دراسة حالة · الحد من المركبات العضوية المتطايرة
كيف حققت مجموعة تكرير وبتروكيماويات متكاملة رئيسية تدميرًا للمركبات العضوية المتطايرة بنسبة 99.5% من 16000 م³/ساعة من الغازات المنبعثة عالية التركيز، الحاملة لكبريتيد الهيدروجين، والمحملة بسلسلة البنزين من أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي واستعادة التكثيف - وذلك من خلال نشر سلسلة معالجة مسبقة بالغة الأهمية للسلامة تتضمن غسلًا قلويًا وغسلًا بالماء قبل وحدة RTO ثلاثية الطبقات تعمل عند درجة حرارة ≥800 درجة مئوية مع مراقبة LEL ثلاثية التكرار، وتصميم مقاوم للانفجار في جميع أنحاء الوحدة، وتسخين مسبق بالبخار لتحسين الأداء الحراري الذاتي.
شقة للإيجار بثلاث غرف نوم
المعالجة المسبقة لإزالة كبريتيد الهيدروجين
قفل مقاوم للانفجار منخفض المحتوى
غازات الصرف الناتجة عن مياه الصرف في المصافي
01 - خلفية الصناعة
التحكم في المركبات العضوية المتطايرة في صناعة البتروكيماويات: هندسة السلامة أولاً لتدفقات الغازات المنبعثة من المصافي، والتي تتسم بقابلية الانفجار والسموم والتغير الشديد.
يُعدّ قطاع البتروكيماويات وتكرير النفط من أكبر المصادر الصناعية لانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة على مستوى العالم. يتكون النفط ومشتقاته من مخاليط معقدة من الهيدروكربونات، وتتميز كسورها الأخف ذات درجة الغليان المنخفضة بتقلبات كبيرة. وعلى امتداد سلسلة استخراج النفط الخام وتكريره وتخزينه ونقله وبيعه، تُطلق كميات ضئيلة من الهيدروكربونات الأخف حتمًا في الغلاف الجوي نتيجةً لقيود معدات المعالجة. وتنشأ انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة من منشآت البتروكيماويات من خزانات التخزين، وفتحات تهوية أوعية المعالجة، وتسربات المعدات، وأسطح محطات معالجة مياه الصرف الصحي، والغازات المنبعثة من أنظمة استعادة التكثيف.
يتميز التحدي الذي يواجه قطاع البتروكيماويات في الحد من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة بثلاث خصائص فريدة مقارنة بتطبيقات صناعات الطباعة أو الأدوية أو الطلاء: (1) أهمية قصوى للسلامة — تحتوي تيارات المركبات العضوية المتطايرة البتروكيماوية على هيدروكربونات قابلة للاشتعال (غاز النفط، سلسلة البنزين)، وغازات سامة (كبريتيد الهيدروجين)، ومركبات قابلة للاشتعال التلقائي، مما يجعل إدارة الحد الأدنى للانفجار متطلباً لسلامة الأرواح بدلاً من كونه متطلباً للامتثال للتصريح؛ (2) تركيبة الغازات المسببة للتآكل — تخلق مركبات كبريتيد الهيدروجين ومركبات سلسلة البنزين بيئة شديدة التآكل تتطلب مواد متخصصة في جميع أنحاء النظام، بدءًا من أنابيب التجميع وحتى غرفة احتراق RTO؛ (3) تباين عالٍ في التركيز — يمكن أن تتقلب تركيزات الغازات المنبعثة من محطة معالجة مياه الصرف الصحي بشكل كبير مع تغير حمولة النفايات، مما يتطلب استراتيجية تخزين مؤقت (برج غسيل قلوي كحجم تخزين مؤقت) ونظام إدارة تركيز قوي.
تُعدّ المؤسسة موضوع هذه الدراسة مجموعةً متكاملةً ضخمةً لتكرير النفط والبتروكيماويات، تضمّ 8000 موظف، وأصولاً إجماليةً تبلغ 65 مليار يوان صيني، وطاقةً إنتاجيةً أوليةً للنفط الخام تصل إلى 10.5 مليون طن سنوياً، بالإضافة إلى خطوط إنتاجٍ متعددةٍ للبتروكيماويات، تشمل فحم الكوك عالي الكبريت، ومنتجاتٍ بتروكيماويةً أخرى، فضلاً عن عملياتٍ تجاريةٍ ولوجستيةٍ وتجارةٍ بالتجزئة. ويُعتبر هذا المرفق مركزاً إقليمياً رئيسياً لإنتاج المواد الكيميائية للطاقة. ويتناول مشروع الحدّ من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة غازاتَ الذيل المنبعثة من جهاز استخلاص النفط والغاز، والغازات عالية التركيز المنبعثة من محطة معالجة مياه الصرف الصحي داخل مجمع التكرير.
تتطلب إدارة سلامة الغازات المنبعثة من الصناعات البتروكيماوية ألا يتجاوز تركيزها الحد الأدنى للانفجار (LEL) البالغ 25% في أي نقطة من نظام التجميع والمعالجة. ويُعد خزان التخزين المؤقت الواقع أسفل مرحلة غسل القلويات - والمجهز بجهاز مراقبة خاص به للحد الأدنى للانفجار - عنصر السلامة الحاسم الذي يوفر وقت استجابة كافيًا لإيقاف التشغيل الطارئ بين حدوث ارتفاع مفاجئ في التركيز عند أي مصدر فردي ووصول النظام إلى حالة غير آمنة عند مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO).
