تطبيقات الكربون المنشط في استعادة البخار

لعقود من الزمن، كان استخلاص بخار الهيدروكربون عملية لا غنى عنها في عمليات تحميل الوقود. منذ التركيب-على نطاق واسع لوحدات استعادة البخار (VRUs) في التسعينيات، ظهرت التكنولوجيا المعتمدة على امتصاص الكربون المنشط متبوعة بالتجديد الفراغي باعتبارهاأفضل التقنيات المتاحة (BAT)بالنسبة للغالبية العظمى من التطبيقات. تشير التقديرات إلى أن أكثر من 95% من وحدات VRU المبنية حديثًا في جميع أنحاء العالم تتبنى هذه العملية. عند تصميمه بشكل صحيح، يتميز نظام الكربون المنشط-المتجدد بالفراغ بكفاءة عالية،-فعالية من حيث التكلفة، والسلامة والموثوقية القصوى-حتى مع الحد الأدنى من متطلبات الصيانة.

 

 

وصف العملية

البخار الذي سيتم معالجته في وحدة VRU عبارة عن خليط من الهواء والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، والتي تحتوي عادةً على20-50% من المركبات العضوية المتطايرة من حيث الحجم. تتكون جزيئات المركبات العضوية المتطايرة من مركبات أخف تتبخر أثناء تحميل البنزين أو الزيت الخام أو المنتجات المماثلة. يمر البخار عبر طبقة من الكربون المنشط، والتي تتميز بمساحة سطحية هائلة تتكون من ملايين المسام. يمكن تصور الكربون المنشط على أنه"الإسفنج الجزيئي"، حيث تلتصق مكونات المركبات العضوية المتطايرة بجدران المسام عبر قوى بين الجزيئات ضعيفة تُعرف باسمقوات فان دير فالس. لا تحدث أي تغييرات كيميائية سواء للكربون المنشط أو جزيئات المركبات العضوية المتطايرة أثناء عملية الامتزاز هذه. بفضل قدرة الامتصاص العالية للكربون المنشط، يمكن تقليل انبعاثات الهيدروكربون من وحدات VRU إلى مستويات منخفضة للغاية.

 

تشتمل وحدة VRU على سريرين أو أكثر من الكربون المنشط يعملان فيوضع ركوب الدراجات الامتزاز/التجديد، حيث تستغرق كل دورة عادةً من 10 إلى 15 دقيقة. أثناء مرحلة التجديد، تعمل مضخة التفريغ على تقليل الضغط داخل طبقة الكربون40-80 مليبار. يؤدي هذا الضغط المنخفض إلى تغيير التوازن، مما يؤدي إلى تعطيل القوى الضعيفة بين المركبات العضوية المتطايرة والكربون المنشط، والسماح لجزيئات المركبات العضوية المتطايرة بالخروج من طبقة الكربون من خلال مضخة التفريغ كتيار غاز عالي التركيز- (95% من المركبات العضوية المتطايرة و5% هواء من حيث الحجم). يتدفق تيار الغاز بشكل معاكس من خلالبرج الامتصاصحيث يتلامس مع مادة ماصة (عادةً بنزين طازج)، وبالتالي يتم امتصاص مكونات المركبات العضوية المتطايرة في مادة ماصة طازجة. يتم إعادة تدوير الهواء الذي يخرج من برج الامتصاص، والذي لا يزال مشبعًا بكميات ضئيلة من المركبات العضوية المتطايرة، عن طريق الخلط مع غاز التغذية المحمل بالمركبات العضوية المتطايرة - الداخل إلى طبقة الكربون الامتزاز. يؤدي هذا إلى إنشاء حلقة داخلية صغيرة معصفر انبعاثات.

الكربون المنشط

المواد الخام شائعة الاستخدام هي سلسلة Yuanli GRP وHEM. يُظهر هذا الكربون المنشط قدرة امتصاص ممتازة، ويجب ضمان قوته الميكانيكية لتجنب توليد الغبار الزائد.

