بررسی فنی NOX- تولید و کاهش

بررسی فنی – اقتصادی سیستم های متعارف کاهش NOX در نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی

   اکسیدهای نیتروژن یکی از آلاینده های اصلی توربین های گازی هستند از این رو با رشد نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی در کشور و با توجه به استانداردهای جدید جهانی، نگرانی های زیست محیطی درباره تولید و انتشار این آلاینده رو به افزایش است. از آنجاکه درجه حرارت گاز ورودی به توربین، فاکتور اصلی اثرگذار بر بازده سیستم است و بالا بودن آن باعث تولید NOx بیشتری می شود، تکنیک کاهش و کنترل انتشار باید بگونه ای اتخاذ شود که بر عملکرد توربین تاثیر نامطلوب نداشته باشد.

   انتشار NOx علاوه بر تشکیل باران های اسیدی و تخریب لایه ازن، سبب تشکیل ازن در لایه های پایینی جو شده که خود عامل اولیه و اصلی آلودگی هوای شهرها است. با توجه به اثرات مخرب انتشار NOx بر سلامت انسان و سایر موجودات و همچنین کارکرد مناسب و با راندمان بالای توربین های گاز، بررسی روش های مختلف کاهش NOx مورد توجه متخصصان قرار گرفته است. از جمله روش های مرسوم می توان به استفاده از مشعل های احتراق با NOx پایین، پاشش آب یا بخار، بازگشت گاز دودکش (FGR)، کاهش با کاتالیست انتخابی (SCR)، احتراق مجدد سوخت، بهینه سازی احتراق و احتراق کاتالیستی اشاره کرد که به بررسی طرح های بهینه پرداخته می شود.

تشکیل اکسیدهای نیتروژن در توربین های گازی

   تشکیل اکسیدهای نیتروژن در پروسه احتراق توربین گاز، در نتیجه تجزیه مولکول های N2 و O2به اتم های نیتروژن و اکسیژن است که واکنش بعد از این تجزیه، سبب به وجود آمدن اکسیدهای نیتروژن( N2O5, N2O4, N2O3, N2O, NO3, NO2, NO) خواهد شد که اکسید نیتروژن و دی اکسید نیتروژن با بالاترین درصد تشکیل، سهم عمده ای در انتشار آلودگی دارند. دو مکانیزم اساسی تشکیل NOX در مشعل توربین های گازی رخ می دهد که عبارتند از:

1- اکسیداسیون نیتروژن موجود در هوای احتراق(NOx حرارتی و سریع)

2-  تبدیلات شیمیایی باندهای نیتروژنی سوخت (NOx سوختی)

 1.مکانیزم تشکیل اکسیدهای نیتروژن حرارتی و سریع

واکنش های شیمیایی که در آن اکسیژن و نیتروژن موجود در هوای احتراق، تشکیل NOx حرارتی می دهند به عنوان مکانیزم Zeldovich شناخته شده اند که در درجه حرارت بالای مشعل توربین گاز، رخ می دهند. با افزایش درجه حرارت و زمان اقامت، تولید NOx به ترتیب به شکل توانی و خطی افزایش پیدا می کند. NOx حرارتی در دمای بالای 1500 درجه سانتی گراد شکل می گیرد و در حدود 95 درصد محصولات واکنش NO و باقیمانده به صورت N2O و NO2 است.

   تشکیل NOx سریع (Prompt) در اثر اکسیداسیون محصولات جانبی احتراق از قبیل NH, HCN و N است، که سهم نسبتا کمی در مشعل های استوکیومتری دارند اما با کاهش نسبت اکی والانی (اگر میزان سوخت کمتر از اکسیژن موجود باشد) سهم NOx های سریع، افزایش می یابد.

2.مکانیزم تشکیل NOx سوختی

در صورت حضور نیتروژن و یا باندهای نیتروژنی در سوخت مصرفی، مکانیزم تشکیل NOx سوخت شکل می گیرد. بالعکس تشکیل NOx حرارتی، در این مکانیزم، درجه حرارت، تاثیر زیادی بر پیشرفت واکنش نداشته و در دمای پایین، اکسیدهای نیتروژن تشکیل می شوند. طی این واکنش، نیتروژن موجود در سوخت سریعا به سیانید هیدروژن و آمونیاک تبدیل می شود و سپس در صورت حضور اکسیژن، این ترکیبات اکسید می شود. NOx حاصل از این مکانیزم به وضعیت استوکیومتری احتراق بسیار حساس بوده و در واقع نسبت میان سوخت و هوا عامل اصلی تاثیر گذار است. اگر مرحله ای که طی آن ترکیبات سیانید هیدروژن و آمونیاک تشکیل شده اند زیر حد استوکیومتری نگه داشته شود یعنی میزان هوای احتراق کاهش یابد، ترکیبات مذکور اساسا به مولکول نیتروژن تبدیل می شوند. بنابراین با اتخاذ تدابیر صحیح در تزریق هوای احتراق به داخل مشعل و در واقع کاهش اکسیژن دریکی از مراحل احتراق، می توان از تشکیل این نوع اکسیدهای نیتروژن جلوگیری کرد

استانداردهای جدید انتشار NOx

تحلیل ترمودینامیکی نیروگاه گازی و مقایسه آن با سیکل ایده آل برایتون

معمولاً برای بررسی نیروگاه گازی ساده، سیکل ایده آل برایتون در نظر گرفته می‌شود. فرضیاتی که برای سیکل ایده آل برایتون در نظر گرفته می‌شود عبارتند از:

1. بازگشت پذیر بودن فرآیندهای فشرده سازی در کمپرسور و انبساط در توربین گازی
2. قابل اغماض بودن اختلاف انرژی جنبشی سیال در ورودی و خروجی هریک از تجهیزات
3. عدم وجود افت فشار در محفظه احتراق، فیلترهای هوای کمپرسور، مجراهای مربوط به ورود هوا یا خروج گازهای احتراق
4. عدم تغییر در دبی و ترکیب درصد سیال در مراحل مختلف سیکل

   نقاط 1 و 2 در شکل زیر به ترتیب بیانگر شرایط هوای ورودی و خروجی کمپرسور است. هوای خروجی کمپرسور در یک فرآیند فشار ثابت در محفظه احتراق، محترق شده و در نهایت گازهای احتراق وارد توربین گازی می‌شود. نقاط 3 و 4 شرایط گازهای ورودی و خروجی توربین گازی را نشان می‌دهد.

     

شکل(1). سیکل ایده آل نیروگاه گازی (سیکل برایتون)

پارامترهای کلیدی سیکل برایتون دمای گازهای ورودی به توربین گازی (دما در نقطه 4) و نسبت فشار کمپرسور به توربین گازی است. جنس توربین محدود کننده دمای گازهای ورودی به توربین گازی است و بسته به این دما یک نسبت فشار بهینه برای توربین گازی وجود دارد. برای ترسیم نمودار در منطقه فشار ثابت بر مبنای ایده آل بودن هوا در فشارهای کمتر از 10 بار می‌توان ارتباط دما و انتروپی را توسط رابطه زیر بیان کرد:

از طرفی ...