مکانیزم تشکیل ناکس در احتراق

اکسیدهای نیتروژن به عنوان یکی از مهم‌ترین و خطرناک‌ترین آلاینده‌های حاصل از احتراق شناخته می‌شوند که می‌توانند به محیط زیست و سلامت انسان آسیب‌های جدی وارد کنند. این مقاله به معرفی سه مکانیزم اصلی تشکیل این آلاینده‌ها شامل: اکسیدهای نیتروژن حرارتی، اکسیدهای نیتروژن ناشی از سوخت و اکسیدهای نیتروژن سریع می‌پردازد. همچنین روش‌های کاهش تولید این آلاینده‌ها را بررسی می‌کند. با توجه به اهمیت کنترل انتشار این ترکیبات، شناخت دقیق این مکانیزم‌ها می‌تواند به توسعه راهبردهای مؤثر برای کاهش آلودگی هوا و بهبود کیفیت محیط زیست کمک کند.از جمله مشعل‌های هستند که باعث کاهی تولید اکسیدهای نیتروژن می‌شوند که شامل مشع

اکسیدهای نیتروژن (NOx) چیست؟

یکی از محصولات نامطلوب حاصل از احتراق در صنعت، اکسیدهای نیتروژن هستند که به آن‌ها ناکس (NOx) می‌گویند.
این ترکیبات در فرآیندهای احتراقی ایجاد می‌شوند و از عوامل اصلی آلودگی هوای شهری به شمار می‌روند. ناکس به دلیل مشارکت در واکنش‌های شیمیایی جو، می‌تواند باعث مشکلات زیست‌محیطی و بهداشتی شود. ناکس درواقع عنوانی است که برای خانواده اکسیدهای نیتروژن به کارمی‌رود.این گروه شامل هفت ترکیب شیمیایی مختلف است که در جدول زیر آمده‌اند.

در بین هفت ترکیب شیمیایی فوق‌، NO₂ متداول‌ترین شکل اکسید نیتروژن در اتمسفر است‌. به همین دلیل‌،سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) این مولکول را به عنوان آلاینده شاخص ناکس در نظر می‌گیرد.زمانی که در احتراق صحبت از ناکس می‌شود‌،عمدتاً منظور NO و NO₂ است‌ . البته سایر گونه‌های اکسیدهای نیتروژن نیز می‌تواند در فرآیند احتراق ایجاد شوند‌، ولی تنها NO و NO₂ در مقادیر قابل توجه تولید می‌گردند‌.از‌این رو، استانداردها و قواعد نیز درخصوص این دو گونه وضع شده‌اند. لازم به ذکر است که NO تولید شده در احتراق نیز نهایتاً با اکسیژن و اوزون موجود در هوا ترکیب شده و به NO₂ تبدیل می‌شود‌.

ویژگی‌های اکسیدهای نیتروژن

• نیتریک اکسید (NO): گازی بی‌رنگ و بی‌بو که در دماهای بالا و در فرآیندهای احتراقی تولید می‌شود. این گاز به راحتی با اکسیژن واکنش داده و به دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) تبدیل می‌شود.
  دی‌اکسید نیتروژن (NO₂): گازی با رنگ قهوه‌ای و بوی تند که در جو به‌طور مداوم با سایر ترکیبات شیمیایی واکنش می‌دهد و به تشکیل باران اسیدی و ازن سطحی منجر می‌شود.

آسیب‌های زیست‌محیطی

وجود اکسیدهای نیتروژن در جو می‌تواند منجر به مشکلات جدی شود:

• تشکیل باران اسیدی: این آلاینده‌ها با آب در اتمسفر واکنش داده و اسید نیتریک (HNO₃) تولید می‌کنند که باعث تخریب سازه‌های شهری، کاهش کیفیت محصولات کشاورزی و آسیب به خاک و منابع آبی می‌شود.
  تشکیل ازن سطحی: در حضور نور خورشید و ترکیب با هیدروکربن‌های فرار، ازن سطحی (O₃) تولید می‌کنند که می‌تواند باعث مشکلات تنفسی و آسیب به پوشش گیاهی شود.
  آسیب به سلامت انسان: استنشاق این آلاینده‌ها می‌تواند باعث تحریک دستگاه تنفسی، افزایش حساسیت به بیماری‌های ریوی و قلبی، و تشدید بیماری‌های مزمن مانند آسم شود.

