أساليب تحسين كفاءة المراجل و تقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx)

ظهر مصطلح “NOx” في العديد من المقالات، و لكن قد لا يعرف العديد من الأفراد ما هو. NOx (أكاسيد النيتروجين) هو ملوث ضار ينبعث أثناء احتراق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الديزل. له تأثيرات مدمرة للغاية على الكوكب و الكائنات الحية. يُقاس NOx بوحدات mg/kW أو ppm. يوصي العلماء و المهندسون باستخدام إعادة تدوير غازات المداخن (FGR) لتقليل انبعاث هذا الملوث. سيتم شرح ذلك بمزيد من التفاصيل في هذه المقالة.

فهم NOx و تأثيره على البيئة

NOx هو الممثل لأكاسيد النيتروجين (NO وNO2) في عملية احتراق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الديزل. يتم التعبير عن هذا الملوث بوحدات mg/kW.h أو ppm. يتم إطلاق NOx الناتج عن الاحتراق إلى البيئة عبر مدخنة المرجل. له تأثيرات ضارة للغاية على الاحتباس الحراري، و يسبب الأمطار الحمضية و الأمراض، و يستنفد طبقة الأوزون. “إعادة تدوير غازات المداخن” تعني إعادة المنتجات الناتجة عن الاحتراق إلى دورة احتراق جديدة بهدف تقليل NOx. تم شرح التأثيرات العلمية و العملية لهذه العملية في هذه المقالة و تقديم حلول عملية.

في الدراسات التي أجرتها منظمة الصحة العالمية في عام 2015، قُدرت التكاليف السنوية الناتجة عن التلوث، و التي تؤدي إلى الأمراض و الوفيات، بـ 1.6 تريليون دولار في الاتحاد الأوروبي. دور NOx مع أول أكسيد الكربون واضح جدًا. هذا على الرغم من أن المعايير البيئية أكثر صرامة في الدول الأوروبية مقارنة بالدول العالم الثالث. في 26 سبتمبر 2018، أعلنت الاتحاد الأوروبي أن كمية ثاني أكسيد النيتروجين في سخانات المياه يجب ألا تتجاوز 56 مجم لكل كيلوواط ساعة من استهلاك الوقود بسبب التأثيرات الضارة لهذا الملوث. و وفقًا لذلك، وضعت هيئة لندن الكبرى (GLA) قواعد تُحدد الحد الأقصى المسموح به لانبعاثات NOx لأنظمة التدفئة الغازية ليكون 40 مجم/كيلوواط ساعة. بعد المشاريع الناجحة في مجالات التنفيذ في دول مثل ألمانيا والدنمارك، أصبحت المتطلبات البيئية المتعلقة بحدود NOx و أول أكسيد الكربون قانونًا في معاهدة باريس (أو معاهدة 2020)، و هي معاهدة تلزم جميع الدول المشاركة (بما في ذلك إيران) بتحسين وضع التلوث بحلول عام 2020. تحاول شركة Packman، كواحدة من الشركات الرائدة في تصنيع مراجل الماء الساخن و البخار في إيران، أن تخطو خطوة في تحسين تأثيرات NOx بما يتماشى مع المتطلبات العالمية لـ NOx.

تقليل تلوث NOx

يتم إطلاق NOx من قبل صناعات مختلفة مثل السيارات، الطهي، أنظمة التدفئة، و غيرها. تشكل أنظمة التدفئة بالغاز حوالي 35% من هذه الانبعاثات. ينبعث NOx الناتج عن احتراق الغاز الطبيعي عمومًا من ثلاثة مصادر: NOx الحراري، NOx الناتج عن الوقود، و NOx الفوري.

