تقنية التحكم في انبعاثات أكاسيد النيتروجين من دخان أفران الكوك عبر الجمع بين الوقاية في المراحل الأولى والمعالجة في المراحل النهائية

Thread Content

تقنية التحكم في انبعاثات غازات NOx من أفران الكوك عبر الجمع بين الوقاية في المراحل الأولى والمعالجة في المراحل النهائية
تانغ ليانغ1،2 (1. شركة فيكون للاستشارات والهندسة في ألمانيا)； 2. شركة تشانغشا ويكانغ للهندسة والتقنيات المحدودة) 1 مقدمة: تنتج أفران التكوير خلال عملية إنتاج الكوك العديد من الملوثات الضارة بالبيئة، ومن بينها أكاسيد النيتروجين (NOx). مع تطبيق معيار GB16171-2012 “معايير انبعاثات الملوثات في صناعة الكيماويات المستخدمة في تصنيع الفحم”， اعتبارًا من 1 يناير 2015، أصبح من الضروري أن تكون تركيزات غازات NOx الناتجة عن المصانع القائمة والمصانع الجديدة أقل من 500 ملغ/م³. وفي المناطق التي يوجد فيها حدود خاصة للانبعاثات، يجب أن تكون تركيزات غازات NOx أقل من 150 ملغ/م³. لقد لاقت تنفيذ هذا المعيار اهتماماً كبيراً من العاملين في صناعة التكويك في بلادنا. كيفية تقليل انبعاثات غازات NOx من أفران التكرير، هو أمر ملح للغاية بالنسبة لشركات تصنيع الفحم. ووفقًا لما تم معرفته، فقد قام الخبراء في هذا المجال بتقييم أولي، وتبين أنه في ظل الإنتاج الطبيعي، يجب ألا تتجاوز تركيزات غازات NOx في أعمدة الدخان الخاصة بمصانع التكرير 500 ملغ/م³، وهو أمر صعب للغاية من الناحية التقنية، ولذلك فإن عدد المصانع التي تستطيع الوصول إلى هذا المعيار قليل جدًا. في المناطق ذات الحدود الخاصة للانبعاثات، يصبح من الصعب للغاية تحقيق معيار تركيز انبعاثات NOx الذي لا يتجاوز 150 ملغ/م³. لتحقيق معايير انبعاثات أكاسيد النيتروجين من دخان الأفران، يجب استخدام تقنيات مناسبة لمعالجتها. لكن في الوقت الحالي، تعتبر تقنيات الإدارة صعبة التطبيق، وتكاليف التنفيذ الإجمالية مرتفعة، بالإضافة إلى ارتفاع تكاليف الصيانة لاحقًا. لهذا السبب، يقدم هذا المقال شرحًا للتحكم في انبعاثات أكاسيد النيتروجين من دخان الأفران العالية، مع الاستفادة من التقنيات التي تجمع بين الوقاية في المراحل الأولى والمعالجة في المراحل النهائية، وذلك كمرجع للزملاء في المجال. مصادر أكاسيد النيتروجين في غازات المداخن الناتجة عن الأفران الكوكية: يتم إنتاج أكاسيد النيتروجين أثناء احتراق الوقود المستخدم في تسخين الأفران الكوكية داخل غرفة الاحتراق. وتوجد ثلاثة مصادر رئيسية لإنتاج أكاسيد النيتروجين: الأول هو أكاسيد النيتروجين الناتجة عن التأثيرات الحرارية ； ثانيًا، احتراق المكونات النيتروجينية الموجودة في غاز الفرن الحراري يطلق أكاسيد النيتروجين ； الثالث هو أكاسيد النيتروجين السريعة الناتجة عن الوقود الهيدروكربوني. من بين أكاسيد النيتروجين الناتجة عن الاحتراق، تشكل نسبة أكسيد النيتروز (NO) ما بين 90% و95%، بينما تشكل نسبة ثاني أكسيد النيتروجين (NO2) حوالي 5%. لذلك، من خلال الجمع بين تقنيات الوقاية والتحكم المتقدمة في المرحلة الأولى، يمكن التحكم في تركيز غازات NOx من المصدر نفسه، مما يؤدي إلى تقليل التكاليف الإجمالية بشكل كبير. ٣ تقنيات المعالجة المسبقة لغازات أكسيد النيتروجين وتطبيقاتها