با توجه به آسیب ها و خطرات اکسیدهای نیتروژن، و همچنین افزایش روز افزون حساسیت جوامع نسبت به سلامت محیط زیست، امروزه استاندردهای سخت گیرانه ای در خصوص این آلاینده به کار برده می شوند که مقدار تولید ناکس در واحدهای صنعتی، خودروهای درونسوز و … را تا حد زیادی محدود می کنند. این قوانین و استانداردها موجب کاهش موفقیت آمیز غلظت اکسیدهای نیتروژن در اتمسفر بسیاری از کشورهای صنعتی شده است. برای نمونه، شکل زیر روند تغییرات میانگین غلظت ناکس در هوای آمریکا از سال 1980 تا 2023 را نشان می دهد.

نکته : در ایران نیز می‌توان با گسترش استفاده از فناوری‌های موجود برای کاهش اکسیدهای نیتروژن از جمله مشعل‌های پیش مخلوط، مشعل‌های لوناکس،سیستم‌های بازگردش محصولات احتراق (FGR) و همچنین بهبود عملکرد موتورهای احتراقی میزان انتشار این آلاینده خطرناک را تا حد قابل قبولی کاهش داد.

نحوه تشکیل NOx

تشکیل اکسیدهای نیتروژن در فرآیندهای احتراقی به‌طور کلی از طریق سه مکانیزم اصلی انجام می‌شود. در ادامه به توضیح هر یک از این مکانیزم‌ها می‌پردازیم.

1. ناکس حرارتی (Thermal NOx)

این نوع از اکسیدهای نیتروژن در دماهای بسیار بالا، به‌ویژه در بویلرها و موتورهای احتراقی، تولید می‌شوند. واکنش‌های شیمیایی بین نیتروژن (N₂) و اکسیژن (O₂) در دماهای بالای 1300 درجه سانتی‌گراد موجب شکستن پیوندهای این عناصر و تشکیل NO می‌شود. کاهش دمای شعله و غلظت اکسیژن از راهکارهای اصلی کاهش تولید این نوع اکسیدها است.

مراحل واکنش:

• مرحله اول: یک اتم نیتروژن (N) با یک مولکول اکسیژن (O₂) برخورد می‌کند. نتیجه این برخورد، تولید یک مولکول نیتریک‌اکسید (NO) و یک اتم اکسیژن (O) است. این واکنش باعث شروع زنجیره‌ای از واکنش‌ها می‌شود.
• مرحله دوم: اتم اکسیژنی که در مرحله اول تولید شد، با یک مولکول نیتروژن (N₂) برخورد می‌کند. نتیجه این برخورد، تولید یک مولکول نیتریک‌اکسید (NO) و یک اتم نیتروژن (N) است. اتم نیتروژن تولید شده، دوباره وارد واکنش مرحله اول می‌شود و این زنجیره ادامه پیدا می‌کند.

نتیجه نهایی:

وقتی که هر دو مرحله را با هم در نظر بگیریم، نتیجه این است که از واکنش یک مولکول نیتروژن (N₂) با یک مولکول اکسیژن (O₂)، دو مولکول نیتریک‌اکسید (NO) تولید می‌شود.

همانطور که در ابتدا گفتیم این واکنش‌ها در دماهای بسیار بالا اتفاق می‌افتند. چون برای اینکه مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن شکسته شوند و اتم‌های مجزا تشکیل دهند، نیاز به انرژی زیادی است. دمای بالا در شعله‌های مشعل‌های صنعتی این انرژی لازم را فراهم می‌کند.

مولکول اکسیژن (O₂) با داشتن پیوند دوگانه، راحت‌تر از مولکول نیتروژن (N₂) که پیوند سه‌گانه دارد، تجزیه می‌شود. این یعنی شکستن مولکول نیتروژن سخت‌تر است و به همین دلیل مرحله دوم که این شکستن در آن اتفاق می‌افتد، مرحله‌ای است که سرعت کل واکنش را محدود می‌کند. به بیان ساده‌تر، چون مرحله دوم کندتر است، تعیین‌کننده سرعت کل واکنش خواهد بود.

معادله تغییرات غلظت NO در طول واکنش:

با فرض این که اکسیژن اتمی با اکسیژن مولکولی در تعادل است، غلظت NO در طول زمان طبق معادله زیر تغییر می‌کند:

 [NO]= A[N₂] ∫e^(-b/T) √([O₂] ) dθ

[NO]: غلظت حجمی نیتریک‌اکسید

[N₂]: غلظت حجمی نیتروژن

[O₂]: غلظت حجمی اکسیژن

T: دمای مطلق

θ: زمان

A و b: ثابت‌هایی هستند که به شرایط واکنش بستگی دارند.

