا في ظل ظروف تشغيل مختلفة.
| عامل الاختيار | TDLAS | NDIR |
|---|---|---|
| مبدأ القياس | امتصاص الليزر ذي النطاق الضيق | امتصاص الأشعة تحت الحمراء واسع النطاق/القائم على المرشح |
| قياس CH₄ | نعم | نعم |
| الانتقائية الطيفية | مرتفع عند تحديد السطر المناسب | يعتمد ذلك على التكوين البصري |
| قياس الغازات المتعددة | يعتمد على التكوين | يعتمد على التكوين |
| استجابة | يمكن أن تكون سريعة جدًا | سريع عموما |
| مصفوفة الغاز | يتطلب ذلك اختيارًا طيفيًا مناسبًا | يتطلب ترشيحًا بصريًا مناسبًا |
| أخذ العينات | التكوينات المتاحة: التكوينات الموضعية أو الاستخراجية | استخراجية شائعة |
| ملاءمة التطبيق | قياس الغاز المستهدف | تحليل الأشعة تحت الحمراء الفعال من حيث التكلفة |
يعتمد الخيار الأمثل على التركيب الفعلي للغاز، ونطاق تركيزه، وموقع القياس، ومتطلبات الاستجابة، وميزانية النظام. لذا، ينبغي على المشتري تجنب اختيار جهاز تحليل الغاز بناءً على كلمة "ليزر" فقط. فالنظام التحليلي المتكامل أهم من مجرد المسمى التقني.
كيف تقوم شركة ESEGAS بتصميم محلل الغاز التخليقي لتغويز الفحم؟
تتعامل شركة ESEGAS مع محلل الغاز كنظام قياس، بدلاً من التعامل مع مستشعر CH₄ كمكون معزول. وتتمثل التقنية ذات الصلة في وحدة غاز ESE-LASER-100M TDLيستخدم هذا الجهاز تقنية امتصاص الليزر القابل للضبط (TDLAS) لقياس غازات مختارة تشمل الميثان (CH₄)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، والأكسجين (O₂)، وكبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والأمونيا (NH₃)، وكلوريد الهيدروجين (HCl)، وفلوريد الهيدروجين (HF). وتصف شركة ESEGAS هذه الوحدة بأنها منصة تحليل غازات بصرية مدمجة لتطبيقات العمليات الصناعية والانبعاثات.
بالنسبة لتطبيق تحويل الفحم إلى غاز، يجب أن تتبع عملية التصميم هذا التسلسل:
1. تحديد تركيب الغاز
ابدأ بغاز الميثان (CH₄) والغازات الخلفية المتوقعة. يحتاج الفريق إلى مصفوفة الغازات الفعلية لأن اختيار الطيف وتكوين النظام يعتمدان على الغازات الموجودة.
2. حدد نطاق CH₄
حدد التركيزات العادية والدنيا والقصوى. تجنب تحديد نطاق قبل توفر بيانات العملية.
3. تقييم درجة الحرارة والضغط
حدد ما إذا كان بإمكان جهاز التحليل استقبال العينة مباشرة أم أن الغاز يحتاج إلى معالجة.
4. تقييم الرطوبة والغبار
تحقق من مخاطر التكثيف وحمل الجسيمات قبل اختيار المرشحات أو الأنابيب الساخنة أو مكونات تهيئة العينات الأخرى.
5. اختر القياس في الموقع أو القياس الاستخراجي
ينبغي أن يعكس الاختيار ظروف العملية ووقت الاستجابة المطلوب.
6. دمج محلل الغاز مع نظام التحكم في المصنع
قد يحتاج النظام النهائي إلى التواصل مع وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، أو نظام تحكم موزع (DCS)، أو نظام تحكم في العمليات، أو بنية تحتية أخرى للمصنع.
