طرق تحسين كفاءة المراجل وتقليل انبعاث أكاسيد النيتروجين

مصطلح “NOx” ظهر في العديد من المقالات، ولكن قد لا يعرف الكثيرون ما هو. NOx (أكسيدات النيتروجين) هو ملوث ضار يتم انبعاثه أثناء احتراق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الديزل. له آثار تدميرية جداً على الكوكب والكائنات الحية. يتم قياس NOx بوحدات ملغرام/كيلوواط أو أجزاء في المليون. يوصى بتقنية إعادة تدوير غاز العادم (FGR) من قبل العلماء والمهندسين للحد من انبعاث هذا الملوث. سيتم شرحه بمزيد من التفاصيل في هذا المقال.

فهم أكسيدات النيتروجين (NOx) وتأثيرها على البيئة

تُمثِّل أكسيدات النيتروجين (NOx) مجموعة أكسيد النيتروجين (NO) وأكسيد النيتروجين الثنائي (NO2) في عملية احتراق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الديزل. يتم التعبير عن هذا الملوث بوحدات ملغرام/كيلوواط.ساعة أو أجزاء في المليون. يتم إطلاق أكسيدات النيتروجين (NOx) الناتجة عن الاحتراق إلى البيئة من خلال مداخن الغلاية. لها آثار ضارة جدًا على احترار الكوكب، وتسبب تساقط الأمطار الحمضية والأمراض، وتؤدي إلى استنفاد طبقة الأوزون. يُنصح بتقنية “”إعادة تدوير غاز العادم”” من قبل العلماء والمهندسين لتقليل انبعاثات NOx. تعني هذه التقنية إعادة إدخال منتجات الاحتراق في دورة احتراق جديدة بهدف تقليل أكسيدات النيتروجين (NOx). تم شرح الآثار العلمية والعملية لهذه العملية في هذا المقال وتقديم حلول عملية.”

في الدراسات التي أجرتها منظمة الصحة العالمية في عام 2015، تم تقدير التكاليف السنوية الناجمة عن التلوث، والتي تؤدي إلى الأمراض والوفيات، بمبلغ 1.6 تريليون دولار في الاتحاد الأوروبي. يكون دور أكسيدات النيتروجين (NOx) وأول أكسيد الكربون واضحًا جدًا. وهذا على الرغم من أن معايير البيئة أكثر صرامة في الدول الأوروبية مقارنة بالدول النامية. في 26 سبتمبر 2018، أعلن الاتحاد الأوروبي أن كمية ثاني أكسيد النيتروجين في سخانات المياه يجب ألا تتجاوز 56 ملغ لاستهلاك الوقود لكل كيلوواط. بناءً على الآثار الضارة لهذا الملوث. وبناءً على ذلك، أقرت هيئة لندن الكبرى (GLA) قواعد تعلن فيها الحد الأقصى المسموح به لانبعاثات أكسيدات النيتروجين (NOx) لأنظمة التدفئة بالغاز بمقدار 40 ملغ/كيلوواط. بعد نجاح المشاريع في مجالات التنفيذ في بلدان مثل ألمانيا والدانمارك، أصبحت المتطلبات البيئية المتعلقة بحدود أكسيدات النيتروجين (NOx) وأول أكسيد الكربون قانونًا في معاهدة باريس (أو معاهدة 2020)، وهي معاهدة تلزم جميع الدول المعنية (بما في ذلك إيران) بتحسين حالة التلوث بحلول عام 2020. شركة باکمن، كواحدة من الشركات المهمة المصنعة للغلايات الساخنة وغلايات البخار في إيران، تسعى لاتخاذ خطوة في تحسين آثار أكسيدات النيتروجين (NOx) وفقًا للمتطلبات العالمية لأكسيدات النيتروجين (NOx).

تقليل تلوث أكسيدات النيتروجين (NOx)

تنبعث أكسيدات النيتروجين (NOx) عن مختلف الصناعات مثل صناعة السيارات والطهي وأنظمة التدفئة وغيرها. تحظى أنظمة التدفئة التي تعمل بالغاز بحصة تبلغ %35 في هذا الصدد. ينبعث أكسيدات النيتروجين (NOx) الناتجة عن احتراق الغاز الطبيعي عمومًا من ثلاثة مصادر: أكسيدات النيتروجين الحراري (thermal NOx) وأكسيدات النيتروجين المشتقة من الوقود (fuel NOx) وأكسيدات النيتروجين الفورية (prompt NOx).

الشكل رقم 1: مصادر أكسيدات النيتروجين (NOx) في لندن.

