في عملية إنتاج طلاء السيارات، تأتي غازات نفايات الطلاء بشكل رئيسي من عملية الرش والتجفيف

تتكون الملوثات المنبعثة بشكل رئيسي من: رذاذ الطلاء والمذيبات العضوية الناتجة عن رش الطلاء، بالإضافة إلى المذيبات العضوية الناتجة عن تبخر الطلاء أثناء التجفيف. ينشأ رذاذ الطلاء بشكل أساسي من جزء من طبقة الطلاء المذيبة في عملية الرش الهوائي، ويتطابق تركيبه مع نوع الطلاء المستخدم. أما المذيبات العضوية، فتنشأ بشكل رئيسي من المذيبات والمخففات المستخدمة في عملية الطلاء، ومعظمها انبعاثات متطايرة، ومن ملوثاتها الرئيسية الزيلين والبنزين والتولوين وغيرها. لذا، فإن المصدر الرئيسي للغازات الضارة المنبعثة من عملية الطلاء هو غرفة رش الطلاء وغرفة التجفيف.

1. طريقة معالجة غازات النفايات في خط إنتاج السيارات

1.1 مخطط معالجة غاز النفايات العضوية في عملية التجفيف

يُصنف الغاز المنبعث من غرف تجفيف الطلاء الكهربائي، وطلاء الطبقة المتوسطة، وطلاء السطح، ضمن غازات النفايات ذات درجة الحرارة العالية والتركيز العالي، مما يجعله مناسبًا لطريقة الحرق. وتشمل التدابير الشائعة لمعالجة غازات النفايات في عملية التجفيف حاليًا: تقنية الأكسدة الحرارية التجديدية (RTO)، وتقنية الاحتراق التحفيزي التجديدي (RCO)، ونظام الحرق الحراري لاستعادة الطاقة الحرارية (TNV).

1.1.1 تقنية الأكسدة الحرارية من نوع التخزين الحراري (RTO)

المؤكسد الحراري (المؤكسد الحراري التجديدي، RTO) هو جهاز موفر للطاقة وصديق للبيئة، يُستخدم لمعالجة غازات النفايات العضوية المتطايرة ذات التركيز المتوسط ​​والمنخفض. وهو مناسب للكميات الكبيرة والتركيزات المنخفضة، حيث يتراوح تركيز غازات النفايات العضوية فيه بين 100 و20000 جزء في المليون. يتميز بانخفاض تكلفة التشغيل، إذ لا يحتاج إلى إضافة وقود إضافي عند تجاوز تركيز غازات النفايات العضوية 450 جزء في المليون. كما يتميز بمعدل تنقية عالٍ، حيث يصل معدل تنقية جهاز RTO ثنائي الطبقات إلى أكثر من 98%، بينما يصل معدل تنقية جهاز RTO ثلاثي الطبقات إلى أكثر من 99%، دون أي تلوث ثانوي مثل أكاسيد النيتروجين. يتميز الجهاز بالتحكم الآلي وسهولة التشغيل، بالإضافة إلى مستوى عالٍ من الأمان.

يعتمد جهاز الأكسدة الحرارية التجديدية على طريقة الأكسدة الحرارية لمعالجة غازات النفايات العضوية ذات التركيز المتوسط ​​والمنخفض، ويُستخدم مبادل حراري ذو طبقة تخزين حرارية خزفية لاستعادة الحرارة. يتكون الجهاز من طبقة تخزين حرارية خزفية، وصمام تحكم آلي، وغرفة احتراق، ونظام تحكم. من أهم ميزاته: صمام التحكم الآلي الموجود أسفل طبقة التخزين الحرارية، والمتصل بأنبوبي السحب والعادم الرئيسيين على التوالي؛ حيث تُخزن الحرارة في طبقة التخزين الحرارية عن طريق تسخين غازات النفايات العضوية الداخلة إليها باستخدام مادة تخزين حرارية خزفية لامتصاص الحرارة وإطلاقها؛ ثم تُؤكسد غازات النفايات العضوية المسخنة مسبقًا إلى درجة حرارة معينة (760 درجة مئوية) في غرفة الاحتراق لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء، ويتم تنقيتها. يتكون الهيكل الرئيسي النموذجي لجهاز الأكسدة الحرارية التجديدية ثنائي الطبقة من غرفة احتراق واحدة، وطبقتين من الحشوات الخزفية، وأربعة صمامات تحويل. يمكن للمبادل الحراري ذي طبقة الحشوات الخزفية التجديدية في الجهاز استعادة الحرارة بنسبة تزيد عن 95%؛ ولا يُستخدم الوقود أو يُستخدم بكميات قليلة جدًا عند معالجة غازات النفايات العضوية.

