إعادة استخدام النفايات لإنتاج مواد نافعة

لإنتاج , مواد , النفايات , استخدام , إعادة , نافعة

*
حمل المرجع كاملاً من المرفقات

يجري التخلص سنوياً من مئات أطنان الوسائط الكيميائية المستهلكة الناتجة عن عمليات المعالجة بتقنية كلاوس في معامل معالجة الغاز في أرامكو السعودية، عن طريق دفنها في الأراضي البور. وهو الأمر الذي قد يسبب مشكلات بيئية وتكاليف تشغيلية إضافية خلال عدة سنوات. وتظهر هذه الدراسة، التي أعدّها الباحث منصور الشافعي من مركز البحوث والتطوير في أرامكو السعودية، أن وسائط كلاوس يمكن استخدامها دون أية معالجة مسبقة كمادة أولية لتصنيع الإسمنت البورتلندي لتحل محل البوكسيت والطين. وقد نالت هذه الدراسة براءة اختراع برقم (US 8,029,618 B2) من (United States Patent).

وتحقيقاً لهذه الغاية، مُزجت عيِّنات من وسائط كلاوس بنسب ملائمة مع الحجر الجيري والرمل وخام الحديد لإنتاج عيِّنات الإسمنت البورتلندي. وجرى تحليل عينات الإسمنت الناتجة وفحصها وتقييم أدائها في مركز البحوث والتطوير في أرامكو السعودية، وفي مختبرات (سي تي إل إنجنيرنق إنك) بالولايات المتحدة الأمريكية، حيث أظهرت نتائج الفحص أن التركيب الكيميائي وقوة عينات الإسمنت الناتجة عن وسائط كلاوس مشابهة للإسمنت المنتج من مواد خام تقليدية.
ومن المتوقع أن يؤدي استخدام وسائط كلاوس في تصنيع الإسمنت البورتلندي إلى جني فوائد عظيمة للبيئة من جهة، وخفض التكاليف من جهة أخرى. وسيكون حجم الإسمنت المصنع الذي يمكن استخدامه في المناطق التي تنتج فيها وسائط كلاوس في المملكة العربية السعودية كافياً للاستفادة من كل هذه النفايات. وخلاصة القول، أن هذه الممارسة تغني عن الحاجة إلى مكبات للتخلص من الوسائط الكيميائية المستهلكة، وفي الوقت نفسه، تؤدي إلى خفض التكاليف التشغيلية.
مقدمة
لا تزال المعالجة باستخدام تقنية كلاوس الطريقة الأكثر استخداماً حول العالم لتحويل كبريتيد الهيدروجين المستخلص من الغاز الحمضي أو الغاز الناتج من معامل التكرير إلى كبريت خام. وتتألف هذه التقنية من مرحلتين؛ تتمثل المرحلة الأولى في المعالجة الحرارية والثانية في المعالجة بالوسيط الكيميائي.
وأثناء المعالجة الحرارية، يتأكسد كبريتيد الهيدروجين جزئياً مع الهواء في فرن التفاعل في درجات حرارة عالية (1000-1400 درجة مئوية)، حيث يتشكل الكبريت، وتبقى بعض أجزاء كبريتيد الهيدروجين غير متفاعلة. وتتشكل أيضاً بعض جزيئات ثاني أكسيد الكبريت.
3O2 + 2H2S 2H2O + 2SO2
وأثناء عملية المعالجة بالوسيط الكيميائي، تتفاعل جزيئات كبريتيد الهيدروجين المتبقية مع ثاني أكسيد الكبريت في درجات حرارة منخفضة (من 200 إلى 350 درجة مئوية) عبر الوسيط الكيميائي لإنتاج المزيد من الكبريت.
2H2S + SO2 2H2O + 3Sx
