إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا تصبح حلاً مفضلاً لمحطات الطاقة الحديثة

الضغط المتزايد على محطات الطاقة لتحقيق انبعاثات منخفضة للغاية

خلال العقد الماضي، تشددت اللوائح البيئية المنظِّمة لانبعاثات محطات الطاقة بشكلٍ كبير في الأسواق العالمية. ويُطلب الآن من محطات الطاقة التي تعمل بالفحم والغلايات الصناعية ووحدات توليد الطاقة الخاصة الامتثال لحدودٍ أكثر صرامةً بكثيرٍ لانبعاثات ثاني أكسيد الكبريت (SO₂)، وغالبًا ما تكون هذه الحدود أقل من ٣٥ ملغ/م³، بل وأقل من ذلك في بعض المناطق.

ونتيجةً لذلك، انتقلت أنظمة إزالة ثاني أكسيد الكبريت من الغازات العادمة (FGD) من كونها مكونات بيئية اختيارية إلى أن تصبح مكونات أساسية في تصميم محطات توليد الطاقة واستراتيجيات تشغيلها على المدى الطويل. ولقد أصبح اختيار تقنية إزالة الكبريت اليوم يُدار ليس فقط بواسطة متطلبات الامتثال، بل أيضًا بواسطة الاستقرار التشغيلي، وتكاليف دورة الحياة، وكفاءة استهلاك الطاقة، وإدارة النواتج الثانوية .

ومن بين المسارات التقنية المتاحة، تقنية إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا تكتسب اهتمامًا متجددًا مع سعي محطات توليد الطاقة إلى حلولٍ توازن بين الأداء البيئي والاستدامة الاقتصادية.

خصائص غازات العادم في محطات توليد الطاقة وأثرها في اختيار التقنية

وتتميز غازات العادم المنبعثة من محطات توليد الطاقة بمزيجٍ فريدٍ من التحديات. فكبار حجم الغاز، وتقلّب ظروف التحميل، وتغير محتوى الكبريت في الوقود، والحاجة إلى التشغيل المستمر والمستقر، كلُّ ذلك يفرض متطلباتٍ عاليةً على أنظمة إزالة الكبريت.

وتتضمن خصائص غازات العادم النموذجية المنبعثة من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم ما يلي:

• معدلات تدفق عالية وتشغيل مستمر

• تركيزات ثاني أكسيد الكبريت التي تتغير تبعًا لنوعية الوقود والحمل

• الجسيمات الدقيقة والمكونات الحمضية

• ارتباط وثيق بالمعدات الواقعة في الجزء السفلي من النظام، مثل فلاتر الكهرباء الاستاتيكية (ESP)، وأنظمة التخفيض الانتقائي الحفاز (SCR)، وأبراج العادم

وفي ظل هذه الظروف، يجب أن تُحقِّق أنظمة إزالة الكبريت كفاءةً عاليةً دون إدخال مخاطر تشغيلية أو استهلاكٍ مفرطٍ للطاقة أو تلوثٍ ثانوي.

لطالما هيمن نظام إزالة الكبريت بالحجر الجيري-الجبس التقليدي على السوق نظرًا لنشوء تقنيته وفعاليتها المُثبتة. ومع ذلك، فإن محدودياته — مثل استهلاك الطاقة المساعدة المرتفع، والمساحة الكبيرة التي يشغلها النظام، ومخاطر الترسبات الكلسية، والضغط الناتج عن التخلص من الجبس — دفعت العديد من المشغلين إلى إعادة تقييم التكنولوجيات البديلة، لا سيما في مشاريع التطوير أو في المحطات التي تسعى لتحقيق تحسين مستدام في التكاليف على المدى الطويل.

المبادئ الأساسية لإزالة الكبريت باستخدام الأمونيا

تستخدم إزالة الكبريت باستخدام الأمونيا أو ماء الأمونيا كمادّة ماصة للتفاعل مع ثاني أكسيد الكبريت في غازات العادم. وبسبب النشاط الكيميائي العالي للأمونيا، تتم عملية الامتصاص بسرعة كبيرة، حتى عند نسب منخفضة نسبيًّا بين السائل والغاز.

والتفاعل الأساسي في هذه العملية يحوّل ثاني أكسيد الكبريت إلى كبريتات الأمونيوم، وهي مركّب مستقر وذو قيمة تجارية عالية تُستخدَم على نطاق واسع كسماد. وعلى عكس الأنظمة القائمة على الكالسيوم، لا تُنتج هذه العملية كمّيات كبيرة من النفايات الصلبة التي تتطلّب التخلّص منها أو التخزين طويل الأمد.

من الناحية الكيميائية والعملية، تتميّز عملية إزالة الكبريت باستخدام الأمونيا بما يلي:

• سرعة تفاعل كيميائي عالية

• كفاءة عالية في إزالة ثاني أكسيد الكبريت (SO₂)

• ميل ضئيل جدًّا إلى الترسيب والتكتّل

• مسارات تفاعل سائلة نظيفة

وتلك الخصائص تجعلها مناسبةً بشكل خاص لمصانع توليد الطاقة ذات السعة الكبيرة والتي تعمل ضمن حدود انبعاثات صارمة.

