فناوری کاهش NOx در نیروگاهها و سیستمهای احتراق سوختهای فسیلی

چکیده

بر اساس استانداردهای سازمان حفاظت محیط زیست کشور محدودیت غلظت NOx برای منابع آلاينده هوا و منابع احتراقی از جمله نیروگاهها تدوین شده است که برای سوخت گازی( درجه اول 300 درجه دوم 400 ) و برای سوخت های مازوت ( در جه اول 200 و درجه دوم 250 ) و برای سوخت گازوئیل ( درجه اول 200 و درجه دوم 300 ) ppm می باشد.(منظور از درجه اول و دوم فاصله صنعت تا مناطق مسکونی می باشد که اگر کمتر از 30 کیلومتر باشد درجه اول و بیشتر از این فاصله درجه دو محسوب می گردد) برای رساندن غلظت اکسیدهای نیتروژن به پایین تر از حد استاندارد در نیروگاهها و سایر منابع احتراقی فناوریهای مختلفی توسعه داده شده است که به منظور انتخاب و به کارگیری روش یا روشهای مناسب باید عوامل موثر بر تشکیل این آلاینده در سیستمهای احتراق شناسایی گردد. انتشار اکسیدهای نیتروژن هم در حین فرآیند احتراق و هم پس از فرآیند احتراق قابل کنترل و کاهش است. فناوریهای کنترل احتراق بر اساس تکنیکهای مرحله ای کردن سوخت یا هوا باتوجه به سینتیک تشکیل NOx و یا افزودن گاز یا مواد بی اثر به محفظه احتراق به منظور جلوگیری از تشکیل NOx یا هر دو این روشها بنا شده اند. فناوریهای پس از احتراق بر اساس افزودن واکنش دهنده هایی در رژیمهای مشخص دمایی بنا شده اند. انتخاب فناوری مناسب کنترل NOx در نیروگاه و سیستمهای احتراق، به خصوص در نیروگاههای موجود که در مرحله طراحی در آنها سیستمهای کنترل آلودگی هوا طراحی و اجرا نشده است، بستگی به فاکتورهای مختلفی از سوخت، طراحی و بهره برداری نیروگاه دارد. در این مقاله ویژگیها و عوامل موثر بر انتشار اکسیدهای نیتروژن از منابع احتراق سوختهای فسیلی مورد بررسی قرار گرفته و سپس راهنمایی هایی به منظور ارزیابی کاربرد و انتخاب فناوری های مناسب کاهش NOx ارائه شده است. 

مقدمه

در بسیاری از مناطق شهری و صنعتی کشور غلظت گاز ازن در سطح تنفسی به بالاتر از حدود استاندارد تجاوز می نماید. مطالعات آلودگی هوا نشان داده است که تشکیل ازن نتیجه واکنشهای پیچیده ترکیبات آلی فرار و اکسیدهای نیتروژن در حضور نور خورشید می باشد. مطالعات نشان داده است که در مناطقی که نسبت غلظت مواد فرار به اکسیدهای نیتروژن(VOC/NOx) بزرگتر از 15 باشد کاهش غلظت ازن تنها با کاهش NOx میسر است. همچنین بر اساس استانداردهای سازمان حفاظت محیط زیست کشور محدودیت غلظت NOx برای منابع آلاينده هوا و منابع احتراقی از جمله نیروگاهها تدوین شده است که حداکثر معادل ppm400 می باشد. برای رساندن غلظت اکسیدهای نیتروژن به پایین تر از حد استاندارد در نیروگاهها و سایر منابع احتراقی فناوریهای مختلفی توسعه داده شده است که به منظور انتخاب و به کارگیری روش یا روشهای مناسب توسط آزمایشگاه معتمد محیط زیست باید عوامل موثر بر تشکیل این آلاینده در سیستمهای احتراق شناسایی گردد.