— ملخص فني هندسي، مشروع معالجة المركبات العضوية المتطايرة في صناعة البتروكيماويات
02 - لمحة عن التلوث
غازات الصرف الناتجة عن مياه الصرف من المصفاة: كبريتيد الهيدروجين، بنزين، غاز نفطي بتركيز 8000 ملغم/م³ من الهيدروكربونات غير الميثانية ذات رطوبة 60% وتركيب قابل للانفجار
ينشأ الغاز المنبعث في هذا المشروع من فئتين من المصادر داخل مجمع المصفاة:
- غازات الذيل لجهاز استخلاص النفط والغاز (وحدتان: المنطقة الشرقية والمنطقة الغربية): هذه هي تيارات الغازات المتبقية من أنظمة استخلاص أبخرة النفط في المصفاة بعد التكثيف والامتصاص. تعالج وحدة المنطقة الشرقية 3300 متر مكعب/ساعة بشكل متقطع عند تركيز هيدروكربونات غير ميثانولية أقل من 1 غرام/متر مكعب؛ وتعالج وحدة المنطقة الغربية 3500 متر مكعب/ساعة بشكل متقطع عند تركيز هيدروكربونات غير ميثانولية أقل من 5 غرام/متر مكعب؛ والحد الأقصى التصميمي المجمع 6800 متر مكعب/ساعة.
- الغازات المنبعثة عالية التركيز التي يتم جمعها مباشرة من محطة معالجة مياه الصرف الصحي: الغازات المنبعثة من خزانات تعديل مياه الصرف الصحي (3000×2 م³؛ 1014 م³/ساعة)، وخزانات فصل الزيت (300×2 م³؛ 100.8 م³/ساعة)، وخزانات تركيز الحمأة (60×4 م³؛ 68 م³/ساعة)، وخزانات التعويم (300×2 م³؛ 100.8 م³/ساعة)، وبرك مياه الصرف الصحي المحتوية على الزيت (3.8×4.7×2؛ 150 م³/ساعة)، وخزانات الترسيب (29.6×16.6×1.5؛ 2949 م³/ساعة)، وخزانات التهوية (23.8×14.7×1؛ 1400×2 م³/ساعة)، مجتمعةً لتكوين تدفق تصميمي قدره 8700 م³/ساعة مع تركيز هيدروكربونات غير ميثانية يتراوح بين 5000 و8000 ملغم/م³، بمتوسط 3500 ملغم/متر مكعب عند NMHC، و140 ملغم/متر مكعب متوسط تركيز سلسلة البنزين.
يبلغ حجم غاز العملية القياسي المجمع 16,000 متر مكعب/ساعة (17,465 متر مكعب/ساعة عند 25 درجة مئوية). وتتمثل السمة الحاسمة التي تحدد سلامة هذا الغاز المنبعث في وجود كبريتيد الهيدروجين (H₂S) الناتج عن عمليات تكرير النفط، ومركبات سلسلة البنزين (البنزين، والتولوين، والزيلين من مخلفات تجزئة النفط الخام)، وأبخرة الهيدروكربونات النفطية والغازية - جميعها في الحالة الغازية بتراكيز قد تقترب من الحد الأدنى للانفجار (LEL) في ظل ظروف التحميل القصوى. وتكون الرطوبة عالية عند 60%، ولا يحمل الغاز أي جسيمات (جميع المصادر ناتجة عن تبخر سطح السائل). ويبلغ محتوى الأكسجين 21% (هواء محيط مختلط بالبخار).
| المعلمة | التركيز الأولي | منفذ البيع الفعلي | حدود الاتحاد الأوروبي لبطاقات الهوية الاستثمارية/بطاقات تسجيل الهوية الوطنية |
|---|---|---|---|
| NMHC (إجمالي المركبات العضوية المتطايرة) | 8000 ملغم/متر مكعب (ذروة) | 40 ملغم/متر مكعب | IED 2010/75/EU ≤20 ملغم/م³ |
| البنزين | الحاضر (سلسلة البنزين) | ≤2 ملغم/متر مكعب | العبوة الناسفة ≤1 ملغم/م³ |
| التولوين | حاضر | ≤5 ملغم/متر مكعب | العبوة الناسفة ≤3 ملغم/م³ |
| الزيلين | حاضر | ≤8 ملغم/متر مكعب | العبوة الناسفة ≤12 ملغم/م³ |
| كبريتيد الهيدروجين، سلسلة البنزين، غاز النفط | موجود (في الحالة الغازية) | تمت إزالته بالغسل القلوي | تصريح موقع IED / IPPC |
| رطوبة | 60% | — | — |
| حجم الغاز القياسي | 16000 م³/ساعة (تصميم) | — | — |
| حجم غاز العملية | 17,465 متر مكعب قياسي/ساعة عند 25 درجة مئوية | — | — |
| خفض المركبات العضوية المتطايرة السنوي | حوالي 685 طن/سنة | تم التحقق | — |
ملاحظة هامة تتعلق بالسلامة: يجب ألا تقل مسافة استجابة المروحة من خزان غسيل القلويات إلى صمام التحويل الطارئ عن 60 مترًا (ويمكن الوصول إلى 90 مترًا في هذا التكوين). تضمن هذه المسافة استجابة ميكانيكية كافية لمخمد التحويل الطارئ ليعمل بعد إشارة إنذار ارتفاع الحد الأدنى للانفجار، مما يمنع دخول الغاز القابل للاشتعال إلى نظام طبقة السيراميك في عملية الأكسدة الحرارية المتجددة في ظروف الانفجار. يُعدّ تقصير هذه المسافة إلى أقل من 60 مترًا مخالفة لقواعد السلامة.