نکات مهم:

• تأثیر دما: دمای بالاتر به شدت تولید NO را افزایش می‌دهد. به همین دلیل، نقاط داغ داخل شعله، که دمای بالایی دارند، بخش‌های اصلی تولید NO هستند. بنابراین، اگر بتوانیم دمای شعله را کاهش دهیم، می‌توانیم تولید NO را هم کاهش دهیم.
• تأثیر غلظت اکسیژن: غلظت اکسیژن نیز نقش مهمی در تولید NO دارد. هرچه غلظت اکسیژن در محل واکنش بیشتر باشد، NO بیشتری تولید می‌شود. بنابراین، اگر بتوانیم غلظت اکسیژن را کاهش دهیم، تولید NO هم کاهش می‌یابد.
• ثابت بودن نیتروژن: در طول واکنش، غلظت نیتروژن تغییر زیادی نمی‌کند و می‌توان آن را تقریباً ثابت در نظر گرفت. به همین دلیل، تأثیر غلظت نیتروژن در معادله به صورت یک ضریب ثابت در نظر گرفته می‌شود.

راهبردهای کاهش NOx حرارتی

با توجه به این معادله و توضیحات، سه روش اصلی برای کاهش تولید ناکس در فرآیند احتراق وجود دارد:

• کاهش دمای شعله: چون دما به شدت بر تولید ناکس تأثیر دارد، کاهش دمای شعله یکی از موثرترین روش‌ها برای کاهش ناکس است.
• کاهش غلظت اکسیژن: با کاهش میزان اکسیژن در مخلوط سوخت و هوا، می‌توان تولید ناکس را کاهش داد.
• کاهش مدت زمان احتراق در دماهای بالا: اگر بتوانیم مدت زمانی که احتراق در دماهای بالا و در حضور اکسیژن اتفاق می‌افتد را کاهش دهیم، تولید ناکس نیز کاهش می‌یابد.

این‌ها روش‌های کلیدی برای کنترل و کاهش تولید NOx حرارتی هستند که می‌توانند به بهبود کیفیت هوای محیط‌زیست و کاهش آلودگی کمک کنند.

2. ناکس (NOx) ناشی از سوخت (Fuel-Bound NOx)

این ترکیبات زمانی تولید می‌شوند که نیتروژن موجود در مولکول‌های سوخت‌های فسیلی یا زیستی با اکسیژن واکنش می‌دهد. سوخت‌هایی مانند زغال‌سنگ و نفت معمولاً حاوی نیتروژن هستند که در دمای بالا به اکسیدهای نیتروژن تبدیل می‌شوند. استفاده از سوخت‌های پاک‌تر مانند گاز طبیعی می‌تواند تولید این آلاینده‌ها را کاهش دهد.

نقش مولکول نیتروژن(N₂)در سوخت

باید توجه کرد که اگر سوخت فقط حاوی مولکول‌های نیتروژن (N₂) به شکل آزاد باشد، این نیتروژن نه تنها نمی‌تواند باعث تولید ناکس ناشی از سوخت شود، ، بلکه می‌تواند موجب کاهش تولید ناکس نیز گردد. در واقع، مولکول‌های نیتروژن (N₂) که به صورت گاز در سوخت وجود دارند، به دلیل پایداری شیمیایی بالا، در فرآیند احتراق وارد نشده و حتی می‌توانند به عنوان یک رقیق‌کننده عمل کنند. این رقیق‌کننده باعث می‌شود که غلظت مواد فعال در واکنش و دمای شعله کاهش پیدا کند و در نتیجه، تولید NOx حرارتی و ناکس ناشی از سوخت کاهش یابد.

