تحقیق انواع کاتالیست های SCR جهت تصفیه NOx

توضیحات

عنوان: انواع کاتالیست های SCR جهت تصفیه NOx

• مقدمه
•   منابع NOx  
• منابع طبیعی
•  منابع زیستی
•  منابع صنعتی (منابع انسانی) 
•  تشکیل NOx و واکنش¬های آن
•  تشکیل اسید نیتریک و باران اسیدی 
•  تشكیل اكسیدهای نیتروژن در توربین های گازی
•  مكانیزم تشكیل اكسیدهای نیتروژن حرارتی و سریع
•  مكانیزم تشكیل NOx سوختی
•  بررسی فنی اقتصادی سیستم های متعارف كاهش NOX در نیروگاه های گازی و سیكل تركیبی
•  استانداردهای جدید انتشار NOx  معرفی اصول اولیه روش های كاهش و كنترل NOx
•  جلوگیری از تولید NOx و جلوگیری از انتشار NOx 
•  سیستم كاهش تولیدNOx پیش از احتراق مشعل های احتراق با NOx پایی
•  مشعل های LNB
•  مشعل های DLN
•  پاشش آب یا بخار
•  مقایسه روش های مختلف كاهش NOx
•    انواع کاتالیست ها
•  نوع یک دوگانه
•  نوع دوم سه گانه
• کاهش دهنده ها و واکنش های کاتالیستی
•  آمونیاک
•  کاتالیست های SCR  سیستم کنترل آلایندگی SCR  
• محدودیت های سیستم های SCR  
• واکنش های SCR
•  مشخصات
•  اطلاعات سم‌شناسی
•  مشخصات فیزیکی
•  شرایط نگهداری
•  نکات ایمنی و بهداشت   
•  فن آوری SCR  
• انواع کاتالیست ها SCR  
• کاهش آلاینده های اگزوز به روش SCR
• مروری بر کارهای انجام شده توسط کاتالیست SCR
•  مراجع

– مقدمه

اکسیژن و نیتروژن در دمای محیط واکنش نمی دهند. اما در دماهای بالا، تحت واکنشی گرماگیر اکسیدهای مختلف نیتروژن تولید می کنند. چنین دماهایی در داخل موتور احتراق داخلی یا دیگ بخار نیروگاه، در طول احتراق مخلوط هوا و سوخت و به طور طبیعی در یک فلاش رعد و برق بوجود می آیند. در شیمی، اصطلاح NOx به معنای غلظت کل NO و NO₂ است. در طول نور روز، این غلظت ها در تعادل هستند، نسبت NO/NO₂ به واسطه شدت نور آفتاب (که NO₂ را به NO تبدیل می کند) و غلظت ازن (که با NO واکنش نشان می دهد دوباره NO₂ را تشکیل می دهد) تعیین می شود. در حضور اکسیژن اضافی (O₂)، نیتریک اکسید (NO) با اکسیژن با دی اکسید نیتروژن (NO₂) واکنش می دهد. زمان مورد نیاز به غلظت هوا بستگی دارد که در زیر نشان داده شده است [1]:

جدول 1- غلطت NO و زمان لازم برای تبدیل نصف NO به NO2
زمان لازم برای آنکه نصف NO به NO2 اکسید شود (دقیقه)	غلظت NO در هوا (میلی گرم بر لیتر)
175/0	20000
35/0	10000
5/3	1000
35	100
350	10
3500	1

هنگامی که NOx و ترکیبات آلی فرار (VOCs) در حضور نور خورشید واکنش نشان می دهند، و با تشکیل سیگنال فتوشیمیایی به شکل قابل توجهی به ویژه در تابستان باعث آلودگی هوا می شوند. کودکان، افراد مبتلا به بیماری های ریه مانند آسم و افرادی که در خارج از منزل کار می کنند، به خصوص تحت تاثیر اثرات نامطلوب دود مانند آسیب به بافت ریه و کاهش عملکرد ریه، بیشتر در معرض خطر هستند.