03 - محلول العلاج
سلسلة من أربع مراحل: غسيل قلوي + غسيل بالماء + خزان عازل + نظام إعادة تشغيل ثلاثي المراحل مع قفل ثلاثي للحد الأدنى من الانفجار
يُلبي نظام المعالجة متطلبين متزامنين: (1) إدارة السلامة لتيار الغازات المنبعثة القابلة للاشتعال والسامة والمتفجرة؛ و(2) تدمير المركبات العضوية المتطايرة بكفاءة تزيد عن 99%. يُؤثر هذان المتطلبان على جوانب مختلفة من تصميم النظام. فإدارة السلامة تُحدد عملية الغسل القلوي، وخزان التخزين المؤقت، والمراقبة الثلاثية للحد الأدنى للانفجار، والتصميم المقاوم للانفجار، ونظام التحويل الطارئ. أما تدمير المركبات العضوية المتطايرة فيُحدد مواصفات نظام الأكسدة الحرارية المتجددة ثلاثي الطبقات عند درجة حرارة ≥800 درجة مئوية مع استعادة حرارية تزيد عن 95%.
المرحلة الأولى: جمع وعزل الغازات العضوية من الواجهة الأمامية
يُجمع الغاز العضوي من خزانات معالجة مياه الصرف الصحي وغازات مؤخرة جهاز استخلاص النفط والغاز في المرحلة الأولى عبر مانعات اللهب ومعدات المعالجة المسبقة قبل عزله. تُركّب مانعات اللهب (وتُسمى أيضًا مصائد اللهب) عند كل وصلة مصدر على حدة لمنع أي اشتعال في وحدة استخلاص النفط والغاز من الانتشار عائدًا عبر مشعب التجميع إلى سطح سائل خزانات مياه الصرف الصحي، مما قد يتسبب في نشوب حريق أو انفجار في الخزان. جميع وصلات المصادر الفردية مزودة بصمامات عزل تسمح بعزل الوحدات الفردية للصيانة دون الحاجة إلى إيقاف تشغيل النظام بأكمله.
المرحلة الثانية: الغسل القلوي (إزالة كبريتيد الهيدروجين والغازات الحمضية)
يدخل الغاز المُجمّع بواسطة مروحة السحب الوسيطة إلى نظام الغسيل القلوي لإزالة المكونات الحمضية (وخاصةً كبريتيد الهيدروجين وأي ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكبريت الموجود). يجب إزالة كبريتيد الهيدروجين قبل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة لسببين: (1) ينتج عن احتراق كبريتيد الهيدروجين في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة ثاني أكسيد الكبريت، مما يستلزم وجود مرحلة إزالة غازات المداخن في المراحل اللاحقة، وهي غير مُدرجة في تصميم هذه المنشأة؛ (2) يُعد الغاز الحامل لكبريتيد الهيدروجين سامًا لعمال الصيانة، ويتطلب إجراءات دخول إلى الأماكن المغلقة، مما يُعقّد برنامج فحص طبقة السيراميك في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة. يقوم برج الغسيل القلوي بإزالة الرذاذ الناتج عن عملية الغسيل عبر مُزيل الرذاذ قبل مرور الغاز إلى خزان التخزين المؤقت.
المرحلة 3: خزان عازل + مراقبة الحد الأدنى للانفجار (منطق التصويت 3 من 2)
بعد عملية الغسل القلوي، يدخل الغاز إلى خزان وسيط مزود بجهاز مراقبة تركيز الحد الأدنى للانفجار (LEL). يؤدي الخزان الوسيط وظيفتين أساسيتين في آن واحد: (1) توفير متوسط زمني لارتفاعات تركيز المركبات العضوية المتطايرة، مما يضمن أن يكون تركيز الغاز الداخل إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) أكثر تجانسًا من تركيز تيارات المصدر الخام التي قد تختلف اختلافًا كبيرًا خلال فترات زمنية قصيرة؛ (2) توفير حجم الاستجابة اللازم لنظام التجاوز الطارئ ليعمل بشكل صحيح عند اكتشاف حدث ذي تركيز عالٍ من الحد الأدنى للانفجار.
تم تركيب نظام مراقبة ثلاثي لمستوى الانفجار الأدنى (LEL) في مشعب التجميع المشترك، باستخدام نظام مراقبة ثلاثي الوحدات يعمل بنظام التصويت الثنائي (ثلاثة يأخذ اثنين): إذا تجاوزت قراءة أي اثنين من مستشعرات مستوى الانفجار الأدنى الثلاثة عتبة 25% في آنٍ واحد، يتم تفعيل صمام التحويل الطارئ تلقائيًا. يوفر هذا النظام الثنائي (2 من 3) ميزة الأمان (لا يؤدي تعطل أحد المستشعرات إلى تعطيل نظام التعشيق) ويمنع الإنذارات الكاذبة (لا يتسبب عطل أحد المستشعرات في إيقاف الإنتاج دون داعٍ). تبلغ المسافة الدنيا لاستجابة المستشعر من خزان التخزين المؤقت إلى صمام التحويل الطارئ 60 مترًا لضمان وقت تشغيل ميكانيكي كافٍ.
