دراسة حالة · التحكم في الانبعاثات الصناعية
كيف حققت شركة رائدة عالميًا في مجال بطاريات الطاقة كفاءة إزالة النيتروجين المجمعة 81.5% و97.9% لإزالة الكبريت من غازات إنتاج كربونات الليثيوم في الفرن الدوار مع تركيزات SO₂ الداخلة التي تصل إلى 12000 ملغم/م³ - باستخدام نظام معالجة ثنائي الخط SNCR+SCR+FGD+الحجر الجيري والجبس والجير، والمُكيَّف مع التباين الشديد في كيمياء غازات التلبيد لكربونات الليثيوم المستخدمة في صناعة البطاريات.
إزالة النيتروجين المدمجة SNCR+SCR
نظام إزالة غازات المداخن من الحجر الجيري والجبس
تلبيد كربونات الليثيوم
انبعاثات صناعة البطاريات المنخفضة للغاية
01 - خلفية الصناعة
إنتاج كربونات الليثيوم لبطاريات الطاقة: قطاع سريع النمو يواجه تحديات انبعاثات هائلة
يُعدّ كربونات الليثيوم مادة خام أساسية في تصنيع بطاريات الليثيوم. يشهد الطلب العالمي عليه نموًا متسارعًا مدفوعًا بانتشار السيارات الكهربائية وتوسع أنظمة تخزين الطاقة على نطاق الشبكة، حيث ارتفع الإنتاج من 4.1 مليون طن سنويًا في عام 2014 إلى 39.5 مليون طن في عام 2022 بمعدل نمو سنوي مركب قدره 281 ضعفًا لكل 3 أطنان. وتشير التوقعات إلى أن الطاقة الإنتاجية ستصل إلى 110 ملايين طن بحلول عام 2025، وأن الإنتاج الفعلي سيبلغ 51.79 مليون طن في عام 2023 (بمعدل نمو سنوي قدره 31.1 ضعفًا لكل 3 أطنان). ومن المتوقع أن تزداد متطلبات الطاقة الإنتاجية لكربونات الليثيوم المستخدمة في صناعة البطاريات مع استمرار نمو أسواق السيارات الكهربائية، مما سيدفع إلى زيادة الاستثمار في مرافق الإنتاج والبنية التحتية اللازمة للامتثال البيئي.
تُعدّ الشركة المذكورة في هذه الدراسة إحدى الشركات الرائدة عالميًا في مجال بطاريات الطاقة، ومن الشركات القليلة التي تُغطي سلسلة التوريد الكاملة لهذه الصناعة. أُدرجت أسهمها في بورصة محلية رئيسية عام 2015، ثم في البورصة السويسرية عام 2022، لتكون بذلك أول شركة متخصصة في بطاريات الطاقة في سويسرا. تشمل أعمالها الرئيسية بطاريات الليثيوم لتطبيقات النقل، وأنظمة تخزين الطاقة، ومعدات توزيع الطاقة. وقد حقق منتج "البطارية الصلبة" الذي أُعلن عنه عام 2024 كثافة طاقة تبلغ 3500 واط/كجم وكثافة طاقة حجمية تبلغ 800 واط/لتر، مع عمر افتراضي يصل إلى 30000 دورة شحن ونطاق نظري يتجاوز 300000 كيلومتر. كما تُنتج الشركة ما يقارب 100000 وحدة توزيع سنويًا.
تعتمد عملية إنتاج كربونات الليثيوم على التلبيد في أفران دوارة لتحويل المواد الخام الحاملة لليثيوم (وخاصة أملاح الليثيوم المشتقة من الميكا) إلى كربونات ليثيوم عالية الجودة تُستخدم في صناعة البطاريات. تتضمن عملية التلبيد تفاعلاً عالي الحرارة بين مركبات الكبريتات والكربونات، مما يؤدي إلى انبعاث غاز ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) بتراكيز تفوق بكثير تلك الموجودة في الغلايات الصناعية التقليدية أو محطات توليد الطاقة. مع تزايد الطلب في السوق على كربونات الليثيوم وتوسع مرافق الإنتاج، يصبح نظام تنقية غازات المداخن المستخدمة في التلبيد في الأفران الدوارة عاملاً حاسماً في الامتثال للمعايير التشغيلية. يستخدم هذا المشروع نظام إزالة غازات المداخن باستخدام الحجر الجيري والجبس، بالإضافة إلى تقنية إزالة النيتروجين الانتقائية والاختزالية الانتقائية (SNCR+SCR)، لتحقيق أهداف انبعاثات منخفضة للغاية وتعزيز مكانة المنشأة في مجال التنمية المستدامة.
02 - لمحة عن التلوث
غازات العادم المنبعثة من فرن دوار لكربونات الليثيوم: التباين الشديد في ثاني أكسيد الكبريت كتحدٍّ حاسم
يُشغّل المصنع خطّي إنتاج باستخدام أفران دوّارة، مُجهّز كلٌّ منهما بجامع غبار إعصاري، ووحدة تبريد، وجامع غبار بمرشح أكياس، لمعالجة غازات الاحتراق الناتجة عن تلبيد مادة بطاريات كربونات الليثيوم. ويُشغّل الفرن بالغاز الطبيعي. يبلغ حجم غازات الاحتراق القياسي لكل خط إنتاج 120,000 متر مكعب قياسي في الساعة (185,897 متر مكعب قياسي في الساعة في ظروف التشغيل عند 150 درجة مئوية). بعد التبريد، تُجمع غازات الاحتراق في نظام إزالة غازات الاحتراق.
