الصفحة الرئيسية > الأخبار > إزالة الكبريت من غاز المداخن (FGD) والحاجة إلى طاقة موثوقة

إزالة الكبريت من غاز المداخن (FGD) والحاجة إلى طاقة موثوقة

لماذا يُعد إزالة الكبريت من غازات المداخن أمرًا ضروريًّا؟

تُطلق العمليات الصناعية، ولا سيما توليد الطاقة من الفحم وصهر المعادن، كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) في الغلاف الجوي. ويشكل هذا الغاز مخاطر بيئية وصحية جسيمة:

تكوّن المطر الحمضي: يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) مع بخار الماء والمواد الكيميائية الأخرى في الغلاف الجوي لتكوين حمض الكبريتيك (H₂SO₄)، مما يؤدي إلى هطول الأمطار الحمضية. وتؤدي الأمطار الحمضية إلى إتلاف الغابات، وتحويل البحيرات والأنهار إلى بيئات حمضية مما يضر بالحياة المائية، وتآكل المباني والتماثيل، وتدهور جودة التربة.
مشاكل صحة الجهاز التنفسي: يؤدي استنشاق ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) إلى تهيج الجهاز التنفسي، مما يؤدي إلى تفاقم حالات مثل الربو والتهاب القصبات وانتفاخ الرئة. وهو ضار بشكل خاص للأطفال وكبار السن والأشخاص الذين يعانون من أمراض تنفسية مسبقة.
انخفاض الرؤية (الضباب): يساهم ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) في تكوين الجسيمات الدقيقة (PM2.5)، مما يؤدي إلى انخفاض الرؤية وظهور الضباب الدخاني.
اللوائح البيئية: وقد فرضت الحكومات في جميع أنحاء العالم حدودًا صارمة لانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت (وغيره من الملوثات) للتخفيف من هذه الآثار. وتُعد أنظمة إزالة الغازات الملوثة (FGD) التقنية الرئيسية المستخدمة للامتثال لهذه اللوائح الصارمة.

كيف تعمل عملية إزالة الكبريت من غازات المداخن؟ المبادئ الأساسية

تُركَّب أنظمة إزالة ثاني أكسيد الكبريت (FGD) على مدخنة العادم (“المداخن”) الخاصة بالغلايات أو محطات المعالجة، حيث تعمل على معالجة غازات الاحتراق الساخنة بعد تم حرق الوقود ولكن قبل يتم إطلاق الغازات في الغلاف الجوي. ويتمثل المبدأ الأساسي في تعريض غاز المداخن المحتوي على ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) لمادة تفاعلية (مادة ماصة) تعمل على احتجاز ثاني أكسيد الكبريت أو تحويله.

تتشابه المراحل الأساسية للعملية في معظم تقنيات FGD:

معالجة غازات المداخن: يمكن تبريد غازات المداخن الساخنة (غالبًا باستخدام نظام التبريد بالرش) لتحسين الظروف الملائمة لامتصاص ثاني أكسيد الكبريت (SO₂). وغالبًا ما تسبق عملية إزالة الغبار باستخدام المرسبات الكهروستاتيكية (ESPs) أو المرشحات القماشية (Baghouses) عملية إزالة الغازات الكبريتية (FGD).
امتصاص ثاني أكسيد الكبريت: يدخل الغاز المعالج إلى وعاء الامتصاص (برج الغسل). وهنا، يتلامس مع الملاط أو المحلول الماص. فيذوب ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) ويتفاعل كيميائيًا.
رد الفعل: تحدث تفاعلات كيميائية معقدة يتم خلالها تحويل ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) إلى منتج ثانوي صلب أو يتفاعل مع المادة الماصة.
فصل المنتجات الثانوية: يتم فصل الملاط الذي خضع للتفاعل، والذي يحتوي الآن على مركبات الكبريت الملتقطة. أما غاز المداخن “النظيف” فيواصل صعوده عبر المدخنة.
معالجة/التخلص من المنتجات الثانوية: يتم جمع النواتج الثانوية الصلبة أو السائلة الناتجة (مثل الجبس أو الحمأة)، وتجفيفها، ثم إما التخلص منها بطريقة آمنة أو معالجتها للاستفادة منها (مثل استخدام الجبس في صناعة ألواح الجدران).
تحضير الكواشف وإعادة تدويرها: يتم تحضير مادة ماصة جديدة وإدخالها إلى النظام. وغالبًا ما يتم استرداد المادة الماصة التي لم تتفاعل وإعادة تدويرها ضمن العملية.

