إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط.. هذه أبرز 5 تقنيات (تقرير)

تتزايد الرهانات على تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط عالميًا، لخفض الانبعاثات الصادرة خلال المراحل التشغيلية المختلفة.

وتعدّ مصافي التكرير أحد المصادر الرئيسة لانبعاثات الكربون عالميًا، على الرغم من أن الغالبية العظمى للانبعاثات تصدر في مراحل استهلاك المنتجات النفطية، إذ تشكّل 85% إلى 90% من إجمالي الانبعاثات الناتجة عن دورة حياة الوقود النفطي، بحسب دراسة حديثة، حصلت وحدة أبحاث الطاقة على نسخة منها.

وثاني أكسيد الكربون من العناصر الضرورية للحياة، ولا يتسبب وجوده في الغلاف الجوي عند مستوياته الطبيعية بتداعيات سلبية على صحة الإنسان أو البيئة، إلّا أن زيادة تركيزه في الغلاف هي التي تشكّل خطرًا، وتؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة الأرض.

وتراهن الجهود الدولية على تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط وغيرها من القطاعات الثقيلة مثل الكهرباء والصناعة والنقل والمنازل بصفه أساسية، أملًا بالحفاظ على درجة حرارة الأرض دون ارتفاعها فوق 1.5 درجة مئوية، وهي أحد أهم أهداف اتفاقية باريس للمناخ عام 2015، بحسب ما ترصده وحدة أبحاث الطاقة دوريًا.

من أين تأتي انبعاثات مصافي التكرير؟

تنقسم مصادر انبعاثات الكربون في مصافي تكرير النفط إلى 4 مجموعة رئيسة، تتكون المجموعة الأولى من مصادر الاحتراق الثابتة مثل أفران الوحدات الإنتاجية ومحطات توليد الطاقة الكهربائية وبخار الماء، وتمثّل هذه المجموعة 63% من إجمالي انبعاثات مصافي التكرير، وفق دراسة حديثة صادرة عن منظمة الأقطار العربية المصدّرة للبترول أوابك.

بينما تتضمن المجموعة الثانية عمليات تنشيط العامل الحفاز في وحدات التكسير المائع، وتمثّل 22% من إجمالي انبعاثات المصفاة، أمّا المجموعة الثالثة، فتضم عملية التهذيب البخاري للميثان لإنتاج الهيدروجين، وتمثّل 9% من إجمالي انبعاثات قطاع مصافي التكرير.

وتضم المجموعة الرابعة المصادر الأخرى مثل حرق الغازات الفائضة في منظومة الشعلة وانبعاثات وحدات استرجاع الكبريت، وتشكّل 6% من إجمالي انبعاثات المصفاة، حسب دراسة أوابك التي اطّلعت عليها وحدة أبحاث الطاقة.

يوضح الرسم التالي -الذي أعدّته وحدة أبحاث الطاقة- مصادر انبعاثات مصافي التكرير بحسب حصة العمليات التشغيلية:

وتؤثّر مجموعة من العوامل في كمية انبعاثات الكربون من مصافي تكرير النفط، من أبرزها نوع الوقود المستعمل في عمليات التسخين، ونوع النفط الخام المكرر في المصفاة، ومواصفات المنتجات النهائية، إلى جانب التعقيدات التقنية لعمليات التكرير، حسب دراسة أوابك التي حصلت وحدة أبحاث الطاقة على نسخة منها.

طرق إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط

تضم تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط 5 تقنيات رئيسة، أبرزها، احتجاز الكربون وتخزينه واستعماله، واستبدال الوقود الأحفوري المستعمل للتسخين، وتوليد الطاقة الكهربائية بوقود خالٍ من الكربون، واستبدال مواد متجددة لإنتاج وقود منخفض الكربون بالنفط الخام المكرر، وأخيرًا تقنيات ترشيد استهلاك الطاقة وتحسين كفاءة استعمالها.

ويعدّ احتجاز الكربون وتخزينه من أبرز تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط، إذ تعتمد هذه التقنية على نقل الكربون المحتجز إلى أماكن مناسبة لحقنه في طبقات آبار النفط والغاز الناضبة أو طبقات المياه الجوفية المالحة.

ويتركز تطبيق هذه التقنية بصورة أساسية في أفران عمليات التكرير، ومحطات توليد بخار الماء والطاقة الكهربائية، ووحدات التكسير بالعامل الحفاز المائع، ووحدات إنتاج الهيدروجين.