السمة المميزة لغازات العادم المنبعثة من أفران كربونات الليثيوم الدوارة هي التباين الكبير في تركيز ثاني أكسيد الكبريت (SO₂). خلال دورة تفاعل التلبيد، تتحلل مركبات كبريتات الليثيوم مطلقةً ثاني أكسيد الكبريت: يبلغ متوسط تركيز ثاني أكسيد الكبريت الداخل إلى وحدة امتصاص إزالة الكبريت حوالي 4645 ملغم/م³، لكن قد تصل ذروة التركيز إلى 12000 ملغم/م³، مع مستويات أساسية عند تركيز مصحح للأكسجين يبلغ حوالي 809 ملغم/م³ من أكاسيد النيتروجين (NOx). يتطلب تذبذب تركيز ثاني أكسيد الكبريت بنسبة 10:1 بين المستوى الأساسي والذروة (من حوالي 1200 ملغم/م³ إلى 12000 ملغم/م³) تصميم نظام إزالة الكبريت من غازات المداخن (FGD) ليتناسب مع حالة الذروة، مع الحفاظ على استقرار التشغيل وجودة الجبس خلال فترتي المستوى الأساسي والمتوسط.
| المعلمة | التركيز الأولي | منفذ مصمم | حدود الاتحاد الأوروبي لبطاقات الهوية الاستثمارية/بطاقات تسجيل الهوية الوطنية |
|---|---|---|---|
| أكاسيد النيتروجين (على شكل ثاني أكسيد النيتروجين) | 809 ملغم/م³ (عند 12% O₂، محتوى الأمونيا الأساسي 12%) | ≤150 ملغم/متر مكعب | IED 2010/75/EU: 150 ملغم/متر مكعب |
| SO₂ (متوسط عند مدخل نظام إزالة غازات المداخن) | متوسط 4645 ملغم/متر مكعب قياسي؛ ذروة 12000 ملغم/متر مكعب قياسي | ≤100 ملغم/متر مكعب | مرسوم الأنشطة الهولندي NER |
| الجسيمات الدقيقة (PM) | 658 ملغم/متر مكعب | ≤30 ملغم/متر مكعب | مرسوم الأنشطة الهولندي NER ≤ 5 ملغم/م³ |
| حمض الهيدروكلوريك | 3.7 ملغم/متر مكعب | ≤10 ملغم/متر مكعب | خفافيش IED ≤10 ملغم/م³ |
| HF | 6.74 ملغم/متر مكعب | ≤6 ملغم/متر مكعب | خفافيش IED ≤1 ملغم/م³ |
| ضباب حمضي (ضباب) | 191 ملغم/متر مكعب | ≤20 ملغم/متر مكعب | خفاش معبأ بعبوات ناسفة |
| غازات الاحتراق القياسية (لكل خط) | 120,000 متر مكعب قياسي/ساعة | — | — |
| غازات المداخن الصناعية (لكل خط) | 185,897 متر مكعب قياسي/ساعة عند 150 درجة مئوية | — | — |
| حجم غازات الاحتراق في نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي | 273,846 متر مكعب/ساعة (خطان مجتمعان) | — | — |
| درجة حرارة مخرج الفرن | 380–420 درجة مئوية (عند نقطة تركيب SCR/SNCR) | — | — |
التحدي الرئيسي في التصميم: يمثل تركيز ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) عند المدخل، بمتوسط 4645 ملغم/م³ وذروة 12000 ملغم/م³، تركيزًا مدخليًا يعادل ثلاثة أضعاف تقريبًا الحد الأقصى للتركيز المدخلي لنظام إزالة غازات المداخن (FGD) في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم. وتتطلب ذروة التركيز البالغة 12000 ملغم/م³، بالإضافة إلى ضرورة الوصول إلى تركيز مخرجي لا يتجاوز 100 ملغم/م³ (بكفاءة إزالة تبلغ 99.2% عند الذروة)، تصميم نظام إزالة غازات المداخن (FGD) لتحمل أحمالًا زائدة تتجاوز ظروف التشغيل المتوسطة. وهذا بدوره يستلزم استخدام أبراج امتصاص كبيرة الحجم، ونسب عالية من السائل إلى الغاز، ونسب قياسية متحفظة من الكالسيوم إلى الكبريت في تصميم النظام.
03 - محلول العلاج
بنية معالجة ثنائية الخط: نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي غير المتماثل عند مخرج الفرن + نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي + نظام إزالة غازات المداخن بالحجر الجيري والجبس + إزالة الكبريت بالجير
يشمل المشروع خطي إنتاج لأفران دوارة. يتضمن نظام المعالجة لكل خط ما يلي: إزالة الغبار المسبقة بواسطة فاصل إعصاري ← تبريد الغاز ← إزالة الغبار بواسطة مرشح أكياس ← تجميع غازات المداخن ← إزالة النيتروجين بتقنية SNCR+SCR ← إزالة غازات المداخن باستخدام الجبس والحجر الجيري ← إزالة الكبريت اللاحقة بالجير. تم تطبيق هذا التحديث على خط إنتاج الفرن الدوار الحالي بإضافة وحدة إزالة النيتروجين بتقنية SCR ونظام إزالة الكبريت باستخدام الجبس والحجر الجيري (الجير) لتحقيق امتثال فائق لمستويات الانبعاثات المنخفضة. أما بالنسبة لخط الإنتاج الثاني في الجزء الخلفي من المنشأة، فقد تم استخدام نظام إزالة الكبريت باستخدام الجبس والحجر الجيري في الوقت نفسه لضمان أن يكون تركيز ثاني أكسيد الكبريت الخارج ≤ 100 ملغم/م³، بينما تحقق متوسطات غازات المداخن خلال الساعات القليلة الامتثال لجميع المعايير.
