بحث حول تقنية التحكم في الانبعاثات الرطبة لمحطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم

الملخص: في معظم محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في الصين، يتم التخلص مباشرة من غازات العادم الرطبة المشبعة الناتجة عن عملية إزالة الكبريت من الغازات الرطبة، مما يؤدي إلى ظهور سحب رطبة مرئية. حالياً، حققت العديد من تقنيات حماية البيئة وترشيد الطاقة تأثيرات كبيرة في معالجة السحب الرطبة، ولكن لم يتم وضع مؤشرات فنية متكاملة مع معالجة هذه السحب. يمكن تصنيف تقنيات معالجة السحب الرطبة إلى ثلاث فئات رئيسية: النوع الحراري، والنوع المكثف، والنوع المركب من التكثيف والتسخين مرة أخرى. وقد تم دراسة خصائص كل نوع من التقنيات وتكيفها مع معالجة السحب الرطبة، كما تم استكشاف نطاقات التطبيق لهذه الأنواع الثلاثة من التقنيات تحت ظروف درجات حرارة ورطوبة بيئية مختلفة، بناءً على آلية تكوّن وتبعثر السحب الرطبة.

0 المقدمة  
حاليًا، يعتمد أكثر من 90٪ من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في الصين على عملية إزالة الكبريت من الغازات الرطبة باستخدام حجر الجير والجبس كوسيلة لمعالجة الغازات.مع توسع وتسارع انبعاثات غازات العادم من محطات توليد الطاقة بالفحم، والتي تُعد منخفضة جدًا من حيث الانبعاثات، وللوفاء بمتطلبات حدود الانبعاثات المنخفضة جدًا، فإن معظم أجهزة إزالة الكبريت لا تحتوي على مبادل حراري للغازات (GHG). ويتم تصريف غازات العادم الرطبة المشبعة من المدخنة، ثم يخلط مع الهواء المحيط المنخفض الحرارة لتبريده. وينتج عن ذلك أن يصبح بخار الماء مشبعًا أكثر من اللازم ويتكثّر، مما يتسبب في انكسار وتشتت الضوء، ويؤدي إلى ظهور "أعمدة رطبة بيضاء أو رمادية" (المعروفة شائعةً باسم "الدخان الأبيض الكبير"). ويضعف ظاهرة الأعمدة الرطبة "إحساس الفائدة" لدى الجمهور فيما يتعلق بجهود حماية البيئة. وقد طالبت بعض السكان المحليين بالقرب من محطات توليد الطاقة بالفحم بتحكم في هذه الأعمدة الرطبة، كما قدمت بعض الإدارات المحلية متطلبات للسيطرة على هذه الأعمدة الناتجة عن محطات توليد الطاقة بالفحم.1. آلية تكوّن الدخان الرطب  
حاليًا، في الغالبية العظمى من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في الصين، يتم معالجة غازات العادم بعملية إزالة الكبريت الرطبة قبل التخلص منها. ويتم خفض درجة حرارتها إلى ما بين 45 و55 درجة مئوية. عند هذه النقطة، يكون غاز العادم عادةً غازًا رطبًا مشبعًا يحتوي على كمية كبيرة من بخار الماء. إذا تم التخلص من غاز العادم مباشرة عبر المدخنة ودخوله إلى الهواء المحيط المنخفض الحرارة، فإن نسب رطوبة الهواء المحيط أقل من ذلك، وبالتالي أثناء انخفاض درجة حرارة غاز العادم، يتكثف بخار الماء الموجود فيه لتكوين دخان رطب. وتُوضح الشكل 1 آلية تكوّن الدخان الرطب. ويمثل الخط في الشكل 1 منحنى التشبع للهواء الرطب. لنفترض أن حالة غاز العادم الرطب عند فتحة المدخنة تكون عند النقطة A، بينما تكون حالة الهواء المحيط عند النقطة F. وعندما يغادر غاز العادم المدخنة، يكون في حالة غير مشبعة. وينطلق عملية خلط غاز العادم الرطب مع الهواء المحيط على طول الخط AB، وتأتي إلى النقطة B، ثم يصبح غاز العادم غازًا رطبًا مشبعًا.بعد ذلك، يتغير خليط الهواء الرطب والهواء المحيط على طول المنحنى BDE، وينتقل بخار الماء الزائد إلى تكثيف كميات من قطرات سائلة، مما يشكل أعمدة رطبة.