1- تقنيات احتجاز الكربون ونسب استعمالها عالميًا

تنقسم طرق احتجاز الكربون في مصافي تكرير النفط إلى 3 أنواع، الأولى الاحتجاز بعد الاحتراق، وتعتمد على فصل الكربون من غازات احتراق الوقود الخارجة من مداخن الأفران.

والثانية هي طريقة احتجاز الكربون قبل الاحتراق، والتي تعتمد على تحويل الوقود الثقيل إلى وقود غازي يمكن فصل الكربون منه بالامتصاص قبل استعماله وقودًا في الأفران.

أمّا الطريقة الثالثة، فهي حرق الوقود باستعمال الأكسجين النقي بدلًا من الهواء الجوي، ويُطلق عليها الأكسدة الجزئية، وذلك بهدف الحصول على غازات احتراق الوقود على شكل غاز ثاني أكسيد كربون نقي.

وتوجد تقنية أخرى حديثة تعتمد على احتجاز الكربون من الهواء مباشرةً، إلّا أن تطبيقها ما يزال محدودًا مقارنة بتقنيات أخرى لإزالة الكربون من مصافي تكرير النفط، لارتفاع تكلفتها بصورة باهظة حتى الآن.

ولم تتجاوز نِسب استعمال هذه التقنية 1% من إجمالي تقنيات الاحتجاز الأخرى للكربون حتى عام 2020، بينما وصلت نسبة طريقة الاحتجاز بعد الاحتراق إلى أكثر من 53%، وطريقة الاحتجاز قبل الاحتراق إلى 40%، وطريقة الحرق بالأكسجين الزائد 6%، بحسب تقديرات تفصيلية رصدتها وحدة أبحاث الطاقة من دراسة أوابك.

ويوضح الرسم التالي -الذي أعدّته وحدة أبحاث الطاقة- أشهر تقنيات احتجاز الكربون عالميًا ونسب استعمالها:

وتمثّل تقنيات احتجاز الكربون مقدّمة لاستعمال الكميات المحتجزة في عديد من القطاعات الصناعية والزراعية والغذائية عالميًا، وعادةً ما يتوقف نوع الاستعمال على درجة نقاء غاز ثاني أكسيد الكربون المحتجز.

وتُستعمل عدّة تقنيات مكملة لاستعمال الكربون بعد احتجازه، أبرزها تقنية الاستخلاص المعزز للنفط، التي تعمل على حقن الغاز في آبار النفط والغاز لتعزيز إنتاجها.

كما تُستعمل تقنية التحويل إلى مواد كيميائية في تحويل غاز ثاني أكسيد الكربون إلى ميثان أو ميثانول أو يوريا عبر الأمونيا، وهناك تقنية التصنيع المباشر، التي تعمل على تحويل الكربون إلى بوليمرات مثل المطاط والكوبوليمرات، إلى جانب تقنيات التحويل لمواد معدنية مثل الكربونات.

2- تقنيات استبدال الوقود الأحفوري

التقنية الثانية المهمة في إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط هي استبدال الوقود الأحفوري، إذ تختلف كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة من حرق الوقود الأحفوري في الأفران ومراحل توليد بخار الماء على حسب التركيب الكيميائي للوقود ومحتواه من الكربون والهيدروجين، ما يعني أن استبدال أنواع الوقود الثقيلة بأنواع أخرى خفيفة يمكنه أن يسهم في خفض انبعاثات قطاع التكرير.

كما يمكن استعمال أنواع أخرى من الوقود الخالي من الكربون، مثل الهيدروجين الذي يتميز بأنّ حرقه ينتج عنه بخار ماء بدلًا من ثاني أكسيد الكربون، ما يؤدي إلى تقليل انبعاثات المصافي بصورة كبيرة.

ويحظى الهيدروجين باهتمام أكبر، لسهولة استعماله في صورة وقود مقارنة بالأمونيا التي ينتج عن حرقها كمية كبيرة من أكاسيد النيتروجين، ما يجعله أقرب البدائل إلى مصافي التكرير.

كما تحظى تقنية طريقة التسخين الكهربائي بدلًا من حرق الوقود باهتمام متزايد، لقدرتها على تجنيب الفقد الذي يحدث خلال حرق الوقود التقليدي، ما يسهم في توفير 50% من كميات الوقود المستهلك.

ورغم ذلك، فلم تطبَّق هذه التقنية في صناعة التكرير إلّا ضمن مجالات محدودة، على الرغم من تطبيقها في العديد من الاستعمالات الصناعية، بسبب صعوبات تقنية في توليد الكهرباء داخل المصفاة.