المزايا: في التعامل مع التدفق العالي والتركيز المنخفض لغاز النفايات العضوية، تكون تكلفة التشغيل منخفضة للغاية.

العيوب: استثمار أولي مرتفع، درجة حرارة احتراق عالية، غير مناسب لمعالجة تركيزات عالية من غازات النفايات العضوية، يحتوي على الكثير من الأجزاء المتحركة، يحتاج إلى المزيد من أعمال الصيانة.

1.1.2 تقنية الاحتراق التحفيزي الحراري (RCO)

يُستخدم جهاز الاحتراق التحفيزي التجديدي (المؤكسد التحفيزي التجديدي RCO) مباشرةً لتنقية غازات النفايات العضوية ذات التركيز المتوسط ​​والعالي (1000-10000 ملغم/م³). تُعد تقنية معالجة RCO مناسبةً بشكل خاص لتلبية الطلب العالي على معدل استعادة الحرارة، كما أنها مناسبة لخطوط الإنتاج نفسها، حيث يتغير تركيب غازات النفايات أو يتذبذب تركيزها بشكل كبير باختلاف المنتجات. وهي مناسبة بشكل خاص لاحتياجات استعادة الطاقة الحرارية في الشركات أو لمعالجة غازات النفايات في خطوط التجفيف الرئيسية، حيث يمكن استخدام الطاقة المستعادة في خطوط التجفيف الرئيسية، مما يحقق هدف توفير الطاقة.

تُعدّ تقنية المعالجة بالاحتراق التحفيزي التجديدي تفاعلاً نموذجياً بين الطورين الغازي والصلب، وهي في الواقع أكسدة عميقة لأنواع الأكسجين التفاعلية. في عملية الأكسدة التحفيزية، يؤدي امتزاز جزيئات المواد المتفاعلة على سطح المحفز إلى زيادة تركيزها عليه. ويساهم تأثير المحفز في خفض طاقة التنشيط، مما يُسرّع تفاعل الأكسدة ويُحسّن معدله. تحت تأثير محفز مُحدد، يحدث احتراق للمواد العضوية دون الحاجة إلى أكسدة كافية عند درجة حرارة ابتدائية منخفضة (250-300 درجة مئوية)، حيث تتحلل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، مُطلقةً كمية كبيرة من الطاقة الحرارية.

يتكون جهاز الأكسدة التحفيزية الدورانية (RCO) بشكل أساسي من جسم الفرن، وجسم تخزين الحرارة التحفيزية، ونظام الاحتراق، ونظام التحكم الآلي، والصمام الآلي، بالإضافة إلى عدة أنظمة أخرى. في عملية الإنتاج الصناعي، يدخل غاز العادم العضوي المنبعث إلى الصمام الدوار للجهاز عبر مروحة السحب، حيث يتم فصل الغاز الداخل عن الغاز الخارج تمامًا بواسطة الصمام الدوار. تصل طاقة تخزين الحرارة وتبادلها في الغاز إلى درجة الحرارة المطلوبة تقريبًا من خلال الأكسدة التحفيزية للطبقة التحفيزية. يستمر غاز العادم في التسخين عبر منطقة التسخين (سواءً بالتسخين الكهربائي أو بالغاز الطبيعي) ويحافظ على درجة الحرارة المطلوبة. يدخل الغاز إلى الطبقة التحفيزية لإتمام تفاعل الأكسدة التحفيزية، حيث ينتج عن هذا التفاعل ثاني أكسيد الكربون والماء، ويُطلق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية لتحقيق التأثير المطلوب للمعالجة. يدخل الغاز المُحفز بالأكسدة إلى طبقة المادة الخزفية الثانية، وتُطلق الطاقة الحرارية إلى الغلاف الجوي عبر الصمام الدوار. بعد عملية التنقية، تكون درجة حرارة العادم أعلى بقليل فقط من درجة حرارته قبل معالجة غازات العادم. يعمل النظام باستمرار ويقوم بالتبديل تلقائيًا. من خلال عمل الصمام الدوار، تُكمل جميع طبقات الحشو الخزفية مراحل التسخين والتبريد والتنقية، ويمكن استعادة الطاقة الحرارية.

