غلاية الكتلة الحيوية: إنتاج البخار من قشر البندق والكريات الخشبية وتفل الزيتون ونشارة الخشب

قشر البندق أو تفل الزيتون أو الكريات الخشبية (البيليت) أو نشارة الخشب: في كثير من المناطق الصناعية يكون هذا الوقود إما مخلّفات لعملية إنتاج، وإما موردًا يمكن الحصول عليه من المحيط القريب بشروط مناسبة. وتحوّل غلاية الكتلة الحيوية المصمَّمة تصميمًا صحيحًا هذا الوقود إلى مصدر بخار اقتصادي ومستمر. لكن الكتلة الحيوية لا تحترق كلها بالطريقة نفسها؛ فرطوبتها ورمادها وحجمها تغيّر تصميم الغلاية تغييرًا مباشرًا.

نقارن في هذا المقال القيم النموذجية للقيمة الحرارية والرطوبة ونسبة الرماد لأكثر أنواع وقود الكتلة الحيوية شيوعًا، ونتناول مخاطر تكوّن الخبث والتآكل، والتخزين والتلقيم، وكيفية تحجيم الشبكة الدوّارة وفقًا للوقود، والجانب الاقتصادي من المسألة.

ما هي غلاية الكتلة الحيوية؟

غلاية الكتلة الحيوية هي غلاية تنتج البخار أو الماء فائق التسخين أو الماء الساخن بحرق وقود ذي أصل نباتي، مثل قشر البندق والكريات الخشبية وتفل الزيتون ونشارة الخشب وقشر عباد الشمس. وفي الصناعة تُستخدم عادةً غلاية ذات أنابيب مائية مع نظام احتراق يلقّم الوقود ويصرّف الرماد آليًا، وغالبًا ما يكون ذلك بشبكة دوّارة.

يتكوّن وقود الكتلة الحيوية من مخلّفات صناعات المنتجات الزراعية والغذائية والحرجية، أو من الكريات الخشبية المُنتَجة لهذا الغرض. وقيمته الحرارية أقل من الفحم، ونسبة المواد المتطايرة فيه أعلى. لذلك يلزم لإنتاج الكمية نفسها من البخار كتلة وقود أكبر، وحجم تخزين أكبر، وترتيب احتراق خاص بالوقود. والمهمة الأساسية في تصميم غلاية بخار تعمل بالكتلة الحيوية هي مواءمة الغلاية مع الوقود. وقد شرحنا كيف تلقّم الشبكة الدوّارة الكتلة الحيوية وتحرقها وتطرح رمادها في مقالنا كيف تعمل الشبكة الدوّارة.

مقارنة وقود الكتلة الحيوية: القيمة الحرارية والرطوبة والرماد

يبيّن الجدول التالي القيم النموذجية لأنواع وقود الكتلة الحيوية التي نصادفها أكثر من غيرها في الصناعة، ويعرض الفحم المستورد للمقارنة.

ملاحظة: القيم الواردة في الجدول نطاقات نموذجية/تقريبية، وهي تختلف بحسب مصدر الوقود والموسم وظروف التخزين. ولا بد من تحليل عيّنة للحصول على القيمة الدقيقة. ونطلب في Çiftel تحليل الوقود الذي سيُستخدم قبل البدء بأي مشروع للكتلة الحيوية.

قشر البندق

يُعدّ من أقل أنواع وقود الكتلة الحيوية إشكالًا لأنه جاف وصلب ومنخفض الرماد. وتسهّل طبيعته الانسيابية التلقيم باللولب الناقل. أما المسألة الأساسية في الغلاية التي تحرق قشر البندق فهي موسمية التوريد، وضرورة التخطيط لمساحة تخزين تكفي مخزونًا على مدار العام.

الكريات الخشبية

هي أسهل أنواع الكتلة الحيوية تشغيلًا بفضل مقاسها الموحّد ورطوبتها المنخفضة وكثافتها العالية. وتعمل غلاية الكريات الخشبية بسلاسة مع موقد آلي (ستوكر) في القدرات الصغيرة، ومع الشبكة الدوّارة في القدرات الكبيرة. ولأنها وقود مُعالَج، تكون تكلفة وحدة الطاقة منها عادةً أعلى من تكلفة وقود المخلّفات.

