اختر صفحة

معالجة غازات أفران الأنفاق الحرارية عالية الجودة بتقنية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) بالإضافة إلى إزالة النيتروجين بتقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند درجات حرارة متوسطة: خفض متزامن لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون والامتثال لمعايير انبعاثات أكاسيد النيتروجين المنخفضة للغاية من إنتاج السيراميك باستخدام الغاز الطبيعي المسال

دراسة حالة · التحكم في الانبعاثات الصناعية

كيف حققت شركة ألمانية متخصصة في إنتاج المواد الحرارية عالية الأداء خفضًا متزامنًا لثاني أكسيد الكربون وإخراجًا لأكاسيد النيتروجين عند ≤30 ملغم/م³ من فرن النفق الذي يعمل بالغاز الطبيعي المسال - وذلك باستخدام مؤكسد حراري متجدد (RTO) لأكسدة ثاني أكسيد الكربون مع مبادل حراري عالي الكفاءة وإزالة النتروجين بتقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) في درجة حرارة متوسطة، باستخدام الأمونيا 20% كعامل اختزال، في تكوين مضغوط يتناسب مع تيار غاز المداخن الحالي البالغ 25000 م³/ساعة.

غازات العادم المنبعثة من فرن النفق الحراري
تخفيف انبعاثات أول أكسيد الكربون من هيئة النقل الإقليمية
نظام SCR متوسط ​​الحرارة
إنتاج السيراميك عالي الأداء
الامتثال لمعايير انبعاثات أكاسيد النيتروجين المنخفضة للغاية

≤30
مخرج أكاسيد النيتروجين ملغم/متر مكعب
نظام SCR متوسط ​​الحرارة
≤100
مخرج ثاني أكسيد الكربون ملغم/متر مكعب
الأكسدة الحرارية RTO
17,500
متر مكعب/ساعة
حجم غاز المداخن القياسي
≥94%
إزالة النيتروجين
NOx 500 → ≤30 ملغم/م³

01 - خلفية الصناعة

المواد الحرارية عالية الجودة: قطاع ذو متطلبات تقنية عالية يواجه تشديدًا في حدود انبعاثات أكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون

المواد الحرارية هي خزفيات مقاومة لدرجات الحرارة العالية، لا غنى عنها في صناعات المعادن والبناء والتصنيع الكيميائي وصناعة الزجاج، وتزداد أهميتها في تطبيقات الفضاء والطاقة المتجددة. تُستخدم المنتجات الحرارية المُشكّلة (المواد الحرارية الكثيفة والدقيقة) في صناعات الصلب والأسمنت والزجاج والمعادن كبطانات للأفران، وتجهيزات للأفران، وعناصر إنشائية تتحمل درجات الحرارة العالية. أما المواد الحرارية غير المُشكّلة (المواد القابلة للصب، ومخاليط الرش، والطلاءات) فتُستخدم لتلبية متطلبات الصيانة الدورية للمعدات الصناعية التي تعمل بدرجات حرارة عالية.

الشركة المذكورة في هذه الدراسة هي شركة متخصصة مملوكة لألمانيا ومستثمرة من قبل جهات أجنبية، وتشغل موقعًا مساحته 100,000 متر مربع، وتركز على البحث والتطوير والإنتاج في مجال المواد الحرارية عالية الجودة. تشمل منتجاتها فئتين رئيسيتين: (1) طوب حراري قلوي (مغنيسيا) يُنتج في أفران نفقية تعمل بالغاز الطبيعي المسال، بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 40,000 طن، مع إمكانية توسيعها إلى 120,000 طن، وتخدم قطاعات الصلب والأسمنت وصهر المعادن؛ (2) مواد حرارية غير مُشكّلة، بما في ذلك المواد القابلة للصب والطلاءات الرشية وغيرها من المنتجات، بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 15,000 طن، وطاقة تصميمية تبلغ 30,000 طن، وتُستخدم في صيانة المعدات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية. كما طورت الشركة منذ عام 2012 منتجات حرارية منخفضة الكروم وصديقة للبيئة للحد من التلوث البيئي الناتج عن المواد الحرارية التقليدية المحتوية على الكروم.

يواجه قطاع المواد الحرارية ضغوطًا متزايدة للامتثال البيئي، حيث تفرض صناعات الصلب والأسمنت والزجاج - الخاضعة بدورها لمتطلبات توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية (IED) المتزايدة - على موردي المواد لديها العمل وفقًا لمعايير بيئية عالية. بالنسبة للشركات المملوكة أو التي يقع مقرها الرئيسي في الاتحاد الأوروبي والتي تعمل في أي ولاية قضائية، تتطلب التزامات سياسة الحوكمة البيئية والاجتماعية والمؤسسية الداخلية عادةً معايير تشغيل عالمية تتوافق مع معايير الاتحاد الأوروبي، مما يخلق التزامات امتثال تتجاوز الحد الأدنى المفروض محليًا. يعكس استخدام تقنية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) مع تقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسطة الحرارة في هذا المرفق المملوك لشركة ألمانية كلاً من الامتثال التنظيمي المحلي ومعايير الأداء البيئي للشركة.

سيناريوهات تطبيق نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) ونظام إزالة النيتروجين بالاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​الحرارة لمعالجة غازات العادم الناتجة عن أفران الأنفاق التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال، والتي تُظهر انخفاضًا في انبعاثات أول أكسيد الكربون والتزامًا بمعايير انبعاثات أكاسيد النيتروجين المنخفضة للغاية في منشأة متخصصة لتصنيع السيراميك

02 - لمحة عن التلوث

انبعاثات غازات أفران الأنفاق التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال: ارتفاع نسبة أول أكسيد الكربون، وارتفاع نسبة أكاسيد النيتروجين، وتفاوت كمية الغبار - ثلاثة تحديات متزامنة للامتثال

يُشغَّل فرن النفق بالغاز الطبيعي المسال. تخرج غازات الاحتراق الناتجة عن العملية عند درجة حرارة تتراوح بين 115 و120 درجة مئوية (في الظروف القياسية: 17,500 متر مكعب قياسي/ساعة؛ وفي ظروف التشغيل: 25,000 متر مكعب قياسي/ساعة). يبلغ محتوى الأكسجين الفعلي 12-131 تيرابايت/لتر (القيمة الأساسية 8.61 تيرابايت/لتر). يمتلك المرفق بالفعل نظامًا لمعالجة غازات الاحتراق الناتجة عن فرن النفق؛ ويضيف هذا المشروع نظام معالجة جديدًا لخدمة خط فرن إضافي.

ثلاثة تحديات متزامنة تتعلق بالامتثال لمعايير التلوث تحدد هذا المشروع:

  • أكاسيد النيتروجين عند تركيز ابتدائي قدره 500 ملغم/متر مكعبيؤدي احتراق الغاز الطبيعي المسال بدرجة حرارة عالية في فرن النفق إلى توليد كميات كبيرة من أكاسيد النيتروجين الحرارية. الهدف: تركيز أكاسيد النيتروجين عند المخرج ≤ 30 ملغم/م³. كفاءة إزالة النيتروجين المطلوبة: ≥ 94%. يُعدّ تركيز أكاسيد النيتروجين عند المدخل 500 ملغم/م³ مع تركيز مستهدف ≤ 30 ملغم/م³ متطلبًا عاليًا لتقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند درجات حرارة متوسطة؛ ويتطلب تحقيق كفاءة ≥ 94% تصميمًا دقيقًا للمحفز وإدارة فعّالة لدرجة الحرارة. وقد تم تأكيد أن تركيز أكاسيد النيتروجين عند المخرج الفعلي ≤ 30 ملغم/م³.
  • أول أكسيد الكربون عند 5000 ملغم/متر مكعبينتج عن الاحتراق غير الكامل في مناطق فرن النفق كميات كبيرة من أول أكسيد الكربون. وهذا هو السبب الرئيسي لمرحلة المؤكسد الحراري التجديدي (RTO): حيث يقوم هذا المؤكسد بأكسدة أول أكسيد الكربون حراريًا إلى ثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة أعلى من 760 درجة مئوية، مما يقلل تركيز أول أكسيد الكربون الخارج إلى 100 ملغم/م³ أو أقل. يُعدّ الالتزام بمعايير أول أكسيد الكربون شرطًا أساسيًا لا غنى عنه بموجب توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية (IED) وشروط الترخيص الهولندي لمنشآت حرق الوقود. ويشير تركيز أول أكسيد الكربون الأولي البالغ 5000 ملغم/م³ إلى وجود مناطق ذات كفاءة احتراق منخفضة في فرن النفق، والتي يجب على نظام المعالجة معالجتها.
  • الجسيمات الدقيقة عند 30 جم/م³ مبدئيًانسبة عالية جدًا من الغبار الناتج عن عملية تلبيد المواد الحرارية (المغنيسيا وغبار السيراميك الآخر). كفاءة إزالة الغبار المطلوبة: ≥80%. يحقق مرشح الأكياس هذا الهدف. الهدف من تركيز الجسيمات الدقيقة الخارجة هو ≤10 ملغم/م³.