إزالة النيتروجين بتقنية SNCR عند مخرج الفرن (منطقة 380-420 درجة مئوية)
يُختار موضع تركيب نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند مخرج جامع الغبار متعدد الأنابيب في الفرن الدوار، حيث تُحافظ درجة الحرارة على 380-420 درجة مئوية. عند هذه الدرجة، ومع محتوى ثاني أكسيد الكبريت أقل من 4600 ملغم/م³، يُمكن استخدام محفز SCR متوسط الحرارة. صُمم المحفز الداخلي لمفاعل SCR بتكوين 2+1 طبقة (طبقتان فعالتان + طبقة احتياطية). عامل الاختزال هو ماء الأمونيا، ويستخدم نظام SNCR الأمامي نظام رش أحادي الفوهة. يضمن نظام SNCR الأمامي كفاءة إزالة النيتروجين بما يُلبي الهدف المنشود. بالنسبة لطبقات رش برج إزالة الكبريت، تُضبط كمية فتحاتها بناءً على قيم المراقبة الآنية، مما يُحقق انبعاثات غازات مداخن مستقرة ومنخفضة للغاية.
المعايير الرئيسية لمفاعل SCR
حجم غازات المداخن 273,846 م³/ساعة (خطان مدمجان)؛ درجة حرارة غازات المداخن 350 درجة مئوية عند نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR)؛ تركيز أكاسيد النيتروجين الأولي 809 ملغم/م³؛ تركيز الجسيمات الأولية 658 ملغم/م³؛ تركيز الأكسجين الفعلي ≤15.2%؛ تركيز أكاسيد النيتروجين عند المخرج 150 ملغم/م³؛ عدد مسام المحفز 18؛ مسامية المحفز 72.59%؛ طبقات المحفز 2+1 (طبقة احتياطية واحدة)؛ وحدات المحفز لكل طبقة 12؛ إجمالي حجم المحفز 31.104 م³؛ درجة حرارة التصميم 230 درجة مئوية؛ أقصى درجة حرارة تشغيل 350 درجة مئوية؛ أدنى درجة حرارة تشغيل 200 درجة مئوية؛ معدل حقن اليوريا 111.919 كغم/ساعة؛ كفاءة إزالة النيتروجين 88%؛ تسرب الأمونيا ≤3 جزء في المليون. انخفاض الضغط ≤600 باسكال؛ طريقة نفخ السخام: نفخ نبضي نفاث.
برج امتصاص غازات المداخن المصنوع من الحجر الجيري والجبس (قطر 4.4 متر، 120,000 متر مكعب/ساعة)
يُعد برج إزالة غازات المداخن (FGD) أكثر المعدات تحميلًا في النظام، حيث يستقبل ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) بمتوسط 4645 ملغم/م³ وذروة 12000 ملغم/م³. ولتحقيق مخرج ≤100 ملغم/م³ تحت ذروة التحميل (كفاءة إزالة 99.2%)، تم تصميم البرج بنسبة سائل إلى غاز عالية جدًا تبلغ 30 و4 طبقات رش. المعايير الرئيسية: حجم غازات المداخن 120000 م³/ساعة لكل برج؛ درجة حرارة غازات المداخن 150 درجة مئوية؛ مدخل ثاني أكسيد الكبريت 4645 ملغم/م³؛ مخرج ثاني أكسيد الكبريت 100 ملغم/م³؛ نسبة الكالسيوم إلى الكبريت 1.1؛ سرعة الغاز <3.5 م/ث؛ القطر الداخلي للبرج 4.4 م؛ نسبة السائل إلى الغاز 30؛ 4 طبقات رش؛ معدل تدفق المضخة الواحدة 900 م³/ساعة. زمن ترسيب الطين 6 ساعات؛ استهلاك تشغيل الحجر الجيري 718 كجم/ساعة (كحد أقصى)؛ إنتاج الجبس 1488 كجم/ساعة (كحد أقصى)؛ محتوى رطوبة الجبس ≤15%؛ فواصل الرذاذ: فاصل رذاذ بشاشة من طبقتين؛ سعة تخزين الحجر الجيري الوسيطة 50 م³؛ استقلالية لمدة 7 أيام.