تقنية الوقاية من أكسيدات النيتروجين في غازات مداخن الأفران العالية من شركة فيكون للاستشارات والهندسة الألمانية، وتتكون من جزأين رئيسيين. الأول هو تقنية نظام قياس الحرارة في أفران الكوك، والثاني هو تقنية تنظيم النظام الحراري في أفران الكوك. 3.1 تقنية نظام قياس درجة حرارة الفرن الكوكي 3.1.1 مقدمة عن نظام قياس درجة حرارة الفرن الكوكي كما هو موضح في الشكل 1، يتكون نظام قياس درجة حرارة الفرن الكوكي من قضيب القياس، ونظام الأنابيب الهوائية، وصندوق التحكم في درجة الحرارة، والنظام الكهربائي للتحكم، بالإضافة إلى نظام التحليل. من بينها، يتم تركيب الجزء المتعلق بالأجهزة على قضيب دفع الفحم، وأثناء عملية دفع الفحم، ومع حركة قضيب الدفع السريعة للدخول والخروج، يتم قياس درجة حرارة غرف التكربن باستخدام عدة أجهزة استشعار (كما هو موضح بالنقاط الحمراء في الشكل 1أ)، ثم يتم إرسال هذه البيانات إلى نظام التحكم في درجة الحرارة والنظام الإلكتروني لتحليلها. ومن خلال نماذج التحليل الحاسوبي، يمكن الحصول على معلومات كاملة عن درجة حرارة كل غرفة تكربن في فرن الفحم، مما يسمح برؤية توزيع درجة الحرارة في جميع أجزاء الفرن ； ثانيًا، يتم فحص الجرافيت في قمة الفرن ； ثالثًا، يمكنه الكشف عن مشاكل تلف جدران قنوات التسخين وغرف التكربن. من خلال الفحص والتحليل، يمكن الحصول على فهم شامل لحالة الفرن الكوكي، مما يوفر الأساس الضروري لتعديل نظام التدفئة في الفرن. كما هو موضح في الشكل 2، فإن نظام قياس درجة الحرارة يحدد حالة العمل من خلال نماذج التحليل باستخدام الكمبيوتر. ومن بينها، في الشكل 2أ، يُشير اللون الأخضر إلى درجة حرارة طبيعية، بينما يُشير اللون الأحمر إلى درجة حرارة مرتفعة، ويُشير اللون الأزرق إلى درجة حرارة منخفضة. في الشكل 2ب، يتم عرض درجة حرارة الفرن بأكمله. file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg
file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
أ) رسم تخطيطي لهيكل نظام قياس درجة الحرارة
ب) رسم تخطيطي للمعدات الصناعية
1) نظام قياس درجة الحرارة في الفرن الكيميائي
file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.png
file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.png
أ) توزيع درجة الحرارة داخل غرفة التكرير
ب) رسم بياني لقياس درجة الحرارة في الفرن الكيميائي
الشكل 2: تحليل نظام قياس درجة الحرارة
3.1.2 المزايا التقنية لنظام قياس درجة الحرارة في الفرن الكيميائي
(1) يوفر هذا النظام أساسًا ضروريًا لتنظيم أداء النظام الحراري في الفرن الكيميائي، وبالتالي يساعد في التحكم في استهلاك الطاقة الكلي للفرن ； (2) توفير الأساس الضروري لتقنيات تنظيم نظام الطاقة في أفران التكرير، من أجل التحكم في تركيزات غازات مثل NOx وخفضها ； (3) من خلال تحليل درجة حرارة فرن التكرير، يمكن تحسين عملية التكربن، مما يؤدي إلى الحصول على جودة أفضل للكوك ； (4) الكشف عن أضرار جدران الفرن، مما يساعد في التدخل المبكر والإصلاح، ويقلل من تسرب الغازات من الفرن ； (5) إطالة عمر خدمة الفرن الكوكي. 