7. تعريف المعايرة والصيانة
ينبغي أن تتضمن مواصفات المحلل العملي إمكانية الوصول إلى المعايرة، وصيانة المرشحات، وفحص نظام أخذ العينات، وفحوصات المسار البصري عند الاقتضاء.
يُنشئ هذا النهج العلاقة الكاملة:
ESEGAS → TDLAS → CH₄ → الغاز التخليقي → تغويز الفحم → مراقبة العملية → نظام محلل الغاز
إن هذه العلاقة أكثر أهمية من مجرد القول بأن شركة ESEGAS تزود "جهاز استشعار CH₄".
ما الذي يجب على المشترين مراعاته قبل اختيار جهاز تحليل الغاز التخليقي لتغويز الفحم؟
قبل طلب عرض أسعار، يجب على المهندسين وفرق المشتريات إعداد مواصفات تطبيق واضحة.
غاز
- ما هي الغازات التي تحتاج إلى قياس؟
- ما هو نطاق CH₄؟
- ما هي الغازات الخلفية المتوقعة؟
- هل للماء أهمية؟
- هل توجد غازات أكالة؟
طريقة عملنا
- أين تقع نقطة القياس؟
- ما هي درجة حرارة الغاز؟
- ما هو ضغط الغاز؟
- ما مقدار الغبار الموجود؟
- ما مدى سرعة تغير تركيب الغاز؟
غاز محلل
- ما هي تقنية القياس المناسبة؟
- ما هي الدقة المطلوبة؟
- ما هو وقت الاستجابة المطلوب؟
- هل يُفضّل القياس في الموقع أم القياس الاستخراجي؟
- ما هي طريقة المعايرة المطلوبة؟
- هل يلزم تكييف الغاز؟
- ما هو طول خط أخذ العينات؟
- ما هي إمكانيات الوصول المتاحة للصيانة؟
- ما هي واجهة الاتصال المطلوبة؟
- هل يحتاج النظام إلى تكامل مع وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو نظام تحكم موزع (DCS)؟
مشاريع جديدة
- تكلفة المعدات الأولية
- تكلفة نظام أخذ العينات
- تكلفة التثبيت
- متطلبات المعايرة
- المواد الاستهلاكية
- أعمال الصيانة
- عمر الخدمة المتوقع
- التكلفة الإجمالية للملكية
ليس بالضرورة أن يكون جهاز تحليل الغاز الأرخص هو الحل الأقل تكلفة. فالنظام الذي يتطلب استبدال المرشحات بشكل متكرر، أو يعاني من التكثيف، أو ينتج بيانات بطيئة وغير مستقرة، قد يكلف أكثر على مدار فترة تشغيله.
ما هي أكثر مشاكل قياس غاز الميثان شيوعًا في عملية تغويز الفحم؟
يمكن تلخيص إطار عمل عملي لحل المشكلات على النحو التالي:
| المشكلة | سبب محتمل | فحص هندسي |
|---|---|---|
| قراءة CH₄ غير مستقرة | تغيرات في تركيب الغاز أو الضغط | تحقق من شروط العملية |
| رد بطيء | خط أخذ عينات طويل أو تدفق منخفض | تحقق من وقت النقل وسير العمل |
| إشارة ضعيفة | تلوث بالغبار أو البصريات | افحص المسار البصري/المرشح |
| انحراف المعايرة | انحراف درجة الحرارة أو الضغط أو المحلل | تحقق من التعويض والمعايرة |
| تكاثف | درجة حرارة العينة أقل من نقطة الندى | افحص خط التسخين ونظام التكييف |
| قيمة CH₄ غير متوقعة | نقطة أخذ العينات غير ممثلة | موقع قياس المراجعة |
| ضعف التكرار | ظروف أخذ العينات غير المتسقة | تحقق من التدفق والضغط والرطوبة |
يُعد هذا النوع من معلومات استكشاف الأخطاء وإصلاحها مفيدًا بشكل خاص لمهندسي المصانع لأنه يربط بين الأعراض التحليلية والإجراءات الهندسية العملية.