ملخص تدفق العمليات
380–420 درجة مئوية
حقن الأمونيا
منطقة 900 درجة مئوية
التنظيف المسبق للغبار
فلتر الكيس
350 درجة مئوية
طبقتان + طبقة واحدة
φ4.4 م
97.9% SO₂
ما بعد إزالة غازات المداخن
→ مكدس
⭐ معدات جديدة أو مطورة في هذا المشروع
نظرة سريعة على أهم معايير المعدات
| معدات | المواصفات الرئيسية |
|---|---|
| مشجع مسودة مستحث | 220,000 م³/ساعة؛ 5,000 باسكال؛ 250-300 درجة مئوية؛ 335 كيلوواط لكل وحدة؛ سرعة متغيرة 50 هرتز |
| مفاعل SCR | 273,846 م³/ساعة؛ 350 درجة مئوية؛ طبقتان من المحفز + طبقة واحدة؛ 31.104 م³ من المحفز؛ كفاءة أكاسيد النيتروجين 88%؛ انزلاق الأمونيا ≤3 جزء في المليون |
| برج امتصاص غازات المداخن | قطر 4.4 متر؛ معدل تدفق 120,000 متر مكعب/ساعة؛ نسبة الطول إلى القطر = 30؛ 4 طبقات رش؛ مضخة 900 متر مكعب/ساعة؛ 718 كجم/ساعة من الحجر الجيري؛ 1,488 كجم/ساعة من الجبس |
| إنتاج الجبس (الحد الأقصى) | 1488 كجم/ساعة؛ نسبة الرطوبة ≤15%؛ قابلة لإعادة الاستخدام تجارياً |
| تخزين الحجر الجيري | 50 متر مكعب؛ استقلالية لمدة 7 أيام عند أقصى استهلاك |
| أقصى قدرة للنظام | 1,047.52 كيلوواط فعلي؛ 1,186.67 كيلوواط إجمالي القدرة المركبة |
| التكلفة السنوية للكهرباء (8000 ساعة) | ما يعادل تقريبًا 301.7 عشرة آلاف يوان صيني بسعر 0.36 يوان صيني/كيلوواط ساعة |
| التكلفة السنوية للمياه | ما يعادل 8.8 عشرة آلاف يوان صيني تقريبًا (5.5 طن/ساعة؛ 2 يوان صيني/طن) |
| التكلفة السنوية للحجر الجيري | ما يعادل حوالي 172.32 عشرة آلاف يوان صيني (718 كجم/ساعة؛ 300 يوان صيني/طن) |
04 - المزايا الأساسية
لماذا يُعدّ نظام إزالة النيتروجين المدمج SNCR+SCR مع نظام إزالة غازات المداخن باستخدام الحجر الجيري والجبس هو التصميم الأمثل لأفران كربونات الليثيوم عالية الكبريت؟
- ✓
تعمل تقنية SNCR في منطقة الفرن ذات درجة الحرارة العالية على زيادة كفاءة إزالة النيتروجين المجمعة إلى أقصى حد: يُتيح موضع حقن نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي غير المتزامن (SNCR) عند مخرج الفرن الدوار (حيث تتوفر نافذة درجة حرارة تتراوح بين 850 و1100 درجة مئوية) تحللًا حراريًا فعالًا لأكاسيد النيتروجين دون الحاجة إلى محفز. يعمل نظام SNCR على إزالة جزء من حمولة أكاسيد النيتروجين قبل دخول الغاز إلى مفاعل الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR)، مما يقلل من إجمالي حمولة أكاسيد النيتروجين عند مدخل مفاعل SCR. يسمح هذا الاختزال المسبق بواسطة نظام SNCR لمفاعل SCR اللاحق بتحقيق كفاءة إزالة النيتروجين المجمعة الإجمالية البالغة 81.5% (من 809 ملغم/م³ إلى ≤150 ملغم/م³) مع حجم محفز وانخفاض في الضغط لا يمكن تحقيقهما إذا كان على نظام SCR التعامل مع حمولة أكاسيد النيتروجين الكاملة عند المدخل بمفرده. - ✓
يُعدّ نظام SCR متوسط الحرارة عند 350 درجة مئوية قابلاً للتطبيق لأن فرن الغاز الطبيعي لا يحتوي على ثاني أكسيد الكبريت عند مدخل نظام SCR: يُوضع مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند مخرج جامع الغبار متعدد الأنابيب، حيث تتراوح درجة حرارة الغاز بين 350 و380 درجة مئوية تقريبًا، والأهم من ذلك، حيث لم يدخل ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) الناتج عن تفاعل التلبيد بالكامل إلى تيار الغاز (أو تمت إزالته جزئيًا بواسطة جامع الغبار الموجود في المنبع). ولأن وقود الغاز الطبيعي لا يحتوي على الكبريت، فإن ثاني أكسيد الكبريت هو ناتج كيميائي للتلبيد بالكامل. يستغل موضع مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي الفترة الزمنية التي تسبق ذروة انبعاث ثاني أكسيد الكبريت لاستخدام محفز متوسط الحرارة دون التسبب في تسمم بكبريتات الأمونيوم. وهذا يختلف عن مدخل نظام إزالة غازات المداخن (FGD) (حيث يبلغ متوسط تركيز ثاني أكسيد الكبريت 4645 ملغم/م³)، مما قد يؤدي إلى تلف محفز الاختزال التحفيزي الانتقائي القياسي فورًا. - ✓
