نظرة عامة على تقنيات استرداد الحرارة المهدرة في الصناعة ببلادنا

Thread Content

في الوقت الحالي، لا تزال هناك مشاكل رئيسية في استخدام الطاقة في بلادنا، وهي انخفاض معدل الاستخدام، وضعف الفوائد الاقتصادية، بالإضافة إلى الضغوط البيئية الكبيرة. لذلك، فإن تقليل الانبعاثات وتحسين معدل الاستخدام الشامل للطاقة يُعدان الحل الأساسي لمشاكل الطاقة في بلادنا، وهما يحتلان أولوية في خطط التنمية. 　　يعتمد تحقيق أهداف توفير الطاقة وخفض الانبعاثات، ورفع كفاءة استخدام الطاقة، بشكل أساسي على القطاع الصناعي. يشكل استهلاك الطاقة في القطاع الصناعي في بلادنا حوالي 70% من إجمالي استهلاك الطاقة في البلاد، كما أن متوسط استهلاك الطاقة لكل وحدة من المنتجات الصناعية أعلى بحوالي 30% مقارنة بالمستويات الدولية المتقدمة. بالإضافة إلى عوامل مثل تخلف عمليات الإنتاج وعدم كفاءة الهيكل الصناعي، فإن انخفاض معدل استغلال الحرارة الناتجة عن العمليات الصناعية يُعد سببًا رئيسيًا في ارتفاع استهلاك الطاقة. ففي بلادنا، يبلغ معدل استغلال الطاقة حوالي 33% فقط، وهو ما يقل بنحو 10% عن المعدلات في الدول المتقدمة، كما يتم التخلص من ما لا يقل عن 50% من الطاقة المستخدمة في الصناعة على شكل حرارة زائدة. وبالتالي، من منظور آخر، فإن موارد الحرارة المهدرة في صناعتنا غنية وموجودة على نطاق واسع في عمليات الإنتاج بجميع القطاعات الصناعية؛ حيث تشكل هذه الحرارة المهدرة ما بين 17% إلى 67% من إجمالي استهلاك الوقود، ويبلغ معدل قابلية استردادها 60%. وهناك مجال كبير لتحسين معدل استغلال هذه الحرارة، مما يتيح إمكانات هائلة لتوفير الطاقة. يُعتبر استرداد واستخدام الحرارة الناتجة عن الصناعة نوعًا من “الطاقة الجديدة”， وقد أصبح في السنوات الأخيرة جزءًا مهمًا من جهود بلادنا لتقليل الانبعاثات وتوفير الطاقة. 　　خصائص موارد الحرارة الزائدة الصناعية
تعتبر موارد الحرارة الزائدة من المصادر الطاقية ثانوية، فهي ناتج عن تحويل المصادر الطاقية الأولية أو المواد القابلة للاحتراق، أو هي الحرارة المتبقية بعد احتراق الوقود خلال إتمام عملية معينة. وفقًا لدرجة الحرارة، يتم تصنيف الحرارة الزائدة الصناعية عمومًا إلى ثلاث فئات: الحرارة الزائدة عالية الحرارة التي تزيد درجة حرارتها عن 600 درجة مئوية، والحرارة الزائدة متوسطة الحرارة التي تتراوح درجة حرارتها بين 300 و600 درجة مئوية، والحرارة الزائدة منخفضة الحرارة التي تقل درجة حرارتها عن 300 درجة مئوية. أما من حيث المصدر، فيمكن تصنيف الحرارة الزائدة الصناعية إلى: حرارة الغازات الناتجة عن العمليات الصناعية، وحرارة وسائل التبريد، وحرارة الغازات والمياه الناتجة عن العمليات الصناعية، وحرارة التفاعلات الكيميائية، بالإضافة إلى حرارة المنتجات ذات الحرارة العالية والرماد الناتج عن العمليات الصناعية، وأخيرًا حرارة الغازات والنفايات القابلة للاشتعال. 　　مصادر الحرارة الزائدة متنوعة، ويتراوح درجة حرارتها بين نطاقات واسعة، كما أن أشكالها مختلفة. من وجهة نظر الاستغلال، تتمتع مصادر الحرارة الزائدة عمومًا بالخصائص التالية: فبسبب الطابع الدوري أو المتقطع أو التقلبات في عمليات الإنتاج، تكون كمية الحرارة الزائدة غير مستقرة؛ كما أن خصائص وسائط الحرارة الزائدة سيئة، مثل احتواء الغازات على كميات كبيرة من الغبار أو مواد مسببة للتآكل؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن أجهزة استغلال الحرارة الزائدة تخضع لقيود ناتجة عن الظروف المكانية وغيرها من العوامل. 　　لذلك، فإن بيئة تشغيل أنظمة أو معدات استغلال الحرارة الزائدة الصناعية صعبة نسبيًا، حيث يُطلب وجود نطاق تشغيل مستقر قادر على التكيف مع المتطلبات المتغيرة للعمليات، بالإضافة إلى موثوقية عالية في أجزاء المعدات، وارتفاع تكلفة الاستثمار الأولية. من منظور الكفاءة الاقتصادية، من الضروري تصميم النظام بشكل شامل مع مراعاة عمليات الإنتاج، وذلك لزيادة كفاءة معدات أنظمة استغلال الحرارة المتبقية. 　　