الأنواع الشائعة لتقنيات إزالة الكبريت من غازات المداخن

توجد عدة طرق لإجراء مجموعات النقاش المركزة، وتُصنف بشكل عام إلى “رطبة” و“جافة” و“شبه جافة”:

أنظمة الغسل الرطب

النوع الأكثر شيوعًا والأكثر كفاءة (يمكن إزالة أكثر من 90% من ثاني أكسيد الكبريت).

عملية الحجر الجيري والجبس: المعيار المتبع في هذا المجال.
- المادة الماصة: ملاط الحجر الجيري (CaCO₃).
- التفاعل: يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) مع كربونات الكالسيوم (CaCO₃) والأكسجين (O₂) لتكوين كبريتات الكالسيوم ثنائية الهيدرات (CaSO₄·2H₂O) – الجبس.
- منتج ثانوي: جبس عالي النقاء، ذو قيمة كبيرة في صناعة ألواح الجدران.
التنظيف بالكلس: يشبه الحجر الجيري، لكنه يستخدم الجير (CaO) أو الجير المائي (Ca(OH)₂) كمادة ماصة.
- يمكن تهيئتها لإنتاج حمأة الجبس أو حمأة كبريتات الكالسيوم (CaSO₃) حسب درجة الأكسدة.
غسل الأمونيا: يستخدم الأمونيا (NH₃) كمادة ماصة.
- التفاعل: يتشكل كبريتات الأمونيوم ((NH₄)₂SO₄) أو ثنائي كبريتات الأمونيوم (NH₄HSO₃).
- منتج ثانوي: سماد كبريتات الأمونيوم عالي النقاء.

أنظمة التنظيف الجاف

يتم حقن المادة الماصة على شكل مسحوق جاف أو ملاط يجف بسرعة، مما ينتج عنه نفايات جافة. وتتميز هذه الطريقة بتكلفة رأسمالية أقل، لكن كفاءة إزالة ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) تكون عادةً أقل (70-90%) مقارنةً بالأنظمة الرطبة.

مستقبلات مجفف الرذاذ (SDA): يتم رش ملاط الجير المرشوش بدقة في قناة غاز المداخن الساخن أو المفاعل. تتبخر الرطوبة، تاركةً منتجًا ثانويًّا على شكل مسحوق جاف يتم تجميعه في مرشح كيسي.
حقن المادة الماصة الجافة (DSI): الجير المائي (Ca(OH)₂) أو المواد الماصة القائمة على الصوديوم (مثل بيكربونات الصوديوم، NaHCO₃) التي تُحقن مباشرةً في قناة غازات المداخن. تتفاعل هذه المواد أثناء تدفقها، ثم يتم تجميعها في اتجاه مجرى الغازات في جهاز للتحكم في الجسيمات.

الأنظمة شبه الجافة

نهج هجين، مثل SDA، يستخدم ملاطًا يجف بسرعة، مما ينتج عنه مسحوق رطب كمنتج ثانوي.

المكونات الرئيسية لنظام FGD واحتياجاته من الطاقة

يُعد نظام FGD نظامًا معقدًا ويعتمد بشكل كبير على مصدر طاقة قوي وموثوق:

