بخشی از مقاله
چکیده
افزایش میانگین دمای زمین در نتیجه فعالیتهای انسانی پدیدهی نسبتا جدیدی است که موجب نگرانی عمومی شده است مجمع عمومی سازمان ملل در سال 1988 اذعان نمود که فعالیتهای انسانی میتواند روی الگوی آب و هوا تاثیر سوء داشته باشد بنابراین باید تحت کنترل قرار گیرد - قطعنامه سازمان ملل متحد 1988 - در عین حال این سیاست کنترلی میتواند باعث بهبود راندمان بهرهگیری مصرف کننده های نهایی مثل نیروگاهها خودروها یا سایر مصارف شود . در این مقاله به بررسی راهکارهای موجود و بطور خاص DLN کردن مشعل ها برای کاهش گازهای گلخانه ای در نیروگاه ها پرداخته شده است
به منظورشبیه سازی دقیق و واقعی, هندسه مشعل به صورت سه بعدی در نرم افزار GAMBIT تولید شده ونتایج شبیه سازی از طریق نرم افزار FLUENT بیان گشته است و در نتیجه خوایم دید که طرح DLN نتیجه بهتری نسبت دیگر راهکار ها خواهد داشت .
مقدمه
امروزه به منظور کاهش آلایندههای زیستمحیطی حاصل از احتراق، روشهای مختلفی پیشنهاد شده است. یکی از موثرترین راهکارها ، استفاده از تکنیک احتراق پیش اختلاط با نسبت سوخت به هوا ی پایین است. در این سیستمهای احتراقی ، سوخت و اکسیدکننده قبل از ورود به محفظه احتراق با یکدیگر مخلوط گشته و سپس مخلوط واکنشی اشتعالپذیر، وارد محفظه احتراق میشود که با انجام احتراق دمای نهایی شعله پایین می آید و به تبع آن مقدار NOx نیز کاهش مییابد .[1 ] با این وجود، این سیستمهای احتراقی نسبت به پدیده پیچیده و گذرای برگشت شعله به داخل لوله پیش اختلاط، حساس هستند .[2] دو مکانیزم عمدهای که سبب برگشت شعله بداخل لوله پیش اختلاط میشوند عبارتند از :
-1انتشار شعله در لایه مرزی نزدیک دیواره لوله پیش اختلاط ناشی از نرخ پایین جریان ورودی
-2برگشت شعله در اثر نوسانات جریان ورودی به محفظه احترا ق که از ناپایداری احتراق نشأت میپذیرد .
بیشتر دادههای جمع آوری شده در زمینه برگشت شعله صورت پذیرفته است .[3 ] کارلویس و ون الب - lewis,VonElbe Elbe - در واقع به مطالعه تجربه ی برگشت شعله در مشعل بنسن مربوط میشود. ایشان بطور تجربی نشان دادند که این پد یده در قسمت دیواره مشعل از سایر نواحی مشعل بیشتر است . یکی از دلایل اصلی آن، پایین بودن سرعت مخلوط ورودی در نواحی مرزی و نزدیک دیواره است. یکی دیگر از تحقیقات انجام شده در زمینه پایداری شعله آرام در محفظه احتراق پیش اختلاط، کاری است که توسط میشرا - - MISHRA صورت گرفته است .[4] وی مقاد یری از جریان ورودی که به ازای آن شعله نا پایدار است را بدست آورد.
این پدیده را کوردیموف و همکارانش - Kurdimov,et. al - هم به صورت تجربی و هم بهصورت عددی مورد مطالعه قرار دادند . [5-7] آنها توانستند اثر عوامل تأثیرگذار بر پدیده برگشت شعله، که در کنترل آن نیز نقش اساسی دارد، را شناسایی کنند.
یک مدل مناسب احتراقی بایستی اثر تمام عوامل را منظور نماید. به طور کلی دو وظیفه مهم مدلهای احتراق را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
الف - تعیین تغییرات شیمیایی در مواد شرکت کننده در احتراق
ب - تعیین سرعت رخ دادن تغییرات شیمیایی مذکور و آزاد شدن انرژی
بررسی ها نشان میدهد که حتی در احتراق سادهترین هیدروکربنها مانند تعداد زیادی از گونهها حضور دارند و واکنشهای زیادی صورت میگیرد. لکن برای سادگی در بسیاری از مدلهای احتراق یک یا دو واکنش برای احتراق کامل سوخت در نظر گرفته می شود. مطالعات انجام شده در این زمینه را میتوان به صورت زیر بیان نمود:
اسپالدینگ [9]جزء اولین کسانی بود که سعی بر مدلسازی احتراق کرد و با توجه به حجم بالای محاسبات توانست با ساده سازی معادلات مربوطه و تعیین خطای محاسباتی این مشکل را تا حدودی مرتفع سازد. بعد از او افرادی همچون نلسون [10] وافین[11] ویه [12] نیز در این زمینه به فعالیت پرداختند. امروزه، با استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی جریان سیال، می توان مشخصه های احتراق را با دقت قابل قبولی پیش بینی کرد و اثر متغیرهای مختلف را بر روی آنها بررسی کرد. در این راستا کیم و چو[13] با شبیه سازی یک دیگ بخار 500 مگاواتی، توزیع دما و پخش اکسیدهای ازت را بررسی کردند.
کاهش انتشار گازهای گلخانه ای NOx درنیروگاه ها
بطور کلی کنترل آلودگی هوا در نیروگاهها با چند رویکرد قابل بررسی میباشد.
-1از طریق تغییر در فرآیند و نحوه احتراق یا نوع سوخت مصرفی میتوان میزان تولید و انتشار آلایندهها به اتمسفر را کاهش داد.