نسبة L/G 30 و 4 طبقات رش تحقق إزالة 97.9% من غازات المداخن من متوسط 4,645 ملغم/م³: تستخدم تصاميم محطات الطاقة القياسية لإزالة غازات المداخن نسب سائل إلى غاز تتراوح بين 8 و15 لتركيزات ثاني أكسيد الكبريت الداخلة التي تتراوح بين 1000 و3000 ملغم/م³. أما برج إزالة غازات المداخن في فرن كربونات الليثيوم، فيعمل بنسبة سائل إلى غاز تساوي 30، أي أكثر من ضعف النسبة القياسية في محطات الطاقة، مع 4 طبقات رش بدلاً من 3 طبقات المعتادة. يوفر هذا المزيج من النسبة العالية للسائل إلى الغاز والتلامس الإضافي للرش وقت بقاء امتصاص ممتدًا، وهو ما يكفي لتحقيق إزالة 97.9% من متوسط تركيز مدخل يبلغ 4645 ملغم/م³، مع الحفاظ على هامش أداء مناسب لحالة الذروة البالغة 12000 ملغم/م³، حيث يلزم إزالة 99.2% للبقاء ضمن حد المخرج البالغ 100 ملغم/م³. - ✓
التحكم في طبقة الرش في نظام إزالة غازات المداخن القائم على المراقبة عبر الإنترنت يحسن استهلاك المواد الكيميائية عبر نطاق تباين ثاني أكسيد الكبريت بالكامل: يتم تعديل كمية فتحات طبقات الرش في برج إزالة الكبريت بناءً على بيانات مراقبة ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) المباشرة من مدخل ومخرج وحدة إزالة غازات المداخن. خلال فترات تركيز ثاني أكسيد الكبريت الأساسية (عندما يكون تركيزه عند المدخل ضمن الحد الأدنى من المتوسط البالغ 4645 ملغم/م³)، يتم تفعيل عدد أقل من طبقات الرش، مما يقلل من استهلاك الطاقة للمضخة ومعدل دوران معلق الحجر الجيري. أما خلال فترات ذروة تركيز ثاني أكسيد الكبريت، فيتم تفعيل جميع طبقات الرش الأربع في آن واحد. تُسهم هذه الإدارة الديناميكية لطبقات الرش بشكل كبير في خفض تكلفة الطاقة والمواد الكيميائية السنوية مقارنةً بتشغيل جميع الطبقات الأربع باستمرار بأقصى معدل تدفق بغض النظر عن الحمل الفعلي لثاني أكسيد الكبريت. - ✓
منتج الجبس الثانوي بمعدل 1488 كجم/ساعة (كحد أقصى) له قيمة تجارية مباشرة: إن معدل إنتاج الجبس المرتفع للغاية (1488 كجم/ساعة كحد أقصى، ما يعكس متوسط تركيز ثاني أكسيد الكبريت الداخل البالغ 4645 ملجم/م³) يجعل نظام إزالة غازات المداخن هذا منتجًا رئيسيًا للجبس. عند محتوى رطوبة ≤15%، يفي الجبس بمواصفات الجودة لإعادة استخدامه كمواد بناء (كطبقة أساسية للجدران، ومضاف للأسمنت) إذا كان محتوى الكلوريد ضمن حدود مواصفات EN 13279-1. وهذا يجعل نظام إزالة غازات المداخن عملية منتج ثانوي مُولِّدة للقيمة بدلاً من كونه مجرد مركز تكلفة للامتثال، مما يعوض جزئيًا تكلفة كاشف الحجر الجيري البالغة 718 كجم/ساعة من خلال عائدات مبيعات الجبس. - ✓
مبادئ تصميم نظام إزالة غازات المداخن باستخدام الحجر الجيري والجبس: سبع مزايا لتطبيقات كربونات الليثيوم: تم اختيار عملية إنتاج الجبس من الحجر الجيري لهذا التطبيق استنادًا إلى المبادئ السبعة نفسها التي أثبتت فعاليتها في تطبيقات محطات توليد الطاقة: (1) انخفاض استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل؛ (2) إمكانية إدارة منتج الجبس الثانوي دون إحداث تلوث ثانوي؛ (3) صغر الحجم وتصميم تدفق مُحسَّن؛ (4) تصميم مُحسَّن باستخدام المحاكاة الحاسوبية؛ (5) سرعة غاز مُحسَّنة لامتصاص متجانس؛ (6) توفر الحجر الجيري كمادة خام على نطاق واسع وبتكلفة منخفضة؛ (7) استخدام الرش ذي التيار المعاكس ومزيلات الرذاذ في الأجزاء الداخلية للبرج للحد من ترسبات جدران البرج. هذه المبادئ قابلة للتطبيق مباشرة على نظام إزالة غازات المداخن في أفران كربونات الليثيوم الدوارة، وتوفر الخبرة التشغيلية المستقاة من آلاف أنظمة إزالة غازات المداخن في محطات توليد الطاقة قاعدة معرفية متينة لتصميم النظام وحل المشكلات.
05 - النتائج التشغيلية
بيانات الامتثال الموثقة وملخص التكاليف السنوية
أقصى قدرة تشغيل للنظام: 1047.52 كيلوواط (فعلية). عند 8000 ساعة تشغيل سنوية وسعر يعادل 0.36 يوان صيني/كيلوواط ساعة، تبلغ تكلفة الكهرباء السنوية ما يعادل 301.7 يوان صيني. تكلفة المياه السنوية: ما يعادل 8.8 يوان صيني (5.5 طن/ساعة، 2 يوان صيني/طن). تكلفة الحجر الجيري السنوية: ما يعادل 172.32 يوان صيني (718 كجم/ساعة بسعر 300 يوان صيني/طن). يساهم دخل منتج الجبس الثانوي، عند أقصى إنتاجية تبلغ 1488 كجم/ساعة، في تغطية جزء من تكاليف هذه المواد الكيميائية.
