كيف تعمل غلاية حرق النفايات الحديثة؟

المقدمة: محرك عملية تحويل النفايات إلى طاقة

يولد المجتمع الحديث كميات هائلة من النفايات الصلبة البلدية (MSW)، وتشكل إدارتها تحديًا بيئيًا ولوجستيًا بالغ الأهمية. إن دفن النفايات، وهو الطريقة التقليدية، يشغل أراضٍ قيمة وينتج غاز الميثان، وهو أحد غازات الدفيئة القوية. تقدم عملية تحويل النفايات إلى طاقة (EfW) بديلاً متطورًا، حيث تحول النفايات غير القابلة لإعادة التدوير إلى مورد قيم: الكهرباء والحرارة. في قلب هذه العملية يكمن غلاية حرق النفايات ، وهي قطعة معقدة وقوية من الهندسة الحرارية التي تعمل كمصدر طاقة للمحطة. إنها أكثر بكثير من مجرد محرقة بسيطة؛ إنه نظام عالي التحكم مصمم لتدمير النفايات بأمان، واستعادة أقصى قدر ممكن من الطاقة، وحماية المعدات النهائية من بيئة الاحتراق شديدة العدوانية. وتتمثل الوظيفة الأساسية للغلاية في احتجاز الحرارة الشديدة المنبعثة من حرق النفايات - عادة عند درجات حرارة تتراوح بين 850 درجة مئوية و1200 درجة مئوية لضمان الاحتراق الكامل والقضاء على الملوثات - ونقلها إلى الماء، وتوليد بخار عالي الضغط ودرجة حرارة عالية. يقوم هذا البخار بعد ذلك بتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء، والتي يمكنها توفير الطاقة لآلاف المنازل، أو توفير التدفئة للمنطقة. تعتمد الكفاءة والموثوقية والأداء البيئي لمنشأة EfW بأكملها على التصميم والتشغيل الأمثل لهذا المكون المركزي، مما يجعلها تحفة فنية في الديناميكا الحرارية العملية وعلوم المواد.

• الوظيفة الأساسية: لحرق النفايات بأمان ونقل الطاقة الحرارية المنبعثة بكفاءة إلى سائل العمل (الماء/البخار) لإنتاج الطاقة.
• الدور البيئي: يقلل حجم النفايات بنسبة 90% تقريبًا، ويدمر المركبات العضوية الضارة، ويعوض استخدام الوقود الأحفوري لتوليد الطاقة.
• المحرك الاقتصادي: يحول تكلفة التخلص إلى تدفق إيرادات من خلال بيع الكهرباء أو البخار أو المعادن المستردة من الرماد السفلي.

مبادئ التصميم والهندسة الأساسية

تصميم أ غلاية حرق النفايات هي استجابة متعمدة للتحديات الفريدة التي يفرضها مصدر الوقود: النفايات الصلبة البلدية غير المتجانسة والمتغيرة الرطوبة والمعقدة كيميائيًا. فعالة تحويل نفايات النفايات البلدية الصلبة إلى تصميم غلايات الطاقة يجب إعطاء الأولوية للاحتراق الكامل، والحد الأقصى لاستعادة الحرارة، والحماية من غازات المداخن المسببة للتآكل المنتجة. تبدأ العملية على نظام شبكي متحرك داخل غرفة الاحتراق، والذي ينقل النفايات ببطء ويقلبها لضمان الحرق المتساوي والاحتراق الكامل للرماد السفلي. ثم ترتفع غازات الاحتراق الساخنة، المحملة بالجسيمات والمركبات المسببة للتآكل، إلى القسم المشع للغلاية، حيث يتم امتصاص الحرارة الإشعاعية الشديدة بواسطة جدران غشائية مبردة بالماء. ثم تمر الغازات عبر ممرات الحمل الحراري المتعددة - مجموعات من حزم الأنابيب - حيث يتم استخراج المزيد من الحرارة. نظام استعادة الحرارة هذا بأكمله هو في الأساس أ مولد بخار عالي الكفاءة لاسترداد الحرارة للحرق ، تم تصميمه بدقة لتبريد غازات المداخن إلى درجة الحرارة المثالية لأنظمة التحكم في تلوث الهواء في المراحل النهائية مع تسخين البخار إلى أعلى المعلمات الممكنة (غالبًا أكثر من 400 درجة مئوية و40 بار) لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة الديناميكية الحرارية لتوليد الطاقة. والأمر الأساسي في ذلك هو توفير وقت كافٍ لبقاء الغاز عند درجة حرارة عالية لتفكيك الديوكسينات والفيورانات، وتصميم مسارات الغاز لتقليل ترسب الرماد الذي يمكنه عزل الأنابيب وتقليل انتقال الحرارة.