المزايا: عملية بسيطة، معدات مدمجة، تشغيل موثوق؛ كفاءة تنقية عالية، تتجاوز 98% بشكل عام؛ درجة حرارة احتراق منخفضة؛ استثمار منخفض، تكلفة تشغيل منخفضة، كفاءة استعادة الحرارة تصل عمومًا إلى أكثر من 85%؛ العملية بأكملها بدون إنتاج مياه صرف صحي، عملية التنقية لا تنتج تلوثًا ثانويًا بأكاسيد النيتروجين؛ يمكن استخدام معدات تنقية RCO مع غرفة التجفيف، ويمكن إعادة استخدام الغاز المنقى مباشرة في غرفة التجفيف، لتحقيق هدف توفير الطاقة وخفض الانبعاثات؛

العيوب: جهاز الاحتراق التحفيزي مناسب فقط لمعالجة غازات النفايات العضوية ذات المكونات العضوية ذات نقطة الغليان المنخفضة ومحتوى الرماد المنخفض، ولا يُعد مناسبًا لمعالجة غازات النفايات التي تحتوي على مواد لزجة مثل الدخان الزيتي، ويجب تسميم المحفز؛ تركيز غازات النفايات العضوية أقل من 20%.

1.1.3 نظام الحرق الحراري لإعادة التدوير من نوع TNV

نظام الحرق الحراري لإعادة التدوير (بالألمانية: Thermische Nachverbrennung TNV) هو نظام يستخدم الاحتراق المباشر للغاز أو الوقود لتسخين غازات النفايات المحتوية على مذيبات عضوية. تحت تأثير درجات الحرارة العالية، تتحلل جزيئات المذيبات العضوية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. يتم تسخين غازات المداخن ذات درجة الحرارة العالية بواسطة جهاز نقل حراري متعدد المراحل، مما يُعيد تدوير الطاقة الحرارية الناتجة عن التحلل التأكسدي لغازات النفايات العضوية بالكامل، ويقلل من استهلاك الطاقة في النظام ككل. لذلك، يُعد نظام TNV طريقة فعالة ومثالية لمعالجة غازات النفايات المحتوية على مذيبات عضوية عندما تتطلب عملية الإنتاج كمية كبيرة من الطاقة الحرارية. في خطوط إنتاج طلاء الدهانات الكهربائية الحديثة، يُستخدم نظام الحرق الحراري لإعادة التدوير TNV بشكل عام.

