آلاینده های احتراق

آلودگی هوا از روزگاران قدیم، کیفیت زندگی انسان ها را تحت تاثیر قرار داده است. طبیب مشهور، جرجانی، در اوایل سده ششم در کتاب خوارزمشاهی هوای پاک را اینگونه تعریف می کند:

هوای نیک هوای صافی است که هیچ چیزِ غریب، با وی آمیخته نبود.

بر اساس همین تعریف می توان آلودگی هوا را به زبان ساده این چنین تعریف کرد که حضور هر ماده شیمیایی و ترکیبات مسموم کننده در هوا و یا مخلوط شدن آن ها با هوا، به میزانی که باعث ایجاد ناراحتی برای انسان ها و خطرات برای سلامتی محیط زیست شود، آلودگی هوا نام دارد.این مواد به صورت معمولی در هوا حضور نداشته و بر اثر عوامل طبیعی و عمدتا فرآیند های صنعتی، توسط انسان ها، به محیط (آب، خاک و هوا) افزوده می شوند و کیفیت هوا را کاهش می دهند. آتش سوزی های طبیعی در محیط زیست بر اثر تابش نور خورشید و دیگر عوامل، یکی از عوامل آلاینده طبیعی هوا است. فعالیت های انسانی مانند پالایش، حمل و نقل، تولید انرژی و .. از جمله مواردی هستند که باعث افزایش حضور آلاینده ها در جو می شوند. در اکثر این فرآیند ها، مساله احتراق نقشی پر رنگ دارد. در این مقاله سعی داریم تا بر انواع آلاینده های زیست محیطی در یکی از فرآیند های صنعتی مهم و پر کاربرد، یعنی احتراق، صحبت به میان آوریم و علاوه بر بررسی تعریف آلاینده های احتراق و انواع آن، به مهمترین یا اصلی ترین آن ها، علت تشکیل، عوامل موثر بر غلظت این آلاینده ها و روش های کاهش آن ها بپردازیم. مطالعه این مقاله ممکن است حدود 10 دقیقه از وقت شما را بگیرد، اما در برابر اطلاعات با ارزشی که به شما می دهد، هزینه زمانی کمی برای شما خواهد داشت.

آلاینده های احتراق

آلاینده های احتراق چیست؟

در دنیا، سازمان های مختلفی وجود دارند که با هدف بهبود روش های موجود و توسعه روش های جدید برای حداق کردن انتشار آلاینده های احتراق در حال بررسی، مطالعه و تحقیق هستند.بر اثر احتراق سوخت های فسیلی علاوه بر کربن دی اکسید و آب (بخار یا مایع)، که محصولات اصلی واکنش احتراق هستند، محصولات دیگری نیز تولید می شوند. این محصولات بسته به کیفیت و نوع سوخت و میزان هوای احتراق متفاوت هستند. به عنوان مثال با کمبود هوای احتراق و خام سوزی سوخت، انتشار آلاینده کربن مونوکسید (CO) که باعث ایجاد مسمومیت تنفسی می شود، افزایش می یابد. انتشار اکسیدهای نیتروژن و گوگرد در اکثر اوقات به عنوان خطرناک ترین و اصلی ترین آلاینده های موجود در هوا به شمار می روند. در اتمسفر دی اکسید نیتروژن (NO2) و دی اکسید گوگرد (SO2) با بخار آب موجود در هوا واکنش داده و اسید نیتریک و سولفوریک اسید تولید می کنند. همچنین این مواد می توانند با آمونیاک یا هر کاتیون موجود دیگر، واکنش داده و ذرات نیترات آمونیوم یا سولفات را تشکیل دهند. این ذرات اندازه ای در حدود 0/1 میکرومتر دارند. نیتروژن مونوکسید (NO) از جمله گازهای بی رنگ است که برای سلامت انسان و موجودات زنده بسیار خطرناک است. اثر این گاز به میزان قابل توجهی از مقدار معادل نیتروژن دی اکسید (NO2) کمتر است. گاز NO2 بر اثر واکنش NO با O2 تولید شده و رنگی قهوه ای دارد. ضرر این گاز به حدی است که می تواند باعث ایجاد تنگی نفس در انسان شود.