في الظروف غير الطبيعية (ارتفاع مفاجئ في التركيز فوق الحد الأدنى للانفجار 25%)، يُوجَّه الغاز عبر مسار جانبي طارئ مزود بالكربون المنشط إلى فتحة تهوية جوية قصيرة (إجراء طارئ مؤقت). في الظروف الطبيعية، يدخل الغاز إلى مروحة الأكسدة الحرارية المتجددة ثلاثية الطبقات لإجراء الأكسدة الحرارية.
المرحلة الرابعة: عملية الأكسدة الحرارية المتجددة ثلاثية الأحواض عند درجة حرارة ≥800 درجة مئوية
في الظروف العادية، يدخل الغاز المعالج مسبقًا (خالٍ من كبريتيد الهيدروجين، مُنظَّم التركيز، أقل من 25% LEL) إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة ثلاثية الطبقات. ترفع وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة درجة حرارة الغاز إلى 760 درجة مئوية أو أكثر (الهدف التشغيلي التصميمي) مع أكسدة المركبات العضوية حراريًا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. يُركَّب مُسخِّن بخاري مسبق قبل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة لرفع درجة حرارة الغاز المُحمَّل بالمركبات العضوية المتطايرة، وتقليل محتوى الرطوبة من خلال التكثيف الجزئي، ورفع تركيز المركبات العضوية المتطايرة، وتقليل تركيز المواد الزيتية ذات الجزيئات الكبيرة في الغاز، مما يمنع تراكمها في مشعب مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة والذي قد يُسبِّب مخاطر على السلامة.
يعمل نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) بنظام تبديل الصمامات القياسي ثلاثي المراحل: مرحلة واحدة في وضع المدخل (لتسخين الغاز الداخل مسبقًا عبر السيراميك المسخن مسبقًا)، ومرحلة واحدة في وضع المخرج (لمعالجة الغاز لاحقًا أثناء تبريد السيراميك)، ومرحلة واحدة في وضع التطهير (لإزالة المركبات العضوية المتطايرة المتبقية قبل انتقال المرحلة إلى وضع المخرج). ويتعامل نظام التجاوز الطارئ (الجزئي) لدرجات الحرارة العالية مع حالات ارتفاع درجات الحرارة عن طريق الخلط مع صندوق الخلط قبل تصريف المدخنة عندما تتجاوز درجة حرارة غرفة الاحتراق الحد الأقصى للتشغيل.
خزانات + زيت
استعادة
المعتقلون
كل مصدر
غسل
إزالة كبريتيد الهيدروجين
صهريج
3×LEL
التسخين المسبق
تجفيف
≥760 درجة مئوية
>99% VOC
→ مكدس
40 ملغ من المركبات العضوية المتطايرة
⭐ معدات جديدة أو بالغة الأهمية للسلامة في هذا المشروع. يقوم نظام التحويل الطارئ (الكربون المنشط) بتوجيه الغاز ذي الحد الأدنى للانفجار العالي حول وحدة التحكم في درجة الحرارة إلى الغلاف الجوي في حالات الطوارئ.
معايير المعدات الرئيسية
| غرض | مواصفة |
|---|---|
| تدفق عملية RTO | 16000 متر مكعب/ساعة؛ درجة حرارة المدخل ≤30 درجة مئوية؛ مساحة 25×15 متر؛ وزن 60 طن |
| الكفاءة الحرارية / التدمير | >99% / >95% |
| زمن بقاء العينة في غرفة الاحتراق | >1.2 ثانية؛ أكسدة >760 درجة مئوية |
| تصنيف غرفة الاحتراق | 600,000 كيلو كالوري/ساعة |
| الغاز الطبيعي (بدء التشغيل البارد 3 ساعات) | 71 م³/ساعة (P: 0.03–0.06 ميجا باسكال) |
| الغاز الطبيعي (تشغيل وضع الخمول) | 35 م³/ساعة |
| استهلاك الغاز عند بدء التشغيل البارد | 176 متر مكعب لكل حدث بدء تشغيل بارد |
| انخفاض ضغط النظام | <3000 باسكال |
| قوة المراوح | 75 كيلوواط؛ 5000 باسكال؛ قناة بقطر 600 مم |
| مراقبة الحد الأدنى للانفجار | 3 وحدات؛ منطق تصويت 2 من 3؛ تجاوز طارئ عند مستوى طاقة منخفض >25% |
| التصنيف الكهربائي | ExdIIBT4 مقاوم للانفجار بالكامل |
| التكلفة السنوية للكهرباء (8400 ساعة) | 324,240 كيلوواط ساعة؛ ما يقارب 197,786 يوان صيني/سنة (0.61 يوان صيني/كيلوواط ساعة) |
| التكلفة السنوية للهواء المضغوط | 20 م³/ساعة؛ ما يقارب 25200 يوان صيني/سنة (0.15 يوان صيني/م³) |
| التكلفة السنوية للغاز الطبيعي (تقديرية) | معدل 25200 متر مكعب/ساعة؛ ما يقارب 37800 يوان صيني/سنة (1.5 يوان صيني/متر مكعب) |
| التكلفة السنوية للبخار المكثف | معدل 688,800 كجم/ساعة؛ ما يقارب 121,228 يوان صيني/سنة (176 يوان صيني/طن) |
| تكلفة المياه السنوية للإنتاج | 1260 طن/سنة؛ ما يقارب 1890 يوان صيني/سنة (1.5 يوان صيني/طن) |
04 - المزايا الأساسية
خمسة أسباب تجعل هذا التصميم المعماري هو النهج الأمثل للحد من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة في مصافي البتروكيماويات
- ✓