كفاءة عالية في إزالة الكبريت تحت ظروف تشغيل متغيرة

ومن أبرز المزايا الجاذبة لعملية إزالة الكبريت باستخدام الأمونيا قدرتها على الحفاظ على كفاءة مستقرة في إزالة الملوثات عبر نطاق واسع من أحمال التشغيل في أنظمة الطاقة الحديثة، تُسبب التقلبات المتكررة في الأحمال الناجمة عن دمج مصادر الطاقة المتجددة ضغطًا إضافيًّا على معدات التحكم البيئي.

يمكن لأنظمة إزالة ثاني أكسيد الكبريت القائمة على الأمونيا تحقيق كفاءات إزالة لثاني أكسيد الكبريت تتراوح بين ٩٥٪ و٩٩٪ حتى أثناء التغيرات السريعة في الأحمال. وتُعد هذه الاستقرار ضروريًّا لمحطات توليد الطاقة العاملة ضمن أنظمة الرصد الفوري للانبعاثات، حيث قد تؤدي أي تجاوزات قصيرة الأجل إلى فرض غرامات أو خفض إلزامي في الحمل.

إن التحكم الدقيق في جرعة الأمونيا يمكِّن المشغلين من الاستجابة بسرعة لتغيرات تركيز الكبريت عند المدخل، مما يضمن الامتثال للمعايير دون استهلاك مفرط للمواد الكيميائية.

استهلاك الطاقة المساعدة ومزاياها

أصبح استهلاك الطاقة المساعدة عامل تقييمٍ بالغ الأهمية في الأنظمة البيئية لمحطات توليد الطاقة. ويمكن أن تؤثر المضخات والمراوح وأنظمة دوران المعلق تأثيرًا كبيرًا على الكفاءة الصافية للمحطة، لا سيما في الوحدات الكبيرة.

مقارنةً بأنظمة إزالة غازات العادم القائمة على الحجر الجيري، تعمل الأنظمة القائمة على الأمونيا عادةً مع:

• معدلات تدوير أقل للسائل

• انخفاض في فرق الضغط داخل وحدة الامتصاص

• مضخات تدوير أصغر حجمًا

• تصميم مُحسَّن لرش السائل وتلامس الغاز بالسائل

تساهم هذه العوامل في انخفاض استهلاك الكهرباء للمعدات المساعدة ، مما يؤدي إلى وفورات ملموسة في الطاقة على المدى الطويل. وعلى امتداد عمر التشغيل لمصنع توليد الكهرباء، يُترجم خفض الطاقة المستخدمة في المعدات المساعدة مباشرةً إلى تحسُّن في الكفاءة الصافية وتخفيض تكاليف التشغيل.

وبالنسبة للمصانع العاملة في أسواق الكهرباء التنافسية أو الآلية التي تعتمد على التعويض بناءً على السعة التوليدية، فإن لهذه الميزة تأثيرًا ملموسًا على الربحية الإجمالية.

استغلال المنتجات الثانوية والفوائد المرتبطة باقتصاد الدورة المغلقة

يتمثل أحد الفروق الجوهرية بين عمليات إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا والعمليات التقليدية القائمة على الكالسيوم في إدارة النواتج الثانوية.

وبينما تُنتج أنظمة إزالة الكبريت بالحجر الجيري والجبس جبساً قد يواجه مشكلات تتعلق بتشبع السوق أو صعوبات التخلص منه، فإن عمليات إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا تحوّل ثاني أكسيد الكبريت إلى كبريتات الأمونيوم كبريتات الأمونيوم، وهي سماد زراعي معروفٌ على نطاق واسع.

وهذا التحويل للملوثات إلى منتجات قابلة للاستخدام يدعم مبادئ الاقتصاد الدائري ويخلق فرصاً لـ:

• مجالات دخل إضافية

• خفض تكاليف التخلص من النفايات

• تحسين الأداء المالي للمشروع

وفي المناطق التي تتوفر فيها أسواق راسخة للأسمدة، يمكن أن يُغطي استخدام كبريتات الأمونيوم الناتجة جزءاً كبيراً من نفقات تشغيل عملية إزالة الكبريت، مما يجعل الامتثال البيئي عمليةً جزئياً ذاتية الاستدامة.

معالجة المخاوف التاريخية: تسرب الأمونيا وتكوين الهباء الجوي

تاريخيًّا، واجهت عمليات إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا شكًّا بسبب المخاوف المتعلقة بتسرب الأمونيا وتكوين أerosol كبريتاتي، ما قد يؤدي إلى ظهور سحب مرئية أو تلوث ثانوي.