تقنيات استغلال الحرارة الزائدة في الصناعة: تتراوح درجات حرارة الحرارة الزائدة بين نطاقات واسعة، كما أن أشكال وسائط الطاقة متنوعة. وبسبب اختلاف البيئات وعمليات الإنتاج، بالإضافة إلى القيود المتعلقة بالظروف الخاصة بكل موقع، فإن أنواع المعدات المستخدمة متنوعة أيضًا، مثل أجهزة تسخين الهواء، وغرف تخزين الحرارة في الأفران، والغلايات التي تستغل الحرارة الزائدة، وتوربينات البخار ذات درجات الحرارة المنخفضة. هناك طرق متعددة لاستغلال الحرارة الزائدة في الصناعة، ووفقًا لخصائص نقل أو تحويل الطاقة في عملية استخدام هذه الحرارة، يمكن تقسيم تقنيات استغلال الحرارة الزائدة في الصناعة حاليًا إلى تقنيات التبادل الحراري، وتقنيات تحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية، وتقنيات استخدام الحرارة الزائدة في التبريد أو التدفئة. 　　١. تقنيات تبادل الحرارة: يجب استخدام استرداد الحرارة الزائدة أولاً في معدات هذا النظام أو في عملياته، وذلك لتقليل عدد مرات تحويل الطاقة قدر الإمكان. لا يغير استخدام الحرارة المتبقية من شكل طاقة هذه الحرارة، بل يتم نقل طاقة الحرارة المتبقية مباشرة إلى عمليات استهلاك الطاقة في العمليات الصناعية، وذلك عبر أجهزة تبادل الحرارة. يمكن تسمية هذه الأجهزة بتقنيات تبادل الحرارة، وهي أفضل طريقة اقتصادية لاسترداد الحرارة المتبقية في الصناعة، حيث تتميز بكفاءتها العالية. وتشمل الأجهزة المستخدمة في ذلك أنواعًا مختلفة من أجهزة تبادل الحرارة، مثل أجهزة تبادل الحرارة التقليدية وأجهزة تبادل الحرارة باستخدام الأنابيب الحرارية، بالإضافة إلى مولدات البخار الناتج عن الحرارة المتبقية. 　　(1) مبادلات الحرارة ذات الجدار الفاصل: تنقسم مبادلات الحرارة المستخدمة في الصناعة، وفقًا لمبدأ تبادل الحرارة، إلى مبادلات حرارة ذات جدار فاصل، ومبادلات حرارة مختلطة، ومبادلات حرارة تخزينية. من بينها، تعتبر الأجهزة ذات الجدران الوسطى وأجهزة تخزين الحرارة من الأجهزة المستخدمة بشكل شائع في استرداد الحرارة الزائدة في الصناعة. أما مبادلات التبريد المختلطة فهي تعتمد على التلامس المباشر أو الخلط بين السوائل الساخنة والباردة لنقل الحرارة، مثل أبراج التبريد وأبراج الغسيل وأجهزة التكثيف بالضغط المستخدمة في الإنتاج الصناعي، ولا تُستخدم بشكل شائع في استرداد الحرارة الزائدة. 　　تنقسم مبادلات الحرارة ذات الحواجز إلى عدة أنواع رئيسية، منها الأنابيبية والصفائحية ومبادلات الحرارة المتدفقة في نفس الاتجاه. وعلى الرغم من أن كفاءة مبادلات الحرارة الأنابيبية الحرارية منخفضة، حيث يبلغ متوسطها 26% إلى 30% فقط، كما أنها تقل عن الأنواع الأخرى من مبادلات الحرارة من حيث الإحكام واستهلاك المواد المعدنية، إلا أنها تتميز ببنية متينة ومرونة تطبيقية عالية ونطاق واسع من المواد القابلة للاستخدام، مما يجعلها أكثر أجهزة تبادل الحرارة استخدامًا في استرداد الحرارة الضائعة في الصناعة. تتكون نسبة 40% من معدات تبادل الحرارة في المصانع المعدنية من مبادلات حرارة أنبوبية، والتي تسمح بوصول درجة حرارة الغازات الخارجة إلى أكثر من 1000 درجة مئوية، بينما تكون درجة حرارة الغازات الخارجة حوالي 600 درجة مئوية، وبذلك يكون الفرق المتوسط في درجات الحرارة حوالي 300 درجة مئوية. 　　تشمل مبادلات الحرارة ذات الألواح ألواحًا ذات شفرات، وألواحًا حلزونية، ومبادلات حرارة من النوع الصفيحي-القشري، ومقارنةً بمبادلات الحرارة الأنبوبية، فإن معامل نقل الحرارة فيها يبلغ تقريبًا ضعف معامل نقل الحرارة في المبادلات الأنبوبية، كما أن كفاءتها في نقل الحرارة عالية، وتكون هيكلها مدمجًا، مما يساعد على توفير المواد. تستخدم الشركات المتعاونة في صناعة المعادن، وكذلك المؤسسات الصغيرة والمتوسطة، مبادلات حرارية من النوع اللوحي لتسخين الهواء المستخدم في عملية الاحتراق. يبلغ معدل استرداد الحرارة في المتوسط 28% إلى 35%، ودرجة حرارة الغازات عند المدخل تكون حوالي 700 درجة مئوية، بينما تصل درجة حرارتها عند المخرج إلى 360 درجة مئوية. لكن نطاق التطبيق محدود بسبب القيود الأكبر المفروضة على درجة الحرارة ونسبة الضغط في مبادلات الحرارة من النوع اللوحي مقارنةً بمبادلات الحرارة من النوع الأنبوبي. 　　