3.1.3 التطبيقات الصناعية: يمكن تعديل نظام قياس درجة حرارة الفرن الكوكي ليتم تركيبه مباشرة على قضيب دفع الكوك، كما هو موضح في الشكل 1ب. تم تطبيقه بنجاح حاليًا في أكثر من 70 مصنعًا للتكرير في ألمانيا والنمسا والهند وغيرها. 3.2 تقنيات تنظيم نظام الحرارة في الأفران الكوكية استنادًا إلى البيانات التي يقدمها نظام قياس الحرارة في الأفران الكوكية، يتم استخدام تقنيات تنظيم نظام الحرارة للتحكم المباشر في تركيز أكسيدات النيتروجين في غازات عادم الفرن الكوكي. (1) خفض درجة حرارة القناة النارية. منطقة درجات الحرارة العالية في القناة الرأسية لغرفة الاحتراق هي السبب المباشر لتكوين أكاسيد النيتروجين؛ وبناءً على نتائج البيانات التي يوفرها نظام قياس الحرارة، يجب خفض درجة الحرارة القياسية للقناة الرأسية مع الحفاظ على جودة الكوك ； (2) تقليل معامل الفائض الهوائي. تعديل نسبة الهواء المساعد على الاحتراق وغاز التسخين، لتقليل كمية الهواء المطلوبة لاحتراق غاز التسخين، بحيث يحترق الغاز في ظل معامل فائض هواء أقل ； (3) تعديل نظام التحكم الحراري في الفرن الكوكي. تعديل توزيع درجات الحرارة في الصفوف الطولية والعرضية لأفران التكرير، لتجنب حدوث درجات حرارة مرتفعة أو منخفضة في مناطق معينة، وبالتالي جعل توزيع درجات الحرارة في الممرات العمودية متوازنًا قدر الإمكان ； (4) تعديل معدل تدفق الهواء وقيمة الضغط في جهاز الفتح والإغلاق ； (5) ضبط كمية الغازات العادمة المتداولة في غرفة الاحتراق ； (6) تعديل فرق الضغط في غازات العادم. 3.3 تصنيع تقنيات الوقاية والتحكم في المرحلة الأولى وفعالية تطبيقها: من خلال تقنيات الوقاية والتحكم في المرحلة الأولى، يمكن السيطرة على تركيز غازات NOx في دخان أفران التكرير عند مستوى لا يتجاوز 500 ملغ/م³. ولا حاجة إلى استخدام أي أجهزة إضافية لتحقيق متطلبات المعيار GB16171-2012 “معايير انبعاثات الملوثات في صناعة كيماويات التكرير”， والتي تنص على أن تركيز غازات NOx في الغازات الناتجة عن أفران التكرير يجب ألا يتجاوز 500 ملغ/م³، سواء بالنسبة للشركات القائمة أو الشركات الجديدة. في الوقت نفسه، يمكن أيضًا تقليل استهلاك الطاقة الكلي لأفران التكرير. تقنيات المعالجة النهائية لغازات NOx: وفقًا للمعيار GB16171-2012، في المناطق التي توجد فيها حدود انبعاثات خاصة، يجب ألا تتجاوز تركيز غازات NOx في غازات المخارج الناتجة عن أفران التكرير 150 ملغ/م³. لم تعد تقنيات الوقاية والتحكم في المرحلة الأولى كافية لتحقيق المعايير، ولذلك هناك حاجة إلى استخدام تقنيات وأجهزة جديدة للتخلص بفعالية من غازات NOx الموجودة في عادم أفران التكرير. 