بالإضافة إلى ذلك، يحمل الغاز ثاني أكسيد الكبريت بتركيز 35 ملغم/م³ ناتج عن احتراق الغاز الطبيعي المسال وتحلل المواد الخام المقاومة للحرارة، مما يستدعي مراعاة بسيطة للحد من انبعاثات الغازات الحمضية. كما يوجد فلوريد الهيدروجين بتركيز ≤6 ملغم/م³ ناتج عن مكونات المواد الخام المحتوية على الفلوريد.

المعلمة التركيز الأولي منفذ مصمم حدود الاتحاد الأوروبي لبطاقات الهوية الاستثمارية/بطاقات تسجيل الهوية الوطنية
أكاسيد النيتروجين 500 ملغم/متر مكعب ≤30 ملغم/متر مكعب IED 2010/75/EU ≤100 ملغم/م³
CO 5000 ملغم/متر مكعب ≤100 ملغم/متر مكعب IED 2010/75/EU ≤100 ملغم/م³
الجسيمات الدقيقة (PM) 30 جم/متر مكعب ≤10 ملغم/متر مكعب معدل امتصاص الصوديوم الهولندي ≤5 ملغم/م³
ثاني أكسيد الكبريت 35 ملغم/متر مكعب ≤35 ملغم/متر مكعب مرسوم الأنشطة الهولندي
حجم غازات الاحتراق القياسي 17500 متر مكعب قياسي/ساعة — —
حجم غازات المداخن في العملية 25000 متر مكعب قياسي/ساعة عند درجة حرارة 115-120 درجة مئوية — —
محتوى الأكسجين (الفعلي) 12–13% — —
درجة حرارة مخرج الفرن 115-120 درجة مئوية (في الظروف القياسية) — —
محتوى الرطوبة في غازات المداخن 8% — —

تحدي التلوث المزدوج: يتطلب وجود أول أكسيد الكربون بتركيز 5000 ملغم/م³ وأكاسيد النيتروجين بتركيز 500 ملغم/م³ في آنٍ واحد، استخدام تقنيتين منفصلتين للحد من الانبعاثات تعملان بالتتابع. تعالج عملية الأكسدة الحرارية عند درجة حرارة 760 درجة مئوية أو أعلى (RTO) أول أكسيد الكربون، بينما تعالج عملية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسطة الحرارة (320-350 درجة مئوية) أكاسيد النيتروجين. ويُعدّ المبادل الحراري بين المرحلتين عنصرًا أساسيًا في التصميم الهندسي، إذ يجب أن يرفع درجة حرارة الغازات الخارجة من الفرن إلى مستوى التشغيل الأمثل لعملية الاختزال التحفيزي الانتقائي، مستخدمًا حرارة احتراق عملية الأكسدة الحرارية كمصدر للطاقة.

03 - محلول العلاج

نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) ← مبادل حراري عالي الكفاءة ← نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​الحرارة: التكامل الحراري لأقل تكلفة تشغيل

صُمم نظام المعالجة وفقًا لمبدأ تقليل تكاليف الاستثمار والتشغيل مع تحقيق الامتثال لمعايير الانبعاثات وموثوقية العملية. وقد استرشد اختيار التكنولوجيا بخمسة مبادئ تصميمية: (1) استخدام تكنولوجيا متطورة بتكلفة تشغيل مجدية اقتصاديًا؛ (2) الامتثال لجميع معايير الانبعاثات والمتطلبات التنظيمية؛ (3) عدم وجود تلوث ثانوي من المنتجات الثانوية؛ (4) تصميم صغير الحجم مع تصميم تدفق مُحسَّن؛ (5) ترشيد استهلاك الطاقة بالكامل مع نظام تحكم آلي.

تستغل بنية العملية الناتجة الوظيفة الأساسية لوحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) كنظام لأكسدة أول أكسيد الكربون ونظام لتسخين الغاز في آنٍ واحد؛ إذ ترفع وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة درجة حرارة الغاز الخارج من الفرن إلى ما فوق 760 درجة مئوية لتدمير أول أكسيد الكربون، ثم ينقل المبادل الحراري عالي الكفاءة هذه الحرارة إلى تيار الغاز النظيف الخارج من عملية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) لإعادة تسخين الغاز منزوع النيتروجين، مع توفير درجة حرارة الدخول البالغة 320 درجة مئوية المطلوبة لمحفز الاختزال التحفيزي الانتقائي متوسط ​​الحرارة. هذا الربط الحراري يُغني عن الحاجة إلى أي تسخين خارجي للغاز في مرحلة الاختزال التحفيزي الانتقائي.

المرحلة 1: تجميع غازات مداخن فرن النفق

يُنتج فرن النفق الذي يعمل بالغاز الطبيعي المسال غازات عادمة عند درجة حرارة تتراوح بين 115 و120 درجة مئوية، تحمل أول أكسيد الكربون بتركيز 5000 ملغم/م³، وأكاسيد النيتروجين بتركيز 500 ملغم/م³، والجسيمات الدقيقة بتركيز 30 غ/م³. تقوم مروحة السحب القسري لنظام الأكسدة الحرارية المتجددة (وحدة واحدة؛ معدل تدفق 40000-50000 م³/ساعة؛ ضغط 3500-4000 باسكال؛ درجة حرارة 200-250 درجة مئوية؛ قدرة 75 كيلوواط) بسحب الغازات العادمة من الفرن عبر النظام. تعمل مرحلة المعالجة المسبقة باستخدام مرشح أكياس على احتجاز الجزء الأكبر من الجسيمات الدقيقة بتركيز 30 غ/م³ قبل دخول الغاز إلى نظام الأكسدة الحرارية المتجددة، مما يحمي طبقة تخزين الحرارة الخزفية من انسداد الغبار.

المرحلة الثانية: المؤكسد الحراري التجديدي (RTO) - خفض انبعاثات أول أكسيد الكربون

يدخل الغاز المُزال منه الغبار مسبقًا إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (حجم غازات الاحتراق 20,000 م³/ساعة؛ تصميم ثلاثي الحجرات؛ طبقة تخزين حراري خزفية). تقوم وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة بأكسدة أول أكسيد الكربون حراريًا إلى ثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة حجرة الاحتراق التي تتجاوز 760 درجة مئوية، مما يحقق تركيزًا لثاني أكسيد الكربون عند المخرج ≤100 ملغم/م³ مقارنةً بتركيزه عند المدخل البالغ 5,000 ملغم/م³. كما ترفع وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة درجة حرارة الغاز بشكل ملحوظ، موفرةً الطاقة الحرارية اللازمة لمرحلة الاختزال التحفيزي الانتقائي اللاحقة. تستعيد طبقة التخزين الحراري الخزفية في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة الطاقة الحرارية من الغاز المعالج الخارج لتسخين الغاز الخام الداخل مسبقًا، محققةً بذلك الكفاءة الحرارية العالية التي تميز الأكسدة الحرارية المتجددة. تتولى مروحة السحب المستحثة RTO SCR (وحدة واحدة؛ تدفق 30000-35000 م³/ساعة؛ ضغط 4000-6000 باسكال؛ درجة حرارة 120-150 درجة مئوية؛ طاقة 75 كيلوواط) معالجة تدفق الغاز بعد RTO.