أكسيدات النيتروجين الحراري (Thermal NOx):

تتشكل عند درجة حرارة تتجاوز 1200 درجة مئوية نتيجة لأكسدة النيتروجين والهواء. تعتمد أكسيدات النيتروجين الحراري هذه، التي تشكل النسبة الأكبر في إنتاج الوقود الغازي الطبيعي، على عاملين: درجة حرارة الاحتراق والمدة التي تبقى فيها جزيئة النيتروجين عند هذه الدرجة. كلما ارتفعت درجة حرارة اللهب، زادت احتمالية تفكك جزيئة النيتروجين وزاد إنتاج أكسيدات النيتروجين الحراري.

أكسيدات النيتروجين المشتقة من الوقود (Fuel NOx):

تتشكل عندما يكون النيتروجين الموجود في الوقود قرب الهواء المحترق. نسبة أكسيدات النيتروجين المشتقة من الوقود ليست عالية في الغاز الطبيعي، ولكنها ملحوظة في الوقود السائل مثل الديزل والوقود الصلب مثل الفحم.

أكسيدات النيتروجين الفورية (Prompt NOx):

تتمثل هذه الأكسيدات في المرحلة الأولى من الاحتراق، وتحدث عندما يتفاعل النيتروجين في الغلاف الجوي مع الجذور الأكسجينية في الهواء. تتكون الجذور الأكسجينية عندما ينشق جزيء الأكسجين إلى اثنين من ذرات الأكسجين ذوات الإلكترونات الفردية. كمية هذه الأكسيدات غير مهمة مقارنة بالنوعين الآخرين. وبناءً على هذه النقاط، يعتبر العامل الهام في انبعاث أكسيدات النيتروجين (NOx) للوقود الغازي هو أكسيدات النيتروجين الحراري. تعتبر معاملات مثل كمية الهواء الزائد للاحتراق، ودرجة حرارة اللهب، وإمكانية خلط الهواء والغاز في رأس الحرقة هي العوامل الأكثر أهمية التي تؤثر على أكسيدات النيتروجين الحراري للوقود الغازي. يتم عرض كمية انبعاث أكسيدات النيتروجين (NOx) الناجمة عن الاحتراق، من حيث نسبة التكافؤ المكافئة، المعروض في الشكل رقم 2. نسبة التكافؤ المكافئة تعتبر نسبة الوقود الفعلي إلى الوقود المثالي من الناحية الستوكيومترية، والقيم التي تزيد عن 1 تعني أن الوقود الفعلي أعلى من الوقود المثالي وتسمى غنية بالوقود. القيم التي تقل عن 1 تشير إلى نقص الوقود. في ظروف عادية، حيث يكون الهواء للاحتراق أكثر من الوقود والاحتراق يتم في مرحلة واحدة، فإن نسبة التكافؤ المكافئة تكون أقل من 1.

 

الشكل رقم 2: أكسيدات النيتروجين (NOx) الناتجة عن احتراق الميثان والبروبان من حيث نسبة المكافئة.

عندما تكون كمية الهواء الزائد للاحتراق منخفضة وتقترب من الصفر (حوالي نقطة التكافؤ الستوكيومترية كما هو موضح في الشكل 2)، يكون انبعاث أكسيدات النيتروجين (NOx) في أدنى مستوى له. السبب يعود إلى نقص الأكسجين الإضافي للتفاعل مع ذرة النيتروجين. مع زيادة الهواء الزائد للاحتراق، يزداد انبعاث أكسيدات النيتروجين (NOx) تدريجيًا حتى تصل إلى أعلى نقطة في الرسم البياني. بعد ذلك، مع زيادة الهواء الالزائد للاحتراق (أكثر من %30)، يتم تقليل أكسيدات النيتروجين (NOx) وذلك نتيجة لانخفاض درجة حرارة اللهب. وبالتالي، في العمليات التي لا تحتوي على مراحل احتراق متعددة، ستكون للحد من الهواء الزائد أثرًا هامًا على عملية الاحتراق. على الرغم من أن تسخين الهواء والوقود قبل الاحتراق يسبب انبعاث أكسيدات النيتروجين (NOx) وارتفاع درجة حرارة اللهب، إلا أنه يتسبب في إعادة تدوير الحرارة من مدخنة الغلاية، وتحسين كفاءة الغلاية العامة، وتقليل التلوث الكربوني.

الشكل رقم 3: تأثير التسخين المسبق على انبعاثات أكسيدات النيتروجين (NOx) للميثان والبروبان.