 

تمتلك المواد الخام بالفعل درجة معينة من المسامية ومساحة سطحية محددة تبلغ 10-15 مترًا مربعًا لكل جرام. ومع ذلك، أثناء عملية التنشيط-التي يتم إجراؤها عادةً في جو بخاري مؤكسد عند درجات حرارة تتراوح من 800 درجة إلى 1100 درجة -تزيد مساحة سطحها المحددة إلى أكثر من 1500 متر مربع لكل جرام.

 

يوفر الهيكل المسامي الصغير للكربون المنشط وسيلة فعالة للامتصاص، في حين تعتبر المسام المتوسطة والمسام الكبيرة ضرورية لقنوات النقل الجزيئي. لذلك، من الضروري ألا يحتوي الكربون المنشط على مساحة سطح داخلية متطورة للغاية فحسب، بل يتميز أيضًا بشبكة من المسام بأقطار مختلفة تتيح الوصول إلى هذا السطح.

 

مورفولوجيا - حبيبية أم مكعبات؟

يتوفر الكربون المنشط إما في شكل حبيبي أو في شكل حبيبات مقذوف. يعد الكربون المنشط الحبيبي بشكل عام الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة-، ولكنه يميل إلى التجمع معًا وتشكيل مناطق كثيفة. تخلق هذه المناطق انخفاضات ضغط أعلى ومساحات ميتة داخل الطبقة الكربونية، مما يؤدي إلى توجيه حيث يتدفق الغاز بشكل تفضيلي عبر مسارات-عالية النفاذية. سوف يؤثر الامتزاز والتجديد غير المتساوي عبر طبقة الكربون بأكملها سلبًا على الأداء العام لوحدة استعادة البخار (VRU).

 

يتم إنتاج الكربون المنشط الكريات عن طريق مزج مسحوق الكربون المنشط مع مادة رابطة وبثق الخليط في أشكال أسطوانية. يُنظر إليه على نطاق واسع على أنه الخيار الأفضل لوحدات VRU لأنه أقل عرضة للتعبئة وتشكيل المناطق الميتة. في تطبيقات VRU، عادةً ما يبلغ قطر الكربون المنشط المحبب 4 ملم. والأهم من ذلك، أنه لا ينبغي خلط الكربون المنشط بأقطار مختلفة، لأن ذلك سيؤدي إلى تعبئة أكثر إحكامًا وانخفاض الضغط بشكل أكبر عبر طبقة الكربون.

 

القدرة والامتزاز المتبقي

تشير قدرة الامتزاز إلى كتلة المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) التي يمكن امتصاصها بشكل إضافي لكل وحدة كتلة من الكربون المنشط. تبلغ سعة الكربون المنشط الطازج عادةً 30% من الوزن، مما يعني أن 1 كيلوغرام من الكربون يمكنه امتصاص 0.3 كيلوغرام من المركبات العضوية المتطايرة قبل الوصول إلى التشبع الكامل. لاستعادة الكربون بالكامل إلى سعته الأصلية، يلزم إعادة التنشيط باستخدام البخار عند درجة حرارة 1000 درجة. ومع ذلك، تؤدي هذه العملية إلى استنزاف كبير للكربون، حيث يتم فقدان نسبة كبيرة من الكربون على شكل غبار. نظرًا لعدم جدواه العملي في الأنظمة الدورية، يتم استخدام طريقة أكثر اعتدالًا لتجديد الفراغ بدلاً من ذلك. من خلال التجديد الفراغي، تبلغ السعة-الطويلة الأمد (المعروفة أيضًا باسم "قدرة العمل") للكربون المنشط المعتمد على المعدن-حوالي 8% بالوزن. يُشار إلى الفرق بين السعة الطازجة وقدرة العمل باسم "الامتزاز المتبقي".