مخطط تدفق عملية الأكسدة الحرارية التجديدية RTO وعملية إزالة النيتروجين بتقنية SCR متوسطة الحرارة لمعالجة غازات العادم الناتجة عن فرن نفق المواد الحرارية عالية الجودة، موضحًا عملية خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ومبادل حراري مزود بمرشح أكياس، ومفاعل SCR، ومخرجات المدخنة، مما يحقق امتثالًا لمعايير الانبعاثات المنخفضة للغاية لأكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون.

المرحلة 3: مبادل حراري عالي الكفاءة (223 درجة مئوية → 320 درجة مئوية)

يُوجَّه الغاز الخارج من وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO)، بعد معالجته حراريًا وخروجه منها بدرجة حرارة مرتفعة، عبر مبادل حراري عالي الكفاءة (حجم غازات الاحتراق 17,500 متر مكعب قياسي/ساعة؛ مساحة نقل الحرارة 380 متر مربع؛ انخفاض ضغط الجهاز 1,050 باسكال؛ درجة حرارة مدخل الجانب الساخن 223 درجة مئوية؛ درجة حرارة مخرج الجانب الساخن منخفضة؛ درجة حرارة مخرج الجانب البارد مرتفعة؛ أبعاد الجهاز 4,270 × 2,240 × 1,973 ملم) لرفع درجة حرارة الغاز إلى حوالي 320 درجة مئوية قبل دخوله إلى مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR). تقع درجة حرارة مدخل مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي (320 درجة مئوية) ضمن نطاق التشغيل الأمثل لمحفز الفاناديوم-التنغستن-التيتانيوم متوسط ​​الحرارة المستخدم في هذا النظام. في الوقت نفسه، يستخدم المبادل الحراري غاز مخرج مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي (الذي انخفضت درجة حرارته بفعل التفاعل التحفيزي) لتسخين غاز مدخل مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي مسبقًا، مما يُنشئ حلقة كفاءة حرارية داخلية.

المرحلة الرابعة: إزالة النيتروجين بتقنية SCR في درجات حرارة متوسطة (320-350 درجة مئوية)

يدخل الغاز المُسخّن مسبقًا عند درجة حرارة 320 درجة مئوية إلى نظام إزالة النيتروجين بتقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​الحرارة. أهم معايير مفاعل SCR: الأبعاد الخارجية للجهاز 2200×2290×10160 مم؛ الارتفاع الخارجي للجهاز 10160 مم؛ 4 وحدات تحفيزية؛ حجم المحفز 5.2 م³؛ انخفاض الضغط في الجهاز 500 باسكال؛ درجة حرارة مدخل SCR 320 درجة مئوية؛ درجة حرارة مخرج SCR 309 درجة مئوية. يحقق نظام SCR كفاءة إزالة نيتروجين ≥94%، مما يقلل أكاسيد النيتروجين من 500 ملغم/م³ إلى ≤30 ملغم/م³. العامل المختزل هو محلول الأمونيا 20%، ويتم ضخه بواسطة مضخة ضخ الأمونيا (0.75 كيلوواط، 0.015 طن/ساعة، 8000 ساعة/سنة). بعد عملية إزالة النيتروجين باستخدام نظام SCR، يعود الغاز المعالج عبر المبادل الحراري عالي الكفاءة (باستخدام غاز مخرج SCR لتسخين غاز مدخل SCR مسبقًا كما هو موضح أعلاه)، ثم يتم نقله بواسطة مروحة السحب المستحثة لنظام SCR إلى المدخنة للتفريغ.

نفق
فرن
الغاز الطبيعي المسال
→
فلتر الكيس ⭐
≥80% PM
≤10 ملغم/متر مكعب
→
RTO ⭐
≥760 درجة مئوية
≤100 CO
→
HX ⭐
→320 درجة مئوية
مدخل SCR
→
SCR ⭐
320 درجة مئوية
≥94% NOx
→
إرجاع HX
التسخين المسبق
→
مشجع جيش الدفاع الإسرائيلي
→ مكدس

⭐ معدات جديدة أو مطورة في هذا المشروع

معايير المعدات الرئيسية

المعدات / العنصر مواصفة
مبادل حراري عالي الكفاءة 17,500 متر مكعب قياسي/ساعة؛ مساحة 380 متر مربع؛ انخفاض الضغط 1,050 باسكال؛ درجة حرارة المدخل الساخن 223 درجة مئوية؛ 4,270×2,240×1,973 مم
مروحة سحب الهواء المستحثة بواسطة نظام RTO 40.000-50.000 متر مكعب/ساعة؛ 3500-4000 باسكال؛ 200-250 درجة مئوية؛ 75 كيلوواط
مروحة سحب الهواء المستحثة بتقنية SCR 30.000-35.000 متر مكعب/ساعة؛ 4000-6000 باسكال؛ 120-150 درجة مئوية؛ 75 كيلوواط
هيئة النقل الإقليمية 20,000 متر مكعب/ساعة؛ 3 حجرات؛ سرير تخزين حراري من السيراميك
مفاعل SCR 2200×2290×10160 مم؛ 4 وحدات محفزة؛ 5.2 م³ محفز؛ 500 باسكال؛ 320→309 درجة مئوية
كفاءة إزالة النتروجين بتقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي ≥94%؛ أكاسيد النيتروجين 500→≤30 ملغم/م³؛ 20% عامل اختزال الأمونيا والماء
مروحة نفخ 7.5 كيلوواط (وحدة واحدة)
إجمالي الطاقة المركبة 162 كيلوواط مركبة؛ 161.25 كيلوواط تشغيل فعلي
التكلفة السنوية للكهرباء (8000 ساعة) ما يعادل حوالي 46.44 عشرة آلاف يوان صيني (0.36 يوان صيني/كيلوواط ساعة)
التكلفة السنوية لمياه الأمونيا ما يعادل حوالي 7.2 عشرة آلاف يوان صيني (0.015 طن/ساعة، 600 يوان صيني/طن)

مخطط تصميمي لنظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) ونظام إزالة النيتروجين بالاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​الحرارة لمرفق فرن نفق للمواد الحرارية عالية الجودة، يوضح تخطيط المعدات، والمبادل الحراري، وغرفة الأكسدة الحرارية المتجددة، ومفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي، وتكوين مروحة السحب في مساحة صغيرة.

04 - المزايا الأساسية

لماذا يُعدّ نظام الأكسدة الحرارية المتجددة مع نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي متوسط ​​الحرارة هو التصميم الأمثل لمعالجة غازات العادم المنبعثة من أفران الأنفاق الحرارية في ظلّ تحديات ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين؟