4.1 مسار العملية: يوضح الرسم التخطيطي لمسار عملية التقنية المتكاملة لإزالة الكبريت والغبار وأكاسيد النيتروجين من غازات أفران التكرير، التي طورتها شركتنا، في الشكل 3. file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpgالشكل 3: مخطط توضيحي لعملية إزالة الكبريت والنيتروجين من غازات المفاعلات الكيميائية. يتم أولاً إزالة الكبريت من غازات المفاعلات، بحيث ينخفض درجة حرارة الغازات بحوالي 10 درجات مئوية بعد عملية إزالة الكبريت. بعد ذلك، تدخل الغازات إلى محطة إزالة الغبار، حيث تتم عملية إزالة الغبار والنيتروجين في نفس الوقت. يحدث ارتفاع معين في درجة حرارة الغازات بعد عملية إزالة النيتروجين، ووفقًا للاحتياجات الفعلية لكل مصنع لتكرير الفحم، يمكن اختيار إضافة وحدة لاسترداد الحرارة. يتم تصريف غازات أفران التكرير بعد عمليات إزالة الكبريت والغبار وأكاسيد النيتروجين واسترداد الحرارة، مباشرةً في الغلاف الجوي. 4.2 مبدأ عمل تقنية إزالة أكاسيد النيتروجين بواسطة SCR: في وجود المحفز، يحدث تفاعل اختزال بين أكاسيد النيتروجين الموجودة في غازات الأفران والأمونيا، مما يؤدي إلى تكوين غاز النيتروجين والماء، وبذلك يتم إزالة أكاسيد النيتروجين. معادلات تفكيك أكاسيد النيتروجين هي كالتالي:
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (1)
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O (2)
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (3)
المعادلتان (1) و(3) هما المعادلتان الرئيسيتان؛ حيث يوجد أكثر من 90% من أكاسيد النيتروجين في غازات الأفران على شكل NO. 4.3 خصائص العملية (1) يتم تنفيذ عملية إزالة الكبريت قبل عملية إزالة النيتروجين، وذلك لخفض مستوى غاز SO2 في الغازات المنبعثة إلى أقل من 30 ملغ/م³، وبذلك يتم ضمان فعالية عملية إزالة النيتروجين لاحقًا ； (2) دمج إزالة الغبار وإزالة أكاسيد النيتروجين في عملية واحدة، مما يلغي الحاجة إلى بناء أبراج تفاعل SCR إضافية لإزالة أكاسيد النيتروجين ； (3) يمكن تحقيق إزالة النيتروجين من غازات الفرن عند درجات حرارة منخفضة، وذلك في ظل ظروف تتراوح درجة حرارة غازات الفرن بين 200 و240 درجة مئوية، دون الحاجة إلى استخدام جهاز تسخين إضافي ； (4) يوفر في الاستثمار الإجمالي، وتكاليف التشغيل منخفضة، ويشغل مساحة صغيرة. ٥ الخلاصة (١) يمكن لتقنيات الوقاية والعلاج المبكر للـ NOx أن تلبي المعيار المتمثل في الحفاظ على تركيز الـ NOx أقل من 500 ملغ/م³. تكلفة الوقاية والمعالجة في المرحلة الأولى منخفضة، كما أن التقنيات المستخدمة متطورة، لكنها لا تستطيع تلبية متطلبات خفض تركيز غازات NOx في المناطق المحددة إلى أقل من 150 ملغ/م³. وفي هذه الحالة، يلزم استخدام تقنيات معالجة إضافية في المرحلة النهائية. (2) باستخدام تقنيات الوقاية والتحكم في المرحلة الأولى، يمكن خفض تركيز غازات NOx الأصلية في غازات المداخن الخاصة بأفران التكرير إلى أقل من 500 ملغ/م³. ثم، من خلال استخدام تقنيات متكاملة لإزالة الكبريت والغبار وغازات NOx، يمكن تقليل التكاليف الإجمالية للاستثمار وتكاليف الصيانة في المراحل اللاحقة بشكل كبير. نبذة عن الكاتب: تانغ ليانغ، حاصل على الماجستير، مجالات بحثه الرئيسية: آلات الأفران الكوك، وتقنيات حماية البيئة. رقم الهاتف: 13755064691
العنوان: منطقة التنمية الاقتصادية والتكنولوجية، مدينة تشانغشا، مقاطعة هونان