الشكل 1: مصادر أكاسيد النيتروجين (NOx) في لندن

أكاسيد النيتروجين الحرارية:

تتشكل أكاسيد النيتروجين الحرارية عند درجات حرارة أعلى من 1200 درجة مئوية نتيجة أكسدة النيتروجين في الهواء. تلعب هذه الأكاسيد الدور الأكبر في إنتاج الوقود من الغاز الطبيعي وتعتمد على عاملين: درجة حرارة الاحتراق ومدة تعرض جزيئات النيتروجين لهذه الحرارة. كلما ارتفعت درجة حرارة اللهب، زادت احتمالية تفكك جزيئات النيتروجين و زادت كمية أكاسيد النيتروجين الحرارية المنتجة.

أكاسيد النيتروجين الناتجة عن الوقود:

تتشكل عندما يكون النيتروجين في الوقود بالقرب من هواء الاحتراق. لا تكون حصة أكاسيد النيتروجين الناتجة عن الوقود عالية في الغاز الطبيعي، لكنها ملحوظة في الوقود السائل مثل الديزل و الوقود الصلب مثل الفحم.

أكاسيد النيتروجين السريعة:

تتشكل أكاسيد النيتروجين هذه في المرحلة الأولى من الاحتراق، و تنتج عندما يتفاعل النيتروجين في الغلاف الجوي مع جذور الأكسجين في الهواء. يتم تكوين جذور الأكسجين عندما ينقسم جزيء الأكسجين إلى ذرتين من الأكسجين مع إلكترونات غير متزاوجة. كمية هذه الأكاسيد ليست كبيرة مقارنة بالأنواع الأخرى. وفقًا لهذه النقاط، فإن العامل المهم لانبعاث أكاسيد النيتروجين للغاز هو أكاسيد النيتروجين الحرارية. عوامل مثل كمية الهواء الزائد للاحتراق، درجة حرارة اللهب، و إمكانية خلط الهواء و الغاز في رأس الموقد هي أهم العوامل المؤثرة على أكاسيد النيتروجين الحرارية للغاز.
مقدار انبعاث أكاسيد النيتروجين الناتجة عن الاحتراق، من حيث نسبة التكافؤ، مبين في الشكل 2. نسبة التكافؤ هي نتيجة كسر الوقود الفعلي إلى الوقود التكافئي، و القيم التي تزيد عن 1 تعني أن الوقود الفعلي أعلى من الوقود التكافئي، مما يسمى بالوقود الغني. القيم الأقل من 1 تشير إلى الوقود الفقير. في الظروف العادية حيث يكون هواء الاحتراق أكثر من الوقود و يكون الاحتراق أحادي المرحلة، تكون نسبة التكافؤ أقل من 1.

 

الشكل 2: أكاسيد النيتروجين (NOx) الناتجة عن احتراق الميثان و البروبان من حيث نسبة التكافؤ

عندما يكون الهواء الزائد للاحتراق منخفضًا و قريبًا من الصفر (حول نقطة التكافؤ الستوكيومترية كما هو مبين في الشكل 2)، تكون انبعاثات أكاسيد النيتروجين في الحد الأدنى. السبب هو نقص الأكسجين الإضافي للتفاعل مع ذرة النيتروجين. مع زيادة الهواء الزائد، تزداد كمية انبعاثات أكاسيد النيتروجين تدريجيًا حتى تصل إلى أعلى نقطة في الرسم البياني. بعد ذلك، مع زيادة الهواء الزائد (أكثر من 30%)، تنخفض أكاسيد النيتروجين بسبب انخفاض درجة حرارة اللهب. لذلك، في العمليات التي لا يكون فيها الاحتراق متعدد المراحل، سيكون لتقليل الهواء الزائد تأثيرات كبيرة على الاحتراق. على الرغم من أن تسخين الهواء و الوقود يسبب انبعاثات أكاسيد النيتروجين و ارتفاع درجة حرارة اللهب، إلا أنه يؤدي إلى إعادة تدوير الحرارة من مدخنة المرجل، تحسين الكفاءة العامة للمرجل، و تقليل التلوث الكربوني.

