طرق تقليل أكسيد النيتروجين(Nox)

خلال القرن الماضي، زادت انبعاثات أكسيد النيتروجين، المعروفة باسم NOx، بشكل مستمر. نظرًا للتأثيرات المدمرة لأكسيدات النيتروجين على صحة المجتمع والبيئة، تم تقييم انبعاثات مصادر الاحتراق المختلفة في البلدان الصناعية. تم تطوير تقنيات مختلفة للتحكم في أكسيد النيتروجين وتقليل الانبعاثات من مصادر الاحتراق. تعتمد تطوير هذه التقنيات على فهم التفاعلات الكيميائية المتعلقة بأكسيدات النيتروجين. تشمل المعلمات الرئيسية المتعلقة بتفاعلات تكوين أكسيد النيتروجين درجة حرارة الاحتراق، تركيز المؤكسد، ومدة تواجده في منطقة الاحتراق ذات الحرارة العالية. أي تغيير في هذه المعلمات يؤدي إلى انخفاض أو زيادة في تكوين أكسيد النيتروجين. ومع ذلك، يمكن تحقيق خفض درجة حرارة الاحتراق من خلال حقن الماء أو البخار وتحسين الهندسة وإعادة تدوير غازات الخروج.

النيتروجين هو غاز جزيئي ثنائي غير فعال نسبيًا يشكل حوالي 79% من الهواء المحيط بنا. ومع ذلك، يمكن أن يكون النيتروجين كذرة واحدة عكسيًا جدًا وله مستويات تأين من واحد إلى خمسة. وبالتالي، يمكن لهذه الذرة تكوين عدة أكسيدات مختلفة. تم جمع مركبات عائلة NOx وبعض الخصائص المميزة في الجدول أدناه.

Formula	Name	Nitrogen Valence	Properties
N2O5	dinitrogen pentoxide	5	white solid very water soluble decomposes in water
N2O4 NO2	dinitrogen tetroxide nitrogen dioxide	4	red-brown gas very water soluble decomposes in water
N2O3	dinitrogen trioxide	3	black solid water-soluble decomposes in water
N2O2 NO	dinitrogen dioxide nitric oxide	2	colorless gas slightly water soluble
N2O	nitrous oxide	1	colorless gas water-soluble

“الانبعاثات من الأكسيد النيتروجيني (NOx) من الاحتراق تكون أساسًا على شكل NO. استنادًا إلى معادلات زيلدوفيتش، يتم توليد NO عندما يكون الأكسجين متاحًا في الهواء عند درجات حرارة تزيد عن 1300 درجة مئوية. أسفل 760 درجة مئوية، يتم إنتاج NO بتراكيزات أقل بكثير أو أبدًا. يتم إنتاج NO في عملية الاحتراق كدالة لنسبة الهواء إلى الوقود. معادلات زيلدوفيتش هي كما يلي:

 

N + O → NO + N

N + O₂ → NO + O

N + OH → NO + H

كما ذُكر أعلاه، تنبعث عمليات الاحتراق بدرجات حرارة تقل بشكل كبير عن 1300 درجة مئوية بكميات أقل من “NOx الحراري”. يتم التحكم في NOx الحراري عن طريق تركيز النيتروجين والأكسجين ودرجة الاحتراق. شكل آخر من NOx هو “NOx الوقود”، الذي ينبعث من الوقود الذي يحتوي على النيتروجين، مثل الفحم. يتم تكوين “NOx الفوري” من النيتروجين الجزيئي في الهواء مع الوقود في ظروف غنية بالوقود التي تحدث إلى حد ما في جميع عمليات الاحتراق. يتأكسد هذا النيتروجين بعد ذلك مع الوقود ويتحول إلى NOx أثناء الاحتراق، تمامًا مثل NOx الوقود

تكنولوجيات التحكم والتقليل في NOx معقدة إلى حد ما. يحاول هذا النقاش إنشاء هيكل لأساليب تقليل والتحكم في NOx من خلال تقديم الطرق المستخدمة. ثم يتم وصف استراتيجيات التقليل والتحكم في الانبعاثات الأكثر كفاءة للتلوث.

تقريبًا جميع مصادر الاحتراق تحتوي على كميات كبيرة من التلوث، مثل NOx، بكميات كبيرة في غازات المداخن. تعتمد جميع استراتيجيات التقليل لإزالة أو تقليل معدل انبعاثات NOx في عملية الاحتراق على إحدى السبعة:

1. تقليل درجة الاحتراق
2. تقليل وقت الإقامة
3. إزالة النيتروجين
4. الحد من التفاعل الكيميائي لل NOx
5. أكسدة NOx
6. جعل الامتزاز
7. مزيج من الأساليب أعلاه.