ویژگیهای انتشار اکسیدهای نیتروژن

اکثر سیستمهای احتراق سوختهای فسیلی در داخل کشور ما برای تعیین میزان پایه انتشار اکسیدهای نیتروژن هنوز مورد بررسی و اندازه گیری قرار نگرفته اند. بر این اساس برای برآوردهای مقادیر انتشار NOxمعمولا به سادگی از فاکتورهای انتشار که عمدتا نیز برگرفته از مقادیر بدست آمده در خارج از کشور هستند، استفاده می شود.با توجه به وجود استاندارد محدود کننده غلظت NOx خروجی و جدی تر شدن کنترلهای زیست محیطی در داخل کشور به نظر می رسد غلظت این گازها در دود خروجی نیروگاهها به طور منظم مورد اندازه گیری و کنترل قرار گیرد. میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن از سیستمهای احتراق به شدت متغیر و به عوامل طراحی، بهره برداری و شرایط سوخت بستگی دارد و بکارگیری فاکتورهای انتشار چندان دقیق نخواهد بود. بنابراین لازم است کوره های احتراقی در نیروگاهها و سایر منابع احتراقی به طور مجزا برای تعیین ویژگیهای انتشار اکسیدهای نیتروژن توسط آزمایشگاه معتمد محیط زیست تست شوند. این آزمونها توسط آزمایشگاه محیط زیست باید به نحوی انجام شوند که داده های زمانی و فرآیندی کافی برای تصمیم در مورد روش کاهش NOx را فراهم آورند. رویکرد مناسب آزمودن حداقل یک کوره از هر کلاس کوره ها( با طراحی و سایز و مشخصات یکسان) از نظر انتشار NOx  ، CO و O2 می باشد. آزمون در حداقل سه نقطه کارکردی(بار عملیاتی) کوره که نمایانگر شرایط معمول بهره برداری باشد و در هر نقطه با تغییر میزان اکسیژن اضافی کوره در مقادیر مختلف انجام می گیرد. شکل 1 نشان دهنده نتایج شماتیک آزمون ویژگیهای انتشار در یک کوره احتراقی است. بقیه واحدهای همسان در یک نقطه کارکرد نزدیک به حداکثر توان نامی مورد آزمون قرار می گیرند.داده های عملیاتی در طول دوره آزمون به همراه نتایج اندازه گیریهای NOx  ، CO و O2 برای تعیین وضعیت تطابق با استانداردهای انتشار و همچنین اتخاذ تصمیم در مورد انتخاب فناوری کاهش NOx مورد استفاده قرار می گیرند. بر این اساس باید توجه داشت که نتایج یک مرحله اندازه گیری در شرایط خاص نمی تواند معیار تطابق یا عدم تطابق با استانداردهای انتشار NOx قرار گیرد.جدول 1 فهرست داده های عملیاتی که در دوره آزمون باید بررسی و ثبت گردند را نشان می دهد.

جدول 1. داده های عملیاتی و آلودگی که باید در دوره آزمون بویلرها بررسی و ثبت گردند.

پیش از انتخاب فناوری مناسب برای کاهش NOx در یک سیستم احتراقی مشخص لازم است چگونگی تشکیل NOx در فرآیند احتراق مورد بررسی و درک کافی قرار گیرد تا بر اساس این شناخت انتخاب مناسب تری برای روشهای کاهش آن صورت پذیرد. تشکیل و انتشار اکسیدهای نیتروژن درطول فرآیند احتراق تابع ترکیب سوخت، شرایط عملیاتی و طراحی بویلر یا کوره احتراقی می باشد. هر یک از این دسته عوامل نقش مهمی در غلظت نهایی NOx در خروجی کوره ایفاء می کنند. تشکیل اکسیدهای نیتروژن با سه مکانیزم اصلی در کوره صورت می گیرد:

• -    تشکیل NOx حرارتی
• -    تشکیل سریع NO
• -    تشکیل NOx ناشی از سوخت

هر یک از این سه مکانیزم بوسیله سه پارامر پایه ای هدایت می شوند که عبارتند از : دمای احتراق، زمان ماند در دماهای بالاتر از حدود بحرانی در اتمسفر یا احیا درون کوره و میزان تلاطم درحین احتراق اولیه.
تشکیل NOx حرارتی در در بویلرهای با سوخت گاز، نفت و زغال سنگ ناشی از سوختن نیتروژن موجود در هوای احتراق در محفظه کوره می باشد. تحقیقات اولیه در زمینه تشکیل NOx بر پایه تحلیل سینتیک احتراق سوختهای گازی بوده است. نتایج این تحقیقات منجر به توسعه معادله ای گردید که نشان دهنده اثر زمان، دما، غلظت اکسیژن و نیتروژن در تشکیل NOx در شعله ای است که واکنش دهنده ها در آن قبل از اختلاط کاملا آمیخته شده اند. بر اساس این معادله تشکیل NOx حرارتی با افزایش دما به مقادیر بالاتر از Cº1540 به طور نمایی نسبت به درجه حرارت افزایش می یابد. در نزدیکی منطقه شعله مقادیر اندازه گیری شده توسط آزمایشگاه محیط زیست NOx بیش از مقادیر پیش بینی شده بوسیله معادله بوده است. این اکسید نیتروژن (NO) که به سرعت در نزدیکی شعله تشکیل می شود از نظر مقدار در برابر NOx حرارتی بسیار اندک بوده و قابل صرفنظر کردن است.
هنگامی که نیتروژن به عنوان جزئی از سوخت وارد محفظه احتراق می شود، ویژگیهای متفاوتی مشاهده می گردد.به  NOx تشکیل شده ناشی از واکنش نیتروژن موجود در سوخت فسیلی با اکسیژن هوا NOx سوخت اطلاق می شود. معمول ترین شکل نیتروژن موجود در سوخت، نیتروژن موجود در پیوندهای آلی در سوختهای مایع و جامد می باشد. این پیوندها(پیوندهای نیتروژن و کربن یا سایر اتمها) بسیار ساده تر از پیوند بین دو اتم نیتروژن در مولکول N2 شکسته شده و بنابراین در محفظه های احتراق و بویلرها تشکیل NOx سوختی بسیار ساده تر و بیشتر از NOx حرارتی خواهد بود. اکسیدهای نیتروژن ناشی از سوخت بسیار بیشتر از NOx حرارتی تابع استوکیومتری واکنشهای شیمیایی هستند. به همین دلیل فناوریهای حرارتی مرسوم برای کنترل NOx ،نظیر تزریق آب و بخار یا بازگردش گاز، در بویلرها و محفظه های احتراق با سوخت مایع و جامد به قدر کافی اثر بخش نخواهند بود.