كما يتميز الهيدروجين بقدرة تنافسية أعلى في صناعة التكرير من التسخين الكهربائي لقدرته على الوصول إلى درجات التسخين عالية الحرارة لا يمكن الوصول إليها باستعمال التسخين الكهربائي، بحسب تفاصيل فنية رصدتها دراسة أوابك.

ويمكن لأنواع الوقود منخفض الكربون أن تعزز إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط بصورة كبيرة، خاصة في مداخن أفران العمليات، ومراجل توليد الطاقة الكهربائية وبخار الماء.

فعلى سبيل المثال، تقلّ كمية غاز ثاني أكسيد الكربون المنبعثة من حرق الغاز الطبيعي بنسبة 40% إلى 50% مقارنة بالكمية المنبعثة من حرق زيت الوقود الثقيل.

وترجّح دراسة أوابك، التي حصلت وحدة أبحاث الطاقة على نسخة منها، خفض انبعاثات الكربون بنسبة 29% في حالة تحويل وقود مصافي تكرير النفط من زيت الوقود الثقيل إلى الغاز الطبيعي المسال.

كما تشير دراسات تجريبية أخرى إلى أن كميات انبعاثات الكربون الصادرة من حرق زيت الوقود الثقيل أعلى من نظيرتها الصادرة من حرق زيت الوقود الخفيف، بحسب ما تتابعه وحدة أبحاث الطاقة دوريًا.

3- تكرير مواد خام متجددة

تكتسب عملية تكرير الزيوت المشتقة من الكتلة الحيوية في مصافي التكرير اهتمامًا متزايدًا إلى جانب تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط، ضمن إطار جهود خفض الانبعاثات الناتجة عن المنتجات النفطية في مراحل دورة حياتها من الإنتاج حتى الاستهلاك.

ويشجع خبراء الطاقة والبيئة على إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط، عبر إنتاج أنواع وقود أخرى منخفضة الكربون من خلال تكرير مواد خام متجددة مثل الزيوت النباتية المستعملة، والدهون والشحوم الحيوانية، ومعالجتها في وحدات الهدرجة أو وحدات التكسير أو مزجها مع النفط الخام.

وتشهد عمليات معالجة الزيوت الحيوية في مصافي التكرير اهتمامًا ملحوظًا في العقدين الماضيين مدفوعة بعوامل متعددة، من أبرزها تشجيع عدد من دول العالم على إنتاج واستهلاك الوقود المتجدد في إطار خطط خفض الانبعاثات وتحسين اقتصادات إنتاج الوقود الحيوي.

وهناك خياران لتكرير الزيوت الحيوية في مصافي تكرير النفط الخام، الأول يعتمد على إنشاء وحدة معالجة هيدروجينية منفصلة عن المصافي لتكرير الزيوت الحيوية، ثم مزج منتجات هذه الوحدة مع المنتجات النهائية للمصافي.

أمّا الخيار الثاني، فيعتمد على العمليات المشتركة، إذ تحقن الزيوت الحيوية الوسيطة مع لقائم بعض العمليات القائمة في المصافي، بحسب مدير إدارة الشؤون الفنية ومعد الدراسة المهندس عماد ناصيف مكي.

4- إنتاج الوقود منخفض الكربون

يتجه بعض مصافي تكرير النفط في العالم إلى تحويل منتجاته لأنواع منخفضة الكربون، من خلال تطبيق تقنيات إنتاج وقود الطيران المستدام أو تفاعل الهيدروجين مع الكربون لإنتاج مواد ذات خصائص مماثلة للوقود النفطي، يُطلق عليها الوقود الاصطناعي.

وتعدّ تقنيات إنتاج وقود الطيران المستدام -التي دخلت حيز التطبيق العملي- من أكثر البدائل التي تشهد انتشارًا واسعًا في مجال إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط العالمية، لا سيما في أوروبا الغربية والولايات المتحدة.

واعتمدت الجمعية الأميركية لاختبار المواد 7 تقنيات لإنتاج وقود الطيران المستدام القابل للمزج مع وقود الطائرات المنتج من مصافي التكرير، والمعروف بالكيروسين.

ومن أبرز هذه التقنيات، تقنية "فيشر تروبش" المعتمدة عام 2009، وتقنية هدرجة الإستيرات والأحماض الدهنية المعتمدة عام 2011، وتقنية تحويل الكحول إلى وقود طيران المعتمدة عام 2018.

ويمكن لتلك التقنيات أن تسهم في خفض الانبعاثات الناتجة عبر دورة حياة وقود الطيران بنسبة عالية جدًا تصل إلى 90% مقارنة بوقود الطيران النفطي الحالي، حسب تقديرات دراسة أوابك.