مضرات آلودگی هوا

آلاینده های نیتروژن کدامند؟

پیشتر به این سوال که آلاینده چیست، به صورت تاریخی و علمی، جواب کامل دادیم. همچنین آلاینده های طبیعی و انسانی هوا به صورت مختصر معرفی شدند. یکی از آلاینده های خطرناک هوا، آلاینده های ناشی از نیتروژن یا ناکس (NOx) است. حضور اکسیدهای نیتروژن در هوا ضررهایی مانند باران اسیدی، افزایش دمای کره زمین و تخریب لایه اوزون دارد. همان طور که اشاره شد، احتراق سوخت های فسیلی و یا بایومس، منبع اصلی تولید اکسید های نیتروژن است. از خطرناک ترین آلاینده های زیست محیطی ناشی از نیتروژن می توان به نیتروژن مونوکسید و نیتروژن دی اکسید اشاره کرد.

ناکس، از آلاینده های خطرناک هوا

اکسید های نیتروژن در واکنش های احتراقی بر اثر مکانیزم دمایی، مکانیزم فوری، مکانیزم سوختی و مکانیزم نیتروزاکسید ممکن است تشکیل شوند. اگر سوخت حاوی نیتروژن به صورت پیوند باشد، در نهایت مقداری از این نیتروژن در فرآیند احتراق به ناکس سوختی تبدیل می شود. به صورت کلی در مکانیزم فوری مقدار نیتروژن مونوکسید تشکیل شده، بیشتر از مقدار انتشار آن از طریق مکانیزم حرارتی در شرایط یکسان است.  نیتروژن مونوکسید در مکانیزم فوری بر اثر واکنش شیمیایی گونه های NO2 و N2O در فرآیند احتراق تشکیل می شود. در شعله های غنی از سوخت نیز واکنش مولکول نیتروژن با اتم اکسیژن موجب تشکیل آلاینده نیتروژن مونوکسید از طریق مکانیزم فوری می شود. منبع اصلی انتشار نیتروژن مونوکسید با مکانیزم حرارتی، اکسیداسیون نیتروژن مولکولی موجود در هوای احتراق است. مکانیزم تشکیل نیتروژن مونوکسید از نیتروژن موجود در هوا به صورت مفصل توسط بوومن (Bowman) مورد مطالعه قرار گرفته است. واکنش های اصلی تشکیل NO در طی فرآیند احتراق مخلوط سوخت و هوا در حالت استوکیومتری در معادلات زیر آورده شده است.

مکانیزم تشکیل نیتروژن مونوکسید حرارتی، مکانیزم زلدوویچ (Zaldovich) نام دارد. زلدوویچ اولین کسی بود که اهمیت دو واکنش اول را نشان داد و لاووی و همکاران واکنش سوم را اضافه نمودند. در احتراق سوخت مایع، در صورتی که فرآیند پودر شدن یا اتمیزه شدن سوخت به صورت کامل انجام نشود، قطرات بزرگ سوخت باقی می مانند که از مهمترین عوامل تولید نیتروژن مونوکسید است. بخارهای سوخت که در اطراف قطرات اسپری شده حضور دارند، سبب تشکیل ناحیه غنی از سوخت می شوند و این نواحی شرایط مناسب جهت تولید نیتروژن مونوکسید با مکانیزم فوری را ایجاد می کنند. کربن های حاوی رادیکال های آزاد موجود در نواحی مذکور با مولکول نیتروژن واکنش داده و نیتروژن مونوکسید تشکیل می دهند.

آلاینده های ناشی از گوگرد کدامند؟

تقریبا همه فرآورده های نفتی دارای گوگرد و یا ترکیبات گوگرد دار هستند. این ترکیبات به صورت سولفید و دی سولفید وجود دارند. ماهیت و غلظت این ترکیبات به منشا سوخت وابسته است. دی اکسید گوگرد (SO2) در دماهای بالاتری نسبت به SO3 شکل می گیرد. از آن جا که اکثر فرآورده های احتراق در دمای بالا تشکیل می شوند، دی اکسید گوگرد غالب ترین شکل از ترکیبات ساکس (SOx) است که از سوخت های حاوی گوگرد منتشر می شود. بنابر این برای احتراق با هوای اضافی کم، مقدار تولید SO2 در مقایسه با SO3 بیشتر است.