يتكون نظام TNV من ثلاثة أجزاء: نظام التسخين المسبق وحرق غازات النفايات، ونظام تسخين الهواء المتداول، ونظام تبادل الحرارة بالهواء النقي. يُعد جهاز التسخين المركزي لحرق غازات النفايات الجزء الأساسي من نظام TNV، ويتألف من جسم الفرن، وغرفة الاحتراق، والمبادل الحراري، والموقد، وصمام تنظيم المدخنة الرئيسي. وتتلخص آلية عمله فيما يلي: يقوم مروحة ذات ضغط عالٍ بسحب غازات النفايات العضوية من غرفة التجفيف، وبعد تسخينها مسبقًا بواسطة جهاز التسخين المركزي لحرق غازات النفايات والمبادل الحراري المدمج، تُنقل إلى غرفة الاحتراق، ثم تُسخن بواسطة الموقد عند درجة حرارة عالية (حوالي 750 درجة مئوية) لتتحلل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. يُصرّف غاز المدخنة الناتج ذو درجة الحرارة العالية عبر المبادل الحراري وأنبوب غاز المدخنة الرئيسي في الفرن. يُسخّن غاز المدخنة المُصرّف الهواء المتداول في غرفة التجفيف لتوفير الطاقة الحرارية اللازمة لها. يُركّب جهاز نقل حرارة الهواء النقي في نهاية النظام لاستعادة الحرارة المهدرة منه لاستخدامها في عملية الاستعادة النهائية. يُسخّن الهواء النقي المُضاف من غرفة التجفيف بغازات الاحتراق ثم يُضخّ إلى غرفة التجفيف. إضافةً إلى ذلك، يوجد صمام تنظيم كهربائي على خط أنابيب غازات الاحتراق الرئيسي، يُستخدم لضبط درجة حرارة غازات الاحتراق عند مخرج الجهاز، ويمكن التحكم في درجة حرارة غازات الاحتراق المنبعثة عند حوالي 160 درجة مئوية.

تشمل خصائص جهاز التدفئة المركزية لحرق غاز النفايات ما يلي: مدة بقاء غاز النفايات العضوية في غرفة الاحتراق من 1 إلى 2 ثانية؛ معدل تحلل غاز النفايات العضوية أكثر من 99%؛ يمكن أن يصل معدل استعادة الحرارة إلى 76%؛ ويمكن أن تصل نسبة تعديل خرج الموقد إلى 26:1، وحتى 40:1.

العيوب: عند معالجة غاز النفايات العضوية منخفض التركيز، تكون تكلفة التشغيل أعلى؛ المبادل الحراري الأنبوبي يعمل بشكل مستمر فقط، وله عمر طويل.

1.2 مخطط معالجة غازات النفايات العضوية في غرفة طلاء الرش وغرفة التجفيف

الغاز المنبعث من غرفة رش الطلاء وغرفة التجفيف هو غاز نفايات منخفض التركيز وعالي التدفق وفي درجة حرارة الغرفة، ويتكون بشكل رئيسي من الهيدروكربونات العطرية وإيثرات الكحول والمذيبات العضوية الإسترية. أما الطرق الأجنبية الأكثر نضجًا حاليًا فهي: تركيز غاز النفايات العضوية أولًا لتقليل كميته الإجمالية، ثم استخدام طريقة الامتزاز (باستخدام الكربون المنشط أو الزيوليت كمادة ماصة) لامتصاص غازات العادم منخفضة التركيز في درجة حرارة الغرفة، ثم فصل الغازات عند درجات حرارة عالية، وأخيرًا تركيز غازات العادم باستخدام الاحتراق التحفيزي أو الاحتراق الحراري التجديدي.

1.2.1 جهاز امتصاص وفصل وتنقية الكربون المنشط

باستخدام الفحم المنشط ذي البنية الخلوية كمادة ماصة، وبالاعتماد على مبادئ تنقية الامتزاز، وإعادة التوليد بالامتزاز، وتركيز المركبات العضوية المتطايرة، والاحتراق التحفيزي، يتم الحصول على حجم هواء كبير وتركيز منخفض من غازات النفايات العضوية من خلال امتزاز الكربون المنشط ذي البنية الخلوية لتحقيق هدف تنقية الهواء. عند تشبع الكربون المنشط، يُستخدم الهواء الساخن لإعادة توليده. تُرسل المواد العضوية المركزة الممتزة إلى طبقة الاحتراق التحفيزي للاحتراق التحفيزي، حيث تتأكسد إلى ثاني أكسيد الكربون والماء غير الضارين. تُسخن غازات العادم الساخنة المحترقة الهواء البارد من خلال مبادل حراري، ويُطلق جزء من غاز التبريد بعد التبادل الحراري، ويُستخدم جزء آخر لإعادة توليد الفحم المنشط ذي البنية الخلوية، وذلك لتحقيق هدف استغلال الحرارة المهدرة وتوفير الطاقة. يتكون الجهاز بالكامل من مرشح أولي، وطبقة امتزاز، وطبقة احتراق تحفيزي، ومثبط للهب، ومروحة، وصمام، وغيرها.

