ما هي أنواع المحفزات المستخدمة في تقنية SCR؟

ينقسم المحفزات حسب الشكل إلى نوع الخلايا النحلية، ونوع الألواح المموجة، ونوع الألواح العادية، ويتم اختيار النوع المناسب بناءً على نوع الغبار والظروف الميدانية. يتم تقسيم درجات الحرارة إلى عالية ومنخفضة، حيث يكون الحد الفاصل بينهما 280-320 درجة مئوية. في الوقت الحالي، فإن تقنيات التعامل مع درجات الحرارة العالية فوق 320 درجة مئوية متطورة للغاية في البلاد، أما بالنسبة لدرجات الحرارة المنخفضة، فإن العديد من الشركات لا تزال غير قادرة على استخدام هذه التقنيات بشكل فعال. وهناك أيضًا تصنيف حسب المكونات، وهو تصنيف معقد نسبيًا، مثل السمية أو عدم السمية (حسب نسبة الفاناديوم الموجودة) وما إلى ذلك

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من محفزات SCR المتداولة في السوق حاليًا: النوع الخلوي، والنوع اللوحي، والنوع ذو الألواح المموجة. يُستخدم النوع الخلوي بكثرة.

تشمل المحفزات التجارية المستخدمة في أنظمة SCR بشكل رئيسي محفزات الفلزات الثمينة، ومحفزات أكاسيد المعادن، والمحفزات من نوع البيروفسكايت، ومحفزات الغربال الجزيئي، بالإضافة إلى المحفزات القائمة على الكربون.

يُستخدم في الصناعة عادةً النوع اللوحي والمموج والعسلي، فهو يتمتع بمقاومة قوية ضد ترسب الرماد الطائر والتآكل. ومن حيث القوة الميكانيكية وكفاءة استغلال السطح، يتفوق النوع العسلي والمموج، كما أن تركيبهما واستبدالهما سهلان، لذلك غالبًا ما يتم استخدام هذه الأنواع من العوامل المحفزة في المفاعلات العمودية الكبيرة من نوع SCR. تُستخدم المحفزات اللوحية بشكل أساسي في المفاعلات الأفقية، بينما توجد المحفزات الحبيبية والأسطوانية فقط في المعدات المخصصة لمعالجة كميات صغيرة من الغاز. يجب أن يأخذ تصميم وحدات المحفزات الخلوية في الاعتبار “المسافة بين الخلايا” و“سمك الجدران” المناسبين، كما يجب معالجة الأطراف الخارجية لهذه الوحدات بطريقة تزيد من مقاومتها للتآكل الناتج عن الاصطدامات. يناسب المحفز على شكل خلايا النحل تدفق الغازات من الأعلى إلى الأسفل، بينما يناسب المحفز على شكل لوحات تدفق الغازات بشكل عمودي، كما يمكن استخدامه أيضًا في التدفق الأفقي. في السوق، تكون الأشكال الرئيسية للمحفزات عبارة عن أشكال مسطحة (بما في ذلك الأشكال المموجة) وأشكال على شكل خلايا. المحفزات ذات اللوحة السطحية هي تلك التي يتم فيها “طلاء” المادة النشطة على هيكل معدني، وتكون الفجوات بين الألواح كبيرة، مما يقلل من المقاومة، لكن مساحة السطح المتاحة للتفاعل لكل وحدة حجم صغيرة، ولذلك يلزم استخدام كمية كبيرة من المحفز. نظرًا لأن المحفزات ذات اللوحة تمتلك هيكلاً معدنيًا، فإن قوتها عالية، ويمكن أن يصل طولها إلى 1500 مم. ولتحقيق نفس كفاءة إزالة النيتروجين، يمكن استخدام عدد أقل من طبقات المحفز، مما يسمح بجعل مفاعل SCR أكثر تكثيفًا وتوفيرًا في استخدام المساحة. أكبر ميزة للمحفزات ذات السطح المسطح هي أنها لا تتعرض بسهولة لتراكم الرماد. نظرًا