2. تقنيات المعالجة الرئيسية لبلاطات الدخان الرطبة  
بناءً على آلية تكوين وتفتيت البلاطات الرطبة، يمكن تصنيف التقنيات الحالية ذات التأثير الفعّال في معالجة البلاطات الرطبة إلى تقنية تسخين الغاز، وتقنية تكثيف الغاز، وتقنية تكثيف الغاز وتسخينه مرة أخرى. حاليًا، هناك بالفعل تقنيات عمل متكاملة للتكثيف والتسخين بالغاز في قطاع الطاقة. ومعظمها لم يُصمم خصيصًا لمعالجة البلاطات الرطبة؛ بل تهدف بشكل رئيسي إلى تقليل الانبعاثات، وجمع المياه، وحفظ المياه. ولم يتم وضع مؤشرات فنية مدمجة مع القضاء على البلاطات الرطبة، ولكن من الناحية الموضوعية، تم تحقيق تأثير معالجة البلاطات الرطبة.  

تستخدم بعض محطات الطاقة التي تعمل بالفحم تقنيات مثل المزيلات الكهروستاتيكية الرطبة، وأجهزة إزالة الرطوبة من غازات العادم، والتخلص من الرطوبة بالموجات الصوتية، وحلقات جمع مياه المداخن، وأجهزة إزالة الرطوبة. وعلى الرغم من أن هذه التقنيات قادرة على إزالة ماء التكثيف من غازات العادم، إلا أن نسبة بخار الماء في ماء التكثيف من غازات العادم ضئيلة جدًا (أقل من 1‰).لذلك، فإن إزالة ماء التكثيف من غازات العادم يمكن أن تخفف فقط من ظاهرة "البُرَّة الرطبة"، ولكنها لا تستطيع القضاء بشكل فعّال على هذه الظاهرة. لن يتم دراسة هذا الجانب بشكل أعمق في هذه المقالة. بالإضافة إلى ذلك، هناك طريقة تستخدم أبراج التبريد للتحكم في البُرَّة الرطبة، لكنها أكثر ملاءمة للمحطات الكهربائية الجديدة ولا تناسب تحديث المحطات الحالية. ولن يتم استكشاف هذا الجانب بعمق في هذه المقالة أيضًا.

يوضح ما يلي تقنيات تسخين غازات العادم، وتجميد غازات العادم، وترطيب غازات العادم وتسخينها مرة أخرى وفقًا لمبادئها التقنية.3. تقنية تسخين غازات المداخن  
تتضمن تقنية تسخين غازات المداخن تسخين الغازات الرطبة المشبعة عند مخرج إزالة الكبريت، بحيث يُبعد رطوبة الغازات النسبية من منحنى رطوبة التشبع. ويظهر آلية التخلص من الدبالات الرطبة في الشكل 2. وحالة الغازات الرطبة الأولية تكون عند النقطة A. وبعد التسخين، ترتفع على طول الخط AB، ثم تمتزج على طول الخط BC، وتبرد إلى نقطة البيئة C. ولا يتقاطع عملية التغير الكاملة ABC مع منحنى رطوبة التشبع، وبالتالي لا تتشكل دبالات رطبة.

