تأثير وآفاق تطبيق مولدات الأوزون في تنقية غازات المداخن
# تأثير وآفاق تطبيق مولدات الأوزون في تنقية غازات المداخن
مع تسارع وتيرة التصنيع العالمي، أصبحت الملوثات، مثل أكاسيد النيتروجين (NOx) وثاني أكسيد الكبريت (SO₂) والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، في الانبعاثات الصناعية، أسبابًا رئيسية لتدهور جودة الهواء. تواجه تقنيات تنقية غازات المداخن التقليدية، مثل الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) والاختزال الانتقائي غير التحفيزي (SNCR)، مشكلات مثل ضيق نطاق درجات الحرارة، وتسمم المحفزات، وارتفاع مخاطر التلوث الثانوي. في ظل هذه الظروف، أصبحت مولدات الأوزون، بخصائصها المؤكسدة القوية وقدرتها على معالجة ملوثات متعددة في آن واحد، تدريجيًا توجهًا للابتكار التكنولوجي في تنقية غازات المداخن.
## 1. المبادئ التقنية والمزايا الأساسية لمولدات الأوزون
يتمتع الأوزون (O₃) بإمكانية أكسدة واختزال عالية تصل إلى 2.07 فولت، وهو ثاني أعلى قيمة بعد الفلور، ويعتمد إنتاجه على تقنية التفريغ الإكليلي: حيث يُحلل مجال كهربائي عالي الجهد الهواء أو الأكسجين، مما يُؤدي إلى تفكك جزيئات الأكسجين (O₂) واتحادها مُجددًا لتكوين جزيئات الأوزون. تتيح هذه العملية التحكم الدقيق في تركيز الأوزون ومخرجاته من خلال ضبط الجهد والتيار ومعدل تدفق الغاز.
بالمقارنة مع التقنيات التقليدية، تتمتع مولدات الأوزون بثلاث مزايا أساسية:
١. **إمكانية إزالة النتروجين بكفاءة عالية ومعالجة تآزرية**: يمكن للأوزون أكسدة أكسيد النيتروجين منخفض التكافؤ وتحويله إلى أكاسيد نيتروجين عالية التكافؤ مثل NO₂ وN₂O₅، وهي أكاسيد سريعة الذوبان في الماء، ويمكن دمجها مع عمليات الغسل الرطب اللاحقة لتحقيق كفاءة إزالة النتروجين. على سبيل المثال، حقق مُولّد الأوزون عالي التركيز (تركيز الأوزون ١٨٠-٣٠٠ ملغم/لتر) الذي طورته شركة شاندونغ تشيوي في معالجة غازات مداخن التلبيد في مصانع الصلب معدل إزالة لأكاسيد النيتروجين تجاوز ٨٠٪، مع إزالة ثاني أكسيد الكبريت والزئبق في الوقت نفسه، مما حسّن بشكل كبير من كفاءة التنقية الكلية.
٢. **تكيف واسع مع درجات الحرارة**: يمكن أن تحدث تفاعلات أكسدة الأوزون ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين درجة حرارة الغرفة و٢٠٠ درجة مئوية، دون الحاجة إلى تسخين أو تبريد إضافي لغازات المداخن. على سبيل المثال، في محطة حرق النفايات الصلبة البلدية، حافظ الجمع بين مولدات الأوزون وعمليات امتصاص الكربون المنشط على استقرار التشغيل رغم تقلبات درجة حرارة غازات المداخن، محققًا معدل إزالة لأكاسيد النيتروجين بنسبة ٧٥٪ دون استهلاك كميات كبيرة من ماء الأمونيا أو الحجر الجيري كعوامل اختزال.
٣. **لا تلوث ثانوي واستهلاك منخفض للطاقة**: يتحلل الأوزون إلى أكسجين بعد التفاعل، دون ترك أي مخلفات كيميائية. يتميز الجهاز بهيكل بسيط، حيث يشغل حوالي ثلث مساحة نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR)، ويمكن لتقنية التردد المتغير الذكية أن تقلل استهلاك الطاقة بأكثر من ٣٠٪. أظهرت دراسة حالة أجرتها شركة كيميائية أن تكلفة تشغيل نظام نزع النتروجين من الأوزون كانت أقل بنسبة ٢٥٪ من تكلفة نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR)، مع تمديد فترات الصيانة إلى ستة أشهر.
## 2. سيناريوهات التطبيق النموذجية والنتائج التجريبية
١. **صناعة الصلب**: يتميز غاز المداخن الناتج عن عملية التلبيد بارتفاع درجة الحرارة، ومحتوى غبار مرتفع، وتقلبات كبيرة في تركيز أكاسيد النيتروجين. بعد تركيب مولدات الأوزون في مصنع صلب كبير، خُفِّض تركيز الغبار أولًا من خلال إزالة الغبار مسبقًا، ثم أُكسد أكاسيد النيتروجين باستخدام الأوزون، وأخيرًا، أُزيلت الملوثات المتعددة من خلال برج إزالة الكبريت الرطب. تشير البيانات التشغيلية إلى أنه عند تشغيل النظام بثبات، تكون تركيزات انبعاثات أكاسيد النيتروجين أقل من ٥٠ ملغم/م³، مما يُلبي معايير الانبعاثات المنخفضة للغاية، دون تأثير كبير على قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) لخليط إزالة الكبريت.