لأن جهاز SCR يتم تركيبه عادةً قبل جهاز التسخين المسبق، فإن تركيز الرماد الطائر في الغازات المنبعثة يصل إلى 15–20 جرام/م³ (في الظروف القياسية). وإذا كانت المسافة بين عناصر الحفاز صغيرة جدًا، فإن ذلك سيؤدي إلى انسداد الرماد الطائر وزيادة التآكل، مما يزيد من مقاومة النظام. بشكل عام، في فجوات المحفز، لا يكون سرعة الغازات موحدة، حيث تبلغ السرعة المتوسطة حوالي 8 م/ث. في المناطق التي تكون فيها السرعة أقل من 3 م/ث، قد يلتصق الرماد الطائر بالمحفز، مما يعيق اتصال المحفز بغازات العادم. ووفقًا لدراسة أجرتها BHK، فإن نسبة السرعة في منطقة المحفزات ذات الشكل السطحي والتي تقل عن 3 م/ث تبلغ حوالي 13%، بينما في منطقة المحفزات ذات الشكل الخلوي، تبلغ نسبة السرعة التي تقل عن 3 م/ث حوالي 22%. لذلك، فإن مشكلة تراكم الرماد في الهيكل الخلوي أكثر خطورة منها في الهيكل المسطح، والحل يكمن في زيادة طول خلايا المحفز. في وحدات توليد الطاقة باستخدام الفحم، يجب أن يكون طول خلايا المحفز النحلي على الأقل 6 مم؛ فكلما زاد الطول، قلت المساحة السطحية للمحفز، وبالتالي يزداد الحاجة إلى كمية أكبر من المحفز. إذا تم استخدام محفزات على شكل خلايا نحل في وحدات التوليد التي تعمل بالفحم، فيمكن توفير حوالي 20% من الكمية المستخدمة مقارنةً بالمحفزات ذات الشكل السطحي، لكن سعر الوحدة الواحدة من المحفزات على شكل خلايا نحل يكون أعلى بحوالي 20% مقارنةً بالمحفزات ذات الشكل السطحي، وبالتالي فإن التكلفة الإجمالية لكلا النوعين متقاربة. لكن في وحدات الغاز والوقود، نظرًا لانخفاض محتوى الرماد الطائر إلى حد كبير، يمكن تقليل طول خلايا المحفز على شكل خلية نحلية لزيادة المساحة السطحية النسبية، وبالتالي توفير كمية أقل من المحفز. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع وحدات الغاز بقدرة عالية على البدء والتوقف بسرعة، كما أنها تسخن بسرعة. أما المواد الفعالة الموجودة في المحفزات على شكل ألواح والمثبتة على الهيكل المعدني، فإنها قد تتشوه وتتساقط بسبب التأثيرات الناتجة عن الإجهاد الحراري. لذلك، يتم استخدام المحفزات العسلية على نطاق واسع في وحدات توليد الغاز. مساحة السطح العرضي لوحدات المحفزات الخلوية العادية هي 150 مم × 150 مم. نظرًا للمساحة الفعالة الكبيرة لكل وحدة حجم، فإن كمية الحفاز المطلوبة لتحقيق نفس تأثير إزالة النيتروجين تكون أقل مقارنةً بالنوع المسطح. لكن نظرًا لأن TiO2 هو حامل المحفز، فإنه يخضع لقيود القوة الكلية، وبالتالي فإن طول المحفزات على شكل خلايا نحلية لا يمكن أن يتجاوز 1000 مم في العادة. في العمليات الفعلية لاستخدام المحفزات ذات البنية الخلوية، يكون حجم مقطع الوحدات قياسيًا، بينما يتحدد الطول حسب ارتفاع طبقة المحفز. نظرًا لصغر المسافات بين عناصر المحفز الخلوي، فإن مقاومة التدفق تكون كبيرة، ولذلك يجب أن تكون سرعة تدفق الغازات أقل مقارنة بالمحفزات ذات الشكل السطحي. كما أن مساحة سطح المفاعل تزداد. يوضح الجدول 7-3 أبعاد حجم