المراوح والمنافيخ: تنقل كميات كبيرة من غازات المداخن عبر القنوات وجهاز الامتصاص. وتتطلب قوة محرك كبيرة، وتُعدّ عنصراً حاسماً في تدفق العملية. يُعد استقرار الجهد الكهربائي أمرًا ضروريًا لمنع توقف المحرك أو ارتفاع درجة حرارته.
المضخات: تدوير كميات كبيرة من الملاط (في عملية الغسل الرطب)، ومحاليل الكواشف، والماء. ويُعد التدفق المستمر أمرًا بالغ الأهمية لتأمين التلامس مع الكواشف والتبريد/الإخماد. تتميز محركات المضخات بحساسية شديدة تجاه تقلبات الجهد والتوافقيات.
أجهزة التقليب والخلاطات: يجب الحفاظ على معلقات الكواشف في حالة تعليق داخل خزانات التخزين. يلزم توفير طاقة ثابتة لمنع الترسبات والانسداد.
أنظمة إزالة المياه: مكابس الحزام، وأجهزة الطرد المركزي، والمرشحات الفراغية التي تعالج المنتج الثانوي الرطب. تحتاج المحركات وأجهزة التحكم إلى طاقة نظيفة ومستقرة.
أنظمة التحكم (DCS/PLC): يُعد هذا النظام بمثابة «الدماغ» لنظام FGD، حيث يتولى مراقبة جميع معلمات العملية والتحكم فيها (معدلات التدفق، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، وتوزيع الكواشف). تتطلب المكونات الإلكترونية الحساسة طاقة نظيفة ومستمرة؛ حيث يمكن أن تؤدي انخفاضات الجهد أو ارتفاعاته المفاجئة إلى توقف التشغيل أو حدوث خلل في التحكم.
الأجهزة: أجهزة استشعار للضغط، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والتدفق، وتكوين الغاز (CEMS – أنظمة المراقبة المستمرة للانبعاثات). تعتمد الدقة على استقرار ظروف الطاقة.
أنظمة الهواء المؤكسد: مراوح تزود أجهزة الغسل الرطبة المصنوعة من الحجر الجيري بالهواء لتحويل الكبريتيت إلى كبريتات. يعد ذلك عاملاً حاسماً لجودة الجبس؛ حيث تحتاج المحركات إلى مصدر طاقة موثوق به.

وهنا تصبح جودة الطاقة عاملاً حاسماً في إنجاز المهمة. قد تؤدي تقلبات الجهد، أو انخفاضات الجهد، أو ارتفاعات الجهد، أو التوافقيات، أو الظواهر العابرة الناتجة عن مشكلات في الشبكة، أو تشغيل محركات كبيرة في أماكن أخرى بالمصنع، أو حتى الظواهر الجوية إلى:

انقطاع التيار عن مضخات «تريب» أو المراوح.
تتسبب في حدوث أعطال في نظام التحكم أو توقفه عن العمل.
الأجهزة الحساسة للتلف (مثل أنظمة مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS)).
يؤدي إلى توقف غير مخطط له لنظام إزالة الغازات الملوثة بالكبريت (FGD) بأكمله.
يؤدي إلى عدم الامتثال لتراخيص الانبعاثات بسبب انقطاع التيار الكهربائي أو ضعف أداء النظام.

مثبتات الجهد الصناعية تُعد ضمانات أساسية لأنظمة FGD. وهي:

يوفر جهد خرج فائق الاستقرار بغض النظر عن تقلبات جهد الدخل.
حماية المحركات والأجهزة الإلكترونية الحساسة من الإجهاد والأضرار المرتبطة بالجهد الكهربائي.
تقليل مخاطر التعرض لانقطاعات مكلفة في العمليات وغرامات عدم الامتثال لمعايير الانبعاثات.
إطالة العمر التشغيلي لمكونات نظام إزالة الغازات الملوثة (FGD) الحيوية.

فوائد تتجاوز مجرد الامتثال: استخدامات المنتجات الثانوية الناتجة عن عملية FGD

ورغم أن تقنية إزالة الغازات الملوثة (FGD) تُعد في المقام الأول تقنية بيئية، إلا أنها تنتج أيضًا مواد قابلة للاستخدام:

الجبس (الناتج عن غسل الحجر الجيري الرطب): قصة نجاح بارزة. يُعد الجبس عالي النقاء الناتج عن إزالة الغازات من المداخن (FGD) بديلاً مباشراً للجبس الطبيعي المستخرج من المناجم في صناعة ألواح الجدران (الجبس). وهذا يقلل من الحاجة إلى التعدين ويخفف العبء على مقالب النفايات. كما يمكن استخدام الجبس في إنتاج الأسمنت وفي الزراعة كمُحسّن للتربة.
سماد كبريتات الأمونيوم (من عملية تنقية الأمونيا): مصدر قيّم للمغذيات الزراعية. يتطلب مراقبة دقيقة لعملية الإنتاج لتجنب الشوائب.
خليط الرماد المتطاير/المواد الماصة (من الأنظمة الجافة): يمكن استخدام بعض مخلفات إزالة الغازات الملوثة (FGD) الجافة (خاصة تلك المخلوطة بالرماد المتطاير) في إنتاج الخرسانة، أو إعادة تأهيل المناجم، أو تثبيت قاعدة الطرق، على الرغم من أن الاستخدامات المحددة تعتمد على التركيب واللوائح المعمول بها.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