مكافحة التحدي الأكبر: التآكل والتآكل

التحدي الوحيد الأكثر تحديدًا في تشغيل غلاية حرق النفايات هي الطبيعة العدوانية للغاية لغاز المداخن. يؤدي حرق النفايات البلدية الصلبة إلى إطلاق الكلور (من البلاستيك مثل PVC)، والكبريت، والقلويات (الصوديوم، والبوتاسيوم)، والمعادن الثقيلة، التي تشكل مركبات قابلة للتآكل مثل كلوريد الهيدروجين (HCl) والكلوريدات القلوية. عندما تتكثف هذه المركبات على أسطح أنابيب الغلايات - خاصة في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة للسخانات الفائقة والموفرات - فإنها تخلق طبقة لزجة تعزز تآكل الكلور في درجات الحرارة المرتفعة، مما يهاجم بشدة طبقة الأكسيد الواقية على الأنابيب الفولاذية القياسية. وهذا يجعل اختيار مواد مقاومة للتآكل لمراجل حرق النفايات قرار حاسم بشأن رأس المال والتشغيل. لمكافحة ذلك، غالبًا ما يتم إنشاء المناطق الرئيسية المعرضة للتآكل، مثل أنابيب التسخين الزائد في ممر الحمل الحراري الأول، من سبائك عالية النيكل مثل سبيكة 625 (إنكونيل) أو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (على سبيل المثال، 310S). بالإضافة إلى ذلك، يتم تطبيق الطلاءات المتقدمة وطبقات اللحام لحماية أسطح الأنابيب. يعد التصميم نفسه أيضًا سلاحًا ضد التآكل: الحفاظ على درجات حرارة دقيقة للجدار المعدني أعلى من نقطة الندى الحمضية ولكن أقل من عتبة هجوم الكلوريد المتسارع، واستخدام منافيخ السخام لإزالة الرواسب بانتظام قبل أن تصبح وسائط مسببة للتآكل.

• آليات التآكل: يعد التآكل بالكلور عند درجة الحرارة العالية، والتآكل عند نقطة الندى الحمضية عند درجة حرارة منخفضة، والكبريتات هي التهديدات الرئيسية لطول عمر الغلاية.
• استراتيجية المواد: يتم استخدام نهج متدرج: الفولاذ الكربوني في المناطق ذات المخاطر المنخفضة (الفرن السفلي، وأنابيب المبخر)، والانتقال إلى السبائك المتقدمة بشكل متزايد (TP91، السبائك 625) في أقسام التسخين الفائق عالية المخاطر.
• الدفاع التشغيلي: تحكم دقيق في الاحتراق لتقليل تكوين حمض الهيدروكلوريك، والحفاظ على درجة حرارة غاز المداخن المثالية، والتحكم الصارم في الرواسب من خلال نفخ السخام.
• الابتكار: البحث المستمر في الطلاءات الخزفية ودروع الأنابيب وتقنيات الكسوة المتقدمة لإطالة عمر الأنبوب وتقليل تكاليف الصيانة.

التشغيل وطول العمر ومرونة الوقود

التشغيل المستدام والفعال لـ أ غلاية حرق النفايات يتطلب نظام صارم من صيانة وتنظيف مراجل حرق النفايات . على عكس الغلايات التي تعمل بالوقود، فإن الرماد والجسيمات (الرماد المتطاير) الناتجة عن احتراق النفايات شديدة الكشط وعرضة لتشكيل رواسب عنيدة على أسطح التبادل الحراري. يتضمن برنامج الصيانة الشامل نفخ السخام يوميًا إلى أسبوعيًا باستخدام البخار أو نفاثات الهواء لطرد الرماد من مجموعات الأنابيب، والفحص المنتظم وإزالة الخبث من جدران الفرن، والتنظيف الدقيق لقواديس الرماد والناقلات. يعد التوقف المجدول لعمليات الفحص الداخلي وقياسات سمك الأنبوب (الاختبار بالموجات فوق الصوتية) واستبدال المكونات الضعيفة أمرًا ضروريًا لمنع انقطاع التيار غير المخطط له وفشل الأنبوب الكارثي. علاوة على ذلك، لتعزيز أمن الوقود، والجدوى الاقتصادية، وحياد الكربون، تعتمد العديد من المصانع هذه التقنية تكنولوجيا غلايات الكتلة الحيوية والنفايات المشتركة . يمكن أن يؤدي حرق الكتلة الحيوية المعالجة (مثل رقائق الخشب أو الوقود المشتق من النفايات) مع النفايات البلدية الصلبة إلى تحسين جودة الوقود بشكل عام، وتقليل صافي انبعاثات غازات الدفيئة، وتخفيف تركيز العناصر المسببة للتآكل مثل الكلور في غاز المداخن. ومع ذلك، فإن هذا يتطلب تعديلات دقيقة على الغلايات، حيث يمكن أن يكون للكتلة الحيوية خصائص مختلفة لانصهار الرماد وقد تؤدي إلى مخاوف جديدة من التلوث أو التآكل، مما يستلزم إجراء تعديلات في معلمات الاحتراق وربما قدرة إضافية على نفخ السخام.