بعض التقنيات المعروفة والفعالة للحد من التلوث والتحكم في الانبعاثات، خاصة NOx، هي كما يلي:

1. إعادة تدوير منتجات الاحتراق

إعادة تدوير منتجات الاحتراق (CPR) من مدخنة حجرة الاحتراق هو عملية تعيد منتجات الاحتراق (POCs) إلى منطقة تكوين اللهب. في البداية، يبدو أن عملية إعادة تدوير منتجات الاحتراق ستزيد من تكوين NOx بسبب العلاقة المباشرة بين انبعاث NOx ودرجة الحرارة. يلاحظ أن درجة حرارة غاز المدخنة أقل بكثير من درجة حرارة اللهب، لذلك ستقلل إعادة تدوير منتجات الاحتراق من إنتاج NOx. تم عرض مخطط تكوين NOx وفقًا لدرجة حرارة اللهب أدناه.

يجب تحسين هندسة حرق الوقود من حيث الديناميات الهوائية لتحقيق معدل عالٍ من خلط الوقود والهواء. الهدف هو منع تكوين النقاط الساخنة وخلق درجة حرارة متجانسة في اللهب بحيث تزيد من إطلاق الحرارة عند درجة حرارة اللهب المنخفضة، وبالتالي ستقل إنتاج NOx. الأساليب القياسية لإعادة تدوير منتجات الاحتراق إلى منطقة تكوين اللهب هي إعادة تدوير غاز الفرن (FuGR) وإعادة تدوير غاز المدخنة (FGR) من مدخنة الحجرة. في طريقة FGR، وفقًا للشكل، تعيد منتجات احتراق الغازات من المدخنة إلى الحرق.

في هذه العملية، يتعين استخدام مروحة أو جهاز قادر على تدوير POCs داخل الفرن أو الحرق. يجب أن تكون تصميمات الحرقة قادرة على التحكم في التدفق الزائد بسبب إعادة POCs وزيادة حرارة المتفاعلات في عملية الاحتراق بسبب عودة الغازات الساخنة.

في طريقة FGR، يتعين استخدام مروحة إضافية لسحب POCs من المدخنة إلى الحرقة. إذا كانت درجة حرارة غاز العادم منخفضة بما فيه الكفاية، يمكن لمروحة الحرقة توجيه الهواء المحترق وتدفق الغازات الساخنة من المدخنة إلى الحرقة. يُستخدم هذا الأسلوب في حرقات مراجل البخار حيث تكون درجة حرارة غاز العادم عادةً أقل بكثير. أحد عيوب طريقة FGR هو الحاجة إلى عزل الممرات لتدفق الغازات الساخنة التي تخرج من المدخنة، مما يؤدي إلى زيادة أبعاد الحرقة. يجب أيضًا أن تكون المكونات الداخلية للحرقة قادرة على تحمل درجة حرارة الغاز المعاد تدويره.

في طريقة FuGR، وهي عملية في الأفران، يتم إرجاع POCs داخل الفرن إلى الحرقة. توازنت الغازات المرجعية درجة حرارة اللهب. يظهر هذا العملية أدناه.

في طريقة أخرى، سيتم إرجاع POCs من الفرن إلى المسار المُبني في رأس الحرق، وبالتالي، ستقل درجة حرارة اللهب

2.استبدال الوقود

تغيير الوقود هو واحد من أسهل الطرق لتقليل من التلوث. على سبيل المثال، احتراق الوقود الغاز السائل الخفيف أو الثقيل، الذي يحتوي على مركبات النيتروجين، يؤدي إلى زيادة في انبعاثات NOx. الغاز الطبيعي (NG) عادةً لا يحتوي على كميات كبيرة أو أقل من جزيئات النيتروجين. يمكن أن يقلل استبدال جزئي أو كامل للزيت الخفيف/الثقيل بالغاز الطبيعي (إذا لم يكن هناك حاجة لاستخدام وقود الزيت السائل) بشكل كبير من انبعاثات NOx.

3.استبدال المؤكسد

الهواء هو المؤكسد الأكثر شيوعاً. يمكن تحقيق نتائج ملموسة في تقليل NOx باستخدام الأكسجين النقي كبديل للهواء. على سبيل المثال، في احتراق الميثان (CH4)، إذا تم استبدال الهواء الذي يحتوي على 79% من النيتروجين على مقياس حجمي بالأكسجين، يمكن إزالة انبعاثات NOx تمامًا من العملية لأنه لا توجد جزيئات نيتروجين لتوليد NOx.

عادةً ما يتم تقليل NOx عن طريق تقليل كمية النيتروجين في العملية. ومع ذلك، يواجه استخدام الأكسجين النقي بدلاً من الهواء مشاكله، مثل تكلفة الاستخراج العالية، ولكن مع تقليل التكاليف في المستقبل لفصل الأكسجين عن الهواء باستخدام طرق رخيصة، يمكن توسيع هذه الطريقة في الصناعات.

