قد يكون للوقود المشتق من الإطارات قيمة حرارية أعلى من بعض أنواع الفحم، لكن القيمة الحرارية الأعلى لا تعني أنه يمكن أن يحل محل الفحم مباشرةً. كما أن ملاءمته للاستخدام في أفران الأسمنت تعتمد أيضًا على الخصائص الفيزيائية للوقود، وتركيبته الكيميائية، وظروف التشغيل الفعلية لنظام الفرن.
الملخص: قارن استهلاك الطاقة أولاً، ثم ملاءمة الفرن
يُستخدم وقود TDF عادةً لتعويض جزء من مدخلات الوقود التقليدية، وليس ليحل محل الفحم على نطاق واسع. تشير البيانات التاريخية الصادرة عن وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) إلى أن القيمة الحرارية للإطارات تتراوح تقريبًا بين 14,000 و15,500 وحدة حرارية بريطانية/رطل (حوالي 32.6–36.0 ميجا جول/كيلوغرام)، بينما تبلغ قيمة الفحم في المقارنة نفسها حوالي 10,000–13,000 وحدة حرارية بريطانية/رطل (حوالي 23.3–30.2 ميجا جول/كيلوغرام).[1]
أثناء تشغيل الفرن، يجب أن يظل إمداد الوقود مستقرًا مع الحفاظ على جودة الكلنكر، والتحكم في مستويات الكلور والعناصر النزرة، والوفاء بمتطلبات ترخيص الانبعاثات، وضمان الاستقرار العام لعملية الاحتراق. ولذلك، تتعامل إرشادات GCCA مع القيمة الحرارية باعتبارها مجرد عنصر واحد ضمن نظام أوسع نطاقًا لقبول أنواع الوقود البديلة.[2]
لا يمكن اعتبار مادة TDF والفحم متبادلين من حيث الوزن
الفحم ليس وقودًا واحدًا. كما أن القيمة الحرارية الإجمالية (TDF) متغيرة أيضًا. فتركيبات إطارات السيارات والشاحنات تختلف عن بعضها، كما أن وجود الفولاذ فيها يغير النسبة غير القابلة للاحتراق، وقد يؤدي التخزين في الهواء الطلق إلى إضافة الماء، كما أن أساس إعداد التقارير قد يؤثر على الرقم. وتصبح المقارنة مضللة عندما يُبلغ أحد المختبرات عن القيمة الحرارية الإجمالية على أساس جاف، بينما يتم تسعير الوقود الآخر حسب حالته عند الاستلام.
ويوضح تقرير دراسة تجريبية قديمة أجرتها وكالة حماية البيئة (EPA) هذه النقطة. فقد استخدم الجدول المقارن في ذلك التقرير تحليلًا متوسطًا لـ«TDF» تتميز عينة منه بمستوى رطوبة أقل وقيمة حرارية أعلى مقارنةً بعينة الفحم في تلك الدراسة. ويصف التقرير نفسه صراحةً مادة «TDF» بأنها تتمتع بقيمة حرارية أعلى من الفحم، وبمستوى كبريت يماثل تقريبًا مستوى الفحم متوسط الكبريت.[3] يُعد هذا الجدول مفيدًا كسياق هندسي، ولكن لا ينبغي نسخه في عقد الشراء.