 

إعادة تدوير منتجات الاحتراق

في هذه الطريقة التي هي الموضوع الرئيسي لهذا المقالة، و ذلك بإضافة غازات متعادلة مثل ثاني أكسيد الكربون أو النيتروجين أو البخار أو … إلى موقع الاحتراق، سينخفض متوسط درجة حرارة اللهب وبالتالي أكسيدات النيتروجين الحرارية. أحد المصادر المثالية للجزيئات المحايدة هو منتجات الاحتراق التي تمر عبر مدخنة الغلاية والتي تكون درجة حرارتها أقل مقارنة بغرفة الاحتراق. ومن خلال إضافة أو إعادة تدوير %10 من منتجات الاحتراق، يمكن تقليل درجة حرارة اللهب بنسبة %7.

الشكل رقم 4- احتراق الميثان بنسبة %20 من الهواء الزائد بدون نظام FGR

يتم عرض نظام التدوير بشكل تخطيطي في الشكل رقم 4. في البداية، التدوير لمنتجات الاحتراق غير نشط. يتم توضيح معادلة احتراق الميثان بنسبة هواء زائدة %20 في المعادلة 1. كما يظهر، يكون إجمالي عدد الجزيئات الناتجة عن الاحتراق التي تمتص طاقة الاحتراق مساويًا لـ 12/424 جزيء لاحتراق جزيء واحد من الميثان. هذا يسبب درجة حرارة تتراوح بين 1300 درجة مئوية. هذه الدرجة هي السبب الرئيسي لتكوين أكسيدات النيتروجين الحرارية.

المعادلة رقم 1

تبلغ نسبة إعادة التدوير %10، وفي الواقع سيتم نقل %10 من منتجات الاحتراق، والتي تتضمن بشكل أساسي الشامات المحايدة، إلى مدخل الموقد. يتم هذا النقل عن طريق خط أنابيب متصل من مدخنة المرجل بمدخل FGR الموجود على الموقد. يجب أن يكون مسار النقل معزولاً حرارياً تماماً حتى لا يحدث التكثيف على طوله. يحتاج مدخل الموقد أيضًا إلى منفذ تفريغ لاحتمال تكثيف احتراق بخار الماء. ويتم النقل عن طريق مروحة الموقد بسعات صغيرة. تستخدم المراوح المنفصلة، والتي تعد من وظائف نظام التحكم المركزي، بقدرات كبيرة لدفع نواتج الاحتراق نحو الموقد. تحتوي منتجات الاحتراق على بعض الأكسجين أيضًا. لذلك، من خلال نقل نسبة من منتجات الاحتراق، يتم تقليل الهواء الداخل إلى الموقد بحيث يتم ملاحظة عملية الاحتراق بشكل كامل عند %20 من الهواء الزائد. وفي هذه الحالة تتغير معادلة التفاعل وتصبح المولات الناتجة من الاحتراق تساوي 13/47 مول لاحتراق مول واحد من الميثان. تعني زيادة المول هذه زيادة الجزيئات الموجودة في غرفة الاحتراق بالغلاية. لم تتغير الطاقة في غرفة الاحتراق لأن مول الميثان ثابت. وهذا يعني أن حرارة الدورة السابقة (بدون نظام FGR) يتم توزيعها بنسبة 13/47 بدلاً من 12/424 مما يعني انخفاض في درجة حرارة اللهب بنسبة %7-8. ويمكن تكرار ذلك في الدورات التالية بنفس الطريقة ويصل النظام إلى التوازن بعد اجتياز بعض الدورات في وقت قصير. يؤدي تقليل درجة حرارة اللهب إلى تقليل أكسيدات النيتروجين الحرارية بقوة. تتم الإشارة إلى معادلة الاحتراق في الدورة الأولية لتشغيل FGR في المعادلة 2 وتظهر العملية بشكل تخطيطي في الشكل 5.

الشكل رقم 5 – احتراق الميثان بزيادة بنسبة %20 من الهواء الزائد و تدوير منتجات الاحتراق للغازات المدخنة بنسبة %10

المعادلة رقم 2

وتعتمد النسبة المئوية القابلة للتطبيق لإعادة التدوير على نوع الموقد وقوة خلط رأسه. ويوضح الرسم البياني في الشكل 6 انخفاض أكسيدات النيتروجين من حيث من نسبة إعادة التدوير. وكما هو ملاحظ، يمكن لهذه الطريقة تقليل أكسيدات النيتروجين بنسبة %50. وبشكل عام ينصح بإجراء التجربة إلى %20 بالنسبة للشركات المصنعة للموقد

إذا تجاوزت عملية إعادة التدوير بهدف تقليل أكسيدات النيتروجين هذه القيمة، يصبح لهب الموقد ضخمًا جدًا ويسبب تأثيرات سلبية على مستويات نقل الحرارة في غرفة احتراق الغلاية. وفي هذه الحالة، يتعين على المستخدم تقليل السعة.