مراحل تشکیل :

• مرحله اول : وقتی سوختی که دارای اتم‌های نیتروژن است (مانند CxHyN) می‌سوزد، ابتدا این سوخت به مواد میانی مانند HCN (سیانید هیدروژن) و CN (سیانید) تجزیه می‌شود. این مرحله در معادله زیر نشان داده شده است:

 CxHyN → HCN+CN+…

• مرحله دوم : در مرحله بعد، این مواد میانی با اکسیژن (O₂) واکنش می‌دهند و در نتیجه، نیتریک‌اکسید (NO) تولید می‌شود. این فرآیند در معادله زیر آمده است:

 HCN+CN+ O₂ →NO+…

چگونه می‌توان میزان ناکس ناشی از سوخت را کاهش داد؟

• کاهش غلظت اکسیژن: اگر غلظت اکسیژن در محفظه احتراق کاهش یابد، میزان تولید اکسید نیتروژن ناشی از سوخت هم کاهش می‌یابد؛ زیرا سرعت واکنش تبدیل مواد میانی (HCN و CN) به نیتریک‌اکسید (NO) کاهش پیدا می‌کند‌.
• استفاده از سوخت‌های بدون نیتروژن: اگر سوختی استفاده کنیم که حاوی نیتروژن نباشد، مثل گاز طبیعی، دیگر امکان تولید ناکس ناشی از سوخت وجود نخواهد داشت. به همین دلیل، در صنعت، یکی از راه‌های موثر برای کاهش تولید ناکس استفاده از سوخت‌هایی است که نیتروژن ندارند.

  

3. NOx سریع (Prompt NOx)

در این مکانیزم، نیتروژن موجود در هوا به‌صورت مستقیم با مولکول‌های سوخت واکنش می‌دهد. مواد میانی تولید شده در این واکنش‌ها به NO تبدیل می‌شوند. این مکانیزم در دماهای پایین‌تر نیز می‌تواند رخ دهد و معمولاً زمانی دیده می‌شود که غلظت سوخت در محفظه احتراق بالا باشد. رقیق کردن سوخت و کاهش غلظت آن در محفظه احتراق می‌تواند به کاهش این نوع اکسید کمک کند.

مراحل تشکیل :

• مرحله اول : در این مرحله، مولکول‌های سوخت (مثل CHx) با مولکول‌های نیتروژن (N₂) موجود در هوا واکنش می‌دهند. این واکنش باعث شکستن پیوند سه‌گانه قوی نیتروژن (N≡N) و تشکیل مواد میانی مانند HCN و CN می‌شود.این مرحله نسبت به واکنش NOx ناشی از سوخت سخت‌تر است، زیرا شکستن پیوند قوی بین اتم‌های نیتروژن نیاز به انرژی بیشتری دارد.

CHx+ N₂→HCN+CN+…

• مرحله دوم: در اینجا نیز مواد میانی (HCN و CN) با اکسیژن (O₂) واکنش می‌دهند و نیتریک‌اکسید (NO) تولید می‌شود.

CHN+ O₂ →HCN+CN+…

عوامل موثر بر NOx سریع

• غلظت سوخت: هرچه غلظت سوخت بیشتری در محفظه احتراق وجود داشته باشد، احتمال واکنش با نیتروژن و تولید ناکس سریع بیشتر است.
• غلظت نیتروژن (N₂): از آنجایی که نیتروژن در هوا به وفور یافت می‌شود، کاهش غلظت آن معمولاً امکان‌پذیر نیست. این بدان معناست که تمرکز باید بر کاهش غلظت سوخت باشد.

کاهش ناکس سریع

برای کاهش رقیق کردن سوخت قبل از احتراق بهترین راه حل است. یعنی، قبل از اینکه سوخت به ناحیه شعله برسد، آن را با محصولات احتراق موجود در محفظه مخلوط کنیم. این کار می‌تواند از طریق طراحی مشعل به گونه‌ای انجام شود که جت‌های سوخت با سرعت بالا، محصولات احتراق موجود را جذب کرده و با آن‌ها مخلوط شوند. به این ترتیب، سوخت رقیق‌تر شده و تولید اکسیدهای نیتروژن کاهش می‌یابد.

بررسی فناوری‌های نوین کاهش NOx در صنایع مختلف

با پیشرفت فناوری و افزایش دغدغه‌های زیست‌محیطی، صنایع مختلف به سمت کاهش آلاینده‌های خطرناکی مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx) حرکت کرده‌اند NOx یکی از مهم‌ترین آلاینده‌های هوای شهری است که به سلامت انسان و محیط زیست آسیب می‌زند. در این راستا، فناوری‌های نوین کاهش NOx به عنوان راه‌حل‌های موثر معرفی شده‌اند. در ادامه به بررسی برخی از این فناوری‌ها می‌پردازیم.

1. سیستم‌های بازچرخش گازهای احتراق (FGR)
این سیستم با بازگرداندن بخشی از گازهای خروجی احتراق به محفظه احتراق، دمای شعله را کاهش داده و از تشکیل NOx حرارتی جلوگیری می‌کند. این فناوری به دلیل سادگی و کارایی بالا، به طور گسترده در بویلرها و توربین‌های گاز استفاده می‌شود.