| الميدان | مثال EPA لـ TDF | مثال على الفحم من وكالة حماية البيئة (EPA) | كيفية استخدام أداة المقارنة |
|---|---|---|---|
| قيمة التسخين | 7,428 كيلو كالوري/كجم | 6,396 كيلو كالوري/كجم | يوضح لماذا يمكن أن تكون الطاقة لكل طن عاملاً مؤيداً لتقنية TDF. |
| الرطوبة | 0.62% | 5.24% | تعد الرطوبة المنخفضة في الإطارات أمرًا مفيدًا، لكن مياه الأمطار وظروف التخزين قد تؤدي إلى تغيير خصائص المواد الموردة. |
| الرماد | 4.78% | 6.23% | تعد كمية الرماد وتركيبته الكيميائية عاملين مهمين، لأن أفران الأسمنت تدمج المواد المعدنية في العملية. |
| الكبريت | 1.23% | 1.59% | لا تعمم بناءً على قطعة فحم واحدة. |
| النيتروجين | 0.24% | 1.76% | يختلف محتوى النيتروجين باختلاف أنواع الوقود، لكن الانبعاثات الفعلية لأكاسيد النيتروجين (NOx) تعتمد إلى حد كبير على ظروف تشغيل نظام الاحتراق بأكمله. |
استخدم NCV أو HHV بشكل ثابت
قبل أن يقوم أي شخص بحساب “استبدال الفحم”، يجب تحديد أساس القيمة الحرارية المستخدم. فالقيمة الحرارية الإجمالية / القيمة الحرارية العالية تشمل الحرارة الكامنة المرتبطة ببخار الماء، بينما لا تشملها القيمة الحرارية الصافية / القيمة الحرارية المنخفضة. وكلاهما يمكن أن يكون صحيحًا، لكن يجب مقارنة نوعي الوقود على نفس الأساس وفي نفس حالة الرطوبة.
فيما يتعلق بشراء الأسمنت، غالبًا ما تكون قيمة NCV عند الاستلام أكثر فائدة من القيمة المختبرية الجافة في أفضل الأحوال، لأن المصنع يتحمل تكاليف نقل ومناولة المواد التي تصل فعليًّا إلى بوابة المصنع.
لماذا يمكن لأفران الأسمنت استخدام الوقود المشتق من الإطارات
تُعد أفران الأسمنت ذات صلة بهذه المقارنة لأنها تستخدم الوقود لتوليد الحرارة اللازمة للعمليات التي تتطلب درجات حرارة عالية، مع التحكم في الوقت نفسه في التركيب الكيميائي للكلنكر. وهذا يجعل اختيار الوقود يختلف عن مجرد اتخاذ قرار بشأن غلاية عادية: فالقيمة الحرارية مهمة، ولكن المساهمة الكيميائية للوقود وسلوك الاحتراق ونطاق التشغيل لنظام الفرن عوامل مهمة أيضًا.
ارتفاع القيمة الحرارية لا يعني إمكانية استبدال الفحم بشكل غير محدود
تتفاوت معدلات الاستبدال المنشورة تباينًا كبيرًا حسب تصميم الفرن وشكل الوقود ونقطة التغذية، لذا لا ينبغي اعتبار أي نسبة مئوية بمفردها حدًّا عامًّا. تشير دراسة حالة حديثة أجرتها جمعية GCCA لمشروع «جولدن باي» في نيوزيلندا إلى استخدام الإطارات المقطعة بمعدلات استبدال تصل إلى 40% في جهاز التكليس بعد تركيب معدات مخصصة للمناولة والتغذية.[4]
1. تصميم الفرن ونقطة التغذية
يؤدي وجود الموقد الرئيسي أو جهاز التكليس أو نقطة التغذية في منتصف الفرن إلى اختلاف درجة حرارة الوقود وبيئة الأكسجين ومدة البقاء وتاريخ الخلط. ولن يتصرف نفس شكل نفايات الوقود (TDF) بنفس الطريقة في كل نقطة.
2. جودة الوقود واتساقه
تدعو GCCA إلى ضمان جودة ثابتة للوقود البديل، بما في ذلك القيمة الحرارية المناسبة ومستويات محددة من المعادن والهالوجينات والرماد.[2] يُجبر الحمل المتغير المشغل على حماية العملية من خلال استخدام معدل تغذية أقل أو أكثر تحفظًا.
3. دورات الكلور والمواد المتطايرة
يخضع الكلور لقيود محددة في مواصفات الوقود البديل، لأن الإفراط في استخدامه قد يتسبب في صعوبات في العمليات داخل نظام الفرن.[2] وبالتالي، فإن الحصة المسموح بها من مادة TDF تعتمد على إجمالي المدخلات من جميع أنواع الوقود والمواد الخام، وليس على تحليل الإطارات وحده.