 

Figure 6- NOx reduction in terms of recirculation percentage

 

شروط تثبيت FGR

إذا كانت الغلاية تحتوي على مشعلين أو أكثر، فسيكون لكل مشعل منفذ FGR منفصل. يقوم نظام الإدارة بضبط كمية التدوير لكل منفصل بهدف تقليل NOx العام للهب. التدوير يؤثر بشكل ضئيل على الكفاءة حيث تكون درجة حرارة اللهب أقل وهذا سيقلل القدرة الحرارية قليلاً. الحل العام لتعويض هذا الانخفاض هو زيادة الخلط في مسارات نقل الحرارة. آخر تأثير سلبي هو سعر المشعل الفعلي. إعداد نظام FGR سيكلف حوالي %20 من السعر الفعلي الإجمالي للمشعل. يتضمن هذا التكلفة أنابيب الربط والمستشعر والمحرك المتعدد الوحدات المتصل بمنفذ المشعل وما إلى ذلك.
ستكون هذه التكلفة أعلى لكل كيلو واط استهلاك للوقود في السعة المنخفضة. وفقًا لتقرير وكالة حماية البيئة الأمريكية، من بين جميع طرق تقليل NOx، يعتبر نظام FGR الأكثر اقتصادية للمشاعل ذات السعة الزائدة على 500 كيلوواط.
تم تنفيذ جميع العمليات الموضحة في هذا التقرير، التي تتماشى مع الباحثين في مجال المرافق في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي، في باكمن ويمكن تطبيقها عمليًا على المشاعل ذات السعة الزائدة على 1700 كيلوواط. يوضح الشكل 7 مثالًا لتطبيق FGR على مشعلين بسعات 10 ميجاواط و 5 ميجاواط.
من المأمول أن يتم اتخاذ خطوة قوية وفعالة للحفاظ على الصحة البيئية وحمايتها للأجيال المستقبلية من خلال تقليل NOx من أنظمة التدفئة والبخار بنسبة %50 والتي تشكل %35 من تلوث البلاد.

في الختام، يحظى تدوير الغازات المدخنة بتأثير كبير في تقليل انبعاثات NOx. كما يمكن ملاحظته في الشكل والرسوم البيانية المقدمة، يمكن أن يقلل هذا النظام من NOx بنسبة تصل إلى %50. يجب أن يُلاحظ أن النسبة المطبقة للتدوير تعتمد على نوع المشعل وقوة الخلط في الرأس. وفقًا لتوصية الصناعة، يُنصح بإجراء التجارب على نسبة تدوير تصل إلى %20 حيث أن تجاوز هذه القيمة سيتسبب في آثار سلبية. لذلك، من الضروري إيجاد توازن بين تقليل NOx وسعة المشعل لتحقيق تشغيل مستدام للغلاية. يحتاج المزيد من البحث العلمي في هذا المجال لإبلاغ الشركات المصنعة حول كيفية تحسين الكفاءة وحماية الكوكب.

المؤلفين: قسم البحث في شركة مصنع المشعل، شركة باكمن، بإدارة وحيد عزيزي.

مراجع:

1. التكلفة الاقتصادية للأثر الصحي لتلوث الهواء في أوروبا – تم الوصول إليه في 9 نوفمبر 2016.
2. أكسيد النيتريك: السمية – تم الوصول إليه في 9 نوفمبر 2016.
3. لائحة المفوضية (الاتحاد الأوروبي) رقم 814/2013 بتاريخ 2 أغسطس 2013 بشأن تنفيذ التوجيه 2009/125/EC بشأن متطلبات التصميم البيئي لسخانات المياه وتخزين الماء الساخن.
4. التصميم والبناء المستدام، هيئة لندن الكبرى، 2014.
5. تنفيذ مناطق الهواء النظيف في إنجلترا – تم الوصول إليه في 9 نوفمبر 2016.
6. استراتيجية جودة الهواء لمدينة لندن 2015 – 2020، مؤسسة مدينة لندن.
7. Hazelhurst J، ممارسة تركيب الغاز الصناعي والتجاري لشركة Tolley – تكنولوجيا خدمة الغاز المجلد 3، تايلور وفرانسيس، 2012.