  • ✓
    وحدة RTO تعالج كلاً من خفض انبعاثات أول أكسيد الكربون وتسخين الغاز المسبق في وحدة واحدة: يؤدي نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) وظيفتين في آن واحد: فهو يؤكسد ثاني أكسيد الكربون حراريًا عند درجة حرارة ≥760 درجة مئوية (مما يفي بمتطلبات مخرج ثاني أكسيد الكربون ≤100 ملغم/م³)، ويرفع درجة حرارة الغاز إلى مستوى يسمح للمبادل الحراري عالي الكفاءة بتوفير درجة حرارة دخول 320 درجة مئوية لنظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR). بدون نظام الأكسدة الحرارية المتجددة، سيتطلب الأمر سخان غاز خارجي لرفع درجة حرارة غاز مخرج الفرن (115-120 درجة مئوية) إلى متطلبات مدخل نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (320 درجة مئوية)، مما يستهلك كمية إضافية كبيرة من الوقود. يوفر نظام الأكسدة الحرارية المتجددة هذه التسخين كنتيجة طبيعية لتفاعل أكسدة ثاني أكسيد الكربون، دون أي تكلفة إضافية للوقود تتجاوز ما هو مطلوب للامتثال لمعايير ثاني أكسيد الكربون.
  • ✓
    يحقق نظام SCR متوسط ​​الحرارة إزالة أكاسيد النيتروجين بمعدل ≥94% من 500 ملغم/متر مكعب إلى ≤30 ملغم/متر مكعب - وهو أقل بكثير من الحد المسموح به في توجيه الانبعاثات الدولية البالغ 100 ملغم/متر مكعب: يُعدّ مستوى أكاسيد النيتروجين في هذا النظام، والذي يبلغ ≤30 ملغم/م³، أقل بكثير من الحدّ الأوروبي البالغ 100 ملغم/م³ لأنظمة الاحتراق، وهو هامش امتثال كبير يوفر حماية ضدّ أيّ تشديدات مستقبلية للمعايير، وضدّ عدم دقة القياسات في قراءات نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة. ويُحقق محفز الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​الحرارة (320 درجة مئوية) هذه الكفاءة بحجم محفز لا يتجاوز 5.2 م³ (4 وحدات)، مما يجعل مفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي صغير الحجم بما يكفي لدمجه ضمن المساحة الحالية للموقع بجانب وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO).
  • ✓
    مبادل حراري عالي الكفاءة يربط ناتج الحرارة الناتج عن عملية الأكسدة الحرارية المتجددة بدرجة حرارة مدخل نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي دون الحاجة إلى طاقة خارجية: يقوم مبادل حراري عالي الكفاءة بمساحة 380 مترًا مربعًا بنقل الطاقة الحرارية المتاحة من تيار الغاز الناتج بعد عملية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) إلى غاز مدخل نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR)، رافعًا درجة حرارته من درجة حرارة ما بعد عملية الأكسدة الحرارية المتجددة إلى حوالي 320 درجة مئوية. ويستخدم المبادل الحراري في الوقت نفسه غاز مخرج نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي لتسخين غاز مدخله مسبقًا. يُغني هذا الربط الحراري الداخلي عن الحاجة إلى أي سخان بخاري أو كهربائي للتحكم في درجة حرارة نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي، مما يقلل من كلٍ من التكلفة الرأسمالية (لعدم وجود معدات تسخين) وتكلفة التشغيل (لعدم وجود استهلاك إضافي للطاقة). ويكون استهلاك الغاز الطبيعي الإضافي (إن وُجد) للتسخين التكميلي ضئيلاً مقارنةً بنظام لا يعتمد على استعادة الحرارة.
  • ✓
    وقود الغاز الطبيعي المسال (LNG) يقضي على ثاني أكسيد الكبريت كملوث رئيسي ويتيح استخدام نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) في درجات الحرارة المتوسطة دون خطر حدوث انبعاثات كربونية مشبعة (ABS): نظرًا لأن الفرن يعمل بالغاز الطبيعي المسال (الذي يكاد يخلو من الكبريت)، فإن تركيز ثاني أكسيد الكبريت في الغازات المنبعثة ضئيل للغاية (35 ملغم/م³ فقط، ناتج بشكل أساسي عن تحلل المواد الخام الحرارية). هذا التركيز المنخفض لثاني أكسيد الكبريت يسمح باستخدام نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند درجة حرارة متوسطة تبلغ 320 درجة مئوية دون خطر تسمم المحفز ببيسلفات الأمونيوم (ABS) الذي قد يحدث عند هذه الدرجة في التطبيقات التي تحتوي على تركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكبريت. يُعد اختيار الغاز الطبيعي المسال كوقود شرطًا تقنيًا أساسيًا لتركيب نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي عند درجة حرارة متوسطة، ويمثل فرقًا جوهريًا عن أفران المواد الحرارية التي تعمل بالفحم أو زيت الوقود، حيث يجب إدارة تركيب نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي بعناية فائقة.
  • ✓
    مبادئ التصميم المدمج المعتمدة: مساحة صغيرة، تدفق منطقي، أتمتة كاملة: يتبع تصميم النظام خمسة مبادئ مصممة خصيصًا لموقع التصنيع الحالي: تقنية متطورة بتكلفة تشغيل منخفضة، والامتثال لجميع المعايير، وانعدام التلوث الثانوي، ومساحة صغيرة مع تخطيط تدفق منطقي، وأتمتة كاملة مع تغذية راجعة لضخ السخام والتحكم في درجة الحرارة. يزود نظام التحكم الآلي معدل حقن الأمونيا ودورة ضخ السخام ببيانات مراقبة درجة حرارة غازات المداخن في الوقت الفعلي، ويتضمن إمكانية إعادة التشغيل بضغطة زر واحدة. يُعد هذا المستوى من الأتمتة بالغ الأهمية لموقع تصنيع قد لا يتوفر فيه مشغلون متخصصون على مدار الساعة لفريق معالجة جودة الهواء.

05 - النتائج التشغيلية والتحديات الموثقة

الامتثال المُتحقق منه لمعايير الانبعاثات - مع ملاحظة هامة بشأن تكامل النظام

حقق النظام بيانات الامتثال الموثقة التالية: انبعاثات أكاسيد النيتروجين ≤ 30 ملغم/م³ (تم تحقيق الهدف التصميمي)؛ انبعاثات أول أكسيد الكربون ≤ 100 ملغم/م³ (تم تحقيق الهدف التصميمي)؛ انبعاثات الجسيمات الدقيقة ≤ 10 ملغم/م³ (تم تحقيق الهدف التصميمي). كفاءة إزالة النيتروجين: ≥ 94%. كفاءة إزالة الغبار: ≥ 80%.

≤30 / 100
ملغم/م³ فعلي/حد
أكاسيد النيتروجين — 70% أقل من الحد المسموح به
≤100 / 100
ملغم/م³ فعلي/حد
أول أكسيد الكربون - عند الحد
≤10 / 10
ملغم/م³ فعلي/حد
رئيس الوزراء — عند الحد الأقصى
161 كيلوواط
الجري الفعلي
(تم تركيب 162 كيلوواط)

يوثق ملخص التجربة بشكل صريح نتيجة مهمة تم التوصل إليها بعد بدء التشغيل: على الرغم من أن أداء النظام بشكل عام حقق أهداف الانبعاثات، إلا أن عدم استقرار محتوى أول أكسيد الكربون وتقلبات غازات المداخن تجاوزت حدود التصميم في فترات تشغيل معينة، وأصبح ضغط المروحة في مسار تدفق الغاز الممتد غير مستقر، ولم يكن تعديل التحديث مستقرًا كما تم تقييمه في الأصل، وكان محتوى أول أكسيد الكربون في الغاز غير مستقر، وتجاوزت التقلبات قيم التصميم، وتعرض نظام RTO لحالات فصل بسبب ارتفاع درجة الحرارة.كانت الأسباب الجذرية الموثقة هي: (1) عدم استقرار محتوى أول أكسيد الكربون؛ (2) تقلبات محتوى الرطوبة في غازات الاحتراق وحمل الغبار، حيث تجاوزت ذروتها القيم التصميمية. أما تدابير الاستجابة الموثقة فهي: (1) التحكم الصارم في مصادر المواد الخام لضمان استقرار تشغيل النظام؛ (2) التحكم في تشغيل الفرن لضمان استقرار تركيبة غازات الاحتراق.

صور تشغيلية لنظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) ونظام إزالة النتروجين بالاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​الحرارة في منشأة فرن نفق المواد الحرارية عالية الجودة، تُظهر معايير تشغيل نظام شاشة التحكم SCADA وانبعاثات المدخنة النظيفة بعد معالجة خفض ثاني أكسيد الكربون وإزالة النتروجين.