غسل القلويات قبل عملية الأكسدة الحرارية المتجددة يزيل كبريتيد الهيدروجين ويمنع توليد ثاني أكسيد الكبريت في غرفة الاحتراق: يوجد كبريتيد الهيدروجين (H₂S) في غازات الصرف الناتجة عن مصافي النفط بتراكيز كافية، في حال احتراقه في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) دون معالجة مسبقة، لتوليد ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) بتراكيز تستدعي إضافة مرحلة لاحقة لإزالة الكبريت من غازات المداخن باستخدام الحجر الجيري والجبس (مما يزيد من التكاليف الرأسمالية والتشغيلية بشكل ملحوظ). تعمل عملية الغسل القلوي على إزالة كبريتيد الهيدروجين قبل مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة، بتحويله إلى كبريتيد الصوديوم في سائل الغسل. هذا يحافظ على نقاء التفاعلات الكيميائية للاحتراق في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (هيدروكربون + أكسجين → ثاني أكسيد الكربون + ماء فقط) دون أي تعقيدات تتعلق بالغازات الحمضية، ويُغني عن الحاجة إلى أي معدات لإزالة الكبريت بعد عملية الأكسدة الحرارية المتجددة. - ✓
يوفر نظام مراقبة مستوى الانفجار المنخفض الثلاثي مع منطق التصويت 2 من 3 كلاً من التكرار الأمني ومقاومة الإنذارات الكاذبة: يحتوي نظام التعشيق أحادي المستشعر للكشف عن الحد الأدنى للانفجار (LEL) على نمطين من الأعطال: عطل في المستشعر يؤدي إلى تعطيل نظام التعشيق الآمن (خطير)، وعطل في المستشعر يؤدي إلى إيقاف الإنتاج دون داعٍ (مكلف). أما نظام التصويت ثلاثي المستشعرات (2 من 3) فيقضي على كلا نمطي الأعطال: إذ يُكتشف أي عطل في مستشعر واحد لأن المستشعرين المتبقيين يحافظان على قراءات متسقة، ولا يؤدي عطل في مستشعر واحد إلى تفعيل نظام التعشيق لأن المستشعرين الآخرين لا يزالان دون الحد الأدنى. في بيئة مصفاة بتروكيماوية حيث يُعد انحراف معايرة مستشعر الحد الأدنى للانفجار (LEL) خطرًا تشغيليًا معروفًا، يُعد هذا التصميم الأمثل لنظام التعشيق الآمن. - ✓
يوفر خزان التخزين المؤقت بعد الغسل القلوي متوسط التركيز الزمني ووقت الاستجابة الذي يتطلبه نظام السلامة: تتفاوت تركيزات الغازات المنبعثة من معالجة مياه الصرف الصحي في المصافي بشكل دوري نتيجةً لمعالجة تيارات مياه الصرف المختلفة وتقلبات نشاط خزانات المعالجة البيولوجية. وبدون خزان عازل، قد تصل ذروة تركيز المركبات العضوية المتطايرة من أحد الخزانات إلى مدخل وحدة الأكسدة الحرارية العكسية (RTO) في غضون ثوانٍ من حدوثها في المصدر. يوفر حجم الخزان العازل التأخير الزمني اللازم لنظام مراقبة الحد الأدنى للانفجار (LEL) لاكتشاف الذروة، ولنظام التحكم للاستجابة، ولصمام التحويل الطارئ للتشغيل الفعلي - بحد أدنى لوقت الاستجابة يبلغ 60 ثانية عند تدفق 16000 متر مكعب/ساعة. كما يعمل برج غسل القلويات كخزان عازل ثانوي في هذا التصميم. - ✓
التسخين المسبق بالبخار قبل عملية الأكسدة الحرارية المتجددة يعالج التحديات الثلاثة للغاز عالي الرطوبة والزيتي وعالي التركيز: تُشكّل الرطوبة العالية ومحتوى رذاذ الزيت في غازات الصرف الصحي الناتجة عن مصفاة النفط (60%) تحدياتٍ خاصة لوحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO): (1) تؤدي الرطوبة العالية إلى انخفاض درجة حرارة اللهب الأديباتية وزيادة استهلاك الوقود الإضافي؛ (2) قد يتكثف رذاذ الزيت ويتراكم في مشعب مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة، مما يُشكّل خطرًا للحريق؛ (3) قد تُسبب التركيزات العالية تفاعلات طاردة للحرارة غير مُتحكّم بها في طبقة السيراميك الخاصة بوحدة الأكسدة الحرارية المتجددة قبل غرفة الاحتراق. يعمل التسخين المُسبق بالبخار على خفض الرطوبة النسبية (عن طريق رفع درجة حرارة الغاز دون إضافة رطوبة)، وتبخير بقايا رذاذ الزيت، وتخفيف تركيز المركبات العضوية المتطايرة الفعّالة الداخلة إلى منطقة الاحتراق. هذه ميزة تصميمية خاصة بصناعة البتروكيماويات، ولا توجد في منشآت الأكسدة الحرارية المتجددة في قطاعي الطباعة أو صناعة الأدوية. - ✓
يُعدّ التصميم المقاوم للانفجار ExdIIBT4 إلزاميًا لتصنيف المنطقة البتروكيماوية: يعمل نظام جمع ومعالجة المركبات العضوية المتطايرة بالكامل في منطقة مصنفة كمنطقة خطرة بموجب توجيه ATEX 2014/34/EU. يجب أن تكون جميع المعدات الكهربائية (محركات المراوح، والمشغلات، والأجهزة، والإضاءة، ولوحات التحكم) معتمدة وفقًا لتصنيف ExdIIBT4 المقاوم للانفجار أو أعلى منه لغازات المجموعة IIB (والتي تشمل سلسلة البنزين ومخاليط الغازات النفطية الموجودة هنا). إن استخدام معدات كهربائية ذات تصنيف قياسي في نظام الحد من المركبات العضوية المتطايرة في صناعة البتروكيماويات ليس مجرد مخالفة تنظيمية، بل هو خطر اشتعال حقيقي في نظام مصمم للتعامل مع الغازات القابلة للاشتعال بتركيزات قريبة من الحد الأدنى للانفجار.