06 - احتياطات التنفيذ
اعتبارات هندسية حاسمة لمعالجة الغازات المنبعثة من أفران كربونات الليثيوم الدوارة
- ⚠️
تؤدي تقلبات تركيز ثاني أكسيد الكبريت في المنبع (الناتجة عن ظروف معالجة خط الإنتاج) إلى زيادة الحمل على نظام إزالة الكبريت من غازات المداخن وتؤثر على كفاءة إزالة الكبريت - الخطر الرئيسي: يتمثل الخطر التشغيلي الرئيسي الموثق في أن تقلبات العمليات الأولية تتسبب في تقلبات تركيز ثاني أكسيد الكبريت، مما يؤدي إلى زيادة الحمل على نظام إزالة غازات المداخن، وبالتالي عدم استقرار تصريف النظام. مع بلوغ ذروة تركيز ثاني أكسيد الكبريت 12000 ملغم/م³ ومتوسطه 4645 ملغم/م³، فإن نظام إزالة غازات المداخن مصمم بالفعل لتحمل أحمال زائدة تتجاوز ظروف محطات الطاقة النموذجية. أي ارتفاع إضافي في تركيز ثاني أكسيد الكبريت فوق ذروة التصميم البالغة 12000 ملغم/م³ قد يدفع النظام إلى حالة عدم الامتثال. لذا، يُنصح بتطبيق نظام مراقبة ثاني أكسيد الكبريت عند مدخل نظام إزالة غازات المداخن (قبل الامتصاص) ومخرجه (بعد الامتصاص) مع توفير تغذية راجعة فورية لنظام التحكم في طبقة الرش، ووضع بروتوكول للإخطار المسبق من فريق الإنتاج قبل أي تغييرات تشغيلية تؤثر على كيمياء التلبيد ومعدل إطلاق ثاني أكسيد الكبريت. - ⚠️
يتطلب تحديد موضع فوهة SNCR في الفرن الدوار عناية فائقة - فجدار الفرن ناتج بشكل أساسي عن التبخر بدرجة حرارة عالية، ويحتوي غاز المداخن على نسبة عالية من الغبار مما يتسبب بسهولة في انسداد المحفز: تُحدد تجربة المشروع بوضوح خطرين خاصين بنظام الاختزال التحفيزي الانتقائي غير المتماثل (SNCR): (1) يجب التعامل بحرص مع خط أنابيب الحقن في القسم الدوار من الفرن الدوار، حيث ينتج التصاق جدار الفرن بشكل أساسي عن عمليات التبخر ذات درجات الحرارة العالية، مما يتطلب مواد فوهات وطرق تركيب تتحمل دورات التغير الحراري؛ (2) نظرًا لاحتواء غازات الاحتراق عند نقطة حقن نظام SNCR على نسبة عالية من الغبار، فإن محفز الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) في اتجاه المصب يكون عرضة للانسداد بالجسيمات. يجب تشغيل نظام نفخ السخام في نظام SCR (النفخ النبضي النفاث) بالتردد المُعاير منذ يوم التشغيل، ويجب أن يشمل الفحص الأول للمحفز بعد ستة أشهر قياسًا شاملاً لانخفاض الضغط عبر جميع طبقات المحفز للتحقق من أن معدل الانسداد ضمن الحدود المقبولة. - ⚠️
تُعد درجة حرارة إزالة النتروجين في نظام SNCR أمرًا بالغ الأهمية - إذ لا يمكن تحقيق كفاءة إزالة النتروجين المثالية إلا ضمن نطاق درجة الحرارة المناسب: يجب أن تحافظ نقطة حقن نظام الاختزال التحفيزي غير الانتقائي (SNCR) على درجة حرارة الغاز ضمن نطاق 850-1100 درجة مئوية لتحقيق التحلل الحراري الفعال لأكاسيد النيتروجين. عند درجات حرارة أقل من 850 درجة مئوية، يكون التفاعل الحراري بين أكاسيد النيتروجين والأمونيا بطيئًا جدًا بحيث لا يسمح بالاختزال الفعال؛ أما عند درجات حرارة أعلى من 1100 درجة مئوية، تتأكسد الأمونيا لتكوين المزيد من أكاسيد النيتروجين بدلًا من اختزالها. يجب مراقبة درجة حرارة نقطة حقن نظام الاختزال التحفيزي غير الانتقائي (SNCR) باستمرار، ويجب تعديل معدل تدفق ماء الأمونيا في الوقت الفعلي للتعويض عن تغيرات درجة الحرارة في منطقة الحقن. يمكن أن يؤدي التوزيع غير المنتظم لدرجة الحرارة عبر المقطع العرضي للفرن (وهو أمر شائع في الأفران الدوارة ذات معدلات التغذية المتغيرة) إلى تكوين مناطق ذات درجات حرارة مرتفعة وأخرى ذات درجات حرارة منخفضة في آنٍ واحد، مما يقلل من كفاءة إزالة أكاسيد النيتروجين باستخدام نظام الاختزال التحفيزي غير الانتقائي (SNCR). - ⚠️