4. العناصر النزرة وكيمياء الكلنكر
غالبًا ما تُناقش مسألة الزنك والعناصر النزرة الأخرى الموجودة في الإطارات في الأدبيات الفنية. ويجب على كيميائي المصنع تقييم الكمية التراكمية لهذه العناصر وتأثيرها على الكلنكر وجودة الأسمنت، بدلاً من تطبيق نسبة مئوية عامة مستمدة من الإطارات.
5. سعة المناولة والقياس
قد يكون الفرن قادرًا من الناحية الكيميائية على استخدام كمية من الوقود البديل (TDF) تفوق ما يمكن لنظام الاستلام والتغذية التابع له توفيره بشكل مستمر. وقد تصبح الظواهر مثل تشكل الجسور، والأسلاك الطويلة، والرقائق غير المنتظمة، أو سعة المغذي غير الكافية، هي العائق الحقيقي.
6. شروط الترخيص والرصد
تشير GCCA إلى أنه يمكن توضيح تفاصيل نقاط التغذية، ومحتوى الطاقة، والحدود القصوى للعناصر النزرة، وإجراءات أخذ العينات في الترخيص.[2] لا يجوز لمشروع ما أن يستخدم معدل الاستبدال الخاص بمحطة أخرى لتجاوز الأساس التنظيمي الخاص به.
كيفية مقارنة طن واحد من TDF بطن واحد من الفحم
ابدأ بالطاقة، لا بالكتلة. إذا كانت عينة TDF التي تم التحقق منها تحتوي على طاقة قابلة للاستخدام لكل كيلوغرام أكثر من الفحم الذي سيتم استبداله، فقد تكون هناك حاجة إلى كتلة أقل من TDF لتحقيق نفس المدخلات الحرارية النظرية. وهذا لا يعني أن الفرن سيحقق نفس نسبة التحويل «واحد مقابل واحد» أثناء التشغيل، ولكنه يوفر المعيار الأول الصحيح.
من أجل حساب توضيحي فقط, ، لنفترض أن مختبرًا متعاقدًا أبلغ أن قيمة TDF تبلغ 33 جيجا جول/طن من القيمة الحرارية الصافية (NCV)، وأن قيمة الفحم تبلغ 26 جيجا جول/طن من القيمة الحرارية الصافية (NCV) على أساس «كما تم استلامه» نفسه. يحتوي الطن الواحد من نفايات TDF على 33 جيجا جول، وهو ما يعادل نظريًا حوالي 1.27 طن من ذلك الفحم من حيث الطاقة. ومع ذلك، يجب على المحطة أن تأخذ في الاعتبار خبرتها التشغيلية وكفاءة الاحتراق والقيود المسموح بها على مزيج الوقود قبل تحويل هذه النسبة إلى توقعات شراء.
مقارنة تكلفة التسليم لكل جيجا جول مقبولة
قد يتطلب الفحم عملية طحن ونظام تغذية متطورًا. أما مادة TDF فقد تتطلب جمع الإطارات، وتقطيعها، وغربلتها، ومراقبة جودتها، وتخزينها بشكل خاص، وتزويدها عبر مغذي منفصل. ولذلك، فإن المقياس الفعّال هو تكلفة الطاقة المقبولة التي يتم تزويدها إلى نظام الفرن، وليس مجرد سعر الطن عند بوابة منشأة إعادة التدوير.
ماذا تعني هذه المقارنة بالنسبة لشراء الوقود
السؤال المفيد الذي يجب طرحه عند الشراء ليس: “كم طنًا من الفحم يستبدله الطن الواحد من TDF؟” بل هو “ما مقدار الطاقة الحرارية المقبولة التي يوفرها كل وقود يتم تسليمه وفقًا لنفس أساس الإبلاغ؟” وهذا يعني أن المقارنة يجب أن تبدأ بالقيمة الحرارية الصافية (NCV) أو القيمة الحرارية العالية (HHV)، على أساس الرطوبة وسعر التسليم، ثم تنتقل إلى القيود الخاصة بالموقع التي يمكن أن تحد من مقدار تلك الطاقة التي يمكن للفرن استخدامها فعليًّا.
