بخشی از مقاله
چکیده
گاز های اکسید نیتروژن یکی از آلاینده های بسیار خطرناک زیست محیطی و تهدیدی جدی بر سلامت انسان هستند. روش کاهش بدون کاتالیست انتخابی1 یکی از روش های کاهش آلاینده اکسید نیتروژن است که از مزیت های آن می توان به هزینه کم، نصب آسان، بدون کاتالیست و قابل کاربرد بودن در کلیه سیستم های احتراقی ثابت اشاره کرد. در این پژوهش، یک زباله سوز شهری توسط نرم افزار فلوئنت2 مدل شده و توزیع دمای بدست آمده با نتایج تجربی اعتبار سنجی شده است.
با استفاده ازآنالیز شیمیایی موجود از زباله تهران، احتراق زباله سوز مورد مطالعه با در نظر گرفتن 40، 80 و 120 درصد هوای اضافی مدل شده و راندمان بکارگیری روش SNCR با واکنشگر محلول آمونیاک جهت کاهش غلظت اکسید نیتروژن خروجی از زباله سوز بررسی شده است. مکان های مناسب جهت تزریق واکنشگرمحلول آمونیاک در زباله سوز در حالت های احتراق با درصد هوای اضافی مختلف تعیین شده است. نتایج نشان می دهند که راندمان کاهش اکسید نیتروژن خروجی ز زباله سوز هنگام بکارگیری روش SNCR به شدت به پارامتر هایی همچون دما و سرعت گازهای حاصل از احتراق در محل تزیق واکنشگر وابسته می باشد.
مقدمه
انهدام زباله مشکلی است که از آغاز تمدن، همراه بشر بوده است. هم اکنون نیز یکی از جدی ترین مسائل پیش روی جوامع شهر نشینی یافتن راهی با صرفه اقتصادی و از نظر زیست محیطی قابل قبول جهت انهدام زباله های شهری می باشد.
با سوزاندن زباله ها درنیروگاه های زباله سوز3 علاوه بر کم کردن حجم مورد نیاز برای دفن باقیمانده زباله های سوزانده شده که تبدیل به خاکستر شده و مشکلات ناشی از بوی بد تخمیر مواد فاسد را ندارند، می توان با بازیافت حرارت حاصل در یک مولد بخار، نسبت به تولید الکتریسیته یا تامین گرماجهت گرمایش منطقه ای و فرایند-های صنعتی اقدام نمود.
شمای تاسیسات یک زباله سوز در شکل 1 نشان داده شده است. با توجه به همه مزیت های اشاره شده درباره زباله سوز ها، اما آن ها می توانند میزان قابل ملاحظه ای آلاینده های زیست محیطی مانند گاز های اکسید نیتروژن، اکسید گوگرد و کلرید هیدروژن را تولید کنند. از اینرو، اتخاذ روش هایی مناسب جهت جلوگیری و یا کاهش انتشار گاز های آلاینده از اهمیت ویژه ای بر خوردار است.
شکل:1 شمای تاسیسات یک زباله سوز.
روش SNCR اولین بار توسط لیون معرفی شد. در این روش با تزریق واکنشگرهای مناسب - معمولا آمونیاک و اوره - در پنجره دمایی4 مناسب - دمای بین 1073-1273 درجه کلوین برای واکنشگر آمونیاک و 1298 - 1373 درجه کلوین برای واکنشگر اوره - ، اکسید-های نیتروژن موجود در گاز های حاصل از احتراق به ملکول های نیتروژن تبدیل می شوند. درسال های اخیر تحقیقات فراوانی بر روی روش SNCR انجام شده است.
کیم و همکارانش[3] با شبیه سازی یک زباله سوز توسط برنامه ای کامپیوتری اثر بکارگیری محلول آمونیاک جهت کاهش اکسیدهای نیتروژن به روش SNCR را مورد بررسی قرار داده اند. آنها نتیجه گرفتند که بکارگیری هوای مخلوط کننده کمکی و افزایش عمق نفوذ محلول آمونیاک از طریق افزایش سرعت تزریق واکنشگر، مواردی هستند که باعث کاهش بیشتر گازهای اکسید نیتروژن خروجی از زباله سوز می شوند. فتحی[4] با نوشتن برنامه ای کامپیوتری، یک مکانیزم شیمیایی کاهش یافته از فرآیند SNCR آمونیاک را مو رد مطالعه قرار داده و تغییرات غلظت گازهای اکسید نیتروژن و آمونیاک برحسب دما و مکان را پیش بینی کرده است. دمای بهینه و متناظر با آن مکان بهینه برای نصب اینجکتر در زباله سوز جهت دستیابی به بیشترین میزان کاهش اکسید نیتروژن تخمین زده شده است.
لی آنگ و همکارانش[5] احتراق زباله بر روی صفحه محرک زباله سوز را با استفاده از نرم افزار FLIC شبیه سازی کرده اند و خروجی این نرم افزار را به عنوان شرط مرزی برای نرم افزار فلوئنت جهت شبیه سازی زباله سوز در نظرگرفته اند. اثر تزریق محلول اوره در روش SNCR مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی تطابق مناسبی پیدا کرده است.