المفاعل لوحدة احتراق بقدرة 600 ميجاواط (مع مفاعل واحد)، باستخدام نوعين مختلفين من المحفزات. يعتقد البعض أن أفضل محفزات SCR من حيث الأداء هي تلك ذات البنية المموجة، والتي تستخدم ألياف التيتانيوم ديوكسيد (TiO2) كوسط لتثبيت المادة، مع توزيع مختلط دقيق من V2O5 وWO3 على سطح المحفز بشكل متساوٍ. يؤدي هذا الأسلوب الخاص في الإنتاج إلى امتلاك المحفز نشاطًا أعلى ومعدل تخمد أقل، كما أن قوته الميكانيكية ومقاومته للتآكل جيدتان أيضًا. يمكن للشركات المصنعة حاليًا توفير ستة أنواع من المحفزات ذات البنية المموجة، وهي مناسبة للظروف التي يكون فيها مستوى الرماد منخفضًا أو مرتفعًا. يتميز هذا المحفز بقدرة منخفضة على امتصاص الغازات، بالإضافة إلى انخفاض نسبة مادة V2O5 فيه، ولذلك فإن معدل أكسدة غاز SO2 منخفض، بينما تكون قدرته على إزالة النيتروجين عالية، وقد أثبتت التجارب العملية ذلك. يتوفر هذا المنتج الحفاز بنموذجين قياسيين، وهما A وH، وتبلغ كتلتهما تقريبًا 50 كجم و27 كجم على التوالي، كما أنهما مقاومان للاهتزازات ويمكن نقلهما بسهولة. غالبًا ما يُستخدم الوحدة الفردية في أجهزة المعالجة الصغيرة، بينما تتطلب الأجهزة الكبيرة تصميمًا مركبًا. في المعدات الكبيرة، ولتسهيل عملية التركيب، يتم عادةً تجميع عدة وحدات فردية لتشكيل وحدات أكبر، وغالبًا ما تتكون الوحدات الأكبر من 12 إلى 16 وحدة فردية. يتم تحديد عدد الوحدات المستخدمة بناءً على حجم النظام وترتيب الأجهزة. ووفقًا لما ذكره الشركة المصنعة، يمكن استخدام هذا الحفاز في ظروف كبيرة الحجم وارتفاع تركيز الغبار وأكاسيد النيتروجين، على سبيل المثال: يمكن أن يصل معدل تدفق الغازات إلى 2100000 متر مكعب/ساعة ； نسبة حجم أكاسيد النيتروجين هي 2000 ×10-6 ； تبلغ كثافة جودة الرماد المتطاير 25 جرام/م³. يفقد العامل المسرع تدريجيًا فعاليته بسبب التسمم أو الالتصاق أو الانسداد أو التآكل أو الشيخوخة، وهذا أمر طبيعي، لذا يلزم استبداله بشكل دوري أثناء الاستخدام. وعمومًا، تتراوح مدة عمر العوامل المسرعة المخصصة لغازات احتراق الفحم التي يوفرها موردو العوامل المسرعة بين 10 آلاف و30 ألف ساعة. عندما ينخفض نشاط الحفاز إلى مستوى معين، يبدأ النظام في إظهار انخفاض في كفاءة إزالة أكاسيد النيتروجين أو زيادة في كمية الأمونيا المتسربة. وعندما لا يتم تحقيق أي من هذين المعيارين وفقًا للمتطلبات المحددة، يصبح من الضروري استبدال الحفاز. غالبًا ما يتم تصنيع المحفزات على شكل وحدات بأحجام قياسية، ثم تُركب هذه الوحدات مع بعضها البعض لتشكيل وحدات أكبر، وتوضع في صواني خاصة. بعد ذلك، تُركب هذه الوحدات مع بعضها البعض لتشكيل طبقات من المحفزات. عادةً، يتم وضع 3 إلى 4 طبقات من المحفزات داخل كل مفاعل، ويجب تحديد عدد الطبقات بناءً على الظروف الفعلية ومتطلبات كفاءة إزالة النيتروجين. سواء كان ذلك للتعبئة الجديدة أو للتغيير المنتظم، يجب اتباع إجراءات التشغيل المحددة، مع توفير أدوات ومعدات خاصة بالإضافة إلى مساحة مناسبة للعمل.