تُصنف تقنيات التدفئة الحالية في الخدمة إلى فئتين رئيسيتين بناءً على طريقة تبادل الحرارة: تبادل الحرارة غير المباشر وتبادل الحرارة المباشر. وتشمل التقنيات الرئيسية الممثلة لتبادل الحرارة غير المباشر: مصنع GGH الدوار، ومصنع GGH الأنباعي، ومصنع GGH أنابيب الحرارة، ومصنع MGGH، وسخان البخار، وغيرها. أما التقنيات الرئيسية الممثلة لتبادل الحرارة المباشر فتشمل: تسخين الهواء الثانوي بالحرارة، والتسخين المباشر بالغاز، وتسخين خليط الهواء والحرارة، وغيرها. وإذا قارنا كل تقنية تدفئة بناءً على نفس المؤشرات الفنية لمعالجة السحب الرطبة، فإن النتائج الرئيسية للمقارنة الفنية والاقتصادية تظهر في الجدول 1.
تُعد تقنية التسخين المباشر، رغم انخفاض استثمارها الأولي، تُعاني من تكاليف تشغيل مرتفعة بشكل مفرط نظرًا لعدم استخدام مصدر الحرارة الخاص بها للحرارة المتبقية من غازات العادم. ونظرًا لأنها تُستخدم كوسيلة معالجة سحب الدخان الرطب، فإن تكلفتها باهظة جدًا وتُستخدم نادرًا في التطبيقات العملية. أما في تقنية التسخين غير المباشر، فإن كل من نظام GGH الدوار ونظام GGH الأنبوبية يعانيان من درجات مختلفة من تسرب الهواء. وفي ظل الظروف الحالية المتعلقة بانخفاض الانبعاثات إلى حد كبير في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم في الصين، فإن تطبيقها كوسيلة معالجة سحب الدخان الرطب يظل مقيدًا أيضًا. وبعد التطور الكبير لنظام GGH المزود بأنابيب الحرارة، ستكون تخطيط أجهزة النفخ بالدخان أكثر صعوبة، كما سيزيد المساحة المحتلة. وحتى الآن، لم يتم تطبيق هذا النظام في الوحدات الكبيرة. كما أن طريقة التسخين بالبخار تُسبب استهلاكًا عاليًا جدًا للطاقة بسبب مشكلة مصدر الحرارة. لذلك، وبالنظر إلى متطلبات الانبعاثات المنخفضة جدًا لغازات العادم والحفظ الطاقي في الوقت الحالي، فإن استخدام نظام MGGH كواحد من وسائل معالجة سحب الدخان الرطب يوفر آفاق تطبيق واسعة النطاق.4. تقنية تكثيف غازات العادم

تتضمن تقنية تكثيف غازات الدخان تبريد غازات الدخان الرطبة المشبعة عند مخرج إزالة ثاني أكسيد الكبريت، مما يؤدي إلى تبريد غازات الدخان على طول منحنى رطوبة التشبع. وخلال عملية التبريد هذه، ينخفض محتوى الرطوبة بشكل كبير. ويُوضح آلية القضاء على السحابة الرطبة في الشكل 3. والوضع الأولي لغازات الدخان الرطبة يكون عند النقطة A. وبعد التبريد، تخضع للتكثيف AF، ثم تمتزج مع FC وتُبرد إلى نقطة البيئة C. ولا يتقاطع تغير حالة FC مع منحنى رطوبة التشبع، وبالتالي لا يتم تكوّن سحابة رطبة.

تشمل التقنيات الرئيسية الممثلة لتكثيف غازات العادم في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم حاليًا: مكثفات التغير الطوري، وفصلاء مياه التكثيف، وأنظمة إزالة الكبريت بدون إعادة تغذية المياه، والأنظمة المتكاملة لـ

 

تُدمج تقنية تكثيف غازات العادم وتسخينها مع الطريقةين المذكورتين أعلاه. ويظهر آلية التخلص من السحابة الرطبة في الشكل 4. حيث يكون الحالة الأولية للغاز الرطب عند النقطة A. وبعد التبريد، يتكثف على طول الخط AD، ثم يسخن على طول الخط DE، وأخيرًا يمتزج على طول الخط EC ويصبح مبردًا إلى نقطة البيئة C. ولا يتقاطع عملية التغير على خط EC مع منحنى رطوبة التشبع، وبالتالي لا تتشكل سحابة رطبة. وتُشير آلية انتشار السحابة الرطبة إلى أن رطوبة ودرجة حرارة البيئة لها تأثير كبير على تكوين حجم السحابة الرطبة. نظريًا، تحت ظروف درجة حرارة ورطوبة بيئية معينة، إذا لم يتم الأخذ في الاعتبار التكاليف، فإن كلاً من تقنية التسخين وتقنية التكثيف يمكنهما تحقيق التخلص من السحابة الرطبة (إذا كانت درجة حرارة التسخين عالية بما يكفي ودرجة حرارة التكثيف منخفضة بما يكفي). ومع ذلك، بناءً على الظروف الفعلية لمحطات توليد الطاقة بالفحم، ومن منظور اقتصادي، فإن طرق التسخين والتكثيف البسيطة لها قيودها الخاصة.يُحدّد التسخين بظروف درجة حرارة غازات العادم الأصلية، ويُحدّد التكثيف بدرجة حرارة الهواء والماء المحيط. في ظل هذه الظروف، إذا تم اعتماد تقنية التكثيف والتسخين، يمكن دمج التسخين مع التكثيف، مما يوسع نطاق قابلية النظام للتكيف مع درجات الحرارة والرطوبة البيئية.