ساکس، یکی از انواع آلاینده های زیست محیطی

در بین سوخت های فسیلی، بیشترین منبع تولید دی اکسید گوگرد از نفت خام است. دی اکسید گوگرد (SO2) یک گاز بی رنگ با بوی تند است که در انواع واکنش های شمیایی یافت می شود. این ترکیب در صورت واکنش با آب خاصیت خورندگی بالایی دارد. SO2 از ترکیب سولفور با مولکول اکسیژن ایجاد می شود و غلظت آن در گازهای خروجی از دودکش محفظه احتراق، بویلر، دیگ بخار و .. بین 200 تا 2000 پی پی ام متغیر است. دی اکسید گوگرد در طی واکنش با مولکول اکسیژن و آب باعث به جود آمدن SO3 و H2SO4 می شود. سولفوریک اسید یا همان H2SO4 بسیار خورنده بوده و می تواند آسیب های جدی به محیط زیست وارد کند. سوخت هایی نظیر نفت و زغال سنگ به طور کلی حاوی مقادیر قابل توجهی گوگرد هستند. این در حالی است که سوخت های گازی دارای مقادیر کمتری گوگرد هستند.

آلاینده های ناشی از کربن را نام ببرید!

کربن مونوکسید به صورت کلی در تعداد کمی از فرآیند های احتراقی به عنوان محصول احتراق ناقص و خام سوزی سوخت تولید می شود.این ترکیب شیمیایی به صورت گازی بوده و قابل اشتعال است. از دیگر خصوصیات آن می توان به بی رنگ بودن، بی مزه بودن، خورنده و سمی بودن آن اشاره کرد. کربن مونوکسید در صورت ترکیب شدن با هموگلوبین خون، که وظیفه آن انتقال اکسیژن به داخل بدن است، می تواند به عنوان یک خفه کننده شیمیایی عمل کند. کربن مونوکسید راحت تر از مولکول اکسیژن با هموگلوبین خون ترکیب می شود. میل ترکیبی کربن مونوکسید با هموگلوبین تقریبا 200 الی 300 برابر بیشتر از میل ترکیبی اکسیژن با هموگلوبین است. در تمامی محصولات احتراقی که از سوخت های هیدروکربنی استفاده کنند، کربن مونوکسید یافت می شود و غلظت تولید آن به میزان هوای اضافه، که برای واکنش احتراق استفاده می شود، بستگی دارد. در حالت تعادل کربن مونوکسید توسط فرآیند شیمیایی زیر تشکیل می شود:

غلظت تولید کربن مونوکسید در فرآیند احتراق به دما و هوای اضافه بستگی دارد. در ناحیه غنی از سوخت، سطح کربن مونوکسید به دلیل نبود اکسیژن کافی افزایش یافته و تنها در صورتی که هوای کافی با سوخت در دمای بالا مخلوط شود، مقدار آن کاهش می یابد. در احتراق با میزان سوخت پایین، کربن مونوکسید در واکنش با هوا به مولکول های کربن دی اکسید تبدیل خواهد شد.

شکل زیر نمودار نسبت هوا به سوخت در فرآیند احتراق و میزان انتشار آلاینده کربن مونوکسید را نشان می دهد. در این نمودار محور افقی نشان دهنده نسبت هوا به سوخت در فرآیند احتراق و محور عمودی بیانگر میزان انتشار آلاینده بر حسب پی پی ام است. نسبت هوا به سوخت در حالت استوکیومتری برابر 1 در نظر گرفته می شود. مقادیر بزرگتر از یک بیانگر واکنش احتراق با هوای اضافی و یا فقیر از نظر سوخت هستند و مقادیر کمتر از یک، نشان دهنده غنی بودن فرآیند از نظر سوخت و یا هوای کم است.