فناوریهای کنترل NOx

انتشار اکسیدهای نیتروژن هم در حین فرآیند احتراق و هم پس از فرآیند احتراق قابل کنترل و کاهش می باشد. فناوریهای کنترل احتراق بر اساس تکنیکهای مرحله ای کردن سوخت یا هوا باتوجه به سینتیک تشکیل NOx و یا افزودن گاز یا مواد بی اثر به محفظه احتراق به منظور جلوگیری از تشکیل NOx یا هر دو این روشها بنا شده اند. فناوریهای پس از احتراق بر اساس افزودن واکنش دهنده هایی در رژیمهای مشخص دمایی که باعث نابودی NOx تشکیل شده (در حضور یا عدم حضور کاتالیزورها افزایش دهنده سرعت تخریب) می گردند، بنا شده اند. جدول 2 خلاصه فناوریهای تجاری در دسترس به منظور کاهش NOx و میزان اثر بخشی نسبی هر یک به همراه مزایا و معایب، قابلیت و موارد کاربرد و اثرات آنها را نشان می دهد.
- کنترل احتراق
ساده ترین فناوری کنترل احتراق بهره برداری در هوای اضافی کم می باشد. این روش عبارتست از کاهش سطح هوای اضافی تزریقی به کوره تا نزدیکی نقطه ای که تشکیل مونواکسید کربن آغاز می شود. این روش در عین سادگی قابلیت محدودی در کاهش میزان تشکیل NOx دارد. سه فناوری دیگر که اثر بخشی آنها در کاهش NOx به اثبات رسیده است عبارتند از احتراق غیر استوکیومتری، بکارگیری مشعلهای کم NOx وکاهش دمای احتراق. دو فناوری اولیه برای کلیه انواع سوختها اعم از جامد، مایع و گاز قابلیت کاربرد داشته در حالیکه فناوری سوم تنها برای سوخت گاز و سوخت نفت گاز حاوی درصد کم نیتروژن قابل کاربرد است. کاهش دمای احتراق در کاهش تشکیل NOx حرارتی موثر است و بر میزان تشکیل NOx سوختی بی تاثیر می باشد. یک روش برای کاهش دمای احتراق افزودن ماده رقیق کننده است. فناوری بازگردش دود خروجی به این منظور توسعه داده شده است. در این روش دود خروجی در حد 20 – 10 %  میزان هوای ورودی به محفظه احتراق برگشت داده می شود که باعث ترقیق و کاهش تشکیل NOx حرارتی می گردد. شکل 2 نشان دهنده ارتباط بین میزان کاهش NOx با میزان بازگردش دود می باشد.

جدول 2. فناوریهای کنترل NOx در نیروگاهها و سیستمهای احتراق به همراه مزایا، معایب، کاربرد و اثرات آنها به منظور انتخاب روش مناسب.

 ادامه جدول 2. فناوریهای کنترل در نیروگاهها و سیستمهای احتراق به همراه مزایا، معایب، کاربرد و اثرات آنها به منظور انتخاب روش مناسب NOx