وضمن إنتاج الوقود منخفض الكربون، يعدّ تحويل الهواء إلى وقود من أبرز تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط، لكن تكاليفها ما زالت مرتفعة مقارنة بالتقنيات الأخرى.

وطبّقت شركة كاربون إنجنييرنيغ الكندية "Carbon Engineering" هذه التقنية لأول مرة، التي تعتمد على فكرة إنتاج الوقود من الهيدروجين الأخضر وثاني أكسيد الكربون المحتجز مباشرة من الغلاف الجوي، والذي يُطلق عليه الوقود الاصطناعي.

وتتميز تلك التقنية رغم تكاليفها المرتفعة بعدّة خصائص ترشّحها لأن تكون من أبرز التقنيات الواعدة في إنتاج الوقود منخفض الكربون، إذ يسهل نقل وتخزين منتجاتها مقارنة بالهيدروجين.

كما تتميز بقابلية التكامل مع البنية التحتية لمرافق نقل الغاز الطبيعي وأنابيب نقل المنتجات النفطية، إلى جانب قابلية مزجها مع العديد من المنتجات، مثل وقود الطيران والنقل البحري ووقود تدفئة المباني السكنية.

ورغم مزايا هذه التقنية وقدرتها على إنتاج الوقود الاصطناعي، فإنه لم ينتج حتى الآن على مستوى تجاري، وما زال في مراحل التجارب الأولية، بسبب ارتفاع تكاليف إنتاجه وكثافة استهلاكه للكهرباء المتجددة.

5- ترشيد استهلاك الطاقة وتحسين الكفاءة

يعدّ ترشيد استهلاك الطاقة وتحسين كفاءة استعمالاتها من أبرز الإجراءات المقترحة لخفض انبعاثات الصناعة، إلى جانب تقنيات إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط في العالم.

ويمكن لإجراءات ترشيد استهلاك الطاقة أن تحقق فوائد متعددة للمصافي، أبرزها توفير التكاليف، نتيجة تخفيض كمية الوقود المستهلك، إذ يمكن لخفض الاستهلاك في وحدة إنتاج إيثيلين طاقتها 500 ألف طن سنويًا بنسبة 1% أن يؤدي إلى خفض ملايين الأطنان من الانبعاثات، ويوفر للوحدة 5 ملايين دولار سنويًا، بحسب تقديرات دراسة أوابك.

وتمثّل تكاليف استهلاك الطاقة ما يزيد على 50% من إجمالي تكاليف التكرير، ما يشير إلى الأهمية البالغة لتدابير خفض الاستهلاك من منظور اقتصادي، إلى جانب الأبعاد البيئية المتحققة من الترشيد.

وتنقسم إجراءات ترشيد الاستهلاك إلى نوعين، الأول سهل ودون تكاليف أو بتكاليف قليلة، والثاني متوسط أو مرتفع التكاليف، وعادةً ما يُنصح بهذه الإجراءات في الصناعة، بغضّ النظر عن تبنّي إزالة الكربون من مصافي تكرير النفط أو عدمه.

ومن أبرز أمثلة الترشيد منخفض التكاليف، تنظيم ظروف التشغيل، وتحسين عمليات الصيانة الدوري، وتكرير النفط بمواصفات عالية الجودة، والمحافظة على نظافة المبادلات الحرارية، وتحسين التكامل الحراري بين الوحدات، وصيانة مصائد البخار، وتحسين كفاءة حرق الوقود.

أمّا إجراءات الترشيد ذات التكاليف المتوسطة، فمن أبرز أمثلتها، تطوير الأجزاء الداخلية لأبراج التقطير والفصل، واستبدال المبادلات الحرارية بأنواع ذات كفاءة أعلى، واستعمال عوامل محفزة متطورة، والاستفادة من الحرارة المهدَرة من غازات المدخنة، واسترجاع الهيدروجين من خطوط غاز المصفاة.

موضوعات متعلقة..

• خبير أوابك: الاستثمار في مصافي التكرير ضرورة.. و2050 ليس نهاية النفط والغاز
• انبعاثات الوقود الأحفوري.. ثروة مهدرة قد تنقذ الإنسانیة (مقال)
• خفض انبعاثات النفط والغاز يتطلب 600 مليار دولار حتى عام 2030 (تقرير)

اقرأ أيضًا..

• انخفاض واردات إسرائيل من النفط.. وهذه أبرز الدول المصدرة لها (تقرير)
• واردات النفط الأميركية من 5 دول عربية تبلغ 15 مليار دولار في 9 أشهر (تقرير)
• مصفاة نفط ضخمة في أوروبا تتحول إلى "مغسلة" للنفط الروسي