لإعادة استخدام الغازات الساخنة الناتجة عن الأفران الصناعية المختلفة، يتم أيضًا استخدام مبادلات حرارية من نوع التدفق المشترك، وهي تنقسم إلى نوعين رئيسيين: النوع الإشعاعي والنوع التبادلي. يتم استخدام هذه المبادلات على نطاق واسع في أجهزة مثل أفران التسخين المتساوي، حيث تساعد في استرداد الحرارة المتبقية في الغازات، وتسخين الهواء أو الوقود المستخدم في الاحتراق، مما يقلل من كمية الغازات المنبعثة ودرجة حرارتها. يمكن أن تصل درجة حرارة الغازات الخارجة من مدخل مبدلات التبريد بالإشعاع إلى أكثر من 1100 درجة مئوية، كما يمكن أن تصل درجة حرارة الغازات الخارجة من المخرج إلى 600 درجة مئوية. ويمكن تسخين الهواء المستخدم في عملية الاحتراق إلى 400 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الاحتراق. تصل كفاءة نقل الحرارة إلى أكثر من 40%، لكن معدل استرداد الحرارة منخفض، حيث يتراوح في المتوسط بين 26% و35%. 　　(2) مبادل حراري ذو تخزين حراري: يعتمد مبدأ عمل مبادلات الحرارة ذات التخزين الحراري على مرور السوائل الباردة والساخنة بالتناوب عبر عناصر التخزين الحراري لتبادل الحرارة، وهو نوع من مبادلات الحرارة التي تعمل بشكل متقطع، ويُستخدم لاسترجاع الطاقة الحرارية الناتجة عن العمليات المتقطعة، وغالبًا ما يُستخدم في تبادل الحرارة بين الغازات ذات درجات الحرارة العالية، مثل تسخين الهواء أو المواد الأخرى. 　　وبناءً على نوع وسيط تخزين الحرارة وأشكال تخزين الطاقة الحرارية، يمكن تقسيم أنظمة التبادل الحراري ذات تخزين الحرارة إلى تخزين الحرارة الظاهرية وتخزين الحرارة الكامنة الناتجة عن التحول الطوري. لطالما تم استخدام تخزين الطاقة الحرارية، سواء في المعدات البسيطة لتبادل الحرارة مثل مبادلات الحرارة الدوارة الشائعة، أو في المعدات المعقدة مثل أفران الهواء الساخن ذات التخزين الحراري في أفران صهر الحديد. نظرًا لعيوب أجهزة تبادل الحرارة لتخزين الطاقة الحرارية المحسوسة مثل كثافة التخزين المنخفضة والحجم الكبير وعدم قدرتها على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، فإنها تواجه قيودًا في استرداد الحرارة الزائدة في الصناعة. تستخدم أجهزة تخزين الحرارة ونقلها القائمة على الحرارة الكامنة للتحول الطوري السعة الحرارية الذاتية لمواد التخزين والحرارة الكامنة للتحول الطوري لتخزين الطاقة ونقلها، حيث تتميز بكثافة تخزين طاقة تفوق أجهزة تخزين الحرارة الحسية بمقدار درجة واحدة على الأقل. ولهذا، عند تخزين نفس كمية الحرارة، يقل حجم أجهزة تخزين الحرارة ونقلها القائمة على الحرارة الكامنة للتحول الطوري بنسبة 30% إلى 50% مقارنةً بأجهزة التخزين التقليدية. 　　بالإضافة إلى ذلك، فإن إخراج الحرارة مستقر، ودرجة حرارة وسيط التبادل الحراري ثابتة إلى حد كبير، كما أن حالة تشغيل نظام التبادل الحراري مستقرة؛ وهذه من المزايا الأخرى لأجهزة تخزين الطاقة عبر الحرارة الكامنة في عمليات التحول الطوري. تنقسم مواد تخزين الطاقة القائمة على التحول الطوري، وفقًا لدرجة حرارة تحولها الطوري، إلى مواد تحول طوري عالية الحرارة ومواد تحول طوري متوسطة ومنخفضة الحرارة. تتميز المواد الأولى بدرجة حرارة تحول طوري عالية والحرارة الكامنة للتحول الطوري كبيرة، وهي مصنوعة في الغالب من مركبات معدنية غير عضوية وخلائطها، والقلويات، والمعادن والسبائك، إلخ، مدموجة مع قاعدة من السيراميك أو المعدن، وتناسب استرداد الحرارة المتبقية عند درجات حرارة تتراوح بين 450 و1100 درجة مئوية وما فوق، كما أن تطبيقاتها واسعة الانتشار؛ أما المواد الثانية فهي في الأساس أملاح مائية بلورية أو مواد عضوية، وتناسب استخدامها في استرداد الحرارة المتبقية عند درجات الحرارة المنخفضة. 　　(3) أجهزة تبادل الحرارة القائمة على الأنابيب الحرارية: الأنابيب الحرارية هي عناصر فعالة لنقل الحرارة، حيث تقوم بنقل الحرارة من خلال عملية التبخر والتكثف للمادة الموجودة داخل أنبوب فراغي مغلق تمامًا، بالإضافة إلى عملية تبادل الحرارة عبر الجدران الفاصلة. وهي في الحقيقة أجهزة لتخزين الطاقة الحرارية ونقلها في نفس الوقت. تتمتع الأنابيب الحرارية بخصائص توصيل حراري ممتازة، حيث يكون معامل نقل الحرارة لديها أعلى بمقدار كبير مقارنة بمبادلات الحرارة المعدنية التقليدية. كما أن لها مزايا أخرى مثل القدرة على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، وإمكانية التحكم في درجة الحرارة، وقوة نقل الحرارة العالية، وإمكانية تغيير مساحة نقل الحرارة على الجانبين البارد والساخن حسب الحاجة، بالإضافة إلى إمكانية نقل الحرارة على مسافات طويلة، دون الحاجة إلى أي معدات داعمة خارجية. يتطلب عمل الأنابيب الحرارية اختيار نوع المادة المستخدمة في صناعة الأنبوب والسائل العامل وفقًا لدرجات الحرارة المختلفة. ومن بينها، فإن تركيبة أنابيب الحرارة المصنوعة من الفولاذ الكربوني والماء بسيطة، وتكلفتها منخفضة، كما أن تصنيعها سهل، مما يجعلها مناسبة للانتشار الواسع، ولذلك فقد حظيت هذه الأنابيب باستخدام واسع. في التطبيقات العملية، يتراوح درجة حرارة استخدام الأنابيب الحرارية بين 50 و400 درجة مئوية، وتُستخدم في أفران التجفيف وأفران التكامل وغيرها لاسترداد الحرارة أو استرداد البخار المهدر، بالإضافة إلى أجهزة تسخين الهواء في الغلايات أو الأفران. 　　