الشكل 3: تأثيرات التسخين المسبق على انبعاثات NOx للميثان و البروبان

 

إعادة تدوير منتجات الاحتراق

في هذه الطريقة، التي هي الموضوع الرئيسي لهذا المقال، يتم عن طريق إضافة الغازات المحايدة مثل ثاني أكسيد الكربون، النيتروجين، البخار، أو غيرها إلى موقع الاحتراق، تخفيض متوسط درجة حرارة اللهب و بالتالي تقليل NOx الحراري. أحد المصادر المثالية للجزيئات المحايدة هو نواتج الاحتراق التي تمر عبر مدخنة المرجل و التي تكون درجة حرارتها أقل مقارنة بغرفة الاحتراق. من خلال إضافة أو إعادة تدوير 10% من نواتج الاحتراق، يمكن تقليل درجة حرارة اللهب بنسبة 7%.

الشكل 4- احتراق الميثان عند 20% هواء زائد بدون نظام إعادة تدوير غاز المداخن

يتم عرض نظام إعادة التدوير في الشكل 4 بشكل تخطيطي. في البداية، إعادة تدوير نواتج الاحتراق ليست نشطة. معادلة احتراق الميثان عند 20% فائض هواء موضحة في المعادلة 1. كما يمكن ملاحظة، العدد الإجمالي للمولات الناتجة عن الاحتراق التي تمتص طاقة الاحتراق تساوي 12.424 مول لحرق مول واحد من الميثان. هذا يسبب درجة حرارة في نطاق 1300 درجة مئوية. هذه الدرجة من الحرارة هي السبب الرئيسي لتكوين NOx الحراري.

المعادلة رقم 1

عندما تكون إعادة التدوير 10%، فإن 10% من نواتج الاحتراق، التي تشمل بشكل رئيسي الجزيئات المحايدة، ستنقل إلى مدخل الموقد. يتم ذلك عن طريق خط أنابيب يربط من مدخنة المرجل إلى مدخل FGR على الموقد. يجب أن تكون مسار النقل معزولة حرارياً بشكل كامل لتجنب التكاثف على طول المسار. يحتاج مدخل الموقد أيضًا إلى منفذ لتفريغ التكثيف المحتمل لبخار الماء الناتج عن الاحتراق. يتم النقل بواسطة مروحة الموقد في السعات الصغيرة. تستخدم مراوح منفصلة تعمل بواسطة نظام التحكم المركزي في السعات الكبيرة لدفع نواتج الاحتراق نحو الموقد.
تحتوي نواتج الاحتراق على بعض الأكسجين أيضًا. لذلك، عن طريق نقل نسبة من نواتج الاحتراق، يتم تقليل الهواء الداخل إلى الموقد بحيث يتم مراعاة عملية الاحتراق بشكل كامل عند 20% فائض هواء. في هذه الحالة، ستتغير معادلة التفاعل وتصبح المولات الناتجة عن الاحتراق تساوي 13.47 مول لحرق مول واحد من الميثان. هذه الزيادة في المولات تعني زيادة الجزيئات في غرفة الاحتراق بالمرجل. لم تتغير الطاقة في غرفة الاحتراق لأن مول الميثان ثابت. هذا يعني أن حرارة الدورة السابقة (بدون نظام FGR) موزعة على 13.47 بدلاً من 12.424، مما يعني انخفاض بنسبة 7-8% في درجة حرارة اللهب. يمكن تكرار هذا في الدورات التالية بنفس الطريقة و سيصل النظام إلى التوازن بعد مرور بعض الدورات في وقت قصير. يؤدي تقليل درجة حرارة اللهب إلى تقليل NOx الحراري بشكل كبير. معادلة الاحتراق في الدورة الأولية لتشغيل FGR موضحة في المعادلة 2 و العملية معروضة بشكل تخطيطي في الشكل 5.