06 - احتياطات التنفيذ

ستة دروس أساسية من مشروع غازات العادم في فرن حراري بتقنية الأكسدة الحرارية العكسية والاختزال الانتقائي

  • 🚫
    تسبب عدم استقرار محتوى أول أكسيد الكربون في حدوث أعطال بسبب ارتفاع درجة الحرارة في عملية الأكسدة الحرارية المتجددة - يعد التحكم في جودة المواد الخام واستقرار تشغيل الفرن من المتطلبات الأساسية، وليسا اختياريين: يوثق ملخص التجربة عدم استقرار محتوى أول أكسيد الكربون في غازات المداخن، حيث تجاوزت التقلبات القيم التصميمية، مما تسبب في توقف نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) بسبب ارتفاع درجة الحرارة. ويعود السبب الرئيسي إلى كيمياء الاحتراق في فرن النفق: فعندما يتغير تركيب المواد الخام، يتغير المحتوى العضوي وسلوك الاحتراق، مما ينتج عنه ارتفاعات مفاجئة في أول أكسيد الكربون قد تتسبب في تجاوز غرفة احتراق نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) الحد التصميمي لدرجة الحرارة عند وصول ارتفاعات مفاجئة متعددة ومتزامنة من مناطق مختلفة في الفرن. ويُعد التحكم الدقيق في تركيب المواد الخام، والحفاظ على محتوى رطوبة ثابت فيها، وضمان استقرار تشغيل الفرن، من المتطلبات التشغيلية الأساسية لأداء موثوق لنظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) - وهذه من اختصاصات إدارة الفرن، وليست من مسائل هندسة نظام المعالجة.
  • ⚠️
    يجب التحقق من استقرار ضغط مسار غازات الاحتراق عبر نطاق تدفق الغاز الكامل بعد أي تعديل للتحديث - حيث أن أطوال المسار الممتدة تزيد من حساسية ضغط المروحة: بعد إضافة وحدتي الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) والاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) إلى النظام الحالي، ازداد طول مسار تدفق الغاز بشكل ملحوظ، مما رفع إجمالي انخفاض الضغط الذي يجب على مراوح السحب التغلب عليه. يكمن الخطر المُوثق في عدم استقرار ضغط المروحة في مسار تدفق الغاز الممتد خلال ظروف تشغيل معينة. قبل تشغيل أي نظام معالجة مُعدّل، يجب إجراء حسابات انخفاض الضغط لمسار التدفق الكامل من الفرن إلى المدخنة في ظل ظروف التدفق القصوى والدنيا والعابرة. يجب التحقق من منحنيات تشغيل المروحة للتأكد من وجود هامش أمان كافٍ عند جميع نقاط التشغيل في مسار التدفق الممتد. ينبغي تركيب نظام مراقبة ضغط مزود بأجهزة إنذار عند الحدين الأعلى والأدنى في نقاط تمثيلية على طول سلسلة المعالجة.
  • ⚠️
    يجب تصميم نظام الحماية من ارتفاع درجة الحرارة في وحدة RTO لأقصى ارتفاع محتمل في تركيز أول أكسيد الكربون، وليس متوسط ​​تركيز أول أكسيد الكربون: يجب تحديد الحد الأقصى لدرجة حرارة تصميم وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) مع مراعاة ليس فقط متوسط ​​تركيز أول أكسيد الكربون الداخل البالغ 5000 ملغم/م³، بل أيضًا أقصى تركيز لحظي لأول أكسيد الكربون الذي قد يرتفع أثناء بدء تشغيل الفرن، أو تغيير المواد الخام، أو ضبط الموقد. إذا كان الارتفاع الأقصى في تركيز أول أكسيد الكربون أعلى بكثير من المتوسط ​​(وهو أمر شائع في كيمياء احتراق أفران الأنفاق)، فقد تتجاوز درجة حرارة غرفة احتراق وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) أثناء حدوث هذا الارتفاع درجة حرارة التصميم في حالة الاستقرار بشكل كبير. لذا، يُنصح بتركيب محلل لأول أكسيد الكربون عند مدخل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) مع نظام تحويل طوارئ تلقائي يُفعّل عند تجاوز تركيز أول أكسيد الكربون الحد الأقصى للتصميم، وذلك لتحويل الغاز الزائد حول غرفة احتراق وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) لمنع تلف طبقة تخزين الحرارة الخزفية نتيجة ارتفاع درجة الحرارة.
  • ⚠️
    تُعد إدارة درجة حرارة نظام SCR أمرًا بالغ الأهمية - يجب معايرة نفخ السخام وردود فعل التحكم في درجة الحرارة من بيانات التشغيل الحقيقية في أول 30 يومًا: يجب الحفاظ على درجة حرارة مدخل نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) ضمن نطاق التشغيل 320-350 درجة مئوية لضمان كفاءة أكاسيد النيتروجين (NOx) ≥94%. تنشأ تغيرات درجة الحرارة من: تباين درجة حرارة غازات العادم في الفرن، وتباين أداء المبادل الحراري مع تراكم رواسب الغبار، وتباين درجة حرارة مخرج وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) أثناء تغيرات حمل أول أكسيد الكربون. يجب أن يستجيب نظام التحكم الآلي ديناميكيًا لهذه التغيرات، مع تعديل تسخين الغاز الإضافي (إن وجد) وتردد نفخ السخام. ينبغي معايرة نقاط ضبط التحكم من بيانات التشغيل الفعلية خلال أول 30 يومًا من التشغيل التجريبي بدلًا من حسابات التصميم، حيث قد تختلف خصائص الكتلة الحرارية وانتقال الحرارة الفعلية للنظام المُركّب عن نموذج التصميم.
  • ⚠️
    يتطلب التحميل الأولي العالي جدًا للجسيمات الدقيقة (30 جم/م³) معالجة مسبقة موثوقة باستخدام مرشح الأكياس لحماية طبقة السيراميك في نظام الأكسدة الحرارية المتجددة من الانسداد - أداء مرشح الأكياس أمر بالغ الأهمية للسلامة، وليس اختياريًا: يبلغ الحمل الأولي للجسيمات الدقيقة 30 غ/م³، أي ما يقارب 3000 ضعف تركيز الجسيمات الدقيقة الذي صُممت معظم أنظمة SCR وRTO الصناعية للتعامل معه. هذا الحمل الاستثنائي من الغبار يجعل مرحلة المعالجة المسبقة باستخدام مرشح الأكياس أهم جزء من المعدات في النظام بأكمله من الناحية التشغيلية. أي تدهور في أداء مرشح الأكياس - كتمزق الأكياس، أو فشل التنظيف بالنفث النبضي، أو تجاوز المرشح - يُعرّض طبقة تخزين الحرارة الخزفية في نظام RTO مباشرةً لحمل غبار مقاوم للحرارة، مما قد يتسبب في انسداد القنوات في غضون ساعات. لذا، يُنصح بتطبيق نظام مراقبة انخفاض الضغط في الوقت الفعلي عبر مرشح الأكياس مع إنذار عند بلوغ أعلى مستوى للمواصفات، وإنشاء استجابة تلقائية لتقليل إنتاجية الفرن عند تفعيل إنذار انخفاض ضغط المرشح، وذلك لحماية نظام RTO اللاحق من التحميل الزائد.
  • ⚠️
    يُعد التكامل التشغيلي الوثيق بين فريق الفرن وفريق التحكم في نظام المعالجة أمراً لا يقبل المساومة: تُشير التجربة الموثقة إلى أن "تعديل التحديث لم يكن مستقرًا كما تم تقييمه في البداية"، مما يعكس التحدي الأساسي المتمثل في إضافة معدات نظام المعالجة إلى عملية تصنيع قائمة دون دمج كامل لفلسفة التحكم في العملية. يجب تدريب مشغلي الأفران على فهم كيفية تأثير قراراتهم التشغيلية (معدل تحميل المواد الخام، وإعدادات الموقد، وملف تعريف درجة حرارة منطقة الفرن) على تركيز أول أكسيد الكربون وحمل الجسيمات الدقيقة الداخلة إلى نظام المعالجة. يجب وضع بروتوكول اتصال رسمي قبل بدء التشغيل، يتضمن: إخطارًا مسبقًا بالتغييرات التشغيلية المخطط لها في الفرن، وإجراءات لتجاوز نظام المعالجة بأمان أثناء الصيانة، وآلية تصعيد لحالات تجاوز الامتثال.