وقد عالجت تقنيات إزالة الكبريت الحديثة القائمة على الأمونيا هذه المشكلات جذريًّا من خلال:

• تصميم فصل متعدد المراحل بين الغاز والسائل

• أنظمة متقدمة لإزالة الضباب

• حقن دقيق للأمونيا والتحكم التغذيوي العكسي

• تحسين هياكل المُمتصِّ الداخليَّة

ونتيجةً لذلك، يمكن للأنظمة المعاصرة أن تحقِّق: مستويات تسرب أمونيا أقل بكثير من الحدود التنظيمية المسموح بها ، وغالبًا ما تقترب من الانبعاثات شبه المعدومة. وقد أدّى القضاء على ظاهرة «السحابة البيضاء» المرتبطة بالجسيمات الهوائية إلى تحسين قبول الجمهور والأداء البيئي بشكلٍ أكبر.

وقد أعادت هذه التطورات تحديد طبيعة تقنية إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا باعتبارها تقنية نظيفة وموثوقة، بدلًا من كونها خيارًا متخصصًا أو عالي المخاطر.

التكامل مع أنظمة إزالة النيتروجين ومعالجة غازات العادم بشكل عام

في محطات الطاقة الحديثة، لا تعمل عملية إزالة الكبريت بشكل منعزل. بل يُعد التكامل الفعّال مع أنظمة التحكم في الجسيمات ووحدات إزالة النيتروجين ضروريًّا لتحقيق أهداف الانبعاثات المنخفضة جدًّا.

توفر أنظمة إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا ظروفًا مواتية لعمليات SCR أو SNCR اللاحقة من خلال:

• استقرار درجة حرارة غازات العادم ورطوبتها

• تخفيض تقلبات الغازات الحمضية

• تمكين الإدارة المُثلى للأمونيا عبر الأنظمة المختلفة

وفي تصاميم الأنظمة المتكاملة، يمكن أن تؤدي استراتيجيات التحكم المنسَّقة في الأمونيا إلى خفض استهلاك المُركَّب الكيميائي الإجمالي وتحسين كفاءة المحطة ككل، وبخاصة في مشاريع التطوير لإحلال تقنيات تحقيق الانبعاثات المنخفضة جدًّا.

ملاءمة النظام للمشاريع الجديدة ومشاريع التطوير

تُطبَّق أنظمة إزالة الكبريت القائمة على الأمونيا سواءً في إنشاء محطات طاقة جديدة أو في تطوير الوحدات القائمة. كما أن تخطيطها المدمج وتكوينها المرن يجعلانها جذّابةً بشكل خاص للمواقع التي تعاني من محدودية المساحة أو القيود البنائية.

بالنسبة لمشاريع التحديث اللاحقة، تشمل المزايا ما يلي:

• انخفاض متطلبات التعديلات المدنية

• جداول تركيب أقصر

• حدٌّ أدنى من التعطيلات التي تطرأ على العمليات الجارية

وتكتسب هذه العوامل أهميةً خاصةً في محطات توليد الطاقة القديمة التي تسعى إلى تمديد عمرها التشغيلي مع الالتزام بالمعايير البيئية المُحدَّثة.

الموثوقية على المدى الطويل واعتبارات تكلفة دورة الحياة

وبعيدًا عن الاستثمار الرأسمالي الأولي، يُقيِّم مشغِّلو محطات توليد الطاقة حاليًّا التقنيات بشكل متزايد استنادًا إلى تكلفة الملكية الإجمالية (TCO). وتتميَّز أنظمة إزالة الكبريت باستخدام الأمونيا بأداء قوي في هذا الصدد نظرًا لما يلي:

• متطلبات صيانة أقل

• انخفاض مخاطر الترسبات والتلوث

• أداء مستقر على المدى الطويل

• استهلاك منتظم ومتوقع للمواد الكيميائية المُستخدمة

وعلى امتداد فترات تشغيل تمتد لعقود عديدة، تسهم هذه العوامل في رفع مدى توافر النظام وخفض التكاليف التشغيلية التراكمية، مما يعزِّز الجدوى الاقتصادية للحلول القائمة على الأمونيا.

خيار استراتيجي لمحطات الطاقة المُوجَّهة نحو المستقبل

وبما أن محطات الطاقة تواجه التحدي المزدوج المتمثل في الامتثال البيئي والاستدامة الاقتصادية، فإن إزالة الكبريت باستخدام الأمونيا توفر مزيجًا جذابًا من الكفاءة العالية، وتوفير الطاقة، واستغلال النواتج الثانوية، والموثوقية التشغيلية .

وبفضل التطورات التكنولوجية التي قضت على العيوب التاريخية، تطوَّرت تقنية إزالة غازات العادم باستخدام الأمونيا (FGD) لتصبح حلاً ناضجًا ومثبتًا قادراً على دعم أهداف الانبعاثات الفائقة الانخفاض دون المساس بأداء المحطة.

وبالنسبة لمشغِّلي محطات الطاقة الذين يبحثون عن نهج استباقي للتحكم في الانبعاثات، فإن إزالة الكبريت باستخدام الأمونيا لا تمثِّل أداةً للامتثال فحسب، بل هي استثمارٌ استراتيجيٌّ في المرونة التشغيلية طويلة الأجل.