الأسئلة الشائعة

ما هي الاختلافات الرئيسية بين غلاية حرق النفايات والغلاية التي تعمل بالفحم؟

إن مبدأ الديناميكا الحرارية الأساسي متطابق، لكن التحديات تختلف بشكل كبير. أ غلاية حرق النفايات تم تصميمه لوقود أكثر تجانسًا ورطوبة وكيميائيًا. تشمل الاختلافات الرئيسية ما يلي: 1) التعامل مع الوقود: تتطلب النفايات البلدية الصلبة نظام تغذية وبشر قوي، على عكس الفحم المسحوق. 2) غرفة الاحتراق: مصمم للحصول على قيمة حرارية أقل وأكثر تنوعًا، وغالبًا ما يكون بحجم فرن أكبر من أجل الاحتراق الكامل. 3) إدارة التآكل: يتطلب الاستخدام المكثف مواد مقاومة للتآكل لمراجل حرق النفايات مثل السبائك عالية الجودة، والتي تكون أقل انتشارًا في مراجل الفحم. 4) خصائص الرماد: يعتبر رماد النفايات أكثر كشطًا ولزجًا ويحتوي على أملاح قابلة للذوبان، مما يتطلب أنظمة مختلفة لإزالة الرماد والتعامل معه. 5) التحكم في الانبعاثات: يحتوي غاز المداخن الناتج عن النفايات على تركيزات أعلى من حمض الهيدروكلوريك والديوكسينات والمعادن الثقيلة، مما يستلزم أنظمة أكثر تعقيدًا وصرامة للتحكم في تلوث الهواء.

كيف يتم قياس الكفاءة في غلاية تحويل النفايات إلى طاقة، وما هو المعدل النموذجي؟

الكفاءة في أ مولد بخار عالي الكفاءة لاسترداد الحرارة للحرق يتم تعريف السياق عادة على أنه صافي الكفاءة الكهربائية: الطاقة الكهربائية المصدرة إلى الشبكة مقسومة على مدخلات الطاقة الحرارية من النفايات (قيمة التدفئة المنخفضة - LHV). بسبب الرطوبة الكامنة والمحتوى الخامل في النفايات البلدية الصلبة، والحاجة إلى الحفاظ على درجات حرارة غاز المداخن مرتفعة بما يكفي لمكافحة التلوث، والحمل الطفيلي الكبير لأنظمة المحطة الخاصة (المراوح، المضخات، المعالجة)، فإن صافي الكفاءة الكهربائية أقل مما هو عليه في محطات الوقود الأحفوري. تحقق المحطات الحديثة عادةً صافي كفاءة كهربائية تتراوح بين 20-27%. يمكن لبعض المرافق المتقدمة ذات معلمات البخار العالية، والتكثيف المكثف لغاز المداخن لاستعادة الحرارة (لتدفئة المناطق)، والعمليات المحسنة أن تدفع إجمالي استرداد الطاقة (الحرارة والطاقة معًا) إلى أكثر من 90%.

لماذا أصبح حرق الكتلة الحيوية مع النفايات أكثر شيوعاً؟

اعتماد تكنولوجيا غلايات الكتلة الحيوية والنفايات المشتركة مدفوعة بعدة عوامل. أولاً، يعمل على تحسين البصمة الكربونية للمحطة، حيث تعتبر الكتلة الحيوية محايدة للكربون، مما يقلل بشكل فعال من متوسط ​​انبعاثات مزيج الوقود. ثانيًا، يمكنه تحسين استقرار الاحتراق وكفاءته عند مزجه مع تيارات النفايات منخفضة السعرات الحرارية أو عالية الرطوبة. ثالثًا، يمكن أن يخفف العناصر الضارة في الوقود، مثل الكلور والمعادن الثقيلة من النفايات، مما قد يقلل من معدلات التآكل ويجعل إدارة الرماد أسهل. وأخيرًا، فهو يوفر مرونة وأمانًا في استهلاك الوقود، مما يسمح للمصانع بتحسين تكاليف المواد الأولية وتوافرها. ومع ذلك، فإنه يتطلب تعديلات تشغيلية دقيقة لإدارة سلوك الرماد المختلف ومشاكل التلوث الجديدة المحتملة.