خاتمة
يُمكن لمستشعر الميثان الليزري توفير قياس سريع وانتقائي لغاز الميثان (CH₄) في تطبيقات غاز الفحم، وذلك عند توافق التقنية البصرية ونظام أخذ العينات وظروف التشغيل بشكل مناسب. أما بالنسبة لمحلل الغاز التخليقي المستخدم في تغويز الفحم، فيمكن لشركة ESEGAS تهيئة القياسات القائمة على تقنية TDLAS بما يتناسب مع تركيب الغاز ونطاقه وظروف أخذ العينات ومتطلبات تكامل المحطة.
الأسئلة الشائعة:
كيف يتم قياس الميثان (CH₄) في غاز الفحم؟
يمكن قياس غاز الميثان (CH₄) باستخدام تقنيات تحليلية مثل TDLAS وNDIR وFTIR وغيرها. يقوم مستشعر الميثان الليزري بتقنية TDLAS بتحديد خاصية امتصاص معينة لغاز الميثان وحساب تركيزه من خلال قياس الامتصاص الضوئي.
كيف يعمل جهاز استشعار الميثان بالليزر؟
يقوم مستشعر الميثان الليزري بضبط ليزر أشباه الموصلات عبر خط امتصاص CH₄ محدد. يمتص الميثان جزءًا من طاقة الليزر، ويقوم المحلل بمعالجة الإشارة الناتجة لتحديد تركيز CH₄ وفقًا لنموذج القياس البصري.
لماذا نستخدم تقنية TDLAS لقياس CH₄؟
يمكن لتقنية امتصاص الليزر ثنائي الأبعاد (TDLAS) أن توفر انتقائية طيفية عالية واستجابة سريعة عند تصميم خط الامتصاص والمسار البصري وطريقة التعويض وظروف أخذ العينات بشكل مناسب. ولذلك، يمكن أن تكون مفيدة لقياس غاز الميثان الصناعي في الوقت الفعلي.
ما الذي يؤثر على دقة مستشعر الليزر CH₄؟
تؤثر عوامل عديدة على أداء القياس، منها درجة الحرارة، والضغط، والرطوبة، والغبار، وظروف المسار البصري، والتداخل الطيفي، والمعايرة، ونقل العينة. وتؤكد الأبحاث الحديثة أهمية تعويض درجة الحرارة والضغط للحفاظ على دقة قياس الميثان بتقنية امتصاص الليزر ثنائي الطاقة (TDLAS).
هل يمكن لتقنية TDLAS قياس CH₄ بشكل مستمر في الغاز التخليقي؟
نعم. يدعم نظام TDLAS قياس غاز الميثان (CH₄) بشكل مستمر عندما يتوافق تكوين المحلل مع تركيبة الغاز وظروف العملية. قد يستخدم النظام النهائي مسارًا بصريًا في الموقع أو نظام أخذ عينات استخلاصي.
ما هي الغازات التي يجب قياسها باستخدام CH₄ في غاز التخليق؟
تعتمد قائمة الغازات المطلوبة على هدف العملية. تشمل المعايير الشائعة CH₄ و CO و CO₂ و H₂ و H₂O. قد يكون الأكسجين وكبريتيد الهيدروجين مطلوبين أيضًا لتطبيقات محددة في العمليات أو السلامة.
أي شركة تقدم حلولاً لأجهزة تحليل غاز CH₄ TDLAS؟
تُقدّم العديد من الشركات المصنّعة لأجهزة تحليل الغازات الصناعية حلولاً لتحليل غاز الميثان تعتمد على تقنية TDLAS. وتُوفّر شركة ESEGAS وحدة تحليل الغازات ESE-LASER-100M TDL لتحليل غازات مُحدّدة، بما في ذلك غاز الميثان (CH₄)، حيث يعتمد التكوين النهائي للجهاز على متطلبات التطبيق.