05 - النتائج التشغيلية
أداء مُثبت: إزالة 99.51 طن من المركبات العضوية المتطايرة وخفض الانبعاثات بمقدار 685 طنًا سنويًا
تفصيل تكاليف التشغيل السنوية (8400 ساعة تشغيل): الكهرباء بسعر 324240 كيلوواط ساعة (0.61 يوان صيني/كيلوواط ساعة) = 197786 يوان صيني؛ الهواء المضغوط بسعر 20 متر مكعب/ساعة (0.15 يوان صيني/متر مكعب) = 25200 يوان صيني؛ الغاز الطبيعي (تقديري) بسعر 1.5 يوان صيني/متر مكعب = 37800 يوان صيني؛ بخار المكثفات 688800 كيلوغرام إجمالاً (176 يوان صيني/طن) = 121228 يوان صيني؛ مياه الإنتاج 1260 طن (1.5 يوان صيني/طن) = 1890 يوان صيني. إجمالي تكاليف التشغيل السنوية حوالي 383904 يوان صيني (ما يعادل تقريبًا 38.4000 يوان صيني). هذا يمثل تكلفة تشغيل منخفضة بشكل استثنائي لنظام الحد من المركبات العضوية المتطايرة في المصفاة، مما يعكس الحجم الصغير (16000 م³/ساعة مقابل 120000 م³/ساعة في حالة صناعة الأدوية) والتغذية الغنية بالمركبات العضوية المتطايرة التي تتيح التشغيل شبه الذاتي الحراري RTO.
06 - احتياطات التنفيذ
ستة دروس حاسمة في مجال السلامة والهندسة للحد من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة في صناعة البتروكيماويات
- 🚫
يجب ألا يتجاوز تركيز الحد الأدنى للانفجار عند مدخل النظام 25% LEL - وهذا شرط يتعلق بسلامة الأرواح ويتجاوز جميع اعتبارات استمرارية الإنتاج: يجب أن يُفعّل نظام التجاوز الطارئ فورًا وبشكل تلقائي عند تعطل نظام التعشيق الثنائي (2 من 3) للحد الأدنى للانفجار. يجب ألا يكون هناك أي إمكانية لتجاوز هذا النظام من غرفة التحكم بالعمليات، مما يسمح للمشغلين بتجاوز نظام التعشيق للحفاظ على استمرارية الإنتاج. يجب تنفيذ منطق التعشيق كوحدة أمان سلكية (مصنفة وفقًا لمعيار IEC 61511)، وليس كوظيفة برمجية في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، لضمان تشغيله بشكل مستقل عن أي عطل في نظام التحكم الموزع (DCS). يُعدّ الاختبار الوظيفي الشهري لصمام التجاوز الطارئ إلزاميًا. - ⚠️
يجب الحفاظ على الحد الأدنى لمسافة استجابة المروحة (60 مترًا) من خزان التخزين إلى صمام التجاوز الطارئ - لا تقم بتقصير مشعب التجميع لتوفير تكلفة التركيب: يُعدّ الحد الأدنى للمسافة البالغ 60 مترًا متطلبًا هندسيًا للسلامة، وليس تفضيلًا جماليًا. عند معدل التدفق التصميمي البالغ 16000 متر مكعب/ساعة في قناة قطرها 600 ملم، تبلغ سرعة الغاز حوالي 15 مترًا/ثانية. عند مسافة 60 مترًا من خزان التخزين المؤقت إلى صمام التجاوز الطارئ، يبلغ زمن انتقال ارتفاع التركيز من نقطة الكشف إلى صمام التجاوز حوالي 4 ثوانٍ. بإضافة زمن معالجة منطق 2 من 3 وزمن تشغيل الصمام (حوالي 2-3 ثوانٍ)، يصبح إجمالي زمن الاستجابة حوالي 6-7 ثوانٍ. هذا هو الحد الأدنى المقبول لزمن الاستجابة لنظام التعشيق الآمن للحد الأدنى للانفجار في صناعة البتروكيماويات. يؤدي تقصير المشعب إلى أقل من 60 مترًا إلى تقليل هامش الأمان هذا عن الحد الأدنى. - ⚠️
يتطلب التآكل الغازي الناتج عن مركبات كبريتيد الهيدروجين والبنزين أعلى مواصفات مقاومة للتآكل لجميع المعدات - سيفشل الفولاذ الكربوني القياسي في غضون 1-2 سنوات: يُشكّل مزيج كبريتيد الهيدروجين (الذي يُسبب هشاشة الهيدروجين وتشققات الإجهاد الكبريتي في الفولاذ الكربوني)، ومذيبات سلسلة البنزين (التي تُسبب انتفاخ وتدهور المطاطات القياسية)، والرطوبة العالية، بيئة غازية من بين الأكثر تآكلًا في معالجة الغازات الصناعية المنبعثة. يجب أن تُصنع جميع مشعبات التجميع، وأوعية الغسيل القلوي، وخزانات التخزين المؤقت، ومعدات المعالجة المسبقة، ومشعبات مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L كحد أدنى، مع تبطين قنوات وأوعية ذات قطر كبير بألياف زجاجية مقواة بالبلاستيك أو إيبوكسي رقائق زجاجية. يُشدد على عمر خدمة المعدات بشكل خاص في ملخص الخبرة باعتباره تحديًا تشغيليًا موثقًا - فتآكل الغاز قوي، ولا يصل عمر خدمة المعدات إلى متطلبات التصميم إلا إذا طُبقت أعلى مواصفات مقاومة التآكل منذ البداية. - ⚠️