قد يكون لوقودين، على الرغم من تشابه تكلفة التوصيل لكل جيجا جول، قيمة تشغيلية مختلفة تمامًا. فقد يكون قياس كمية الفحم المورد أسهل، كما أن فريق تشغيل الفرن قد يكون أكثر اعتيادًا عليه. وقد يوفر الوقود المشتق من النفايات (TDF) قيمة طاقية جذابة ويقلل من الطلب على الوقود الأحفوري، ولكن فقط عندما تظل عوامل مثل انتظام الإمداد، والمناولة، والخصائص الكيميائية، ونطاق الاستبدال المعتمد، تحت السيطرة.
وبالنسبة لفرق المشتريات، فإن النتيجة العملية لهذه المقارنة تتمثل في إطار عمل لاستلام الوقود واختباره: أساس مشترك للطاقة، وحدود كيميائية متفق عليها، واتساق في التسليم، وخطة تدريجية للاستبدال، وطريقة واضحة لقياس استجابة الفرن.
TDF مقابل الفحم: مقارنة عملية لمشاريع الأسمنت
| حقل القرار | TDF | الفحم | آثار المشروع |
|---|---|---|---|
| قيمة التسخين | غالبًا ما تكون مرتفعة؛ وتُظهر المقارنات التاريخية التي أجرتها وكالة حماية البيئة (EPA) قيمًا أعلى من تلك المسجلة في عينات الفحم النموذجية. | يختلف اختلافًا كبيرًا حسب الرتبة والمصدر ونسبة الرطوبة. | قارن بين قيم NCV وHHV التي تم التحقق منها على أساس واحد. |
| الرطوبة | المطاط في حد ذاته منخفض الرطوبة، لكن التخزين قد يؤدي إلى دخول الماء إليه. | يمكن أن تتراوح بين الدرجات الجافة نسبيًّا إلى الدرجات عالية الرطوبة. | استخدم القيم كما هي عند الاستلام في حسابات الطاقة الموردة. |
| تحضير الوقود | قد يتطلب الأمر عملية التقطيع والغربلة ومراقبة الفولاذ والملوثات. | غالبًا ما تستخدم أنظمة التكسير/الطحن وأنظمة الوقود المسحوق المعتمدة. | أدرج سلسلة المناولة بأكملها في مقارنات التكلفة والموثوقية. |
| المحتوى المعدني | يمكن أن يضيف الفولاذ المتبقي كمية من الحديد؛ كما تدخل رماد الإطارات والعناصر النزرة إلى نظام الفرن. | كما يسهم رماد الفحم في توفير المواد المعدنية والخصائص الكيميائية. | يقوم كيميائي المصنع بتقييم إجمالي مدخلات العلف الخام والوقود. |
| سلوك التغذية | قد تشكل الرقائق غير المنتظمة والأسلاك المكشوفة تحديًا في عمليات التخزين والقياس. | عادةً ما تتم معالجة الفحم المطحون بواسطة نظام مخصص للوقود الناعم. | قد تؤدي السعة المادية لتغذية المحطة إلى تقييد إنتاج الوقود المشتق من النفايات (TDF) قبل أن يؤدي الطلب الحراري إلى ذلك. |
| معدل الاستبدال | لا يوجد سعر موحد. | عادةً ما يُشير هذا المصطلح إلى الوقود التقليدي المستخدم في الأنظمة التي تعمل بالفحم. | يجب إثبات معدل استهلاك الوقود (TSR) في الفرن المحدد ومع مزيج الوقود المسموح به. |
| الانبعاثات | لا يمكن تعميم ذلك بمعزل عن تشغيل الفرن وأنظمة التحكم فيه. | كما يعتمد ذلك على التركيب الكيميائي للفحم والمواد الخام وعمليات المراقبة. | استخدم شروط ترخيص الاستخدام ونتائج مراقبة النباتات بدلاً من الادعاءات العامة. |
| نموذج التوريد | يعتمد ذلك على إجراءات جمع الإطارات عند انتهاء عمرها الافتراضي محليًّا، وعمليات تجهيزها، والعقود المبرمة في هذا الصدد. | عادةً ما يتم شراؤه كوقود تقليدي. | يمكن أن يصبح أمن الإمدادات النفطية بنفس أهمية السعر الاسمي. |
متى يكون TDF الخيار الأنسب — ومتى قد يظل الفحم الخيار الأسهل
يُعد TDF خيارًا مرشحًا قويًّا عندما
- يتمتع مصنع الأسمنت بمسار معتمد لاستخدام الوقود البديل ونظام استلام/تغذية مناسب؛;
- يمكن أن يفي العرض المحلي للإطارات بالكمية الشهرية المطلوبة من الوقود دون حدوث فجوات موسمية كبيرة؛;
- يمكن لمُعالج النفايات أن يلتزم بشكل متكرر بالحدود المحددة كتابةً فيما يتعلق بالحجم، والسلك، والتلوث، وجودة الوقود؛;
- تظل الجدوى الاقتصادية للطاقة المُوردة تنافسية بعد مراحل التحضير والتخزين والنقل ومراقبة الجودة؛;
- يمكن للمصنع التحكم في إجمالي مدخلات الكلور والكبريت والعناصر النزرة دون الإخلال باستقرار الفرن أو التركيب الكيميائي للكلنكر.