در نیروگاههای گاز سوز با این روش می توان میزان اکسیدهای نیتروژن را در دود خروجی تا حدود استاندارد کاهش داد. در حقیقت برای نیروگاههای گازسوز این روش موثرترین و ساده ترین روش قابل کاربرد می باشد. مزیت دیگر این روش این است که آن را به همراه سایر روشهای کنترل احتراق می توان به کار برد. به خصوص به کارگیری این روش به همراه مشعل های کم NOx   بسیار جالب توجه خواهد بود.
تزریق آب/بخار نیز فناوری دیگری بر پایه ترقیق احتراق می باشدو نحوه اثر گذاری و عملکرد آن شبیه بازگردش دود می باشد. در این روش علاوه بر ترقیق، کاهش دمای هوای احتراق در اثر جذب حرارت نهان تبخیر از هوای ورودی قبل از احتراق بوقوع می پیوندد. داده های زیادی در مورد عملکرد صنعتی این روش موجود نمی باشد اما اثر گذاری آن در شکل 3 ارائه شده است.
کاهش دمای پیشگرم کن هوا روش دیگری برای کاهش میزان تشکیل NOx حرارتی می باشد. همانگونه که در شکل 4 دیده می شود این عمل باعث افت حداکثر دمای شعله شده و تشکیل اکسیدهای نیتروژن ناشی از حرارت بالا را کاهش می دهد. اما این فناوری باعث افت راندمان انرژی نیروگاه خواهد شد. به عنوان یک برآورد تقریبی کاهش هر 20 درجه دمای هوای ورودی حدودا باعث ایجاد 1% افت در راندمان تولید نیروگاه می گردد. این اثر را با بهبود عملکرد اکونومایزرها در نیروگاه تا حدودی میتوان جبران کرد.

کنترل پس از احتراق

دو فناوری اصلی برای کنترل NOx  پس از عمل احتراق وجود دارد: کاهش انتخابی کاتالیزوری و کاهش انتخابی غیر کاتالیزوری. هر دو این فرآیندها تا کنون در سیستمهای احتراق خارجی مانند نیروگاهها کاربرد بسیار محدودی داشته اند. در کاهش انتخابی کاتالیزوری گازی متشکل از ترکیب آمونیاک و هوای فشرده در بالا دست راکتور حاوی کاتالیزور تزریق شده و در دمای بین 400-250 درجه سانتیگراد عمل می نماید. راندمان حذف NOx  در این روش بسته به نوع کاتالیزور، مقدرا تزریق آمونیاک، غلظت اولیه NOx  و عمر کاتالیزور ممکن است به میزان 90-70 درصد برسد. کاربرد این روش در سیستمهای احتراق خارجی بزرگ مانند نیروگاهها بسیار پر هزینه و پر دردسر است. علاوه بر مسایل زیست محیطی و ایمنی مربوط به مدیریت نگهداری و حمل و به کارگیری آمونیاک، تغییرات زیادی در تجهیزات نیروگاههای موجود و عملیات کانال و لوله کشی زیادی باید انجام گیرد.   
در روش کاهش انتخابی غیر کاتالیزوری واکنش دهنده های آمونیاکی یا اوره به منطقه خروجی کوره در نقطه ای که دمای دود در حدود 950 الی 1100 درجه سانتیگراد می باشد تزریق می شوند. راندمان حذف در این روش بسته به دمای گاز، میزان اختلاط واکنش دهنده ها با گاز، زمان ماند در دمای مورد نظر و مقدار واکنشگر تزریقی نسبت به غلظت اولیه NOx  تغییر خواهد کرد. کاربرد این روش باید با دقت بررسی و ارزیابی گردد چرا که اثر بخشی آن به شدت به سیستم احتراق و طراحی و بهره برداری آن دارد.

انتخاب فناوری مناسب

همانگونه که قبلا اشاره شد انتخاب فناوری مناسب کنترل NOx در نیروگاه و سیستمهای احتراق، به خصوص در نیروگاههای موجود که در مرحله طراحی در آنها سیستمهای کنترل آلودگی هوا طراحی و اجرا نشده است، بستگی به فاکتورهای مختلفی از سوخت، طراحی و بهره برداری نیروگاه دارد. با  توجه به مجموعه مطالب ارایه شده در این مقاله شکل 5 ارایه دهنده خلاصه گزینه های پیشنهادی ممکن برای سناریوهای مختلف نیروگاهها می باشد. شکل 5 و جدول 2 به طور همزمان برای ارزیابی انتخاب گزینه های کنترل NOx در نیروگاهها و سیستمهای احتراق خارجی باید مد نظر قرار گیرند. پس از تعیین گزینه های ممکن از نظر فنی،ارزیابی اقتصادی برای اولویت بندی گزینه ها باید صورت گیرد. در نهایت با در نظر گرفتن امکانات اقتصادی و سایر جوانب فنی مدیریت سیستم گزینه مناسب را از میان گزینه های ممکن اولویت بندی شده انتخاب می نماید.  باید توجه داشت که می توان دو یا چند روش را که با هم سازگار باشند به صورت همزمان اجرا کرد اما اجرای دو نوع از روشهایی که دارای پایه یکسان هستند باعث افزایش راندمان حذف  NOx نخواهد شد. همچنین باید توجه داشت که بصورت تئوری تقریبا تمام روشها داری اثر منفی بر راندمان انرژی نیروگاه هستند و ارزیابی مقدار این افت راندمان و ارتباط آن با انتشار NOx باید به طور دقیق در مرحله آزمونهای تعیین ویژگیها و ارزیابی های فنی مد نظر قرار گیرد.