٢. **حرق النفايات**: يحتوي غاز مداخن حرق النفايات على مكونات معقدة مثل أكاسيد النيتروجين والديوكسينات والغازات الحمضية. بعد إدخال مولدات الأوزون في محطة حرق نفايات في شنغهاي، أكسدَ الأوزون ودمر البنية الجزيئية للديوكسينات أثناء تحويل أكسيد النيتروجين إلى أكسيد النيتروجين. بعد المعالجة اللاحقة ببرج امتصاص الكربون المنشط، انخفض تركيز انبعاث الديوكسين إلى ٠.٠٥ نانوغرام-TEQ/م³، وارتفع معدل إزالة أكاسيد النيتروجين إلى ٧٨٪، متجاوزًا بذلك معايير الاتحاد الأوروبي بكثير.
3. **الصناعات الكيميائية والمعادن غير الحديدية**: اعتمدت شركة كيميائية تتعامل مع غازات العادم المختلطة التي تحتوي على أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة عملية تحلل تحفيزي لأكسدة الأوزون، محققة تأثيرًا مزدوجًا: إزالة 92% من أكاسيد النيتروجين وإزالة 85% من المركبات العضوية المتطايرة، في حين انخفضت تكاليف التشغيل بنسبة 40% مقارنة بتكنولوجيا حرق RTO التقليدية.
## 3. آفاق السوق ومحركات السياسة
تُشدّد اللوائح البيئية العالمية حدود انبعاثات أكاسيد النيتروجين باستمرار. تشترط "خطة تنفيذ التحديث منخفض الانبعاثات للغاية في صناعة الصلب" الصينية ألا تتجاوز انبعاثات أكاسيد النيتروجين من غازات مداخن آلات التلبيد 50 ملغم/م3، بينما شدّد "توجيه الانبعاثات الصناعية" الصادر عن الاتحاد الأوروبي حدود أكاسيد النيتروجين للصناعات الرئيسية إلى 100 ملغم/م3. في ظل هذه الظروف، يشهد سوق مولدات الأوزون نموًا هائلًا.
توقعات حجم السوق: بحلول عام 2025، من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمية لمولدات الأوزون المستخدمة في نزع النتروجين من غازات المداخن إلى 1.2 مليار دولار أمريكي، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 15%. ومن المتوقع أن يتجاوز حجم السوق الصينية 8 مليارات يوان صيني، مستحوذةً على أكثر من 60% من الحصة العالمية.
توسيع مجالات التطبيق: بالإضافة إلى الصناعات التقليدية كالصلب والطاقة والإسمنت، تُطبّق مولدات الأوزون بشكل متزايد في سيناريوهات معالجة غازات المداخن منخفضة الحرارة، مثل أفران صهر الزجاج، وأفران السيراميك، ومراجل الكتلة الحيوية. على سبيل المثال، بعد تطبيق تقنية نزع النتروجين بالأوزون، حقق مصنع زجاج معدل إزالة لأكاسيد النيتروجين بنسبة 85% عند درجة حرارة غاز المداخن 120 درجة مئوية، مما سدّ فجوة في درجات الحرارة المنخفضة لم تتمكن تقنية الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR) التقليدية من تغطيتها.
حوافز السياسات: تُدرج "الخطة الخمسية الرابعة عشرة" للصين صراحةً تقنية أكسدة الأوزون كأحد أهم معدات حماية البيئة المُروَّجة، وتُقدِّم الحكومات المحلية دعمًا لشراء المعدات بنسبة تتراوح بين 30% و50% للشركات التي تتبنى نزع النتروجين من الأوزون. كما تُدرج "الصفقة الخضراء" للاتحاد الأوروبي تقنية الأوزون في خارطة طريقها لإزالة الكربون الصناعي، مما يُعزِّز تطورها نحو الحياد الكربوني.
## 4. التحديات التقنية والتوجهات المستقبلية
لا تزال مُولِّدات الأوزون تواجه حاليًا تحدياتٍ مثل انخفاض إنتاج الأوزون، وارتفاع استهلاك الطاقة نسبيًا، وضعف مقاومة المواد للتآكل. وستركز التطورات التكنولوجية المستقبلية على ثلاثة اتجاهات رئيسية:
1. تقنيات التفريغ الجديدة: من خلال الجمع بين تفريغ الحاجز العازل (DBD) وإمدادات الطاقة النبضية، يمكن زيادة تركيز الأوزون إلى أكثر من 500 ملجم/لتر مع تقليل استهلاك الطاقة لكل وحدة.
2. ابتكار المواد: تطوير أقطاب كهربائية مركبة تعتمد على التيتانيوم ومواد عازلة من السيراميك لتمديد عمر المعدات إلى أكثر من 10 سنوات.
3. التحكم الذكي: دمج إنترنت الأشياء (IoT) وخوارزميات الذكاء الاصطناعي لمطابقة جرعة الأوزون بشكل ديناميكي مع مكونات غاز المداخن، وتحسين المعلمات التشغيلية.
بفضل خصائصه التقنية الفعّالة والمرنة والصديقة للبيئة، ينتقل مُولّد الأوزون من تقنية هامشية إلى حلٍّ شائع لتنقية غازات المداخن. ومع التطوير التكنولوجي والدعم السياسي، من المتوقع أن يستحوذ على أكثر من 30% من سوق نزع النتروجين من غازات المداخن العالمية بحلول عام 2030، مما يُوفر دعمًا تقنيًا رئيسيًا لتحسين جودة الهواء العالمي.