قد يظل الفحم أسهل من الناحية التشغيلية عندما
- لا توجد نقطة تغذية TDF مسموح بها، أو أن نظام الوقود البديل أصغر من اللازم بالنسبة للمعدل المقترح؛;
- إمدادات الإطارات غير منتظمة، ولا يستطيع المصنع تحمل التقلبات في إمدادات الوقود والطاقة؛;
- لا يستطيع منتج TDF التحكم بشكل موثوق في الأسلاك الطويلة أو ذات الأبعاد الزائدة أو الملوثة؛;
- لا تتيح التركيبة الكيميائية الحالية للفرن أو دورات المواد المتطايرة فيه سوى هامش ضئيل لإضافة كميات إضافية من الوقود؛;
- تتجاوز تكلفة النقل قيمة الطاقة بحلول الوقت الذي يصل فيه الوقود إلى المحطة.
أسئلة يجب الإجابة عليها قبل مقارنة TDF بالفحم
- ما هي درجة الفحم أو فحم الكوك البترولي التي تُعتبر الوقود المرجعي؟
- هل يتم الإبلاغ عن كلا النوعين من الوقود على أساس نفس القيمة الحرارية الصافية/القيمة الحرارية العالية ونسبة الرطوبة؟
- ما هي تكلفة التسليم لكل جيجا جول (GJ) مقبولة، بدلاً من حسابها بالطن فقط؟
- ما مدى التباين في القيمة الحرارية، والرطوبة، والرماد من دفعة إلى أخرى؟
- ما هي الحدود القصوى المسموح بها للكلور والكبريت والزنك والعناصر النزرة الأخرى التي يجب مراعاتها في هذا الفرن؟
- ما هي نقطة التغذية ومنطقة الاحتراق اللتان ستحددان مدى قابلية الاستبدال؟
- ما هو مستوى الاستبدال الذي سيتم اختباره أولاً، وما هي مؤشرات التشغيل التي ستحدد وتيرة التوسع؟
- كيف سيتم تقييم جودة الكلنكر، والانبعاثات، واستقرار الفرن، وأداء تغذية الوقود خلال الفترة التجريبية؟
- ما هي شروط الترخيص أو الإبلاغ التي تفرض قيودًا على تركيبة الوقود المعتمدة؟
- هل تستطيع سلسلة التوريد المحلية لـ TDF الحفاظ على الاتساق المطلوب في الطاقة والخصائص الكيميائية على المدى الطويل؟
الأسئلة الشائعة
هل تتمتع مادة TDF بقيمة حرارية أعلى من الفحم؟
في كثير من الأحيان، نعم. تُظهر المقارنات التاريخية التي أجرتها وكالة حماية البيئة (EPA) أن وقود الإطارات يتفوق على عينات الفحم النموذجية من حيث القيمة الحرارية. ويعتمد الفرق الفعلي على تركيبة الإطارات، وكمية الفولاذ المتبقية فيها، والرطوبة، ودرجة جودة الفحم، وطريقة الاختبار؛ لذا ينبغي للمشاريع التجارية مقارنة عيناتها التمثيلية الخاصة بها.