تفل الزيتون

هو من مخلّفات إنتاج زيت الزيتون؛ ويتمتع تفل الزيتون المجفّف ومنزوع الزيت بقيمة حرارية جيدة. ولأن نسبة الرماد فيه مرتفعة نسبيًا، ينبغي مراعاة قدرة تصريف الرماد والميل إلى تكوّن الخبث. كما يؤخذ في الحسبان عند تصميم الغلاية التي تحرق تفل الزيتون تفاوتُ الرطوبة من دفعة إلى أخرى.

نشارة الخشب ورقائقه

هي من مخلّفات صناعات المنتجات الحرجية والأثاث. وتعتمد قيمتها الحرارية إلى حد كبير على الرطوبة: فبينما تحترق النشارة الجافة احتراقًا جيدًا، قد تنخفض القيمة الحرارية في الرقائق الرطبة إلى النصف. وبسبب بنيتها الخفيفة والليفية، يجب في الغلاية التي تحرق نشارة الخشب تناول حجم التخزين وتكوّن الجسور (التقنطر) داخل القادوس بشكل مستقل.

قشر عباد الشمس

هو من مخلّفات صناعة زيت عباد الشمس؛ وهو جاف وقيمته الحرارية عالية. ونسبة الرماد فيه أعلى منها في قشر البندق، وقد يُلاحَظ في بعض الدفعات ميلٌ لدى الرماد إلى التليّن عند درجات حرارة منخفضة. ولذلك تكتسب درجة حرارة طبقة الوقود وتوزيع الهواء أهمية خاصة.

لماذا تُعدّ العلاقة بين الرطوبة والقيمة الحرارية بهذه الأهمية؟

الماء الموجود في الوقود لا يحترق؛ بل على العكس، يستهلك من طاقة الوقود نفسه كي يتبخّر. ولهذا تنخفض القيمة الحرارية الدنيا للكتلة الحيوية انخفاضًا واضحًا كلما زادت رطوبتها. ويُظهر سطر نشارة الخشب في الجدول ذلك بوضوح: فالنشارة نفسها قد تتجاوز 4.000 كيلو كالوري/كغ وهي جافة، بينما تهبط إلى نحو 2.000 كيلو كالوري/كغ وهي شديدة الرطوبة.

ولهذا ثلاثة آثار على التشغيل:

• وقود أكثر: قد يتضاعف استهلاك الوقود تقريبًا لإنتاج الكمية نفسها من البخار، ويكبر نظاما التلقيم والرماد تبعًا لذلك.
• غازات مدخنة أكثر: يزيد الماء المتبخّر حجم غازات المدخنة؛ فتنقل المروحة ومسار الغاز حجمًا أكبر، وتزداد الحرارة المطروحة مع غازات المدخنة.
• درجة حرارة أقل في حجرة الاحتراق: يبرد الاحتراق، ويصعب الاشتعال، وتطول منطقة التجفيف على الشبكة.

والنتيجة العملية هي: خزّنوا الوقود إن أمكن في مكان مغلق وجيد التهوية، واتفقوا مع المورّد على حدّ أقصى للرطوبة. ويمكنكم أن تروا بأنفسكم ما تكلّفكم إياه الرطوبة بتجربة قيم حرارية مختلفة في أداة حساب استهلاك وقود الغلاية.

نقطة انصهار الرماد وتكوّن الخبث والتآكل

ينشأ جزء كبير من مشكلات التشغيل في غلاية الكتلة الحيوية عن سلوك الرماد. فنسبة الرماد في الكتلة الحيوية أقل عمومًا منها في الفحم؛ غير أن سلوك الرماد لا يقل أهمية عن كميته. ونقطة انصهار الرماد هي درجة الحرارة التي يلين عندها الرماد ويذوب فيصبح لزجًا. فإذا اقتربت درجة حرارة طبقة الوقود من هذه القيمة، تكتّل الرماد مكوّنًا الخبث، وسدّ فتحات الهواء في الشبكة، واختلّ الاحتراق موضعيًا.