على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة غاز الفرن المشبّه بعد عملية إزالة الكبريت الرطبة 50%. ونظرًا لعوامل مثل شروط اختيار المصادر الباردة والساخنة، وفرق درجات الحرارة في التبادل الحراري، فإن طريقة التسخين تحد من زيادة درجة حرارة غاز الفرن إلى ما لا يزيد عن 30٪، بينما تحد طريقة التكثيف من انخفاض درجة حرارة غاز الفرن إلى ما لا يزيد عن 25٪. تحت هذه الظروف، تُظهر الشكل 5 مدى قابلية تأثير معالجة غاز الفرن الرطب لهذه التقنيات الثلاثة للظروف البيئية.
يُشكّل الجزء العلوي من حد النطاق المطبق المنطقة المناسبة لإزالة سحب الدخان الرطب باستخدام تقنيات مختلفة. ويفترض بوضوح أن تقنية التبريد والتسخين تمتلك نطاقًا مطبقًا أوسع للظروف البيئية مقارنةً بتقنية التسخين البسيطة وتقنية التكثيف. فعندما تكون الرطوبة النسبية في البيئة 80٪، يمكن لتقنية التسخين إزالة سحب الدخان الرطب عندما تكون درجة حرارة البيئة أعلى من 15 درجة مئوية؛ بينما يمكن لتقنية التبريد إزالة سحب الدخان الرطب عندما تكون درجة الحرارة البيئية أعلى من 9 درجات مئوية؛ أما تقنية التكثيف والتسخين فتستطيع إزالة سحب الدخان الرطب عندما تكون درجة حرارة البيئة أعلى من -6.5 درجة مئوية.

6 الخاتمة  
(1) تم تحليل وملخص التقنيات الحالية التي يمكنها معالجة غازات العادم الرطبة بشكل فعّال في محطات توليد الطاقة بالفحم، كما تم إجراء مقارنة أولية بينها. كما تم دراسة مدى قابلية استخدام التقنيات المختلفة في معالجة غازات العادم الرطبة في محطات توليد الطاقة بالفحم.  
(2) تقنية تسخين غازات العادم هي التقنية الأكثر انتشارًا حاليًا. وفي ضوء المتطلبات الحالية المتعلقة بخفض الانبعاثات إلى أدنى حد ممكن وحفظ الطاقة في غازات العادم، فإن تقنية MGGH تمتلك آفاق تطبيق أوسع.  
(3) تُعد تقنية تكثيف غازات العادم لها أيضًا تأثير كبير في معالجة سحب الدخان الرطب، ويمكنها تحقيق إزالة مشتركة للعديد من الملوثات. حالياً، معظم تطبيقات هذه التقنية في الصناعة لا تهدف بشكل خاص إلى معالجة سحب الدخان الرطب، بل تتركز الأهداف الرئيسية على تقليل الانبعاثات، وجمع المياه، وحفظ المياه. ولم يتم وضع المؤشرات الفنية بناءً على القضاء على سحب الدخان الرطب، ولكن من الناحية الموضوعية، لعبت هذه التقنية دوراً في معالجة سحب الدخان الرطب.  
(4) تقنية إعادة التسخين عن طريق التكثيف هي مزيج من تقنيتي تسخين غازات العادم وتكيدها.يُدمج خصائص تقنيات التدفئة والتكثيف، ويتمتع بمجال تطبيق أوسع لمعالجة ألسنة الدخان الرطبة.

(5) تُعد التقنيات مثل المزيلات الكهروستاتيكية الرطبة، ومشتتات الرذاذ، والمشتتات الصوتي، وأقراص جمع مياه الدخان، مناسبة لإزالة ماء التكثيف من غازات العادم بشكل فعّال. ومع ذلك، نظرًا لأن نسبة بخار الماء في محتوى الماء في غازات العادم محدودة جدًا، فإن هذه التقنيات يصعب اعتبارها الطرق الرئيسية للتحكم في السحب الرطب، ولا يمكنها القضاء على السحب الرطب بشكل فعّال.