4.نسبة الهواء الفائض (EA%)

زيادة كمية الهواء الفائض قبل الظروف السركيومترية (منطقة الوقود الغني) تزيد من معدل انبعاث NOx. مع زيادة إضافية في نسبة الهواء الفائض، سيقل معدل انبعاث NOx. هناك سببان لزيادة NOx في منطقة الوقود الغني وانخفاضها عند مستوى أعلى من الهواء الفائض. السبب الأول، أو السبب في زيادة NOx في مستويات منخفضة من الهواء الفائض، هو أن التفاعل مع الأكسجين هو الأولوية في التفاعلات الكيميائية. درجة حرارة اللهب العالية هي السبب الثاني لزيادة NOx بالقرب من مستويات منخفضة من الهواء الفائض (قريبة من الظروف السركيومترية). التوازن بين الأكسجين المتاح ودرجة الحرارة العالية يؤدي إلى زيادة في NOx الحراري.

5.الاحتراق بدون لهب

تم تطوير الاحتراق بدون لهب لتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة مع الحفاظ على كفاءة حرارية عالية في أنظمة الاحتراق. من بين الميزات البارزة لهذا النوع من الاحتراق تخفيض الشوائب، وتوزيع متجانس لحرارة اللهب، وتقليل التلوث الصوتي، وتقليل التوترات الحرارية. لا يمكن رؤية الاحتراق بدون لهب بدون عين مسلحة. الحرارة العالية في جدار حجرة الاحتراق والإشعاع العالي منه يسببان تعب العين وعدم القدرة على رؤية اللهب.

6.المراحل

الاحتراق المراحل هو وسيلة فعالة لتقليل أكسيد النيتروجين (NOx). يتم إضافة بعض الوقود أو المؤكسد أو كليهما في المرحلة قبل الاحتراق الأساسي. على سبيل المثال، يمكن حقن كمية من الوقود في المرحلة الأولية والثانوية، كجزء من إجمالي كمية الوقود المدخلة، في منطقة تكوين اللهب وإنشاء توازن كيميائي في وجود اللهب. تؤدي هذه الطريقة إلى تكوين منطقة فقيرة بالوقود، والتي تتمتع بتوجيه أقل لانبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx) من الظروف السركيومترية. الظروف السركيومترية العامة في هذه الطريقة هي نفسها كما هو الحال في حرق التقليدي. درجة حرارة ذروة اللهب في وضعية المراحل تكون أقل بكثير من الوضع العادي لأن عملية الاحتراق تحدث بشكل منفصل، في حين يتم إطلاق الحرارة بشكل متزامن ومستمر من اللهب. تساعد الحرارة الذروة الأقل في وضعية المراحل على تقليل انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx). المراحل هو واحدة من الطرق الفعّالة من حيث التكلفة لتقليل أكسيد النيتروجين (NOx).

7.حقن الماء

أحد النقاط الأساسية في أساليب تقليل NOx هو منع تقليل كفاءة الاحتراق. حقن الماء في اللهب هو أحد الوسائل لتقليل NOx. في هذه الحالة، يمتص الماء حرارة اللهب ويوجه بعض الطاقة من الاحتراق جنبًا إلى جنب مع منتجات الاحتراق من المدخنة إلى خارج الحجرة. تقلل هذه الطريقة من كفاءة الاحتراق. فكرة أخرى هي استخدام البخار. يحمل البخار العديد من المزايا مقارنة بالماء السائل. درجة حرارة البخار أعلى بكثير من الماء السائل وتشمل الحرارة الكامنة للتبخير، والتي تلزم لتحويل الماء إلى بخار. عند حقن الماء السائل في عملية الاحتراق، يمكن أن يفرض حملًا حراريًا كبيرًا على العملية لأن الماء السائل يمكن أن يمتص كمية كبيرة من الطاقة قبل التبخير بسبب حرارة التبخير الكامنة العالية له. الكفاءة الحرارية في استخدام بخار الماء أكثر مناسبة بكثير من الماء السائل لأنه يمتص كمية أقل من الطاقة من الماء، وبالتالي، فإنه لا يقلل من الكفاءة الحرارية بنفس قدر الماء السائل. يلزم وجود فوهة لتوزيع الماء بشكل متساوٍ في غازات الاحتراق في حالة استخدام الماء السائل. لا تحتاج البخار لفوهة إذا تم استخدامه، ويمتزج البخار بسهولة مع غازات الاحتراق، لذلك يكون خلط بخار الماء في منتجات الاحتراق أسهل بكثير. ميزة أخرى لحقن الماء هي أن معدل تدفق الماء قابل للتعديل بسهولة.