 

حرارة الامتزاز

عملية الامتزاز طاردة للحرارة. أثناء التشغيل الدوري العادي لطبقة الكربون، تؤدي الحرارة المنطلقة إلى رفع درجة الحرارة بنحو 10-20 درجة فوق درجة الحرارة المحيطة. بعض الهيدروكربونات، مثل الكيتونات والألدهيدات، أكثر تفاعلية ويمكن أن تسبب ارتفاعًا في درجة الحرارة داخل طبقة الكربون. تكون أنواع معينة من الكربون المنشط-خاصة تلك المشتقة من قشور الخشب وجوز الهند-أكثر عرضة لـ "الهروب الحراري" أو "النقاط الساخنة"، مما يستلزم إغلاق وحدة VRU، وتطهيرها بغاز خامل، وتبريدها تحت إشراف دقيق. عندما يتعرض الكربون المنشط الطازج لأول مرة للأبخرة، فإنه يظهر تفاعلية عالية ويولد حرارة كبيرة. يمكن أن ترتفع درجة الحرارة داخل طبقة الكربون إلى حوالي 100 درجة، لذلك يجب أن يتم تنفيذ تشغيل الكربون الطازج في وحدات VRU (المعروفة أيضًا باسم "التحميل المسبق") بواسطة متخصصين مدربين.

 

الاهتمام الرئيسي: تجنب الغبار

يعد الغبار مشكلة حرجة يجب تجنبها، لأنه يؤدي إلى انخفاض الضغط، ويقلل من قدرة الامتصاص عن طريق سد المسام السطحية، ويسبب تآكلًا مفرطًا لمضخات التفريغ ومضخات الامتصاص، ويسد المرشحات، ويتراكم في صهاريج تخزين البنزين.

من الضروري أن تخضع كل دفعة من الكربون المنشط للاختبار وفقًا للمعايير المهمة لتشغيل وحدة VRU، بما في ذلك محتوى الغبار والجفاف والكثافة وحجم الجسيمات والصلابة والقدرة على العمل.

 

ضمان ظروف التشغيل المثلى للكربون المنشط

في وحدة VRU المصممة بشكل صحيح، يتراوح عمر خدمة الكربون المنشط عادةً من 10 إلى 20 عامًا. ومع ذلك، إذا فشل تصميم وحدة VRU في ضمان ظروف تشغيل مناسبة للكربون، فقد يتم تقصير فترة خدمتها إلى أقل من 4 إلى 5 سنوات.

 

الحركة داخل السرير الكربوني

في وحدات VRU، تدور دورات الضغط بين الضغط الجوي والفراغ العميق أربع مرات على الأقل في الساعة. في بداية كل دورة تجديد، تعمل مضخة التفريغ بكامل طاقتها لتقليل الضغط إلى عتبة الامتزاز. بعد اكتمال عملية التجديد، يجب معادلة الضغط بسرعة لإعادة طبقة الكربون إلى حالة جاهزة لدورة الامتزاز التالية. ما لم يتم تثبيت الطبقة الكربونية بشكل آمن، فإن قوة السحب والدفع المستمرة هذه ستتسبب في احتكاك جزيئات الكربون ببعضها البعض وتآكلها وتحولها إلى غبار. من الواضح أن الكربون منخفض القوة- سوف ينكمش بسرعة أكبر، وسوف يتجمع الكربون الحبيبي بشكل أكثر إحكامًا في الكتل. حتى الكربون المحبب الصلب ذو الأساس المعدني- سوف يتآكل تدريجيًا وينتج عنه غبار بمرور الوقت. بالإضافة إلى منع حركة الكربون،-يجب أيضًا على وحدة VRU المصممة جيدًا التحكم في القوى (معادلة الفراغ والضغط) المؤثرة على طبقة الكربون وتقليلها.

عادةً ما يكون فقدان كتلة الكربون بسبب توليد الغبار هو العامل الوحيد الأكثر أهمية الذي يؤثر على عمر خدمة الكربون المنشط-ويمكن تجنب ذلك بشكل كامل تقريبًا من خلال تصميم وحدة VRU المناسبة.