صُمم جهاز تنقية الغازات العضوية باستخدام الامتزاز والتحلل الكربوني وفقًا لمبدأي الامتزاز والاحتراق التحفيزي، ويعمل بنظام تشغيل مستمر ذي مسارين للغاز. يتكون الجهاز من غرفة احتراق تحفيزي وطبقتين من الامتزاز، تُستخدمان بالتناوب. في البداية، يُمتز غاز النفايات العضوية على الكربون المنشط، وعند الوصول إلى التشبع السريع، يتوقف الامتزاز. بعد ذلك، يُستخدم تيار هواء ساخن لإزالة المواد العضوية من الكربون المنشط، مما يُعيد تنشيطه. تُركز المواد العضوية (بتركيز أعلى بعشرات المرات من تركيزها الأصلي) وتُرسل إلى غرفة الاحتراق التحفيزي حيث تُحرق وتُنتج ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. عندما يصل تركيز غاز النفايات العضوية إلى أكثر من 2000 جزء في المليون، يستمر الاحتراق التلقائي في طبقة التحفيز دون الحاجة إلى تسخين خارجي. يُطلق جزء من غاز العادم الناتج عن الاحتراق في الغلاف الجوي، بينما يُعاد توجيه الجزء الأكبر منه إلى طبقة الامتزاز لإعادة تنشيط الكربون المنشط. يُمكن لهذا النظام تلبية احتياجات الاحتراق وامتصاص الطاقة الحرارية اللازمة، لتحقيق هدف توفير الطاقة. يُمكن إدخال عملية التجديد في عملية الامتصاص التالية؛ وفي عملية الإزالة، يُمكن إجراء عملية التنقية بواسطة طبقة امتصاص أخرى، مما يجعله مناسبًا للتشغيل المستمر والمتقطع.

الأداء والخصائص التقنية: أداء مستقر، بنية بسيطة، آمن وموثوق، موفر للطاقة والجهد، لا يسبب تلوثًا ثانويًا. يتميز الجهاز بصغر حجمه وخفة وزنه، مما يجعله مناسبًا جدًا للاستخدام بكميات كبيرة. يستخدم الجهاز طبقة من الكربون المنشط لامتصاص غازات النفايات العضوية، حيث يتم إعادة تدوير الغازات الناتجة عن الاحتراق التحفيزي، ثم يُرسل الغاز المُعاد تدويره إلى غرفة الاحتراق التحفيزي للتنقية، دون الحاجة إلى طاقة خارجية، مما يحقق وفورات كبيرة في الطاقة. أما عيوبه فتتمثل في قصر مدة صلاحية الكربون المنشط وارتفاع تكلفة تشغيله.

1.2.2 جهاز تنقية الامتزاز والتحلل باستخدام عجلة نقل الزيوليت

المكونات الرئيسية للزيوليت هي: السيليكون والألومنيوم، اللذان يتمتعان بقدرة امتصاص عالية، ويمكن استخدامهما كمادة ماصة. تعتمد تقنية "قناة الزيوليت" على خصائص فتحة الزيوليت المحددة، والتي تتميز بقدرتها على امتصاص وإزالة الملوثات العضوية، مما يسمح بمعالجة غازات العادم العضوية المتطايرة ذات التركيز المنخفض والعالي، وبالتالي تقليل تكلفة تشغيل معدات المعالجة النهائية. تتميز هذه التقنية بملاءمتها لمعالجة التدفقات الكبيرة والتركيزات المنخفضة التي تحتوي على مجموعة متنوعة من المكونات العضوية. أما عيبها فهو ارتفاع تكلفة الاستثمار الأولي.