(4) مراجل استرداد الحرارة: يتم استخدام مولدات البخار، أي مراجل استرداد الحرارة، كوسيلة هامة لرفع كفاءة استخدام الطاقة؛ حيث يتم استرداد حوالي 80% من الحرارة المهدرة في غازات العادم في صناعة المعادن بواسطة هذه المراجل، مما يحقق نتائج ملموسة في توفير الطاقة. 　　لا يحدث عملية احتراق في أفران الحرارة المتبقية، بل يتم استخدام حرارة الغازات الساخنة المتبقية، وحرارة التفاعلات الكيميائية، وحرارة الغازات القابلة للاشتعال، بالإضافة إلى حرارة المنتجات ذات درجة الحرارة العالية، لإنتاج البخار أو الماء الساخن، وذلك لاستخدامه في العمليات الصناعية أو لتوفير الطاقة الحرارية عبر شبكات التدفئة. في الوقت نفسه، تعتبر أفران الحرارة المتبقية جهازًا مهمًا في أنظمة توليد الطاقة باستخدام التوربينات ذات درجة الحرارة المنخفضة، حيث توفر بخارًا لتشغيل المحركات والآلات الديناميكية الأخرى. 　　في التطبيقات العملية، يُستخدم الغلايات ذات الحرارة المتبقية من الغازات الساخنة التي تتراوح درجة حرارتها بين 350 و1000 درجة مئوية بشكل شائع، ومقارنةً بدرجات الحرارة في غلايات الفحم، فإنها تعتبر غلايات ذات درجة حرارة منخفضة، وبالتالي فإن كفاءتها أقل. نظرًا لأن الغازات الناتجة عن الحرارة الزائدة تحتوي على كميات كبيرة من الغبار ومواد مسببة للتآكل، فإن ذلك يزيد من احتمالية تراكم الرواسب والتآكل والتآكل في الغلايات، ولذلك فإن منع تراكم الرواسب والتآكل يُعد أمرًا أساسيًا في تصميم الغلايات التي تستخدم الحرارة الزائدة. التصميم المباشر للفرن، وغرفة التبريد بالإشعاع ذات السعة الكبيرة، وجدران الفرن المحكمة الإغلاق، وغرفة إزالة الغبار، بالإضافة إلى أجهزة الرنين الكثيرة لإزالة الرماد، كلها عناصر هيكلية في غلايات الحرارة الزائدة تم تصميمها لمعالجة مشاكل تراكم الرماد والتآكل. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب محدودية مساحة موقع الإنتاج، يتم تركيب أجزاء تبادل الحرارة في غلاية الحرارة الزائدة في مختلف أجزاء عملية الإنتاج، بدلاً من تجميعها في جزء واحد كما هو الحال في الغلايات العادية. 　　خلال العقد الماضي، ومع تعزيز جهود ترشيد استهلاك الطاقة وتقليل الانبعاثات، شهدت الشركات الرئيسية المحلية المتخصصة في تصميم وتصنيع أفران استرجاع الحرارة نموًا سريعًا. وتتجه أفران استرجاع الحرارة نحو أحجام أكبر ومواصفات أعلى، مثل أفران استرجاع الحرارة المستخدمة في صناعة المعادن غير الحديدية، التي تستطيع تبخير 50 طنًا في الساعة وتعمل تحت ضغط 4.2 ميجا باسكال، بالإضافة إلى أفران استرجاع الحرارة المستخدمة في صناعة الصلب، التي تستطيع تبخير 100 طنًا في الساعة وتعمل تحت ضغط 12.5 ميجا باسكال. علاوة على ذلك، فإن تحسين كفاءة نقل الحرارة في الغلايات وزيادة معدل استخدام الحرارة، بالإضافة إلى التخفيف من مشاكل تراكم الرماد والتآكل، يُعد من المحتويات الرئيسية للتقدم التقني في غلايات الحرارة الزائدة، وذلك من خلال إجراء تعديلات وابتكارات في أساليب دوران الغلايات، وهيكل الأسطح المستخدمة لاستقبال الحرارة، ومسارات تدفق الدخان داخل الغلايات، بالإضافة إلى طرق تنظيف الرماد. 　　2. تقنيات تحويل الطاقة الحرارية: تعمل تقنيات تبادل الحرارة على استرداد موارد الحرارة المتبقية في شكل طاقة حرارية من خلال خفض درجة حرارتها؛ وهي تمثل استخدامًا من الدرجة الثانية، ولا يمكنها تلبية متطلبات العمليات الإنتاجية أو استهلاك الكهرباء داخل المؤسسات وخارجها. علاوة على ذلك، فإن استخدام تقنيات التبادل الحراري لاسترجاع موارد الحرارة المتبقية ذات درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة الوفيرة لا يحقق فوائد كبيرة. لذلك، فإن استخدام تقنية تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي لرفع جودة الحرارة المهدرة هي تقنية أخرى مهمة لاسترداد الحرارة الصناعية المهدرة. 　　