 

الامتزاز المتبقي على المدى الطويل-

كما ذكرنا سابقًا، يشير الامتزاز المتبقي إلى جزء من سعة الامتزاز الأولية التي لا يمكن استعادتها من خلال تجديد الفراغ. يمكن تصورها على أنها مسام مشغولة بشكل دائم بجزيئات المركبات العضوية المتطايرة التي لا يمكن إزالتها بالفراغ. في أي نظام، يزداد الامتزاز المتبقي ببطء مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى انخفاض تدريجي في القدرة على العمل. ينبغي توقع انخفاض سنوي في القدرة بمقدار بضع نقاط مئوية. تشتمل وحدات VRU-المصممة جيدًا على هامش أمان أولي للتعويض عن هذا الانخفاض. وكجزء من برنامج صيانة VRU السليم، يجب أيضًا استخراج عينات الكربون وتحليلها بشكل دوري لتحديد الوقت الأمثل لاستبدال الكربون مسبقًا.

 

المعلمة	متطلبات الهدف	الاختيار الأمثل
توزيع تدفق طبقة الكربون	يوفر توزيع التدفق الموحد أطول عمر خدمة، وأقل انخفاض في الضغط، وأقصى سعة إجمالية لوحدة VRU.	كربون حبيبي بقطر 4 مم
تراب	انخفاض محتوى الغبار الأولي	الكربون الذي خضع للتنظيف العميق واختبارات أخذ العينات المتكررة
القوة الميكانيكية	يقاوم الكربون الصلب عالي الصلابة-التفتت إلى غبار وتدهور، مما يضمن عمر خدمة طويلًا	كربون ذو أساس معدني-عالي-عالي الجودة مع مؤشر صلابة/تآكل محدد
القدرة على العمل	عالية بما يكفي لضمان كفاءة جيدة-على المدى الطويل لوحدة VRU، ولكن ليست عالية بشكل مفرط (حيث يؤدي ذلك إلى زيادة خطر الانفلات الحراري)	كربون ذو أساس معدني- مع سجلات كاملة لقدرة العمل على المدى الطويل-.
كثافة	يتم تحديد كمية الكربون دائمًا بالوزن، ولكن الاختلافات الكبيرة في الكثافة تجعل هذا عاملاً رئيسيًا عند حساب أبعاد علبة الكربون	يجب أن تكون القدرة على العمل مرتبطة بالكثافة؛ يجب التحقق من الكثافة الظاهرية الجافة لكل دفعة
انخفاض الضغط المنخفض	الكربون الذي لا يتجمع بسهولة في كتل كثيفة	كربون حبيبي بقطر 4 مم
السلامة/درجة حرارة الاشتعال التلقائي	توفر درجة حرارة الاشتعال الذاتي الأعلى هامش أمان أكبر ضد الهروب الحراري في الطبقة الكربونية.	Mineral-based carbon with documented autoignition temperature >450 درجة
	من المرجح أن تشكل الكتل الكثيفة نقاطًا ساخنة	ويفضل الكربون المحبب على الكربون الحبيبي

 

اختيار الكربون المنشط الأمثل لوحدات استعادة البخار

عند اختيار الكربون المنشط المثالي لوحدات استعادة البخار (VRUs)، تشمل المعايير الأكثر أهمية ما يلي:

فيضان سرير الكربون

يؤدي غمر الكربون المنشط في المادة الماصة السائلة إلى حدوث ضرر لا يمكن إصلاحه. ويجب منع ذلك عن طريق تركيب أجهزة كشف مناسبة عالية المستوى-عند مدخل البخار وبرج الامتصاص.

دخول الهباء الجوي إلى السرير الكربوني

ومن الأهمية بمكان أن يكون برج الامتصاص مزودًا بمزيل الضباب، وأن يتم التحكم في معدلات التدفق عبر مضخة التفريغ وبرج الامتصاص لتجنب احتجاز الهباء الجوي في طبقة الكربون-وهذا سيؤدي إلى تلف لا يمكن إصلاحه للكربون المنشط.