07 — أهم النقاط الهندسية

أربعة دروس قاسية من مشروع فرن حراري بتقنية RTO + SCR

  • !
    سيواجه نظام RTO المصمم لحمل متوسط ​​لثاني أكسيد الكربون حالات فصل بسبب ارتفاع درجة الحرارة إذا لم يتم تحديد خصائص الارتفاعات المفاجئة لثاني أكسيد الكربون وإدارتها عند المصدر. يوثق ملخص التجربة بوضوح حالات إيقاف تشغيل فرن الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) بسبب ارتفاع تركيز أول أكسيد الكربون (CO) فوق القيمة التصميمية. والدرس الأساسي هو أن تصميم فرن الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) بناءً على متوسط ​​تركيز أول أكسيد الكربون المقاس (5000 ملغم/م³) غير كافٍ عندما ينتج عن العملية ارتفاعات مفاجئة في تركيز أول أكسيد الكربون تفوق المتوسط ​​عدة مرات. يجب أن يشمل توصيف تركيز أول أكسيد الكربون المناسب لأي تطبيق في فرن النفق تحليلًا إحصائيًا لذروات تركيز أول أكسيد الكربون (التكرار، والشدة، والمدة) لتحديد ما إذا كان سيتم تجاوز حد درجة حرارة التصميم لفرن الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) خلال ذروات التركيز النموذجية. إذا حدث ذلك، فيجب إما رفع حد التصميم، أو تركيب مسار جانبي لأول أكسيد الكربون، أو تثبيت احتراق الفرن لمنع حدوث هذه الارتفاعات المفاجئة.
  • 2
    يُعد نظام RTO + مبادل حراري + SCR متوسط ​​الحرارة هو التصميم الأمثل لأفران الحرق الحراري التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال مع الالتزامات المتزامنة بشأن انبعاثات أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين - ويُعد الاقتران الحراري بين RTO و SCR هو الميزة الاقتصادية الرئيسية. تكمن الميزة الأساسية لكفاءة النظام في أن وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) توفر خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتسخين الغاز في وحدة واحدة، بينما يقوم المبادل الحراري بتجميع الحرارة الناتجة عن وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة لتوفير درجة حرارة مدخل نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) بتكلفة طاقة هامشية شبه معدومة. هذا التكامل الحراري ليس عرضيًا، بل هو السبب الرئيسي وراء الجدوى الاقتصادية لدمج نظام الأكسدة الحرارية المتجددة مع نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي لحجم غاز معالجة يبلغ 17,500 متر مكعب قياسي في الساعة، حيث ستكون تكلفة إعادة تسخين الغاز خارجيًا أعلى من تكلفة التوفير الناتج عن غرامات الامتثال التي يوفرها نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي.
  • 3
    يمكن تحقيق عملية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند درجة حرارة متوسطة تبلغ 320 درجة مئوية بكفاءة ≥94% لتطبيقات الغاز الطبيعي المسال لأن غياب ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) يزيل قيد تسمم محفز ABS. في تطبيقات أفران حرق المواد الحرارية التي تعمل بالفحم، يؤدي وضع وحدة الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) عند درجة حرارة 320 درجة مئوية قبل مرحلة إزالة الكبريت إلى تعطيل سريع لمحفز كبريتات الأمونيوم. أما في تطبيقات الغاز الطبيعي المسال التي لا تتجاوز فيها نسبة ثاني أكسيد الكبريت 35 ملغم/م³ (ناتجة عن تحلل المواد الخام، وليس احتراق الوقود)، فإن خطر انبعاثات كبريتات الأمونيوم يكون ضئيلاً، ويصبح وضع وحدة الاختزال التحفيزي الانتقائي عند درجة حرارة متوسطة خيارًا عمليًا. يجب على المهندسين الذين يحددون مواصفات وحدة الاختزال التحفيزي الانتقائي لأفران حرق المواد الحرارية تحديد نوع الوقود المستخدم، سواء كان غازًا طبيعيًا مسالًا أو وقودًا يحتوي على الكبريت، قبل اختيار موضع وحدة الاختزال التحفيزي الانتقائي ودرجة حرارتها. هذا ليس تفصيلًا ثانويًا، بل هو العامل الحاسم في تحديد الجدوى التقنية لاستخدام وحدة الاختزال التحفيزي الانتقائي عند درجة حرارة متوسطة.
  • 4
    تتطلب أنظمة المعالجة المُحدثة للمنشآت التصنيعية القائمة أعمال تكامل أنظمة أكثر شمولاً من عمليات التركيب الجديدة - إن تقييم "غير مستقر كما تم تقييمه" في ملخص الخبرة هو نتيجة مباشرة للتقليل من شأن تعقيد التكامل. إن إضافة وحدة أكسدة حرارية عكسية (RTO) ومبادل حراري ووحدة اختزال انتقائي للكبريت (SCR) إلى خط إنتاج فرن نفق قائم يُغير مسار تدفق الغاز، ونقاط تشغيل المروحة، ومتطلبات استجابة مشغلي الفرن، بطرق لا يمكن تحديدها بدقة قبل بدء التشغيل. لذا، يجب تضمين فترة تشغيل وضبط لا تقل عن ثلاثة أشهر في الجدول الزمني للمشروع (وليس فقط أسبوعين أو ثلاثة أسابيع)، يتم خلالها معايرة نقاط ضبط نظام التحكم باستخدام بيانات التشغيل الفعلية، والتحقق من منحنيات تشغيل المروحة في ظل ظروف التحميل الفعلية، وتدريب فريق تشغيل الفرن تدريبًا كاملًا على بروتوكول التشغيل المتكامل.

08 — الأسئلة الشائعة

معالجة غازات العادم المنبعثة من أفران المواد الحرارية بتقنية الأكسدة الحرارية العكسية والاختزال التحفيزي الانتقائي: إجابات على عشرة أسئلة

أسئلة من مديري تصاريح البيئة ومهندسي الأفران وفرق الصحة والسلامة والبيئة في منشآت تصنيع المواد المقاومة للحرارة والسيراميك المتقدم والمواد ذات درجات الحرارة العالية التي تخطط لتحديثات التحكم في انبعاثات RTO وSCR بموجب متطلبات مرسوم الأنشطة الهولندي/الاتحاد الأوروبي IED.