ووفقًا لتصنيف المواد المستخدمة، يمكن تقسيم تقنيات تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية إلى تقنيات توليد الطاقة باستخدام البخار كمادة عاملة، وهي التقنيات التقليدية، وتقنيات توليد الطاقة باستخدام مواد عضوية ذات نقطة غليان منخفضة. نظرًا للاختلافات الكبيرة في خصائص المادة العاملة، فإن أنظمة استرداد الحرارة الزائدة ومكوناتها تتميز أيضًا بخصائصها الخاصة. التطبيق الرئيسي حاليًا هو استخدام الماء كوسيط لنقل الحرارة، مع استخدام غلايات الحرارة الزائدة بالإضافة إلى توربينات البخار أو المكثفات لتشكيل نظام توربينات بخارية منخفضة الحرارة لتوليد الطاقة. 　　الموارد الحرارية المتاحة لإنتاج الكهرباء باستخدام التوربينات البخارية منخفضة الحرارة هي أساساً غازات العادم ذات درجات الحرارة المتوسطة والعالية التي تزيد عن 350 درجة مئوية، مثل غازات العادم الناتجة عن أفران صناعات مواد البناء مثل الزجاج والأسمنت، أو الغازات التي تبرد إلى نطاق 400-600 درجة مئوية بعد استخدامها مرة واحدة. وتتراوح قدرة كل وحدة توليد من بضعة ميغاواط إلى عشرات الميغاواط، ويشمل ذلك أشكالاً متعددة لتوليد الطاقة من الحرارة المهدرة، مثل توليد الكهرباء من الحرارة المهدرة في أفران الأكسجين بصناعة الصلب، وتوليد الكهرباء من الحرارة المهدرة في عملية التلدين، وتوليد الكهرباء من الحرارة المهدرة في عملية إطفاء الكوك الجاف بصناعة الكوك، وتوليد الكهرباء من الحرارة المهدرة منخفضة الحرارة بصناعة الأسمنت. لكن من حيث نطاق درجة حرارة مصادر الحرارة المتبقية، فإن هذه التقنية تنتمي إلى تقنيات توليد الطاقة من الحرارة المتوسطة إلى العالية. 　　بالإضافة إلى ذلك، يتم استرداد كميات كبيرة من البخار من عملية التصنيع عبر أفران الحرارة الزائدة أو مبادلات الحرارة، ويشكل البخار المشبع ذو الضغط المنخفض حوالي 1 ميجا باسكال أو الماء الساخن نسبة كبيرة من هذا البخار، وغالبًا ما يتم التخلص من الكميات الزائدة. في الوقت الحالي، يتم استخدام تقنية توليد الطاقة بالبخار المشبع ذو الضغط المنخفض بشكل أساسي من خلال تقنية محركات التوسع اللولبية. تتميز هذه التقنية بالخصائص التالية: يمكن استخدام مصادر حرارية متعددة كمصدر للطاقة، وهي مناسبة للبخار المسخن، والبخار المشبع، والخليط الغازي-السائل، كما أنها مناسبة أيضًا لغازات العادم، والمياه الساخنة الملوثة، والسوائل الساخنة؛ تتميز بتركيبة بسيطة ومدمجة، ويمكنها تعديل سرعة الدوران تلقائيًا، كما أن عمرها الافتراضي طويل والاهتزازات فيها قليلة؛ معدل التدفق داخل الجهاز منخفض، مما يقلل من فقدان الطاقة باستثناء الخسائر الناتجة عن التسربات، وبالتالي فإن كفاءتها عالية؛ تتميز بخاصية الدوران بواسطة دوارين بدون اتصال، مما يخلق تأثير قص المواد، وبالتالي فإن لديها قدرة على التنظيف الذاتي وإزالة الرواسب بشكل تلقائي. 　　تُعد محركات التمدد بالبرغي من نوع المحركات التمددية ذات الحجم المحدد، وبسبب قيود قدرتها على التمدد، فإن مصادر الطاقة التي يمكن استخدامها لتشغيل هذه المحركات تكون بضغط يتراوح بين 0.15 و3.0 ميجا باسكال، ودرجة حرارة أقل من 300 درجة مئوية، أو بضغط يزيد عن 0.8 ميجا باسكال، ودرجة حرارة أعلى من 170 درجة مئوية. وبسبب الخصائص الهيكلية لهذه المحركات، فإن قدرتها الفردية محدودة، حيث تكون في الغالب أقل من 1000 كيلوواط، وتُستخدم بشكل رئيسي في الحالات التي يكون فيها حجم الحرارة الزائدة صغيرًا. 　　3. تقنيات التبريد والتدفئة  (1) تقنية التبريد باستخدام الحرارة المهدرة  مقارنةً بمجموعات التبريد التقليدية ذات الضغط، يمكن لنظم التبريد الامتصاصية أو الامتزازية استخدام مصادر الطاقة الرخيصة والحرارة منخفضة الجودة لتجنب استهلاك الكهرباء، مما يحل مشكلة نقص إمدادات الكهرباء؛ كما أنها تستخدم مواد تبريد طبيعية لا تحتوي على مواد الكلوروفلوروكربون التي تضر بطبقة الأوزون، مما يمنحها قدرة كبيرة على توفير الطاقة وفوائد بيئية هامة، وقد حظيت بهذه التقنيات انتشاراً واسعاً في أواخر القرن العشرين. 　　