در این تحقیق بکارگیری روش SNCR با استفاده از واکنشگر محلول آمونیاک بر روی یک زباله سوز با کیفیت زباله تهران و احتراق با درصد های مختلف هوای اضافی مورد مطالعه قرار گرفته و مکان های مناسب جهت تزریق واکنشگر بررسی شده است.
مدل سازی واعتبار سنجی احتراق زباله سوز
شکل2، زباله سوز مورد مطالعه را نشان می دهد. محیط انتخاب شده جهت مدل سازی، محفظه پس از احتراق5 زباله سوز می باشد که ابعادی به طول 4 ، پهنای 3/1 و ارتفاع 14/175 متر را دارد. جدول1، مشخصات عملکرد زباله سوز را نشان می دهد.
فرضیات در نظر گرفته شده جهت مدل سازی احتراق زباله سوز، به صورت زیر می باشند:
- 1جریان دو بعدی و پایا فرض شده است.
- 2جریان مغشوش و تراکم ناپذیر درنظر گرفته شده است.
- 3 محفظه پس از احتراق مستطیلی شکل زباله سوز، با یک هندسه استوانه شکل تقارن محور 6 با سطح مقطع یکسان معادل شده است.
- 4 فرآیند احتراق زباله بر روی گریت محرک زباله سوز، با تزریق زباله در محفظه احتراق معادل شده است.
- 5 انتقال حرارت به شکل جابجایی و تشعشع بین ذرات ومحیط درنظر گرفته شده است.
- 6 دیوار زباله سوز، آجر نسوز در نظر گرفته شده است.
از نرم افزار گمبیت 7 جهت شبکه بندی هندسه مورد مطالعه استفاده شده است. باتوجه به سادگی هندسه، کل فضا با شبکه های سازمان یافته چهار وجهی8 شبکه بندی شده است. شکل 3 هندسه شبکه بندی شده را نشان می دهد.
شکل:2 شمای زباله سوز مورد مطالعه.[3]
جدول:1 مشخصات عملکرد زباله سوز.[3]
شکل:3 هندسه شبکه بندی شده.
مدل های استفاده شده جهت شبیه سازی احتراق زباله سوز در جدول 2 خلاصه شده است. معادلات بقای پیوستگی، ممنتوم و انرژی با گسسته سازی به روش المان حجمی9 توسط نرم افزار حل شده اند. تئوری معادلات بقا و مدل های استفاده شده به مرجع [2] ارجاع داده می شود.
جدول:2مدل های استفاده شده در شبیه سازی.
جهت اعتبار سنجی شبیه سازی احتراق زباله سوز، نتایج تجربی و مدل موجود در پژوهش کیم وهمکارانش [3] ، با نتایج شبیه سازی حاصل از نرم افزار مقایسه شده است. شکل 4 مقادیر تجربی و مدل سازی شده دما در دو مقطع عرضی محفظه پس از احتراق زباله سوز مورد مطالعه در پژوهش کیم را نشان می دهد. زباله سوزی با ظرفیت، کیفیت زباله و شرایط مرزی در نظر گرفته شده در پژوهش کیم، توسط نرم فزار شبیه سازی شده است. شکل های 5 و 6 به ترتیب مقادیر دما در دو مقطع عرضی طبقه دوم - x=3/866 m - 10 وطبقه پنجم - x= 9/665m - 11 محفظه پس از احتراق زباله سوز و کانتور دمای محفظه پس از احتراق زباله سوز را نشان می دهند. مقادیر و روند تغییرات دما مشابه با نتایج تجربی می باشند.
شکل:4 نتایج تجربی تغییرات دما نسبت به طول شعاعی.
شکل:5 تغییرات دما نسبت به طول شعاعی در دو مقطع عرضی محفظه پس از احتراق زباله سوز، نقاط دایره ای نتایج تجربی را نشان می دهند.
شکل:6کانتور دمای محفظه یس از احتراق زباله سوز شبیه سازشده.
احتراق زباله سوز با کیفیت زباله تهران
جدول 3، آنالیز شیمیایی زباله شهری تهران با 30 درصد جرمی رطوبت را نشان می دهد. احتراق زباله سوز مورد مطالعه با کیفیت زباله تهران و در نظر گرفتن 40، 80 و120 درصد هوای اضافی، توسط نرم افزار شبیه سازی شده است. شکل7 ، تغییرات میانگین دما در هر مقطع نسبت به طول محفظه احتراق را نشان می دهد. افزایش درصد هوای اضافی باعث کاهش دما و افزایش طول شعله در امتداد طول زباله سوز می شود.
کاهش دما در اثر افزایش درصد هوای اضافی را می توان به دلیل افزایش تعداد ملکول های محصولات و جذب حرارت توسط آن ها و افزایش طول شعله را می توان به علت افزایش سرعت جریان گازهای حاصل از احتراق در اثر افزایش هوای اضافی دانست. شکل 8، تغییرات میانگین سرعت گاز های حاصل از احتراق در هر مقطع نسبت به طول محفظه احتراق را نشان می دهد. افزایش درصد هوای اضافی باعث افزایش دبی عبوری ازسطح مقطع زباله سوز، افزایش سرعت و کاهش زمان ماند12 گاز های حاصل از احتراق در زباله سوز می شود.
جدول:3آنالیز شیمیایی زباله شهر تهران با 30 درصد جرمی ر طوبت
شکل:7تغییرات میانگین دما در هر مقطع نسبت به طول محفظه احتراق.
