Experimental investigation and engineering numerical modeling of forced oxidation ignition for deep drilling-based underground coal gasification

في أعماق ما تحت سطح الأرض، تظل طبقات شاسعة من الفحم دون مساس، محبوسة في عروق عميقة جداً أو خطيرة للغاية على التعدين التقليدي. ولعقود من الزمن، سعى المهندسون لإيجاد وسيلة لاستغلال هذه الطاقة دون حفر حفرة واحدة إلى السطح. والحل الذي يتصورونه هو "تغويز الفحم تحت الأرض"، وهي عملية تحول الفحم نفسه إلى غاز قابل للاحتراق في مكانه تماماً. تخيل حفر زوج من الآبار في عرق فحم عميق، وضخ الأكسجين في أحدهما، وإشعال الفحم. ومع احتراق النار، تتحول الصخور الصلبة إلى خليط من الغازات التي يمكن سحبها عبر البئر الآخر لتشغيل التوربينات أو تدفئة المنازل. ومع ذلك، فإن بدء هذه النار تحت الأرض أمر صعب للغاية؛ فالفحم غالباً ما يكون رطباً وبارداً ومدفوناً تحت ضغط هائل، مما يجعله عصياً على الاشتعال. وإذا فشل الاشتعال، يتوقف العمل بأكمله، مما يؤدي إلى هدر الوقت والموارد. إن جعل هذه الشرارة الأولى تشتعل وتنمو لتصبح احتراقاً ذاتي الاستدامة هو العقبة الحاسمة التي تحدد ما إذا كانت هذه التكنولوجيا ستصبح مصدراً موثوقاً للطاقة أم لا.

لقد شرع فريق من الباحثين في حل هذه المشكلة تحديداً لنوع من الفحم يُعرف بالفحم البيثوميني (bituminous)، وهو متوفر بكثرة في التكوينات الجيولوجية العميقة. وركزوا على طريقة تسمى "الاشتعال بالأكسدة القسرية"، حيث يتم حقن الأكسجين النقي الساخن مباشرة في الفحم لبدء التفاعل. وبدلاً من الاعتماد على التخمين أو الأسالال القديمة المصممة لأنواع أخرى من الفحم، أجروا سلسلة من التجارب المنضبطة لإيجاد الظروف الدقيقة اللازمة لإشعال هذا الوقود المحدد. وباستخدام فرن متخصص يحاكي بيئة بئر عميقة تحت الأرض، قاموا بتعبئة الفحم في أنبوب وأخضعوه لدرجات حرارة متفاوتة، ومعدلات تدفق للأكسجين، ومستويات رطوبة مختلفة. كان هدفهم هو رسم خريطة دقيقة للمدة التي يستغرقها الفحم لكي يشتعل تحت سيناريوهات مختلفة، وبناء نموذج حاسوبي يمكنه التنبؤ بهذه النتائج في المشاريع الهندسية الواقعية.

وكشفت التجارب أن درجة الحرارة هي المحرك الأكثر قوة في هذه العملية. فعندما حقن الباحثون أكسجيناً تم تسخينه إلى ما بين 150 و160 درجة مئوية، رفض الفحم الاشتعال ببساطة، حتى بعد اثنتي عشرة ساعة من التسخين المستمر؛ إذ لم تكن الحرارة المتولدة من التفاعلات الكيميائية الأولية كافية للتغلب على تأثير التبريد الناتج عن الصخور المحيطة ورطوبة الفحم. ومع ذلك، بمجرد رفع درجة حرارة الأكسجين الداخل إلى نطاق 160 إلى 170 درجة مئوية، تغير السلوك بشكل جذري؛ حيث بدأ الفحم يسخن باطراد، وفي غض_ن ساعات قليلة، وصل إلى نقطة التحول حيث أصبحت الحرارة التي ينتجها بنفسه ذاتية الاستدامة. أما دفع درجة الحرارة إلى مستويات أعلى، بين 170 و180 درجة مئوية، فقد جعل العملية تحدث بشكل أسرع، مما قلل الوقت اللازم للوصول إلى الاشتعال بشكل كبير. وقد أرسى هذا حداً واضحاً: بالنسبة لهذا النوع من الفحم العميق، يجب أن يكون الأكسجين ساخناً بما يكفي للتغلب على المقاومة الأولية، ولكن ليس ساخناً لدرجة تتطلب معدات باهظة الثمن للحفاظ عليه.