تتشابه خصائص الدورة الحرارية في تقنيات التبريد بالامتصاص والتبريد بالاستيعاب إلى حد كبير، حيث تتبع كلاهما دورة “التكوين (الفصل) – التكثيف – التبخر – الامتصاص (الاستيعاب)”. لكن في تقنية التبريد بالامتصاص، فإن المادة المستخدمة في الامتصاص هي سائل ذو قدرة جيدة على الحركة، أما مواد التبريد فهي مثل محلول الأمونيا والماء، أو محلول بروميد الليثيوم في الماء. يتم تنفيذ عمليات التكوين والامتصاص من خلال جهاز التكوين وجهاز الامتصاص. أما في تقنية التبريد بالاستيعاب، فإن المادة المستخدمة في الاستيعاب هي مادة صلبة، وينقسم نوع الاستيعاب إلى استيعاب فيزيائي واستيعاب كيميائي. غالبًا ما يتم استخدام مزيج من الزيوليت والماء، أو كلوريد الكالسيوم والأمونيا، ويتم تنفيذ عمليات الفصل والاستيعاب من خلال جهاز الاستيعاب. 　　يُعد نظام التبريد بالامتصاص الذي يستخدم محلول بروميد الليثيوم كمادة عاملة من أكثر الأنظمة شيوعًا في التطبيقات العملية، حيث يمكن استخدام مصادر حرارية ذات درجة حرارة تتراوح بين 80 و250 درجة مئوية. لكن نظرًا لاستخدام الماء كمادة تبريد، فإن درجة حرارة المبرد الناتج تكون 0 درجة مئوية أو أعلى قليلًا، ويُستخدم هذا النظام بشكل رئيسي في تكييف الهواء أو تبريد المياه في الصناعات. يختلف معامل كفاءة الطاقة في هذا النظام بشكل كبير حسب خصائص المادة العاملة من الناحية الحرارية وطريقة دوران النظام الحراري، وفي الواقع، فإن معامل كفاءة الطاقة في الأنظمة المستخدمة عمليًا لا يتجاوز 2، وهو رقم أقل بكثير من أنظمة التبريد بالضغط. لكن هذه الوحدات يمكنها استغلال الحرارة المتبقية من العمليات الصناعية ذات درجة الحرارة المنخفضة، بالإضافة إلى الطاقة الشمسية والطاقة الجوفية وغيرها من مصادر الطاقة ذات الجودة المنخفضة، دون الحاجة إلى استخدام طاقة كهربائية عالية الجودة، وبالتالي فإن لها ميزة معينة في استغلال الحرارة المتبقية من العمليات الصناعية. تتميز وحدات التبريد بالامتصاص بكفاءة عالية في التبريد، وهي مناسبة لاسترجاع الحرارة الزائدة بكميات كبيرة. يمكن أن تكون قدرتها على التبريد من عشرات الكيلوواط إلى عدة ميغاواط، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في البلاد، حيث أصبحت التقنية متقدمة، كما أن مواصفات المنتجات وأنواعها متنوعة. 　　هناك العديد من أنواع مواد التبريد المستخدمة في آلات التبريد بالامتصاص، وتشمل هذه الأنواع أزواج المواد المستخدمة في الامتصاص الفيزيائي، وأزواج المواد المستخدمة في الامتصاص الكيميائي، بالإضافة إلى أزواج المواد المركبة. كما أن هذه الآلات تعمل في نطاق واسع من درجات حرارة المصدر الحراري، ولا تحتاج إلى مضخات للسوائل أو أجهزة تقطير. بالإضافة إلى ذلك، لا توجد مشاكل مثل تلوث الآلة، أو تكون بلورات في المحاليل الملحية، أو تآكل المعادن. يتميز نظام التبريد بالامتصاص ببنية بسيطة، ولا يصدر ضوضاء، كما أنه لا يسبب تلوثًا. يمكن استخدامه في الأماكن التي تتعرض لاهتزازات شديدة، مثل السيارات والسفن. لكن كفاءة التبريد فيه منخفضة نسبيًا، حيث يكون معامل الأداء لدى أنظمة التبريد الشائعة أقل من 0.7. وبسبب قيود عمليات التصنيع، فإن قدرته على التبريد محدودة، وعادة ما تكون أقل من بضع مئات من الكيلوواط. لذلك، فهو أكثر ملاءمة لاسترجاع الحرارة المتبقية، أو لاستخدامه في أنظمة إنتاج الطاقة الكهربائية والحرارة معًا. 　　(2) تقنية المضخات الحرارية: في الإنتاج الصناعي، يوجد كميات كبيرة من الحرارة الزائدة التي تكون درجتها أعلى قليلاً من درجة حرارة البيئة المحيطة (30–60 درجة مئوية)، مثل مياه التبريد الصناعية ومياه النفط المستخدمة في الحقول النفطية. درجة حرارة هذه المياه منخفضة، لكن كمية الحرارة الموجودة فيها كبيرة، ولذلك تُستخدم تقنية المضخات الحرارية لاسترداد هذه الطاقة الحرارية الزائدة. 　　تعمل مضخات الحرارة على استهلاك جزء من الطاقة عالية الجودة (مثل الطاقة الكهربائية أو الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الحرارية عالية الدرجة) كتعويض، ومن خلال دورة حرارية للمبرد، تقوم بـ “ضخ” الحرارة الموجودة في المصادر ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى وسيط حراري ذو درجة حرارة عالية، مثل الماء الساخن الذي تزيد درجة حرارته عن 50 درجة مئوية. ويمكن استخدام هذا الماء الساخن في عمليات التقطير والتركيز والتجفيف وتوفير الحرارة في الصناعة والزراعة والتجارة، بالإضافة إلى استخدامه في تدفئة المباني. في الوقت الحالي، يتراوح معامل التدفئة لوحدات المضخات الحرارية بين 3 و5، أي أن استهلاك كيلوواط واحد من الطاقة الكهربائية يمكن أن ينتج من 3 إلى 5 كيلوواط من الحرارة. وفي ظروف معينة، يُعد هذا تقنية اقتصادية عملية لاستغلال الحرارة المتبقية في المياه المستعملة والتي تكون درجة حرارتها أعلى قليلاً من درجة حرارة البيئة المحيطة. 　　