يتطلب معدل استهلاك الحجر الجيري المرتفع للغاية في نظام إزالة غازات المداخن (718 كجم/ساعة كحد أقصى) إدارة موثوقة لسلسلة التوريد وتخزينًا كافيًا في الموقع: مع استهلاك أقصى للحجر الجيري يبلغ 718 كجم/ساعة وتخزين 50 م³ في الموقع (يكفي لمدة 7 أيام)، يجب أن توفر سلسلة توريد الحجر الجيري إمدادًا أسبوعيًا موثوقًا. أي انقطاع في الإمداد يؤدي إلى انخفاض مخزون الحجر الجيري عن الحد الأدنى للمستوى التشغيلي سيجبر على خفض قدرة معالجة ثاني أكسيد الكبريت، مما يخلق خطرًا على الامتثال في غضون ساعات. لذا، يجب تطبيق بنود في عقد التوريد تضمن وتيرة التسليم، والحفاظ على مستوى أدنى للمخزون (مثلًا، مخزون يكفي لمدة 3 أيام) يُفعّل أمر شراء تلقائيًا، وتوثيق إجراءات الطوارئ لخفض معدل إزالة غازات المداخن مؤقتًا أثناء انقطاع الإمداد. - ⚠️
يجب إدارة درجة حموضة مخلفات إزالة غازات المداخن وأكسدة كبريتيت الكالسيوم بشكل فعال لمنع الترسبات والحفاظ على جودة الجبس: مع ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكبريت الداخلة في هذا التطبيق، تتراكم الكبريتيتات والكبريتات في حلقة مخلفات إزالة غازات المداخن بمعدلات تفوق بكثير معدلات ممارسات محطات توليد الطاقة. تُعدّ نطاقات إدارة الرقم الهيدروجيني بالغة الأهمية: فعندما ينخفض الرقم الهيدروجيني في حلقة دوران جهاز التنقية الأساسي إلى أقل من 4.5، يُضاف المخلفات ويُحافظ على الرقم الهيدروجيني بين 4.5 و5.5؛ وعندما ينخفض الرقم الهيدروجيني في حلقة دوران جهاز التنقية الثانوي إلى أقل من 5.5، يُضاف المخلفات ويُحافظ على الرقم الهيدروجيني بين 5.5 و6.5. يجب أن تعمل مروحة الأكسدة باستمرار لضمان إمداد كافٍ من الهواء لأكسدة كبريتيت الكالسيوم إلى جبس - إذ تُنتج الأكسدة غير الكاملة ترسبات كبريتيت الكالسيوم في جهاز الامتصاص بدلاً من بلورات الجبس القابلة للترشيح والتي يمكن تجفيفها إلى نسبة رطوبة ≤15%. - ⚠️
قد يؤدي دخول غاز المداخن إلى نظام إزالة الكبريت بتركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكبريت إلى زيادة الحمل على نظام إزالة الكبريت - لذا يُنصح باستخدام كاشف إزالة الكبريت عالي الكفاءة القائم على الكالسيوم لتحسين كفاءة إزالة الكبريت: استنادًا إلى ملخص الخبرة الموثقة، تكمن النقطة الحاسمة في هذه العملية في أنه عندما يصل تركيز ثاني أكسيد الكبريت في المنبع إلى ذروته عند 12000 ملغم/م³، قد يقترب نظام إزالة غازات المداخن من حد قدرته الامتصاصية حتى مع نسبة سائل/غاز 30 وأربع طبقات رش. عند هذه النقطة، يجب أن يكون محلول الحجر الجيري عند درجة حموضة مثالية مع تنشيط الأكسدة بالكامل، ويجب أن تعمل جميع طبقات الرش الأربع بأقصى تدفق. إذا تدهورت جودة الحجر الجيري (انخفاض نقاء كربونات الكالسيوم)، أو إذا أدى انسداد أي فوهة رش إلى تقليل التغطية الفعالة، أو إذا انخفضت درجة حموضة المحلول، فلن يتمكن النظام من تلبية متطلبات المخرج ≤100 ملغم/م³ خلال ذروة التركيز. يلزم إجراء فحص دوري (أسبوعي) لفوهات الرش لضمان الحفاظ على التغطية الكاملة في جميع الأوقات.