-2همچنین با تغییر سوخت از انواع سوختهای مایع و جامد به گاز طبیعی از تولید و انتشار اکسیدهای گوگرد جلوگیری به عمل خواهد آمد.
-3کنترل آلایندههای هوا از طریق به کارگیری سیستمهای تصفیه دود و حذف آلایندهها از دود خروجی و رساندن غلظت آنها به حداکثر غلظت مجاز نیز امکان پذیر است.
روشهای کاهشNOx
روشهای اصلاح احتراق یک راه عملی برای کنترل اکسیدهای نیتروژن در بسیاری از موارد میباشند. تمام این روشها بر پایه سه اصل تئوریکی میباشند:
-1کاهش درجه حرارتهای پیک در ناحیه احتراق از طریق بهرهبرداری ناحیه شعله اولیه تحت شرایط سوخت غنی، سرد کردن شعله در سرعت بالا و کاهش درجه حرارت آدیاباتیک شعله توسط رقیقسازی
-2کاهش زمان ماند گاز در ناحیه با درجه حرارت بالا
-3 محدود کردن دسترسی به واکنشگرها از طریق استفاده از هوای اضافی کم - به عبارتی بهرهبرداری در یک نسبت خارج از محدوده استوکیومتری بوسیله تنظیم نسبت سوخت به هوا - .
مهمترین روشهای مبتنی بر کنترل احتراق عبارتند از بازگردش دود به محفظه احتراق، احتراق دو مرحلهای سوخت، روش هوای روی اتش - - OFA و استفاده از مشعلهای مخصوص کاهش اکسیدهای نیتروژن در محفظه احتراق و تزریق آب و بخار به منطقه احتراق.
در روش بازگردش دود،حدود 20-25 درصد دود حاصل از احتراق پس از عبور از اکونومایزر و در دمای تقریبی 300 تا 400 به کوره بازگشت داده میشود و باعث افت دما در مرکز شعله و به تبع آن کاهش 45 تا 40 درصدی میزان تولید NOx خواهد شد.اما در بویلر های زغال سنگ سوز چندان موثر نیست.
در روش احتراق دو مرحلهای در مرحله نخست در حدود 80-95 درصد میزان سوخت تئوری مورد نیاز احتراق به کوره تزریق میشود. بنابراین احتراق ناقص سوخت در منطقه اول رخ میدهد و باعث کاهش میزان تشکیل اکسیدهای نیتروژن میگردد. ترکیبات احتراق ناقص، سپس در منطقه بعدی با هوای خالص محترق شده و بر اثر کاهش دمای گازها طی انتقال به مرحله دوم مجدداً میزان تشکیل گازهای NOx کاهش خواهد یافت.
روش هوای روی آتش - OFA - از یک سری دریچههای هوای بالای احتراق که بر روی سوزانندههای فوقانی در بویلرهای احتراق مماسی و احتراق دیوارهای نصب گردیدهاند، استفاده میکند. در این روش درصدی از کل هوای احتراق از سوزانندهها یا نازلهای هوا به سوی دریچههای واقع در بالای نوک سوزانندهها منحرف میشود. این عمل باعث کاهش مقدار و غلظت اکسیژن در ناحیه احتراق اولیه میگردد .
با استفاده از مشعلهای مخصوص در احتراق دو مرحلهای با افزایش طول شعله در محفظه احتراق میزان تشکیل NOx کاهش مییابد. تزریق آب و بخار به محفظه احتراق نیز باعث کاهش تشکیل NOx خواهد گردید. تزریق آب یا بخار به میزان 5-10 درصد کل هوای احتراق باعث کاهش دمای کوره و به تبع آن کاهش تشکیلNOx میگردد. روشهای دیگری نظیر کاهش دمای پیش گرم کردن هوای ورودی و کاهش میزان هوای اضافی کوره برای کاهش تشکیل NOx قابل استفاده است.
با استفاده از مشعلهای - Low NOx Burners - LNB با چند منطقه ای کردن اختلاط و در نتیجه خارج کردن احتراق از حالت استوکیومتری و تبدیل آن به احتراق چند مرحلهای میزان تولید NOx کاهش مییابد. با بکارگیری این مکانیزم شعله احتراقی پایدار با مناطق مختلف بوجود میآید.
احتراق اولیه با حضور30-40 درصد هوای استوکیومتری انجام میشود. سپس احتراق مجدد سوخت بههمراه سوخت اضافه صورت گرفته و در نهایت احتراق با تزریق هوای تکمیلی که همزمان درجه حرارت احتراق را در محدوده مناسب نگه میدارد تکمیل میشود.
روش دیگری که در مورد مشعلهای LNB مطرح میگردد، بحث مشعلهای DLN یا DRY Low Nox Burner میباشند. این مشعل با عنوان مشعلهای هوای خشک معروف هستند. در این مشعلها به جای استفاده از هوای عادی که وارد سیستم محفظه احتراق میشود، ابتدا آنرا توسط کمپرسور به صورت فشرده درآورده تا رطوبت آن تا حد قابل قبولی کاسته شود و سپس این هوا را که دارای رطوبت کمتری است وارد چرخه احتراق مینمایند. در این روش هوا و سوخت در قسمت Up-stream جلوی شعله ترکیب شده و طبیعتاً دمای کمتری را به وجود میآورد که این خود باعث خواهد شد NOxدر محفظه احتراق کمتر به وجود آید.
یکی از قدرتمندترین روشها برای حذف NOx از گازهای حاصل کاهش کاتالیستی انتخابی - SCR - است.