الشكل 5- احتراق الميثان عند 20% هواء زائد و 10% إعادة تدوير غاز المداخن

المعادلة رقم 2

تعتمد النسبة المئوية المطبقة لإعادة التدوير على نوع الموقد و قوة خلط رأسه. يوضح المخطط في الشكل 6 تقليل NOx بنسبة إعادة التدوير. كما يمكن ملاحظة، يمكن لهذه الطريقة تقليل NOx بنسبة 50%. عمومًا، يوصى بإجراء التجربة بنسبة تصل إلى 20% لمصنعي المواقد.

إذا تجاوزت إعادة التدوير بهدف تقليل NOx هذه القيمة، يصبح لهب الموقد حجماً كبيراً جداً مما يؤدي إلى تأثيرات سلبية على مستويات نقل الحرارة في غرفة الاحتراق بالمرجل. في هذه الحالة، يتعين على المستخدم تقليل السعة.

 

الشكل 6- تقليل NOx من حيث نسبة التدوير

 

شروط تركيب نظام تدوير غاز المداخن (FGR)

إذا كان المرجل يحتوي على موقدين أو أكثر، سيكون لكل موقد منفذ تدوير غاز المداخن (FGR) منفصل. يقوم نظام الإدارة بضبط كمية التدوير لكل موقد بشكل منفصل بهدف تقليل انبعاثات NOx العامة من اللهب. لتدوير غاز المداخن تأثيرات سلبية طفيفة على الكفاءة نظرًا لانخفاض درجة حرارة اللهب، مما سيقلل من السعة الحرارية قليلًا. الحل العام لتعويض هذا الانخفاض هو زيادة المزج في مسارات نقل الحرارة. تأثير سلبي آخر هو تكلفة الموقد الفعلية. تكلفة تركيب نظام FGR تعادل حوالي 20% من السعر الفعلي للموقد. تشمل هذه التكلفة الأنابيب و المستشعر و المحرك القابل للتعدیل المتصل بمنفذ الموقد و ما إلى ذلك.

تكون هذه التكلفة أعلى لكل كيلوواط من استهلاك الوقود في القدرات المنخفضة. وفقًا لتقرير وكالة حماية البيئة الأمريكية، يعتبر نظام FGR الأكثر اقتصادًا بين جميع طرق تقليل NOx للمواقد ذات السعة التي تزيد عن 500 كيلوواط.

جميع العمليات الموصوفة في هذا التقرير، التي تتماشى مع الأبحاث في مجال المرافق في الاتحادين الأمريكي و الأوروبي، تم تنفيذها في شركة باكمن و هي قابلة للتطبيق عمليًا للمواقد ذات السعة التي تزيد عن 1700 كيلوواط. يوضح الشكل 7 مثالًا لتطبيق نظام FGR على موقدين بسعات 10 ميغاواط و 5 ميغاواط.

يأمل أن يتم اتخاذ خطوة قوية و فعالة للحفاظ على الصحة البيئية وحمايتها للأجيال المستقبلية عن طريق تقليل NOx من أنظمة التدفئة و البخار بنسبة 50% و التي تشكل 35% من تلوث البلاد.

في الختام، لنظام تدوير غاز المداخن تأثير كبير في تقليل انبعاثات NOx. كما هو موضح في الأشكال و الرسوم البيانية المقدمة، يمكن لهذا النظام تقليل NOx بنسبة تصل إلى 50%. يجب ملاحظة أن النسبة المئوية للتدوير المطبقة تعتمد على نوع الموقد و قدرة المزج للرأس. وفقًا لتوصيات الصناعة، ينصح بإجراء التجارب حتى 20% من التدوير للمصنعين، حيث أن تجاوز هذه القيمة قد يسبب تأثيرات سلبية. لذلك، من الضروري تحقيق توازن بين تقليل NOx و قدرة الموقد لضمان تشغيل مستدام للمرجل. هناك حاجة إلى المزيد من البحوث العلمية في هذا المجال لإعلام المصنعين بكيفية تحسين الكفاءة و حماية الكوكب.

المؤلفون: قسم الأبحاث في مصنع المواقد، 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.