07 — أهم النقاط الهندسية
أربعة دروس مستفادة من مشروع غازات العادم المنبعثة من فرن كربونات الليثيوم لبطاريات الطاقة
- 1
يُعد الجمع بين SNCR و SCR أمرًا ضروريًا عندما يكون مدخل NOx أعلى من 600 ملغم/متر مكعب والهدف عند المخرج ≤150 ملغم/متر مكعب - لا يمكن لأي من التقنيتين بمفردها تحقيق كفاءة إزالة 81.5% المطلوبة في حالة مدخل FGD هذه. يحقق نظام SNCR وحده إزالةً لأكاسيد النيتروجين تتراوح بين 30 و50%، ولكنه يتميز بانتقائية محدودة وحساسية ضعيفة لتغيرات درجة الحرارة. أما نظام SCR وحده، بمعدل 273,846 م³/ساعة، فيتطلب حجمًا كبيرًا جدًا من المحفز لتحقيق إزالة 81.5% من تركيز 809 ملغم/م³. تعمل عملية الاختزال المسبق في نظام SNCR على خفض تركيز أكاسيد النيتروجين الداخلة إلى نظام SCR إلى مستوى يمكن التحكم فيه، بينما يوفر نظام SCR الاختزال الدقيق وعالي الكفاءة اللازم للوصول إلى حد ≤150 ملغم/م³ بشكل موثوق. يُعدّ تصميم SNCR+SCR المدمج هو التوصية القياسية لأي تطبيق يتجاوز فيه تركيز أكاسيد النيتروجين الداخلة 600 ملغم/م³، ويجب أن يكون تركيزها الخارجة أقل من 200 ملغم/م³. - 2
صمم نظام إزالة غازات المداخن لحالة ذروة ثاني أكسيد الكبريت، وليس المتوسط - بالنسبة لنسبة تباين 10:1، يكون الفرق في حجم النظام كبيرًا. يتطلب متوسط تركيز ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) البالغ 4645 ملغم/م³ وذروة التركيز البالغة 12000 ملغم/م³ نفس الهدف لتركيز SO₂ عند المخرج، وهو ≤100 ملغم/م³. عند متوسط تركيز SO₂ عند المدخل، تبلغ كفاءة الإزالة 97.8%، بينما عند ذروة التركيز، يلزم 99.2%. إن تصميم النظام وفقًا للظروف المتوسطة (إزالة 97.8%) وتوسيع نطاقه بناءً على ذلك سيؤدي إلى تجاوزات في الامتثال خلال كل ذروة لتركيز SO₂. يجب تحديد حجم وحدة إزالة غازات المداخن (FGD) لتحقيق كفاءة إزالة 99.2% في ظل ذروة التركيز البالغة 12000 ملغم/م³، وهو ما يفرض تحديد نسبة L/G=30 وتصميم النظام بأربع طبقات رش. يُعد هامش الامتثال خلال الظروف المتوسطة (تركيز SO₂ عند المخرج أقل بكثير من 100 ملغم/م³) نتيجة طبيعية لتصميم النظام بشكل صحيح عند ذروة التركيز. - 3
يحوّل نظام التحكم الديناميكي في طبقة الرش القائم على المراقبة عبر الإنترنت حمل ثاني أكسيد الكبريت المتغير من مشكلة تشغيلية إلى ميزة تشغيلية. يحوّل نظام التحكم في تفعيل طبقات الرش، القائم على مراقبة ثاني أكسيد الكبريت عبر الإنترنت، تباين تركيز ثاني أكسيد الكبريت بنسبة 10:1 من عامل ضغط على النظام إلى فرصة لتحسين استهلاك الطاقة والمواد الكيميائية. خلال فترات تركيز ثاني أكسيد الكبريت الأساسية، تكفي طبقة أو طبقتان من الرش؛ أما خلال فترات الذروة، فيتم تفعيل الطبقات الأربع جميعها. يقلل هذا التحكم الديناميكي من استهلاك الطاقة الكهربائية للمضخات ودوران معلق الحجر الجيري خلال فترات انخفاض تركيز ثاني أكسيد الكبريت بمقدار 50-751 طن/طن مقارنةً بتشغيل الطبقات الأربع جميعها باستمرار، مما يحقق وفورات كبيرة في النفقات التشغيلية السنوية مع الحفاظ على الامتثال الكامل لجميع ظروف تركيز ثاني أكسيد الكبريت. - 4
إن إنتاج الجبس بمعدل 1488 كجم/ساعة من غازات المداخن المحتوية على كربونات الليثيوم عالية الكبريت كبير بما يكفي ليتطلب استراتيجية تسويق نشطة للجبس، وليس مجرد خطة للتخلص منه. عند أعلى معدل إنتاج، تُنتج وحدة إزالة غازات المداخن هذه حوالي 35.7 طنًا من الجبس يوميًا على مدار 24 ساعة. يُعدّ هذا حجمًا كبيرًا تجاريًا يستدعي إبرام اتفاقية توريد مع منشأة لمعالجة جبس البناء قبل بدء التشغيل، بدلًا من اعتبار التخلص من الجبس أمرًا ثانويًا. إذا كانت جودة الجبس (محتوى الكلوريد، الرطوبة، محتوى المعادن الثقيلة) مطابقة للمعايير المطبقة لإعادة استخدام مواد البناء، فإن عائدات مبيعات الجبس تُغطي جزءًا كبيرًا من تكلفة كاشف الحجر الجيري البالغة 718 كجم/ساعة.
08 — الأسئلة الشائعة
معالجة غازات العادم المنبعثة من أفران دوارة تعمل ببطاريات الليثيوم كربونات: إجابات على عشرة أسئلة
أسئلة من مديري تصاريح البيئة ومهندسي العمليات وفرق الاستدامة في مرافق إنتاج مواد بطاريات الطاقة التي تخطط لإزالة النيتروجين بتقنية SCR وتحديثات FGD عالية الكبريت بموجب متطلبات مرسوم الأنشطة الهولندي/الاتحاد الأوروبي IED.
هل أنت مستعد لتحقيق الامتثال لمعايير الانبعاثات المنخفضة للغاية لفرن مواد البطاريات الخاص بك؟
استكشف المجموعة الكاملة من حلول التحكم في الانبعاثات الصناعية
من إزالة النيتروجين بتقنية SNCR+SCR وإزالة غازات المداخن باستخدام الحجر الجيري والجبس عالي الكبريت لأفران الليثيوم الكربونات الدوارة إلى أنظمة الأكسدة الحرارية التجديدية للحد من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة الصناعيةيقدم فريقنا الهندسي حلولاً متوافقة مع توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الذكية لتلبية متطلبات التحكم في انبعاثات مواد بطاريات الطاقة الجديدة الأكثر تطلبًا.
