تأثير واحد، تأثير مزدوج، تأثير ثلاثي، حد كفاءة طاقة التبخر: إلى أي مدى يمكن تحسين حد كفاءة طاقة التبخر؟

مع أهداف انبعاثات الكربون والارتفاع الحاد في أسعار البخار، يُمثل استهلاك الطاقة في عمليات التبخير الآن أكثر من 30% من تكاليف التصنيع في صناعات مثل الكيماويات والأدوية والأغذية. تُحقق عمليات التبخير التقليدية أحادية التأثير، ومزدوجة التأثير، وثلاثية التأثير وفورات متدرجة في الطاقة من خلال "الاستخدام المتسلسل للبخار"، بينما يُحوّل الجيل الجديد من تقنية إعادة ضغط البخار الميكانيكي (MVR) النفايات مباشرةً إلى ثروة باستخدام البخار الثانوي. من أحادية التأثير إلى MVR، إلى أي مدى يُمكن رفع حد كفاءة الطاقة؟ نُقدم إجابة موضوعية مُدعمة بالبيانات.

أولا: "سقف" التبخير التقليدي متعدد التأثيرات

التبخير أحادي التأثير هو أبسطها: طن واحد من البخار الحي ≈ طن واحد من الماء المتبخر، بنسبة استهلاك بخار تبلغ 1.1. في التبخير ثنائي التأثير، يُعاد استخدام البخار الثانوي الناتج عن التبخير الأول، مما يُقلل نسبة استهلاك البخار إلى 0.6. يستمر التبخير ثلاثي التأثير على التوالي، بنسبة استهلاك بخار تبلغ حوالي 0.4، مما يُقلل استهلاك الطاقة بنسبة 60% مقارنةً بالتبخير أحادي التأثير. ومع ذلك، مع ازدياد عدد التأثيرات، تتزايد خسائر فرق درجة الحرارة بشكل كبير. تُقلل التبخيرات رباعية وخماسية التأثير استهلاك الطاقة بنسبة 10% فقط، بينما يزداد استثمار المعدات بشكل كبير. في الصناعة، تُعد التبخيرات رباعية التأثير نادرة للغاية. ويمكن القول إن تقنية التبخير متعدد التأثيرات قد وصلت إلى "سقفها" المادي والاقتصادي.

II. "القفزة المحدودة" لـ MVR

يستخدم نظام MVR الكهرباء لتشغيل ضاغط طرد مركزي، حيث يضغط البخار الثانوي ويسخنه بدرجة حرارة تتراوح بين 8 و12 درجة مئوية قبل إعادة استخدامه فورًا، مما يُلغي نظريًا الحاجة إلى بخار حي خارجي. لنأخذ مشروع تركيز الأحماض الأمينية بقدرة 15 طنًا/ساعة كمثال، وبنفس سعة التبخير، فإن الحرارة المطلوبة لنظام MVR لا تتجاوز 24% من الحرارة المطلوبة لضاغط ثلاثي التأثير، مما يوفر 85.7% من مكافئ الفحم القياسي، ويوفر سنويًا 7.83 مليون يوان من تكاليف البخار. تُظهر مقارنة أخرى لمحلول كبريتات الصوديوم بقدرة 5 أطنان/ساعة أن التكلفة التشغيلية السنوية لضاغط أحادي التأثير تبلغ 7 ملايين يوان، بينما تبلغ تكلفة ضاغط ثلاثي التأثير 2.8 مليون يوان، بينما تبلغ تكلفة ضاغط MVR 1.5 مليون يوان فقط، مما يُقلل تكاليف الطاقة بنسبة 46%. وتتحدث البيانات عن نفسها: إذ تعمل شركة MVR على خفض "تكلفة التشغيل لكل طن من المياه" من 100 يوان لضاغط التأثير الثلاثي إلى 22 يواناً، مما يزيد من كفاءة الطاقة بنحو 80%.

ثالثًا: ثلاث آليات رئيسية لتحسين كفاءة الطاقة

1. دورة ترموديناميكية مطورة: تستخدم المبخرات متعددة التأثيرات البخار فقط على مراحل، بينما تحقق MVR دورة مضخة حرارية ذات حلقة مغلقة، وتستغل بشكل متكرر الحرارة الكامنة للبخار الثانوي وتقلل من فقدان طاقة النظام.

2. فقدان فرق درجة الحرارة صفر: تفقد المبخرات متعددة التأثير 3-5 درجة مئوية من فرق درجة الحرارة الفعال مع كل تأثير إضافي، بينما يعوض MVR عن زيادة نقطة الغليان من خلال الضغط، مما يؤدي إلى استقرار فرق درجة حرارة التبخر عند 7-10 درجة مئوية، وتقليل مساحة نقل الحرارة بنسبة 20-30٪.

3. استهلاك مياه التبريد القريب من الصفر: يتطلب التبخر ثلاثي التأثير 40 طنًا من مياه التبريد لكل طن من الماء، بينما يلغي MVR مكثف التأثير النهائي، مما يؤدي إلى استهلاك مياه متداولة تقريبًا صفرًا وانخفاض متزامن في استهلاك الطاقة المساعدة.

رابعًا: الحدود الموضوعية والسيناريوهات القابلة للتطبيق

لا يُعدّ نظام MVR حلاً سحريًا. فعندما ترتفع درجة غليان المادة بأكثر من 18 درجة مئوية، أو تكون عرضة للتكلّس، أو تحتوي على مواد صلبة تزيد عن 20%، يزداد استهلاك طاقة الضاغط بشكل ملحوظ، مما يتطلب اقترانًا بالدوران القسري أو جهاز تبلور مكشطة. علاوة على ذلك، فإن الاستثمار الأولي لنظام MVR أعلى بنسبة 30-50% من الاستثمار في المبخرات ثلاثية التأثير، مما يزيد من متطلبات سعة الشبكة ودقة التشغيل. بالنسبة للمناطق ذات أسعار البخار المنخفضة ونقص الطاقة، تظل المبخرات ثلاثية التأثير خيارًا آمنًا؛ ومع ذلك، بالنسبة لمياه الصرف عالية الملوحة، والمواد الحساسة للحرارة، والمشاريع عديمة الانبعاثات، فإن حدود توفير الطاقة والتركيز القصوى لنظام MVR (حتى 1400 كجم/م³) لا غنى عنها تقريبًا.

الخامس. الخاتمة

من التبخير أحادي التأثير إلى ثلاثي التأثير، تستخدم تقنية التبخير وصلة "تسلسلية" لتقليل نسبة استهلاك البخار إلى 0.4، مما يُحسّن كفاءة الطاقة بنحو 60%. أما تقنية MVR، من خلال "الضغط وإعادة الاستخدام"، فتُخفّض الطلب على الحرارة إلى ربع الطلب في المبخرات ثلاثية التأثير، مما يزيد من إمكانية توفير الطاقة بنسبة 80%، مُقتربةً من حد كفاءة الطاقة لتقنية التبخير الصناعية الحالية. في المستقبل، ومع تطور مضخات الحرارة عالية الحرارة وضواغط الرفع المغناطيسي، من المتوقع أن تُحسّن MVR كفاءة الطاقة الإجمالية بنسبة 5-8%، إلا أن القفزة التكنولوجية "أحادية التأثير ← مزدوجة التأثير ← ثلاثية التأثير ← MVR" تُظهر بوضوح أن هذا الحد ليس مفهومًا، بل بيانات قابلة للتحقق - 85% فحم، و7.83 مليون يوان تكاليف بخار، وصفر مياه تبريد هي الفوائد الملموسة التي يُمكن للشركات تحقيقها اليوم.