على الرغم من نضج تقنية FGD، فإنها لا تزال تواجه تحديات مستمرة وتشهد تطوراً متواصلاً:

التكلفة: استثمارات رأسمالية وتكاليف تشغيلية كبيرة (الكواشف، والطاقة، والصيانة، والتخلص من النفايات).
استخدام/التخلص من المنتجات الثانوية: لا يزال العثور على أسواق موثوقة ومفيدة للمنتجات الثانوية غير الجبسية يمثل تحديًا. كما أن التخلص الآمن منها مكلف.
استهلاك المياه: تستهلك أجهزة الغسل الرطبة كميات كبيرة من المياه في عملية تحضير الملاط والتبريد.
عقوبة استهلاك الطاقة: تتطلب أنظمة FGD طاقة مساعدة كبيرة لتشغيلها (ما يقارب 1-2% من الناتج الإجمالي لمحطة توليد الكهرباء)، مما يؤدي إلى زيادة الاستهلاك الإجمالي للوقود.
التكامل مع تقنية احتجاز ثاني أكسيد الكربون: قد يتعين على الأنظمة المستقبلية دمج عملية إزالة ثاني أكسيد الكبريت مع التقنيات الناشئة في مجال احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS).
كفاءة أعلى وتكاليف أقل: تركز أنشطة البحث والتطوير الجارية على خفض استهلاك المواد الكيميائية، واستهلاك الطاقة، واستهلاك المياه، وتحسين الكفاءة العامة والفعالية من حيث التكلفة.
التعامل مع أنواع مختلفة من الوقود: تكييف الأنظمة للتعامل بكفاءة مع التركيبات المتغيرة للوقود.

تعد عملية إزالة الكبريت من غازات المداخن تقنية أساسية في الجهود العالمية لمكافحة تلوث الهواء، ولا سيما في التخفيف من الآثار الضارة لانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت. إن فهم أنواع أنظمة إزالة الكبريت من غازات المداخن (الرطبة، والجافة، وشبه الجافة) ووظيفتها الأساسية – وهي احتجاز ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) من خلال تفاعلات كيميائية محكومة – يسلط الضوء على دورها الحيوي في حماية البيئة والصحة. ومع ذلك، فإن موثوقية وفعالية هذه الأنظمة الضخمة والمعقدة تعتمد بشكل كبير على توفير طاقة كهربائية متسقة وعالية الجودة لمحركاتها ومضخاتها وأجهزة التحكم فيها وأجهزتها القياسية.

الأسئلة الشائعة (FAQs) حول إزالة الكبريت من غازات المداخن (FGD)

س: ما هي الملوثات التي يمكن لأنظمة إزالة الغازات الملوثة (FGD) إزالتها إلى جانب ثاني أكسيد الكبريت (SO₂)؟

ج: على الرغم من أن أجهزة تنقية غازات المداخن الرطبة تستهدف في المقام الأول ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) (وثلاثي أكسيد الكبريت (SO₃))، إلا أنها تتمتع أيضًا بفعالية عالية في إزالة الملوثات الأخرى:

* الجسيمات (PM): يتم التقاطها مع ملاط الغسل، مما يقلل بشكل كبير من انبعاثات الجسيمات الدقيقة.

* حمض الهيدروكلوريك (HCl) وحمض الهيدروفلوريك (HF): أحماض قوية يتم امتصاصها بفعالية في محاليل الغسل القلوية.

* المعادن النزرة: يمكن التقاط عناصر مثل الزئبق (Hg) والسيلينيوم (Se) والزرنيخ (As) وغيرها جزئيًا، اعتمادًا على التركيب الكيميائي لجهاز تنقية الغاز والظروف المحيطة.