كما لعبت سرعة ضخ الأكسجين دوراً أيضاً، وإن كان أقل تأثيراً من درجة الحرارة. ووجد الفريق أن معدل تدفق متوسط قدره 2.5 متر مكعب في الساعة هو الأفضل. فإذا تم ضخ الأكسجين ببطء شديد، فلن يحصل التفاعل على وقود كافٍ لبناء الحرارة بسرعة، وإذا تم ضخه بسرعة كبيرة، فإن الغاز المندفع سيبرد الفحم فعلياً، حيث ينقل الحرارة بعيداً قبل أن تتمكن النار من التمكن. لقد كان توازناً دقيقاً، حيث يجب أن يبقى الغاز في الفحم لفترة كافية لنقل حرارته، ولكن يجب أن يتحرك بسرعة كافية للحفاظ على استمرار التفاعل. ولعل الأمر المثير للدهشة هو أن كمية الماء في الفحم كانت عاملاً رئيسياً؛ فعندما كان الفحم رطباً جداً، بنسبة رطوبة بلغت 50 بالمائة، امتد وقت الاشتعال إلى ما يقرب من خمس ساعات، إذ يجب أن يتبخر الماء الموجود داخل الفحم أولاً، وهي عملية تستهلك كمية هائلة من طاقة الحرارة وتؤخر اشتعال النار. ومع ذلك، عند مستوى رطوبة متوسط قدره 20 بالمائة، حدث الاشتعال بسرعة نسبية، مما يشير إلى أن كمية صغيرة من الماء قد تساعد حتى عن طريق فتح مسام صغيرة في الفحم، مما يسمح للأكسجين بالوصول إلى مساحة سطح أكبر.

ولضمان إمكانية استخدام هذه النتائج من قبل المهندسين الذين يصممون محطات التغويز الفعلية، بنى الباحثون محاكاة حاسوبية مفصلة للعملية. تتبع هذا النموذج كيفية انتقال الحرارة من غاز الأكسجين الساخن إلى الفحم الصلب، وكيفية تبخر الماء، وكيفية ارتفاع درجة الحرارة عبر عرق الفحم بأكمله. وعندما قارنوا تنبؤات الحاسوب بتجاربهم الفيزيائية، تطابقت النتائج بدقة ملحوظة، مع نسبة خطأ تقل عن 10 بالمائة. وهذا يعني أنه يمكن استخدام النموذج الآن للتنبؤ بالوقت الذي سيستغرقه اشتعال عرق فحم في موقع ميداني حقيقي دون الحاجة إلى إجراء اختبارات فيزيائية مكلفة في كل مرة. كما طور الباحثون علاقة رياضية بسيطة تسمح للمشغلين بتقدير أوقات الاشتعال بناءً على ثلاثة أرقام فقط: درجة حرارة الأكسجين، وسرعة التدفق، ونسبة رطوبة الفحم.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما وراء المختبر. فللمرة الأولى، توجد مجموعة واضحة من الإرشادات القائمة على البيانات لبدء مشاريع تغويز الفحم تحت الأرض باستخدام الفحم البيثوميني. وتشير الدراسة إلى ضر de على المهندسين استهداف درجة حرارة أكسجين تتراوح بين 170 و180 درجة مئوية، ومعدل تدفق قدره 2.5 متر مكعب في الساعة، مع ضمان تجفيف الفحم إلى أقل من 20 بالمائة من الرطوبة قبل البدء. ومن خلال اتباع هذه المعايير، يمكن للمشغلين تجنب التأخيرات المكلفة الناتجة عن محاولات الاشتعال الفاشلة وتصميم معداتهم بثقة أكبر. يوفر هذا البحث مجموعة أدوات عملية لتحويل الوعد النظري للتغويز تحت الأرض إلى واقع طاقة موثوق ومنخفض الكربون، مما يوفر وسيلة للوصة إلى احتياطيات الفحم العميقة التي كانت تُعتبر سابقاً صعبة الاستخدام.