قد تكون نسبة الفلزات القلوية مثل البوتاسيوم، وكذلك الكلور، أعلى في بعض المخلّفات الزراعية. ويمكن أن تؤدي هذه المكوّنات إلى ترسّبات لزجة على أسطح انتقال الحرارة في الغلاية، أي إلى الاتّساخ، وعلى المدى الطويل إلى التآكل. وأهم التدابير الوقائية هي:

• طلب درجة حرارة انصهار الرماد في تحليل الوقود، وكذلك محتوى القلويات والكلور إن أمكن
• ضبط سماكة طبقة الوقود وتوزيع الهواء أسفل الشبكة بما يُبقي درجة حرارة الطبقة تحت السيطرة
• خلط الوقود عالي الخطورة بوقود أنسب
• تنظيف أسطح انتقال الحرارة وترسّبات السخام وفق خطة منتظمة

الكثافة الظاهرية والتخزين وتلقيم الوقود

تتميز الكتلة الحيوية مقارنةً بالفحم بقيمة حرارية أقل وكثافة ظاهرية أقل في آنٍ واحد. فعلى سبيل المثال، تبلغ الكثافة الظاهرية للكريات الخشبية عادةً 600–700 كغ/م³، بينما تبلغ لنشارة الخشب ورقائقه عمومًا 150–350 كغ/م³. ولتخزين الكمية نفسها من الطاقة، تحتاج النشارة إلى قادوس ومستودع أكبر حجمًا بعدة أضعاف مقارنةً بالكريات الخشبية.

ويُختار خط تلقيم الوقود أيضًا وفقًا لنوع الوقود:

• أنواع الوقود سهلة الانسياب (قشر البندق، الكريات الخشبية، قشر عباد الشمس) تُنقل من القادوس باللولب الناقل دون مشكلات.
• أنواع الوقود الليفية والخفيفة (نشارة الخشب، رقائق الخشب) قد تكوّن جسورًا (تتقنطر) داخل القادوس؛ وقد يلزم قادوس مزوّد بخلّاط أو بأرضية متحركة، ولولب ناقل أكبر.
• أنواع الوقود الرطبة واللزجة (تفل الزيتون الرطب) قد تلتصق بجدران القادوس؛ ولذلك تُحدَّد هندسة القادوس وسرعة التلقيم وفقًا لذلك.

في غلايات الكتلة الحيوية ذات الشبكة الدوّارة من Çiftel، يُسحب الوقود من القادوس باللولب الناقل ويُفرد على الشبكة في طبقة متجانسة؛ وتُضبط سماكة الطبقة آليًا. وتصميم خط التلقيم مع الغلاية ضمن مشروع واحد يمنع منذ البداية جزءًا كبيرًا من التوقفات التي تحدث في الموقع.

كيف تُحجَّم الشبكة الدوّارة للكتلة الحيوية؟

في غلاية الكتلة الحيوية، تُحجَّم الشبكة الدوّارة وفقًا للقيمة الحرارية للوقود ونسبة الرماد والرطوبة والمواد المتطايرة ونقطة انصهار الرماد. ولا تكون الشبكة التي تحرق قشر البندق والشبكة التي تحرق نشارة خشب رطبة بالمقاس نفسه عند القدرة البخارية ذاتها. وأهم معايير التصميم هي:

• عرض الشبكة: يُحدَّد وفقًا لتدفق الوقود في الساعة وسماكة الطبقة المستهدفة؛ ويحتاج الوقود منخفض القيمة الحرارية إلى شبكة أعرض.
• طول الشبكة: يجب أن يوفّر الزمن اللازم كي يجفّ الوقود على الشبكة ويتغوّز ويحترق ويتحوّل إلى رماد؛ فالوقود الرطب يتطلب مسارًا أطول.
• سماكة طبقة الوقود: تُضبط وفقًا لحجم حبيبات الوقود ونفاذيته؛ فالطبقة السميكة أكثر من اللازم تخنق الهواء، والطبقة الرقيقة أكثر من اللازم تحمل وقودًا غير محترق إلى الرماد.
• كمية الهواء وتوزيعه: يُدخَل هواء الاحتراق من أسفل الشبكة، ويُوزَّع عادةً على امتداد الشبكة حسب المناطق؛ وفي الكتلة الحيوية عالية المواد المتطايرة يكتسب توزيع الهواء داخل حجرة الاحتراق أهمية أيضًا.