س1. لماذا يتم استخدام RTO للحد من انبعاثات أول أكسيد الكربون بدلاً من استخدام محرق حراري بسيط أو مؤكسد تحفيزي؟
تم اختيار جهاز الأكسدة الحرارية التجديدية (RTO) بدلاً من الموقد الحراري المباشر البسيط أو المؤكسد التحفيزي لثلاثة أسباب خاصة بهذا التطبيق: (1) كفاءة الطاقة - يستعيد جهاز الأكسدة الحرارية التجديدية ما لا يقل عن 95% من حرارة الاحتراق من خلال طبقة تخزين الحرارة الخزفية، مما يقلل بشكل كبير من كمية الوقود الإضافي اللازم للحفاظ على درجة حرارة غرفة الاحتراق فوق 760 درجة مئوية. يستهلك الموقد المباشر بدون استعادة الحرارة كمية أكبر بكثير من الوقود الإضافي لتحقيق نفس معدل تدمير أول أكسيد الكربون. (2) إنتاج الحرارة للتسخين المسبق لعملية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) - يوفر جهاز الأكسدة الحرارية التجديدية الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة الغاز إلى 320 درجة مئوية، وهي درجة حرارة مدخل عملية الاختزال التحفيزي الانتقائي، عبر المبادل الحراري. (3) على الرغم من كفاءة الطاقة للمؤكسدات التحفيزية (COx)، إلا أنها تتطلب أن يكون الغاز خاليًا تمامًا من الجسيمات الدقيقة قبل وصوله إلى المحفز، بينما تحمل غازات العادم المنبعثة من فرن المواد الحرارية ما يصل إلى 30 غ/م³ من غبار السيراميك. إن آلية الأكسدة الحرارية RTO (الاحتراق في الطور الغازي) تتحمل حمولة PM أعلى بكثير من المؤكسدات التحفيزية، مما يجعلها أكثر ملاءمة لوضع تطبيق مرشح الكيس المسبق.
س2. ما هي متطلبات الاتحاد الأوروبي IED والمتطلبات التنظيمية الهولندية التي تنطبق على الغازات المنبعثة من أفران المواد الحرارية التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال؟
تخضع منشآت أفران المواد الحرارية التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال في هولندا لنطاق توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية (IED 2010/75/EU) للمنشآت العاملة في قطاع السيراميك والمواد الحرارية. وتحدد استنتاجات أفضل التقنيات المتاحة (BAT) الواردة في الوثيقة المرجعية لصناعة السيراميك قيمًا حدية لانبعاثات أكاسيد النيتروجين (100 ملغم/م³ BAT-AEL لأفران الأنفاق)، وأول أكسيد الكربون (500 ملغم/م³ BAT-AEL)، والجسيمات الدقيقة (5 ملغم/م³ BAT-AEL)، وثاني أكسيد الكبريت. وتُصدر التراخيص البيئية الهولندية بموجب قانون البيئة الهولندي (Omgevingswet)، مع تحديد حدود خاصة بكل موقع من قبل دائرة البيئة على مستوى المقاطعات. ويقل مستوى انبعاثات أكاسيد النيتروجين (≤30 ملغم/م³) المحقق في هذه المنشأة بمقدار 70% عن أفضل التقنيات المتاحة (BAT-AEL)، مما يوفر هامشًا تنظيميًا كبيرًا. ويجب أن تكون أنظمة مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) معتمدة وفقًا للمعيار EN 14181 QAL1/QAL2/AST. يُشترط تقديم تقارير الامتثال السنوية إلى Omgevingsdienst وتقديم تقارير E-PRTR التي تتجاوز عتبات التسجيل.
س3. كيف يقوم المبادل الحراري عالي الكفاءة بنقل الحرارة من مخرج RTO إلى مدخل SCR؟
يعمل المبادل الحراري (مساحة نقل 380 مترًا مربعًا، انخفاض ضغط 1050 باسكال، درجة حرارة مدخل الجانب الساخن 223 درجة مئوية) كمبادل حراري ذي تيار معاكس بين الغازات. يتدفق الغاز الساخن بعد عملية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) على أحد الجانبين، ناقلًا الحرارة إلى الغاز البارد الداخل قبل عملية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) على الجانب الآخر. بعد تفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي، يعود غاز مخرج الاختزال التحفيزي الانتقائي (عند درجة حرارة 309 درجة مئوية تقريبًا، وهي أقل بقليل من درجة حرارة المدخل البالغة 320 درجة مئوية نظرًا للتفاعل التحفيزي الماص للحرارة وفقدان الحرارة) عبر المبادل الحراري لتسخين غاز مدخل الاختزال التحفيزي الانتقائي مسبقًا. ينتج عن ذلك حلقة متتالية لاستعادة الحرارة: حرارة مخرج الأكسدة الحرارية المتجددة ← الجانب الساخن للمبادل الحراري ← ارتفاع درجة حرارة غاز ما قبل الاختزال التحفيزي الانتقائي ← مدخل الاختزال التحفيزي الانتقائي عند 320 درجة مئوية ← تفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي ← مخرج الاختزال التحفيزي الانتقائي عند 309 درجة مئوية ← الجانب البارد للمبادل الحراري (لتسخين دورة الغاز الداخل التالية مسبقًا). تم تحديد مساحة التبادل الحراري البالغة 380 مترًا مربعًا لتحقيق فرق درجة الحرارة المطلوب مع درجات حرارة جانب الغاز المتاحة في النظام.
س4. ماذا يحدث عندما يرتفع تركيز أول أكسيد الكربون فوق تركيز التصميم المحدد لـ RTO ويتسبب في فصل بسبب ارتفاع درجة الحرارة؟
عندما يرتفع تركيز أول أكسيد الكربون الداخل إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) فوق التركيز التصميمي، يؤدي التفاعل الإضافي للأكسدة الطاردة للحرارة إلى رفع درجة حرارة غرفة الاحتراق فوق الحد التصميمي. تستجيب أنظمة التحكم في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) بما يلي: (1) تقليل أو قطع الوقود الإضافي (إن وُجد)؛ (2) فتح صمامات جانبية لتوجيه بعض الغاز حول منطقة الاحتراق؛ (3) إذا استمرت درجة الحرارة في الارتفاع نحو الحد الأقصى المسموح به لطبقة تخزين الحرارة الخزفية، يتم تفعيل نظام فصل تلقائي بسبب ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى إيقاف النظام وتوجيه الغاز مباشرةً إلى المدخنة، وبالتالي حدوث تجاوز مؤقت لحدود الامتثال لأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين (نظرًا لأن وحدة الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) تفقد أيضًا غازها الداخل). وتتلخص إجراءات الاستجابة المستخلصة من ملخص الخبرة فيما يلي: (1) التحكم بدقة في مصادر المواد الخام لمنع دفعات المواد ذات المحتوى العضوي العالي من التسبب في ارتفاعات مفاجئة في تركيز أول أكسيد الكربون؛ (2) التحكم في تشغيل الفرن للحفاظ على استقرار تركيبة الغاز. ويتمثل الحل الهندسي للمنشآت الجديدة في تضمين محلل أول أكسيد الكربون الداخل إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) مع نظام تحويل جزئي تلقائي عند مستوى أول أكسيد الكربون أقل من عتبة الفصل.
س5. ما هي تكاليف التشغيل السنوية التي يجب إدراجها في الميزانية لنظام RTO + SCR هذا؟
التكاليف التشغيلية السنوية: (1) الكهرباء: 161.25 كيلوواط تشغيل فعلي بسعر 0.36 يوان صيني/كيلوواط ساعة مكافئ، 8000 ساعة/سنة = حوالي 46.44 يوان صيني/سنة؛ (2) ماء الأمونيا: 0.015 طن/ساعة بسعر 600 يوان صيني/طن، 8000 ساعة/سنة = حوالي 7.2 يوان صيني/سنة؛ (3) الغاز الطبيعي المسال الإضافي للحفاظ على درجة حرارة وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة: يعتمد على تركيز أول أكسيد الكربون في غازات العادم من الفرن - عند ارتفاع تركيز أول أكسيد الكربون، تقل الحاجة إلى الوقود الإضافي لأن أكسدة أول أكسيد الكربون الطاردة للحرارة توفر حرارة الاحتراق؛ عند انخفاض تركيز أول أكسيد الكربون، تزداد الحاجة إلى الوقود الإضافي. يجب تقدير التكلفة الإجمالية للوقود الإضافي من الغاز الطبيعي المسال من خلال قياس تركيز أول أكسيد الكربون الفعلي بعد بدء التشغيل. الصيانة المخططة: فحص طبقة السيراميك في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (كل سنتين)؛ فحص محفز نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي وقياس انخفاض الضغط (كل 6 أشهر)؛ فحص مرشح الأكياس (كل 3 أشهر).
س6. هل يمكن تطبيق نفس بنية RTO + مبادل حراري + SCR على تطبيقات أفران السيراميك أو المواد المتقدمة الأخرى ذات درجات الحرارة العالية؟
نعم، مع تعديلات خاصة بكل تطبيق. يمكن تطبيق هذا التصميم مباشرةً على: (1) أفران المواد الحرارية الأخرى (المغنيسيا، الكوروندوم، كربيد السيليكون، الزركونيا) حيث ينتج عن حرق الغاز الطبيعي المسال مستويات مماثلة من أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين؛ (2) أفران السيراميك المتقدمة (السيراميك التقني، السيراميك الإلكتروني، السيراميك الكهروإجهادي) حيث ينتج عن حرق الغاز الطبيعي المسال أو الغاز الطبيعي مزيجًا مشابهًا من الملوثات؛ (3) أفران الأدوات الصحية والبلاط حيث تحمل الغازات المنبعثة أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين مع كميات متفاوتة من الفلورايد من المواد الخام المستخدمة في التزجيج. يتمثل التعديل الرئيسي المطلوب لكل تطبيق جديد في تحديد خصائص أول أكسيد الكربون (بما في ذلك تحليل الذروة، وليس المتوسط ​​فقط) لتحديد الحجم الصحيح لنظام إدارة درجة حرارة الأكسدة الحرارية المتجددة، وتقييم ثاني أكسيد الكبريت لتحديد ما إذا كان وضع نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي في درجات حرارة متوسطة مجديًا أو ما إذا كان من الممكن تأكيد ظروف انخفاض ثاني أكسيد الكبريت. بالنسبة للتطبيقات التي تحتوي على كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت (أفران تعمل بالفحم، أو زيت الوقود الثقيل، أو المواد الخام عالية الكبريت)، يجب إعادة تصميم موضع ودرجة حرارة نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) لمراعاة مخاطر انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت.
س7. كيف تتم إدارة التحميل العالي جدًا للجسيمات الدقيقة (30 جم/م³) لحماية طبقة السيراميك RTO؟
تتم إدارة الحمل الأولي للجسيمات الدقيقة (PM) البالغ 30 غ/م³ الناتج عن عملية تلبيد المواد الحرارية (غبار المغنيسيا والسيراميك) بواسطة مرحلة معالجة مسبقة باستخدام مرشح أكياس، حيث يتم خفض تركيز الجسيمات الدقيقة إلى ≤10 ملغ/م³ قبل دخول الغاز إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO). يعمل مرشح الأكياس قبل وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة (قبل مروحة السحب)، حيث يلتقط غبار السيراميك عند درجة حرارة مخرج الفرن قبل وصوله إلى قنوات تخزين الحرارة السيراميكية في وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة. عند الحمل الأولي البالغ 30 غ/م³، يجب أن يتميز مرشح الأكياس بمساحة ترشيح كافية ومادة أكياس مناسبة لدرجة حرارة مخرج الفرن (مواصفات درجة حرارة التشغيل لمادة الأكياس ≤260 درجة مئوية). يجب التعامل مع مرشح الأكياس كجهاز بالغ الأهمية لسلامة وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة: أي عطل في الأكياس أو خلل في نظام التنظيف يسمح بمرور الجسيمات الدقيقة إلى وحدة الأكسدة الحرارية المتجددة يجب اكتشافه في غضون دقائق من خلال مراقبة مستمرة لانخفاض الضغط، ويجب تفعيل استجابة نظام الحماية على الفور.
س8. كيف يتم التحكم في تسرب الأمونيا في نظام SCR متوسط ​​درجة الحرارة؟
يستخدم التحكم في تسرب الأمونيا في نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسط ​​درجة الحرارة ما يلي: (1) مراقبة أكاسيد النيتروجين في الوقت الفعلي عند كل من مدخل ومخرج نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي؛ (2) تعديل معدل حقن الأمونيا بواسطة نظام التحكم PLC للحفاظ على مستوى أكاسيد النيتروجين عند المخرج عند القيمة المستهدفة ≤30 ملغم/م³ باستخدام الحد الأدنى لمعدل الحقن المتوافق مع هذه القيمة المستهدفة؛ (3) قفل إيقاف حقن الأمونيا التلقائي عند درجة حرارة أقل من الحد الأدنى لدرجة حرارة تشغيل نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (يوصى بضبط القفل عند 280 درجة مئوية، أي أقل بـ 40 درجة مئوية من درجة حرارة مدخل التصميم البالغة 320 درجة مئوية، للسماح باستعادة درجة الحرارة قبل إيقاف الحقن بدلاً من الانتظار حتى يصبح المحفز خارج نطاق فعاليته)؛ (4) قياس تسرب الأمونيا الدوري في الموقع عند مخرج نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي - شهريًا خلال السنة الأولى من التشغيل - للتأكد من أن تسرب الأمونيا ضمن الحد المسموح به (≤5 جزء في المليون نموذجيًا لهذا التطبيق). يتوافق معدل توصيل مياه الأمونيا 20% (0.015 طن/ساعة عند التصميم) مع معدل حقن مكافئ لليوريا وهو معدل متحفظ لكفاءة ≥94% عند تحميل NOx التصميمي.
س9. ما الذي يجب أن يغطيه تركيب نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) لهذا المرفق بموجب شروط الترخيص البيئي الهولندي؟
بموجب شروط الترخيص البيئي الهولندي لتركيب فرن نفق للمواد الحرارية، يجب أن يغطي نظام مراقبة الانبعاثات المستمر (CEMS) عند المدخنة عادةً ما يلي: أكاسيد النيتروجين (NOx) (مستمر)، وأول أكسيد الكربون (CO) (مستمر)، والجسيمات الدقيقة (PM) (مستمر)، والأكسجين (O₂) (مستمر لتصحيح غاز المرجع)، ودرجة الحرارة (مستمر)، ومعدل التدفق (مستمر)، ومحتوى الرطوبة (دوري أو مستمر حسب الترخيص). قد يُطلب ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) كمعيار مستمر أو دوري نظرًا لتركيزه الداخل البالغ 35 ملغم/م³. قد يُطلب رصد تسرب الأمونيا (مستمر أو دوري) كمعيار ثانوي من مرحلة الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR). يجب أن تكون جميع أنظمة مراقبة الانبعاثات المستمر معتمدة وفقًا للمعيار EN 14181 QAL1/QAL2/AST. تتطلب قناة رصد أول أكسيد الكربون (CO) عناية خاصة في هذا التركيب لأن أول أكسيد الكربون يُعدّ معيارًا أساسيًا للامتثال (بحد أقصى ≤ 100 ملغم/م³) ومعيارًا للتحكم التشغيلي في عملية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) - يجب أن تتمتع قناة رصد أول أكسيد الكربون في نظام مراقبة الانبعاثات المستمر بسرعة استجابة كافية لاكتشاف ارتفاعات أول أكسيد الكربون في الوقت المناسب لكي يستجيب نظام التحكم.
س10. هل توجد منشآت مرجعية لأنظمة الأكسدة الحرارية العكسية + الاختزال التحفيزي الانتقائي متوسط ​​الحرارة لأفران السيراميك المقاومة للحرارة أو أفران السيراميك عالية الحرارة متاحة للزيارات الميدانية؟
نعم. تم تطبيق تقنية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) مع مبادل حراري عالي الكفاءة وتقنية إزالة النيتروجين الانتقائية (SCR) متوسطة الحرارة، الموضحة في دراسة الحالة هذه، في مصانع المواد الحرارية، والسيراميك المتقدم، وغيرها من مرافق الأفران ذات درجات الحرارة العالية. يمكن ترتيب زيارات ميدانية مرجعية للعملاء المحتملين المؤهلين، بما في ذلك الوصول إلى بيانات الامتثال المعتمدة لأنظمة مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS)، وسجلات حوادث ارتفاع درجة حرارة نظام الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO)، والوثائق التشغيلية التي تغطي فترة الاستقرار بعد التشغيل. إن توفر سجلات الحوادث المتعلقة بارتفاع درجة حرارة أول أكسيد الكربون الموثقة في هذا المشروع يجعل هذا النظام ذا قيمة خاصة كمرجع لتخطيط مرافق أنظمة الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) لتطبيقات تركيز أول أكسيد الكربون المتغير. يرجى استخدام رابط الاتصال أدناه لطلب الوثائق المرجعية أو لترتيب زيارة ميدانية.