هل يمكن لطن واحد من الوقود المستخرج من النفايات (TDF) أن يحل محل طن واحد من الفحم؟
ليس بشكل موثوق. قم أولاً بمقارنة الطاقة المؤكدة. إذا كان لـ TDF قيمة NCV أعلى لكل طن، فقد يكون المكافئ النظري للكتلة أقل، لكن قيود التغذية والاحتراق والترخيص الخاصة بالفرن لا تزال هي التي تحدد البديل القابل للاستخدام.
ما هو الحد الأقصى لمعدل استبدال مادة TDF في فرن الأسمنت؟
لا يوجد حد أقصى عام. وتشير المشاريع المنشورة إلى قيم مختلفة؛ وذلك بسبب الاختلافات في تصميم الأفران، وموقع تغذية الوقود، والتركيب الكيميائي، ومحتوى الكلور والعناصر النزرة، واستقرار الاحتراق، ومعدات المناولة، والتراخيص. وينبغي التعامل مع المعدل الذي تم تحقيقه في مصنع آخر على أنه حالة فردية، وليس ضمانًا.
هل تنتج تقنية TDF دائمًا انبعاثات أقل من الفحم؟
لا توجد معايير عامة مناسبة لتقييم الانبعاثات. وتشير GCCA إلى أن العديد من انبعاثات أفران الأسمنت تتأثر بشدة بالمواد الخام وطريقة تشغيل المصنع، في حين أن الوقود البديل يتطلب معايير قبول صارمة، وضوابط ترخيص، ومراقبة دقيقة. وينبغي أن تستند المقارنة إلى البيانات الخاصة بالموقع.
لماذا تحتفظ TDF أحيانًا بالفولاذ في الرقاقة؟
في بعض مصانع الأسمنت، يمكن أن يسهم الفولاذ المتبقي في الإطارات في تزويد العملية بالحديد. وحتى في هذه الحالة، قد يتم الحد من استخدام الأسلاك الطويلة المكشوفة أو المعادن السائبة لأنها قد تتداخل مع عمل الناقلات وأجهزة التغذية. وينبغي أن تفصل مواصفات الوقود بين الفائدة الكيميائية وقبولها من حيث سهولة المناولة.
ما الذي يجب أن يحصل عليه منتج TDF من مصنع الأسمنت أولاً؟
اطلب ورقة قبول الوقود المكتوبة، ونموذج الوقود المعتمد، ومعايير نقطة التغذية وحجمها والأسلاك، والقيمة الحرارية وأساس الرطوبة، والحدود الكيميائية، وإجراءات أخذ العينات، وطريقة التفريغ، والطلب الشهري المتوقع قبل تحديد خط الإنتاج.
ضبط خط TDF وفقًا لمواصفات الوقود الخاصة بمصنع الأسمنت
أرسل إلى YUXI مزيج الإطارات، وأبعاد الإطارات القصوى، والمتطلبات شكل وحجم TDF, ، الحد الأقصى للفولاذ المكشوف، الإنتاج النهائي المتوقع، استمارة قبول مستخدمي الوقود، مخطط الموقع، وإمدادات الطاقة المحلية. ومن ثم يمكن تهيئة خط الإنتاج وفقًا للمنتج الذي يمكن للفرن استيعابه فعليًّا.
المراجع
- دراسة أجرتها وكالة حماية البيئة (EPA) – مقارنة تاريخية بين قيمة حرارية مادة TDF وقيمة حرارية الفحم.
- أسئلة وأجوبة حول GCCA – مدى قبول الوقود البديل، والضوابط، وسياق استخدامه في الأفران.
- المشروع التجريبي لوكالة حماية البيئة (EPA) – مثال على تركيبة مادة TDF/الفحم وإرشادات السلامة المتعلقة بالاحتراق.
- قضية GCCA – مثال على استبدال الإطارات المتشققة في «جولدن باي».