يجب التحقق من أداء سخان البخار المسبق في ظل ظروف الرطوبة القصوى لمنع تراكم المكثفات الزيتية في مشعب مدخل RTO: يجب أن يرفع مسخن البخار درجة حرارة الغاز بشكل كافٍ لخفض الرطوبة النسبية إلى ما دون نقطة التكثف لأبخرة الزيت الثقيل الموجودة في غازات الصرف الصحي المنبعثة من المصفاة. إذا كان المسخن صغير الحجم أو إذا انخفض ضغط إمداد البخار خلال فصل الشتاء البارد، فقد تبقى الرطوبة النسبية عند مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة أعلى من نقطة التكثف، مما يسمح بتكثف الزيت في مشعب المدخل. يمكن أن يشتعل المكثف الزيتي المتراكم في مشعب مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة تلقائيًا عند وصول الوحدة إلى درجة حرارة التشغيل، مما يُشكل خطرًا للحريق الداخلي. يُوصى بإجراء فحص شهري لمشعب مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة للكشف عن تراكم الزيت بدءًا من السنة الأولى للتشغيل. - ⚠️
يُعد الحفاظ على تركيبة غاز مستقرة التحدي التشغيلي الرئيسي – التحكم الصارم في مصادر المواد المدخلة وتشغيل الفرن: يُحدد ملخص الخبرة بوضوح خطرين تشغيليين رئيسيين: (1) عدم استقرار محتوى ثاني أكسيد الكربون مما يؤدي إلى ارتفاعات حادة تتجاوز الحدود المسموح بها؛ (2) تذبذب مستويات الرطوبة والغبار مع تجاوز ذروتها للقيم التصميمية. وتتمثل تدابير الاستجابة في: التحكم الصارم في مصادر المواد الخام للحفاظ على استقرار تشغيل النظام؛ والتحكم في تشغيل الفرن (معالجة مياه الصرف الصحي) لضمان استقرار تركيبة الغاز. ويتطلب ذلك تنسيقًا فعالًا بين فريق عمليات معالجة مياه الصرف الصحي ومشغلي نظام معالجة المركبات العضوية المتطايرة، مع وجود بروتوكول اتصال رسمي لأي تغييرات مُخطط لها في تركيبة مياه الصرف الصحي. - ⚠️
العمل باستمرار على تحسين تدريب السلامة للمشغلين ومراجعة خطط الاستجابة للطوارئ لتعكس الخبرة التشغيلية الفعلية: يجب على مشغلي منشآت البتروكيماويات فهم إجراءات التشغيل الاعتيادية لوحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) وإجراءات الاستجابة للطوارئ في حالات تسرب كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، وتجاوز الحد الأدنى للانفجار (LEL)، وارتفاع درجة حرارة وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة. ويجب تحديث خطط الاستجابة للطوارئ باستمرار لتتوافق مع التكوين الفعلي للمنشآت، لأن أي تعديلات على نظام التجميع، أو إضافة مصادر جديدة لمياه الصرف الصحي، أو تغييرات في التركيب الكيميائي لغسيل القلويات، قد تُغير متطلبات الاستجابة. وينبغي إجراء تدريبات سنوية على الاستجابة للطوارئ، تشمل جميع سيناريوهات الطوارئ الثلاثة (تسرب كبريتيد الهيدروجين، وتجاوز الحد الأدنى للانفجار، وارتفاع درجة حرارة وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة)، بمشاركة جميع المشغلين الذين قد يكونون في الخدمة عند وقوع أي حادث.
07 — أهم النقاط الهندسية
أربعة دروس مستفادة من مشروع الحد من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة في قطاع البتروكيماويات
- !