معظم الوحدات التي يتم تطويرها وإنتاجها حاليًا هي مضخات حرارية ضاغطة، بينما يتم تطوير المضخات الحرارية متوسطة الحجم، أما المضخات الحرارية كبيرة الحجم فلا تزال غير متوفرة. في المضخات الحرارية المضغوطة، تُعتبر تقنية المضخة الحرارية المستخدمة مع مصادر المياه هي الأكثر شيوعًا، ويمكن استخدامها لاسترجاع الحرارة الزائدة من مياه التبريد في محطات توليد الطاقة الحرارية أو النووية، بالإضافة إلى صناعات مثل الطباعة والصباغة والصناعات الدوائية. على سبيل المثال، تستخدم محطات توليد الطاقة المياه المتدويرة كمصدر للحرارة، ومن خلال وحدات الضخ الحراري يتم رفع درجة حرارة المياه المستخدمة في الغلايات من 15 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية، مما يقلل من احتياج الغلايات إلى الفحم، وبالتالي تحقيق هدف توفير الطاقة وتقليل الاستهلاك. 　　وبناءً على ما سبق، فإن هناك أنواعًا عديدة من التقنيات والمعدات لاستغلال الحرارة المتبقية، ولكن كل منها له شروط تطبيق معينة. ويجب اختيار طريقة مناسبة لاستغلال الحرارة المتبقية بناءً على درجة حرارتها وكميةها، بالإضافة إلى ظروف الإنتاج والعمليات التصنيعية والاحتياجات من الطاقة الداخلية والخارجية. 　　تقنية توليد الطاقة من الحرارة الصناعية المنخفضة الحرارة باستخدام وسائط عضوية　　1. دورة رانكين العضوية المنخفضة الحرارة　　فيما يتعلق بالكميات الكبيرة من الحرارة المنخفضة الحرارة المتبقية والتي تقل حرارتها عن 200 درجة مئوية، لا يمكن حالياً استردادها بفعالية باستخدام أنظمة التبخير السريع للبخار أو الماء الساخن؛ لذا فإن تقنية توليد الطاقة من الحرارة باستخدام دورة رانكين العضوية المنخفضة الحرارة، والتي تتسم بالجدوى الاقتصادية، هي الأنسب. 　　تعد تقنية توليد الطاقة من الحرارة الصناعية المتبقية عند درجات حرارة منخفضة باستخدام وسائط عضوية من تقنيات تحويل الحرارة إلى عمل. دورة رانكين العضوية هي دورة رانكين تستخدم مواد عضوية ذات نقطة غليان منخفضة كوسط عمل؛ فمبدأ الدورة الحرارية فيها مماثل لمبدأ محطات توليد الطاقة بالبخار التقليدية، باستثناء اختلاف الوسط الدوري. كما أن النظام أبسط وأكثر إحكامًا. يتمتع هذا النوع من توليد الطاقة بمزايا كبيرة في استغلال الحرارة المتبقية في درجات الحرارة المنخفضة، حيث لا يحدث اتصال مباشر بين تيار الحرارة المتبقية والمادة العاملة. كما أن سعة البخار للمواد العضوية صغيرة، وأحجام الأنابيب صغيرة أيضًا، بالإضافة إلى أن مساحة المرور في التوربينات صغيرة، مما يؤدي إلى حصول قوة كبيرة لكل وحدة حجم. لذلك، فهو مناسب جدًا لاسترداد الحرارة المتبقية في درجات الحرارة المنخفضة. 　　اختيار الوسط العضوي يمثل خطوة هامة في تقنية توليد الكهرباء من الحرارة المهدرة باستخدام دورة رانكين العضوية. عادةً ما يُطلب من المواد المستخدمة أن تتحلى بالخصائص التالية: أداء جيد في توليد الطاقة؛ أداء جيد في نقل الحرارة؛ خصائص فيزيائية حرارية مناسبة مثل القيم الحرجة للمادة ونقطة الغليان تحت الضغط الجوي؛ استقرار كيميائي جيد، عدم تفككها، قلة قابليتها للتآكل والسمية، كونها صديقة للبيئة، وعدم قابليتها للاشتعال أو الانفجار؛ بالإضافة إلى كونها اقتصادية، ومتوفرة بكميات كبيرة، وبأسعار منخفضة. لكن في التطبيق العملي، من الصعب على المواد العاملة أن تلبي جميع الشروط المذكورة أعلاه في آن واحد، ومع تزايد المتطلبات البيئية الدولية للمواد العاملة العضوية، فإن المواد المتاحة تتجدد باستمرار؛ لذلك يجب إجراء تقييم شامل بناءً على نوع مصدر الحرارة ومستوى درجة الحرارة. 　　