س: ما هي تكلفة نظام إزالة الكبريت من غازات المداخن؟

ج: تمثل أنظمة FGD نفقات رأسمالية كبيرة:

* التكلفة الرأسمالية: يمكن أن تتفاوت التكاليف بشكل كبير، من مئات الملايين إلى أكثر من مليار دولار لمحطة كهرباء كبيرة تعمل بالفحم، اعتمادًا على التكنولوجيا المختارة (تعد الطريقة الرطبة هي الأغلى)، وحجم المحطة، ونوع الوقود، وقيود الموقع، والالتزام بحدود انبعاثات محددة.

* تكاليف التشغيل: تشمل التكاليف المستمرة الكبيرة ما يلي:

* المواد الكيميائية (الحجر الجيري، الجير، الأمونيا).

* استهلاك الطاقة للمضخات والمراوح والمطاحن (ما يصل إلى 1-2% من إنتاج المصنع).

* الصيانة في البيئات شديدة التآكل.

* العمل.

* التخلص من النواتج الثانوية (ما لم يكن هناك سوق لها).

* أنظمة المراقبة المستمرة للانبعاثات (CEMS). يمكن أن تضيف تكاليف التشغيل نسبة مئوية معينة إلى التكلفة الإجمالية لتوليد الكهرباء.

س: لماذا تُعدّ أجهزة تثبيت الجهد الكهربائي ضرورية لتشغيل نظام إزالة الكبريت من الغازات (FGD)؟

ج: تعتمد أنظمة FGD على التشغيل المستمر والموثوق للمحركات الكبيرة (المضخات والمراوح) والأجهزة الإلكترونية الحساسة (أجهزة التحكم وأجهزة القياس ونظام مراقبة الانبعاثات المستمر (CEMS)). وقد تؤدي تقلبات الجهد الكهربائي إلى:

* انقطاع التيار عن المحرك: مما يؤدي إلى التوقف الفوري لعملية FGD.

* فشل نظام التحكم: مما يؤدي إلى فقدان التحكم في المعلمات الحيوية (جرعات الكواشف، ودرجة الحموضة، والتدفق).

* أخطاء الأجهزة: مما يؤدي إلى بيانات غير موثوقة وإمكانية تقديم تقارير غير متوافقة مع المعايير.

* تلف المكونات: تؤدي المشكلات المتكررة المتعلقة بالجهد الكهربائي إلى تقصير العمر الافتراضي للمعدات. تعمل أجهزة تثبيت الجهد على التخفيف من هذه المخاطر من خلال ضمان توفير مصدر جهد كهربائي نظيف ومستقر بشكل مستمر لجميع مكونات نظام إزالة الغازات الضارة (FGD) الحيوية، مما يمنع حدوث فترات تعطل مكلفة ويحمي الاستثمارات الضخمة في معدات مكافحة التلوث.

س: ماذا يحدث لمياه الصرف الناتجة عن أجهزة تنقية غازات الاحتراق الرطبة (FGD)؟

ج: تولد أنظمة إزالة الكبريت من غازات المداخن الرطبة (FGD) تيارًا من مياه الصرف يحتوي على: * المواد الصلبة العالقة (جزيئات الجبس).

* المواد الصلبة الذائبة (الكلوريدات، الفلوريدات، الكبريتات، المعادن النزرة). * المواد الكيميائية التي يحتمل ألا تكون قد تفاعلت. تتطلب مياه الصرف هذه معالجة شاملة قبل تصريفها أو إعادة استخدامها. وتشمل خطوات المعالجة عادةً ما يلي: 1. الترسيب الكيميائي (مثل إضافة الهيدروكسيدات والكبريتيدات لإزالة المعادن الثقيلة). 2. التلبد والترسيب/التصفية. 3. الترشيح. 4. قد تشمل المعالجة البيولوجية أو عمليات الأغشية (مثل التناضح العكسي) للالتزام بالحدود الصارمة، خاصة فيما يتعلق بالعناصر النزرة مثل السيلينيوم والزئبق. تتزايد صرامة اللوائح التي تنظم تصريف مياه الصرف الناتجة عن إزالة غازات الحرق (FGD) في جميع أنحاء العالم.