جهاز تنقية الغازات بالامتزاز باستخدام عجلة الزيوليت هو جهاز لتنقية الغازات يقوم بعمليات الامتزاز والتحلل بشكل مستمر. يُقسّم جانبا عجلة الزيوليت إلى ثلاث مناطق بواسطة جهاز إحكام خاص: منطقة الامتزاز، ومنطقة التحلل (التجديد)، ومنطقة التبريد. وتتلخص آلية عمل النظام فيما يلي: تدور عجلة الزيوليت باستمرار بسرعة منخفضة، وتمر عبر مناطق الامتزاز والتحلل (التجديد) والتبريد. عندما يمر غاز العادم ذو التركيز المنخفض والحجم الكبير باستمرار عبر منطقة الامتزاز، يتم امتزاز المركبات العضوية المتطايرة الموجودة فيه بواسطة الزيوليت الموجود على العجلة الدوارة، ثم يُطلق مباشرةً بعد الامتزاز والتنقية. يُرسل المذيب العضوي الممتص بواسطة العجلة إلى منطقة الإزالة (التجديد) مع دوران العجلة، ثم يُمرر هواء ساخن بكمية صغيرة من الهواء عبر منطقة الإزالة، حيث تُجدد المركبات العضوية المتطايرة الممتصة على العجلة في منطقة الإزالة، ويُطرد غاز العادم الناتج عن المركبات العضوية المتطايرة مع الهواء الساخن. تُعاد عملية الامتصاص إلى منطقة التبريد، ويمكن إعادة امتصاص المركبات العضوية المتطايرة. مع الدوران المستمر للعجلة، تتم دورة الامتصاص والإزالة والتبريد، مما يضمن التشغيل المستمر والمستقر لمعالجة غازات النفايات.

جهاز مُركِّز الزيوليت هو في الأساس مُركِّز، حيث يُقسَّم غاز العادم المُحتوي على المذيبات العضوية إلى قسمين: هواء نظيف يُمكن تصريفه مباشرةً، وهواء مُعاد تدويره يحتوي على تركيز عالٍ من المذيبات العضوية. يُمكن تصريف الهواء النظيف مباشرةً وإعادة تدويره في نظام تهوية تكييف الهواء المُطلي؛ ويبلغ تركيز غاز المركبات العضوية المتطايرة فيه حوالي عشرة أضعاف تركيزه قبل دخوله النظام. يُعالَج الغاز المُركَّز بالحرق عند درجة حرارة عالية من خلال نظام الحرق الحراري لاستعادة المركبات العضوية المتطايرة (أو معدات أخرى). تُستخدم الحرارة الناتجة عن الحرق لتسخين غرفة التجفيف وتسخين عملية إزالة الزيوليت على التوالي، ويتم استغلال الطاقة الحرارية بالكامل لتحقيق وفورات في الطاقة وخفض الانبعاثات.

الأداء والخصائص التقنية: بنية بسيطة، سهولة الصيانة، عمر خدمة طويل؛ كفاءة عالية في الامتصاص والتجريد، حيث يحول غازات النفايات العضوية المتطايرة ذات الحجم الكبير والتركيز المنخفض إلى غازات نفايات ذات حجم هواء منخفض وتركيز عالٍ، مما يقلل من تكلفة معدات المعالجة النهائية؛ انخفاض ضغط منخفض للغاية، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة؛ تصميم معياري متكامل للنظام، مع الحد الأدنى من متطلبات المساحة، ويوفر وضع تحكم مستمر وغير مأهول؛ يمكنه الوصول إلى معيار الانبعاثات الوطني؛ يستخدم مادة ماصة من الزيوليت غير القابل للاحتراق، مما يجعل استخدامه أكثر أمانًا؛ العيب هو الاستثمار لمرة واحدة بتكلفة عالية.