ومن خصائص طريقة وسائط كلاوس التي توفر طريقة أفضل لتحويل الكبريت من تفعيل البوكسيت والأولومينا كروياً أن لها سطحاً مرتفعاً وكثافة منخفضة ومسامية عالية. وهذه الخصائص توفر أقصى نشاط لتحويل مركبات الكبريت. والصناعة المرتبطة بإنتاج وسائط كلاوس متطورة جداً كما يظهر من خلال براءة الاختراع الصادرة من الولايات المتحدة الأمريكية رقم 4.364.858 والعديد من براءات الاختراع التي استشهد بها هذا البحث وناقشها، إلا أن التفاعل لا يكتمل حتى مع أفضل الوسائط. لذا، تُستخدم مرحلتان أو ثلاث من مراحل الوسيط في استخلاص الكبريت.
وتفقد وسائط كلاوس فعاليتها بسبب طرح الفحم البترولي (الكوك) والكبريت الذي يحتوي على أنواع تعمل على خفض استخلاص الكبريت وتلويث الغلاف الجوي أيضاً عبر إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت أثناء حرق الغاز الحمضي. وتؤدي عدة عوامل إلى أن تفقد وسائط كلاوس فعاليتها، كوجود المواد الهيدروكربونية المصاحبة، ولا سيما الأولفينات والمواد العطرية (البنزن والتولوين والزيلين)، مع ميل الغازات المرة إلى تشكيل الفحم البترولي على وسائط كلاوس نظراً للتكسير الحراري في وضعية التدفق المنقسم.
وتنتج معامل معالجة الغاز وفرزه من الزيت ومرافق تجزئة الغاز الطبيعي السائل مئات الأطنان سنوياً من وسائط كلاوس المستهلكة، وذلك نظراً لكثرة استبدال قواعد وسائط الألومينا. وفي حالات كثيرة يجري التخلص من الوسائط الكيميائية المستهلكة بتقنية كلاوس بدفنها في مردم. وتكون تكلفة ردم وسائط كلاوس منخفضة عموماً إذا كانت الأراضي متوافرة ورخيصة حيث يتركز إجمالي التكلفة في عملية النقل.
ووفرت الأنظمة الوطنية والدولية فرصاً وحوافز اقتصادية متزايدة لقطاعي البترول والغاز لتنفيذ برامج خفض النفايات لتحسين البيئة. فعلى النطاق الدولي، ازدادت الحوافز لتقليل النفايات عن طريق حظر التخلص من نفايات الصناعات النفطية غير المعالجة بطرحها في الأرض. ونظراً لازدياد تعقيد إدارة التخلص من النفايات وتكلفتها، أصبح خفض النفايات أولوية مهمة للصناعة والحكومة.
ويمكن تحقيق خفض نفايات العمليات الصناعية التي يتوجَّب التخلص منها عن طريق إيجاد استخدامات جديدة وغير متوقعة للنفايات. ويستخدم الوسيط المستهلك كمادة خام في صناعة الإسمنت البورتلندي.
يُصنع الإسمنت البورتلندي المكون من الجير والألومينا والحديد والسيليكا عن طريق حرق جميع هذه المواد بنسب محددة مسبقاً في الفرن الرحوي في درجات حرارة عالية جداً تتراوح بين 1450 و 1500 درجة مئوية.
CaCO3 (حجر جيري) CaO + CO
Ca2SiO4 + Ca3Al2O6 7CaO + Al2Si2O7
ويعرف المنتج المشكَّل في الفرن باسم «الخبث»، حيث يترك ليبرد ثم يُطحن ليصبح مسحوقاً ناعماً وتضاف إليه نسبة صغيرة من الجبس أو مشتقاته (4 - %5). ويعرف هذا المسحوق المخلوط جيداً بالإسمنت البورتلندي.
ويؤدي استخدام الوسائط المستهلكة في إنتاج الإسمنت البورتلندي إلى فوائد عظيمة الأثر من ناحية الحفاظ على البيئة وخفض التكلفة لأن حجم تصنيع الإسمنت واستخدامه في المناطق التي تنتج فيها الوسائط المستهلكة من المرجح أن يكون كافياً لاستخدام كل هذه النفايات أو جزء كبير منها، وبالتالي انتفاء الحاجة إلى التخلص من الوسائط المستهلكة في المرادم.