ما هي أهم مهام الصيانة اليومية؟

فعالة صيانة وتنظيف مراجل حرق النفايات يعتمد على بروتوكولات يومية متسقة. المهام الأكثر أهمية هي: 1) تنفيذ تسلسل نفخ السخام: تشغيل منافيخ السخام المختلفة وفق جدول زمني دقيق لمنع تراكم الرماد، وهو أمر ضروري للحفاظ على الكفاءة ومنع التآكل. 2) مراقبة نظام الرماد: التأكد من أن عملية استخراج الرماد السفلي من الشبكة وإزالة الرماد المتطاير من القواديس تعمل بشكل مستمر لمنع الانسداد الذي قد يؤدي إلى إيقاف التشغيل. 3) مراقبة الاحتراق والتكيف: المراقبة المستمرة لمستويات O2 وCO ودرجة الحرارة لتحسين اكتمال الاحتراق واستقراره، مما يؤثر بشكل مباشر على صحة الغلاية والانبعاثات. 4) التفتيش البصري: التحقق من وجود أي تسربات مرئية أو رواسب غير طبيعية أو أعطال في المعدات أثناء الجولات.

كيف تعمل المواد المتقدمة على إطالة عمر أنابيب الغلايات؟

متقدم مواد مقاومة للتآكل لمراجل حرق النفايات إطالة عمر الأنبوب من خلال تكوين طبقة أكسيد واقية مستقرة تقاوم هجوم الكلور والكبريت والمركبات القلوية في غاز المداخن. تحتوي السبائك مثل سبيكة 625 القائمة على النيكل على نسبة عالية من الكروم، مما يشجع على تكوين طبقة متينة من أكسيد الكروم (Cr2O3). كما أنها تحتفظ بقوتها الميكانيكية في درجات الحرارة المرتفعة، وتقاوم الزحف. عند استخدامها كطبقات لحام على جانب مدفأة الأنابيب الحساسة، فإنها توفر حاجزًا مقاومًا للتآكل، مما يسمح للكربون الحامل للضغط أو الأنبوب الفولاذي منخفض السبائك بالبقاء سليمًا لعقود من الزمن، وبالتالي تجنب عمليات استبدال الأنبوب الكامل المكلفة وتمديد الفواصل الزمنية بين انقطاعات الصيانة الرئيسية.

الخلاصة: تكنولوجيا حيوية للاقتصاد الدائري وأمن الطاقة

الحديث غلاية حرق النفايات يقف بمثابة شهادة على البراعة الهندسية، وتحويل التحدي المستمر المتمثل في النفايات غير القابلة لإعادة التدوير إلى أحد أعمدة البنية التحتية للطاقة المستدامة. أكثر من مجرد محرقة، فهي متطورة مولد بخار عالي الكفاءة لاسترداد الحرارة للحرق ، وهو نظام تم تصميمه بدقة للتعامل مع الوقود الصعب، ومكافحة التآكل الشديد باستخدام مواد متقدمة، وإنتاج الطاقة بشكل موثوق يومًا بعد يوم. من المتخصصة تحويل نفايات النفايات البلدية الصلبة إلى تصميم غلايات الطاقة الذي يضمن الاحتراق الكامل للبروتوكولات الصارمة صيانة وتنظيف مراجل حرق النفايات التي تضمن طول العمر، تم تحسين كل جانب للأداء وحماية البيئة. التكامل المستمر ل تكنولوجيا غلايات الكتلة الحيوية والنفايات المشتركة ويعزز دورها في التحول إلى الاقتصاد الدائري. باعتبارها عقدة مهمة في البنية التحتية الحضرية، توفر غلاية حرق النفايات حلاً صحيًا للنفايات، وتقلل من الاعتماد على مدافن النفايات، وتعوض الوقود الأحفوري، وتساهم في أمن الطاقة - مما يجعلها تقنية لا غنى عنها للمدن الحديثة المستدامة.