إن بنية السلامة (الغسل القلوي + المخزن المؤقت + تصميم LEL الثلاثي + تصميم ExdIIBT4) ليست عبئًا إضافيًا للامتثال لتطبيقات RTO البتروكيماوية - إنها الأساس الهندسي الذي يجعل التركيب قابلاً للتطبيق. على عكس تطبيقات الطباعة أو صناعة الأدوية التي تعتمد على الأكسدة الحرارية المتجددة، حيث تُعدّ إجراءات السلامة بالغة الأهمية ولكن الهدف الأساسي هو الامتثال لمعايير الانبعاثات، فإن تطبيقات الأكسدة الحرارية المتجددة في صناعة البتروكيماويات تهدف بالدرجة الأولى إلى التشغيل الآمن في بيئة معرضة لخطر الانفجار. تعمل عملية الغسل القلوي على إزالة المركب الأكثر خطورة (كبريتيد الهيدروجين) قبل وصوله إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة، ويوفر خزان التخزين المؤقت زمن الاستجابة اللازم لنظام السلامة، ويمنع نظام التعشيق الثلاثي للحد الأدنى للانفجار دخول المخاليط المتفجرة إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة، كما يمنع تصنيف ExdIIBT4 الاشتعال الكهربائي. أي نقص في هذه العناصر يجعل المنشأة غير آمنة بغض النظر عن بيانات نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة. - 2
إن غسل القلويات قبل عملية الأكسدة الحرارية العكسية لإزالة كبريتيد الهيدروجين يلغي الحاجة إلى إزالة غازات المداخن في المراحل اللاحقة ويجعل النظام ككل أبسط بكثير وأقل تكلفة من البديل. إذا تم توجيه غازات العادم البتروكيميائية الحاملة لكبريتيد الهيدروجين مباشرةً إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO)، فإن تفاعلات الاحتراق ستُنتج ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) بتراكيز تتطلب مرحلة إزالة غازات المداخن باستخدام الحجر الجيري والجبس (مما يُضيف تكلفة رأسمالية تُعادل 30-401 تريليون طن من تكلفة وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة، بالإضافة إلى تكلفة مستمرة لمادة الحجر الجيري). أما عملية الغسل القلوي فتُزيل كبريتيد الهيدروجين من مصدره، مانعةً بذلك إنتاج ثاني أكسيد الكبريت، بتكلفة رأسمالية تُعادل 10-151 تريليون طن من تكلفة وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة، بالإضافة إلى تكلفة مستمرة لمادة هيدروكسيد الصوديوم. في التطبيقات البتروكيميائية التي يتواجد فيها كبريتيد الهيدروجين، يُعد الغسل القلوي قبل عملية الأكسدة الحرارية المتجددة الخيار الأمثل اقتصاديًا في معظم الحالات. - 3
التسخين المسبق بالبخار هو ميزة تصميم خاصة بالبتروكيماويات تعالج الرطوبة والمكثفات الزيتية في آن واحد - وهي غير موجودة في تطبيقات الطباعة أو تطبيقات RTO الصيدلانية. تُشكّل الرطوبة العالية ومحتوى رذاذ الزيت في غازات الصرف الصحي الناتجة عن مصافي النفط (60%) مشاكل غير موجودة في تطبيقات الطباعة (أبخرة المذيبات الجافة) والصناعات الدوائية (محتوى الزيت المنخفض نسبيًا). يُعدّ التسخين المسبق بالبخار قبل عملية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) الحل الأمثل المُصمّم خصيصًا لتطبيقات البتروكيماويات، حيث يُقلّل الرطوبة النسبية، ويُبخّر رذاذ الزيت قبل تكثّفه في مشعب RTO، ويُساعد على رفع درجة حرارة الغاز إلى المستوى المطلوب عند مدخل RTO. يجب على المهندسين الذين يُصمّمون أنظمة RTO لتطبيقات الطباعة أو الصناعات الدوائية، والذين يُطلب منهم تعديل تصاميمهم لتطبيقات البتروكيماويات، إضافة مُسخّن البخار المسبق كتعديل إلزامي. - 4
عند 16000 م³/ساعة و8000 ملغم/م³ من الهيدروكربونات غير الميثانية، تبلغ تكلفة التشغيل السنوية حوالي 38.4 ألف يوان صيني - وهي من بين الأدنى في أي من دراسات الحالة الـ 23 التي تمت مراجعتها. يُسهم الجمع بين الحجم الصغير (16,000 م³/ساعة مقابل 60,000-120,000 م³/ساعة في حالات أخرى) والتركيز العالي للمركبات العضوية المتطايرة الداخلة (مما يُقارب التشغيل الذاتي الحراري دون وقود إضافي) في خفض تكلفة التشغيل بشكل كبير في هذه المنشأة. تتميز غازات الصرف الناتجة عن مصفاة النفط، الغنية بالمركبات العضوية المتطايرة، بكثافة طاقية عالية: فعند تركيز 8,000 ملغم/م³ من الهيدروكربونات غير الميثانية، تكفي الطاقة الكيميائية في تيار المركبات العضوية المتطايرة للحفاظ على درجة حرارة غرفة احتراق وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة دون الحاجة إلى غاز طبيعي إضافي أثناء الإنتاج العادي، مما يجعل تكلفة الكهرباء اللازمة للمروحة (197,786 يوان صيني/سنة) البند الرئيسي في التكلفة.
08 — الأسئلة الشائعة
خفض انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة في مصافي البتروكيماويات: إجابات على عشرة أسئلة
أسئلة من مديري الصحة والسلامة والبيئة، ومهندسي العمليات، وفرق التراخيص البيئية في مصافي البترول، ومنشآت البتروكيماويات، ومنشآت الطاقة الكيميائية التي تخطط لأنظمة غسل القلويات + RTO للحد من المركبات العضوية المتطايرة بموجب متطلبات الاتحاد الأوروبي IED / ATEX الهولندية / Omgevingswet.
هل أنت مستعد لحل مشكلة المركبات العضوية المتطايرة في مصفاة البتروكيماويات الخاصة بك بأمان؟
استكشف المجموعة الكاملة من حلول الأكسدة الحرارية التجديدية
من أنظمة RTO ثلاثية الأسرة من التصميم المقاوم للانفجار للحد من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة في مصافي البتروكيماويات إلى مجموعة كاملة من حلول التحكم في الانبعاثات الصناعية، يقدم فريقنا الهندسي أنظمة متوافقة مع توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية مع بنية السلامة التي تتطلبها تطبيقات المناطق الخطرة.