2. کاتالیست‌های کاهش‌دهنده انتخابی (SCR)
فناوری SCR یکی از موثرترین روش‌ها برای کاهش NOx است که در صنایع نیروگاهی و خودروسازی به کار می‌رود. در این سیستم، آمونیاک یا اوره به گازهای خروجی تزریق شده و با استفاده از کاتالیست‌های مخصوص، NOx به نیتروژن بی‌ضرر و آب تبدیل می‌شود.

3. تزریق مستقیم بخار یا آب
تزریق بخار یا آب به محفظه احتراق، دمای شعله را کاهش داده و تولید NOx حرارتی را محدود می‌کند. مزیت این روش، هزینه نسبتا پایین و قابلیت اجرا در سیستم‌های موجود است.

4. مشعل‌های پیش مخلوط و Low-NOx
مشعل‌های پیش مخلوط با مخلوط کردن کامل سوخت و هوا پیش از احتراق، دمای شعله و تشکیل NOx را کاهش می‌دهند. در این مشعل‌های بدلیل دمای یکنواخت شعله ناکس حرارتی پایینی تولید می‌کند.

5. مشعل‌های لوناکس Low-NOx
مشعل‌های Low-NOx نیز با طراحی‌ خاص سری احتراقی، ایجاد یک شعله با دمای یکنواخت را امکان پذیر می‌کند. این مشعل‌ها با کاهش دمای شعله، به میزان قابل توجهی انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) را کاهش می‌دهند. این فناوری در بویلرها و کوره‌های صنعتی استفاده می‌شود.

6. احتراق مرحله Staging Combustion
در این نوع احتراق با مرحله بندی کردن تزریق سوخت یا هوا سرعت واکنش را کاهش داده و از ایجاد شعله با دمای بالا جلوگیری می‌کند. در نتیجه انتشار ناکس به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. استفاده از این نوع احتراق در مشعل‌های نیروگاهی و صنایع پتروپالایشگاهی مرسوم است.

5. هوش مصنوعی و شبیه‌سازی دیجیتال
یکی از نوآوری‌های اخیر، استفاده از هوش مصنوعی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای بهینه‌سازی فرآیند احتراق و کاهش NOx است. این روش به صنایع کمک می‌کند تا با تحلیل داده‌ها و شبیه‌سازی شرایط مختلف، بهینه‌ترین تنظیمات احتراقی را پیدا کنند.

6. استفاده از سوخت‌های پاک
انتقال از سوخت‌های فسیلی به سوخت‌های پاک مانند گاز طبیعی یا سوخت‌های زیستی می‌تواند به طور قابل توجهی تولید NOx را کاهش دهد. این تغییر، همراه با فناوری‌های کاهش NOx، نقش مهمی در کاهش آلایندگی هوا دارد.

راه‌های بهبود کیفیت هوا از طریق کاهش ناکس

با توجه به اثرات منفی این آلاینده‌ها بر سلامت عمومی و محیط‌زیست، لازم است که استراتژی‌ها و فناوری‌های جدیدی برای کنترل و کاهش تولید آن‌ها توسعه یابند. استفاده از سوخت‌های پاک‌تر یکی از روش‌های کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن است. بهینه‌سازی فرآیندهای احتراقی نیز می‌تواند تولید این آلاینده‌ها را کم کند. بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته مانند مشعل‌های پیش‌مخلوط و سیستم‌های بازگردش محصولات احتراق (FGR) نیز در کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن مؤثر است. این راهکارها می‌توانند به بهبود عملکرد سیستم‌های احتراقی کمک کنند.

در ایران نیز می‌توان با گسترش استفاده از فناوری‌های موجود و بهبود عملکرد موتورهای احتراقی، میزان انتشار این ترکیبات خطرناک را تا حد قابل توجهی کاهش داد و به بهبود کیفیت هوای محیط زیست کمک کرد.
استفاده از سوخت‌های پاک‌تر، بهینه‌سازی فرآیندهای احتراقی، و به کارگیری فناوری‌های کاهش NOx مانند مشعل‌های لوناکس و مشعل‌های پیش مخلوط رادمن، سیستم‌های بازگردانی محصولات احتراق (FGR) و … می‌تواند به کاهش میزان انتشارناکس در سیستم‌های مختلف احتراقی کمک کند.