في معدات أنظمة توليد الطاقة بالدورة اللانكينية العضوية، يمكن الاستعانة في تصميم وتصنيع المبادلات الحرارية والمضخات وصمامات الأنابيب بمعدات المبادلات الحرارية المستخدمة في صناعة الكيماويات وتكييف الهواء. أما المولدات فهي منتجات متعددة الأنواع، ولا يتطلب سوى تصميم محركات التوسع التوربينية وتقنيات الختم معاملة خاصة، مما يستدعي تصميمًا غير قياسي. من أنواع محركات التوسيع الطاردة المستخدمة بشكل شائع، محركات التوربين ذات التدفق المحوري متعددة المراحل، وهي مناسبة للحالات التي تتميز بدرجات حرارة عالية، وتدفق كبير للمادة، وانخفاض كبير في الطاقة الحرارية الكلية، بالإضافة إلى سعة كبيرة. لكن كفاءتها الداخلية منخفضة نسبيًا، وعملية تصنيعها معقدة. أما محركات التوربين ذات التدفق الشعاعي، فإن كفاءتها الداخلية أعلى نسبيًا، وهيكلها مدمج، وعملية تصنيعها بسيطة، لكن سعتها الفردية صغيرة. وهناك العديد من التطبيقات لهذه المحركات في استغلال الحرارة الزائدة في الخارج، خاصة في الحالات التي يكون فيها حجم الحرارة الزائدة الممكن استردادها صغيرًا. 　　2. دورة كالينا: دورة رانكين عضوية بوسط عمل نقي؛ وبما أن عملية امتصاص الحرارة أثناء التبخر المتساوي الحرارة لوسط العمل لا تتوافق بشكل جيد مع مصدر الحرارة البارد ذي درجة الحرارة المتغيرة في الواقع، فإن الفرق المتوسط في درجات الحرارة أثناء تبادل الحرارة يكون كبيرًا، وتكون الخسائر غير القابلة للانعكاس كبيرة أيضًا. دورة كالينا هي نظام دوري يستخدم خليطًا من الأمونيا والماء كوسط عامل. أبسط دورة حرارية فيه هي دورة التقطير أحادية المرحلة، حيث يتم ضخ محلول الأمونيا ذي التركيز المعين بواسطة مضخة المياه وتسخينه في المسخن المسبق، ثم يدخل إلى الغلاية المستعيدة للحرارة ليتبخر، مكونًا بخار أمونيا مشبعًا يدخل بعد ذلك إلى التوربين ليؤدي عمله. بعد ذلك، يتم حل مشكلة تكثيف خليط الأمونيا والماء باستخدام نظام فرعي معقد للتقطير والتبريد، مما يؤدي إلى إعادة تشكيل بخار التوربين إلى محلول وسيط ذي تركيز معين، ليصل بعد ذلك إلى مضخة التغذية ويكتمل بذلك الدورة. 　　في دورة كالينا، يتبخر العامل الحراري أثناء عملية التبخير عند ضغط ثابت وتغير في درجة الحرارة، مما يقلل من عدم قابلية الانعكاس في عملية امتصاص الحرارة من قبل العامل الحراري. وبما أن تركيز الأمونيا في العامل الحراري الأساسي منخفض أثناء عملية التكثيف، فإن هذه الدورة تتغلب على نقطة الضعف المتمثلة في الخسائر الكبيرة أثناء التكثيف في دورات رانكين العضوية ذات العامل الحراري المختلط. هناك تحليلات نظرية تشير إلى أن دورة كالينا تتمتع بأداء أفضل بنسبة 15% على الأقل مقارنة بدورة رانكين العضوية باستخدام المادة العاملة الخالصة، لكن في التطبيق العملي، وبسبب تعقيدات عملية تبخر المادة العاملة المكونة من الأمونيا وغيرها من العوامل، فإن دورة كالينا لا تُظهر أداءً ممتازًا. 　　أظهرت الدراسات أنه في استرداد الحرارة المهدرة عند درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة، يمتلك كل من دورة كالينا ودورة رانكين مزاياهما الخاصة في هذا المجال، وذلك حسب نوع الحرارة المهدرة. أما بالنسبة لمصادر الحرارة المهدرة التي تكون درجة حرارتها ومعدل تدفقها ثابتين، والتي يتم تصريفها بعد استرداد الحرارة عند درجة حرارة معينة لاستخدامها في العمليات الإنتاجية، فإن أنظمة استرداد الحرارة المهدرة منخفضة الحرارة القائمة على دورة رانكين العضوية تتمتع بمزايا أكبر. 　　خاتمة: حالياً، لا يزال معدل انتشار تقنيات استغلال الحرارة المهدرة المتوسطة والعالية في بلادنا منخفضاً، أما استغلال الحرارة المهدرة المنخفضة فقد تُركت إلى حد كبير بسبب عدم نضج التقنيات. لذلك، من أجل تعزيز جهود ترشيد استخدام الطاقة وتقليل الانبعاثات في الصناعة، يجب من ناحية تعزيز استخدام تقنيات استغلال الحرارة المتبقية ذات درجات الحرارة المتوسطة والعالية، وخاصة رفع معدل استغلال الحرارة المتبقية لدى الشركات الصغيرة والمتوسطة، بالإضافة إلى تحسين النظام الإنتاجي بأكمله وتقنيات استغلال الحرارة المتبقية المرتبطة به. من ناحية أخرى، من وجهة نظر التطور التقني، فإن تقنية دورة رانكن العضوية عالية البرودة تُعد حلًا اقتصاديًا وفعالًا لاستغلال الحرارة المتبقية في المصانع والحرارة الجوفية والطاقة الشمسية عند درجات حرارة منخفضة. لكن الدولة لا تمتلك هذه التقنية بعد، لذا فإن تعزيز البحث في تقنيات توليد الطاقة باستخدام الحرارة المتبقية عالية البرودة مثل دورة رانكن العضوية، والعمل على تطبيقها عمليًا، سيساهم بشكل كبير في رفع معدل استغلال الحرارة ذات الجودة المنخفضة.