إجراءات مخبرية
نظراً للقلق المتزايد من التلوث البيئي، أجريت دراسة شاملة عن استخدام الوسائط المستهلكة بتقنية كلاوس في تصنيع الإسمنت، وتمثلت التجارب في مهمتين باستخدام تقنيات مختلفة كما هو مبين أدناه:
المهمة الأولى
حُللت أربع عينات من وسائط مستهلكة بتقنية كلاوس باستخدام قياس طيف أشعة إكس الاستشعاعي عن طريق طحن جميع العينات في الرحى العقيقي بدرجة نعومة بلغت 100 شبيكة تقريباً ثم خلطت جيداً قبل تعريضها لأشعة إكس. (الجدول رقم 1).
وأعدت أربعة تصاميم إسمنت مختلفة باستخدام أربع عينات مختلفة لوسائط مستهلكة بتقنية كلاوس تتألف غالباً من الألومينا (الجدول 1) ممزوجة بالحجر الجيري والرمل والطين وخام الحديد. وأعدت العينة الخامسة من مواد خام تقليدية لإنتاج خمسة أنواع نموذجية من إسمنت الولايات المتحدة النوع v (الجدول 2). وأجريت هذه التجارب في مختبر إسالة الفحم في الولايات المتحدة الأمريكية.
ووفقاً للجدول 2، سحقت المواد وخلطت وطحنت في طاحونة مصنوعة من الفخار بنعومة بلغت نسبتها %85 ومررت عبر غربال مقاسه µ76. وأعدت قوالب سعة كل منها حوالي 100 غرام بمكبس كرافر هيدروليكي. وسخنت العينات مسبقاً إلى 900 درجة مئوية وحرقت في درجة حرارة 1450 درجة مئوية في فرن بلو إم مرتفع الحرارة.
بعد حرقها، سحقت قوالب الخبث (الجدول 3) وطحنت بنعومة 340 م2 /كغم وأضيف إليها %5 من جبس التيرا ألبا. وحلل الإسمنت الناتج بطيف أشعة إكس الاستشعاعي (الجدول 4).
واختبرت عينات الإسمنت الناتجة من حيث قوة الضغط في مكعبات الملاط وفقاً لمعيار سي 109 للجمعية الأمريكية للاختبارات والمواد المبينة في الجدول (5).
المهمة 2
قُيمت قابلية احتراق الخلائط الخمسة المبينة أعلاه وفقاً للمعادلات التي وضعها إف إل سميدث على النحو التالي:
(1)
FL1400 =0.31(LSF-l00) + 2.18(Ms-l.8) + 0.73Q45+ 0.33C125 + 0.34A45
(2)
FL1500 = 0.2l (LSF-l00) + l.59 (Ms -l.8) + 0.40Q45+ 0.22C125 + 0.08A45
حيث أن:
FL1400 = «مؤشر قابلية الاحتراق الفعلي» أو محتوى الجير الحر المتوقع في الخبث التجاري المحروق بدرجة حرارة 1400 درجة مئوية.
FL1500 = نفسه، بدرجة حرارة 1500 درجة مئوية.
LSF = معامل تشبع الحجر الجيري
MS= نسبة السيليكا
Q45= نسبة المرو الأكبر من µm45
C125 نسبة الكالسايت الأكبر من 125=p.m
A45 نسبة الجزئيات غير القابلة للذوبان الأكبر من= µm45
وتكمن أهمية هذه المعادلة في إمكانية تقييم أثر التغييرات المحتملة على 1)التركيب الكيميائي أو 2) التركيب المعدني والصفاء أو 3) كلا الأمرين معاً. واستخدمنا في هذه المهمة المنهجين التحليلي والتجريبي (المباشر).
ولتحديد المعايير المتضمنة في المعادلتين (1) و (2)، استخدمت المعايير الكيميائية (عامل تشبع الجير ونسبة السيليكا) الناتجة عن التحاليل الكيميائية. ولقياس أحجام الجزيئات، غُربلت المواد

المصدر: ملتقى شذرات