نمودار میزان تشکیل کربن مونوکسید به عنوان تابعی از نسبت هوا/سوخت

دوده چیست؟

ذرات بی شکل و ریز کربن، حاصل از احتراق را دوده گویند. تحت شرایط خاص، سوخت های گازی در واکنش با هوا دوده تشکیل خواهند داد.سوخت هایی که نسبت کربن به هیدروژن بالایی دارند، مانند پروپان در مقایسه با متان، نسبت به دیگر سوخت ها، دوده بیشتری تولید خواهند کرد. برای سوخت های نسبتا پاک مانند گاز طبیعی، تشکیل آلاینده دوده در مقایسه با سوخت هایی نظیر نفت و زغال سنگ که نسبت کربن به هیدروژن بالایی دارند، کمتر است. دوده در رژیم جریان غنی از سوخت یا همان احتراق ناقص، به دلیل اختلاط ضعیف و کم سوخت و هوا تولید می شود. شعله های دارای دوده، درخشندگی بیشتری دارند و حرارت را به طور موثرتری تابش می کنند. وزن مولکولی دوده از هیدروکربن های چند حلقه ای بیشتر است.

دوده، از انواع آلاینده های زیست محیطی

در حالت ایده آل انتظار آن است که دوده در ابتدای شعله تشکیل و پیش از پایان شعله از بین برود که در این صورت هیچ ذره ای به محیط اطراف پخش نمی شود. در واقعیت ذرات دوده از طریق محصولات احتراق از محفظه احتراق خارج می شوند. دوده بر اثر تماس با گازهای سرد یا در اثر برخورد با سطوح خنک مانند لوله های بویلر، غیر قابل سوختن می شود. ذرات دوده با چسبیدن به مجرای خروجی و مسدود کردن مسیر تصفیه آلودگی در سیستم، مشکلاتی در زمینه تعمیر و نگهداری ایجاد می کنند.

روش های کاهش انتشار آلاینده ها

انتشار اکسید های نیتروژن به صورت جهانی از قرن های گذشته تا کنون، روز به روز در حال افزایش بوده است.به دلیل اثرات مخربی که این آلاینده زیست محیطی دارد، انتشار آن از منابع مختلف در کشور های صنعتی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است و برای میزان مجاز انشار آن، استانداردهایی تدوین شده است. روش های متعددی برای کاهش میزان انتشار ناکس در فرآیند احتراق وجود دارد. به طور کلی چهار عامل در تشکیل اکسیدهای نیتروژن تاثیر به سزایی دارند:

• غلظت اکسیژن موجود
• غلظت نیتروژن
• دمای واکنش احتراق
• مدت زمان ماند،حضور یا اقامت گونه های احتراقی

کاهش ناکس به منظور حذف آلاینده های صنعتی

هر یک از عوامل فوق به صورت مستقیم بر افزایش غلظت آلاینده ناکس اثر دارند. بنابر این تمامی روش های موجود برای کاهش میزان انتشار این آلاینده به نحوی به یک یا چند عامل فوق می پردازد. روش های متنوعی که برای کاهش ناکس در مراجع علمی و مراکز صنعتی معرفی شده و یا به کار برده می شوند، در یکی از سه دسته زیر قرار خواهند گرفت:

• اصلاح پیش از احتراق
• اصلاح در حین احتراق
• اصلاح پس از احتراق

انتخاب سوخت مناسب (به عنوان مثال استفاده از گاز طبیعی به جای گازوئیل در صورت وجود و فراوانی و عدم ضرورت استفاده از گازوئیل)، شستشوی مجدد سوخت جامد و یا پیش پردازش های دیگر بر روی آن به منظور حذف و یا کاهش نیتروژن سوختی موجود در آن، می تواند در دسته روش های اصلاحی پیش از شروع واکنش احتراق قرار گیرد. اصلاح پس از احتراق بیشتر به گاز خروجی از دودکش پرداخته و میزان ناکس و دیگر آلاینده های موجود در آن را با استفاده از فیلترها و یا روش های دیگر کاهش می دهد.

اصلاح در حین احتراق دارای روش های متنوعی برای کنترل میزان انتشار آلاینده ها می باشد.این مساله از طریق روش هایی نظیر بهینه سازی هندسه، احتراق مرحله ای، گردش مجدد گازهای خروجی (FGR) و تزریق آب یا بخار به دست می آید.

در مقالات دیگر از کارشناسان سایت انجمن متخصصین احتراق، روش های کاهش آلاینده ها به صورت مفصل مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. ممنون از اینکه با ما همراه بودید.