هل أنت مستعد لحل مشكلة انبعاثات أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين في فرنك الحراري؟

استكشف المجموعة الكاملة من حلول الأكسدة الحرارية التجديدية

من الأكسدة الحرارية التجديدية (RTO) من الحد من انبعاثات أول أكسيد الكربون وإزالة النيتروجين الانتقائية المدمجة في تطبيقات أفران السيراميك والمواد المقاومة للحرارة إلى مجموعة كاملة من حلول التحكم في الانبعاثات الصناعية، يقدم فريقنا الهندسي أنظمة متوافقة مع توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية لمنشآت التصنيع ذات درجات الحرارة العالية.

توثق هذه الدراسة حالة الامتثال الناجح لمعايير الانبعاثات، بالإضافة إلى تحديات استقرار ثاني أكسيد الكربون التي واجهتها محطة معالجة غازات العادم في فرن نفق متطور لإنتاج المواد الحرارية، والتي تستخدم تقنية الأكسدة الحرارية المتجددة (RTO) وتقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) متوسطة الحرارة، بعد بدء التشغيل. وقد استُقيت المعايير الفنية من سجلات هندسية موثقة. وتُعرض التحديات التشغيلية الموثقة لإرشاد مصممي الأنظمة في المستقبل. وتعكس المراجع التنظيمية توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية 2010/75/EU، وأطر مرسوم الأنشطة الهولندي (Activiteitenbesluit milieubeheer) السارية في هولندا.