يعمل نظام احتراق الوقود الصلب بشبكة دوّارة الحاصل على براءة اختراع من Çiftel مع غلاياتنا ذات الأنابيب المائية، وفي مقدمتها غلاية بخار ذات أنابيب مائية من نوع المجمّعات بشبكة دوّارة. وقد شرحنا البنية العامة للنظام في دليلنا لغلاية البخار ذات الشبكة الدوّارة، وفرقه عن خيارات الشبكات الأخرى في مقارنتنا أنواع شبكات الغلايات.

تصريف الرماد

في الشبكة الدوّارة، يُصرَّف الرماد في نهاية الشبكة بشكل مستمر وآلي. وتختلف كمية الرماد بعدة أضعاف بين تفل الزيتون الذي تبلغ نسبة رماده 3–6% والكريات الخشبية التي تبلغ نسبة رمادها 0,5–1,5%؛ ويُختار لولب الرماد والناقل وحاوية الرماد وفقًا لهذا الفرق.

الانبعاثات وترشيح غازات المدخنة

في احتراق الكتلة الحيوية، يكون الغبار في غازات المدخنة، أي الجسيمات الدقيقة، أكثر الانبعاثات التي تستدعي الانتباه. ويُعدّ الفاصل الإعصاري (السيكلون) أو متعدد الأعاصير مرحلة أولى شائعة للجسيمات الكبيرة؛ وفي الحالات التي تتطلب حدودًا أكثر صرامة يُنظر في ترشيح إضافي. ويُحدَّد مستوى المعالجة اللازم في المشروع وفقًا للوقود وقدرة الغلاية والتشريعات السارية الخاصة بالانبعاثات وشروط ترخيص المنشأة.

هل غلاية الكتلة الحيوية اقتصادية؟

لا يُقاس اقتصاد الكتلة الحيوية بسعر الكيلوغرام، بل بتكلفة وحدة الطاقة. فقد يتبيّن أن وقودًا رطبًا يبدو رخيصًا أعلى تكلفةً، عند حسابه لكل كيلو كالوري، من وقود أكثر جفافًا يبدو غاليًا. ولأن الأسعار تتغير حسب المنطقة والموسم ونسبة الرطوبة، أجروا المقارنة بعروض أسعار حديثة وبأداة مقارنة تكلفة الوقود.

أما من ناحية الكربون، فتُعدّ الكتلة الحيوية عمومًا محايدة كربونيًا، على افتراض أن CO₂ المنبعث عند احتراقها يعادله الكربون الذي امتصّه النبات من الغلاف الجوي أثناء نموه. ولا يشمل هذا الافتراض الانبعاثات الناتجة عن معالجة الوقود ونقله. ويمكنكم تقدير أثر التحول من الفحم إلى الكتلة الحيوية على انبعاثات منشأتكم باستخدام أداة حساب انبعاثات CO₂.

وللوقود المحلي ميزة مهمة أيضًا؛ فكلما قصرت مسافة النقل انخفضت التكلفة وخطر انقطاع الإمداد معًا:

• قشر البندق: منطقة البحر الأسود حيث يتركّز إنتاج البندق
• تفل الزيتون: منطقتا بحر إيجه والبحر المتوسط حيث يتركّز إنتاج زيت الزيتون
• نشارة الخشب ورقائقه: المناطق التي تتركّز فيها صناعات المنتجات الحرجية والأخشاب والأثاث
• قشر عباد الشمس: منطقة تراقيا حيث تتركّز صناعة زيت عباد الشمس

لنحدّد معًا غلاية الكتلة الحيوية المناسبة لوقودكم

يبدأ اختيار غلاية الكتلة الحيوية الصحيحة بتحليل الوقود: فمن دون معرفة القيمة الحرارية والرطوبة والرماد ونقطة الانصهار، لا يمكن تحجيم الشبكة والتلقيم والترشيح تحجيمًا صحيحًا. ونحن في Çiftel Kazan نصمّم ونصنّع منذ عام 1986 غلايات بخار ذات أنابيب مائية بشبكة دوّارة في Kemalpaşa بمدينة İzmir. ولمشاركة بيانات وقودكم واحتياجكم من البخار، تواصلوا معنا أو اتصلوا بنا على الأرقام +90 232 479 11 21 / +90 544 479 11 21.