2- منابع NOx

2-1- منابع طبیعی

اکسید نیتروژن در طول رعد و برق ناشی از گرمای شدید رعد و برق تولید شده [2] و به علت شیوع مولکول های نیتروژن ایجاد می شود. اگر اکسید نیتروژن با مولکول های آب موجود در رسوبات تشکیل “ترکیب” دهد، می تواند منجر به تولید باران اسیدی شود. اوت و همکاران [3] برآورد کرده اند که هر فلش رعد و برق به طور متوسط ​​در چندین رعد و برق به طورمتوسط و طبق مطالعات 7 کیلوگرم (15 پوند) نیتروژن را به NOx شیمیایی واکنش پذیر تبدیل می کند. با برآورد 4/1 میلیارد رعد و برق در سال، ضرب در 7 کیلوگرم در هر رعد و برق، محاسبه شده است که مجموع کل NOx تولید شده توسط رعد و برق در سال برابر 8/6 میلیون تن است. با این حال، با انتشار NOx  در اثر احتراق سوخت فسیلی تولید NOx  به میزان 5/28 میلیون تن تخمین زده می شود [4].

اخیرا نشان داده شد که اشعه کیهانی و شعله های خورشیدی می تواند به طور قابل توجهی بر تعداد حملات رعد و برق بر روی زمین تاثیر بگذارد. بنابراین، هوای فضا می تواند یک نیروی محرکه بزرگ برای تولید NOx  باشد [5]. اوت خاطر نشان کرد که NOx تولید شده توسط رعد و برق معمولا در ارتفاع بالاتر از 5 کیلومتر پیدا می شود، در حالی که  NOx(خاک) ناشی از احتراق و محصول زیستی معمولا در نزدیکی منابع در ارتفاع نزدیک به سطح (که در آن می تواند بیشترین تاثیرات بهداشتی را داشته باشد) یافت می شوند. [3]

 

2-2- منابع زیستی

کود آلی و استفاده از گیاهانی که باعث تنظیم نیتروژن می شوند، از طریق تقویت نیتروژن توسط میکروارگانیسم ها به NOx جوی کمک می کنند [6, 7].

 

2-3- منابع صنعتی (منابع انسانی)

سه منبع اولیه NOx در فرایندهای احتراق:

• NOx حرارتی
• NOx سوختی
• NOx آماده

تشکیل NOx حرارتی که به شدت وابسته به دما است، در هنگام احتراق گاز طبیعی به عنوان مهم ترین منبع شناخته شده است. ماده NOx سوختی در حین احتراق سوخت هایی مانند ذغال سنگ، دارای محتوای نیتروژن قابل توجهی است، به خصوص در هنگام احتراق سوخت در موتورهای احتراق برای به حداقل رساندن NOx حرارتی طراحی شده است. سهم نهایی NOx آماده به طور معمول بسیار ناچیز می باشد. منبع چهارم، خوراک NOx  است که با احتراق نیتروژن موجود در مواد خوراکی کوره های روتاری سیمان، بین 300 و 800  درجه سانتیگراد همراه است، که در آن نیز یک عضو جزئی است.

 

3- تشکیل NOx و واکنش­های آن

 

3-2- تشكیل اكسیدهای نیتروژن در توربین های گازی

   تشكیل اكسیدهای نیتروژن در فرایند احتراق توربین گاز، در نتیجه تجزیه مولكول های N₂ و O₂ به اتم های نیتروژن و اكسیژن است كه واكنش بعد از این تجزیه، سبب به وجود آمدن اكسیدهای نیتروژن (N₂O₅، N₂O₄، NO، NO₂، NO₃، N₂O، N₂O₃) خواهد شد كه اكسید نیتروژن و دی اكسید نیتروژن با بالاترین درصد تشكیل و سهم عمده ای در انتشار آلودگی دارند. دو مكانیزم اساسی تشكیل NO_X در مشعل توربین های گازی رخ می دهد که عبارتند از:

الف –  اكسیداسیون نیتروژن موجود در هوای احتراق(NOx حرارتی و سریع)

ب –  تبدیلات شیمیایی باندهای نیتروژنی سوخت (NOx سوختی)

3-3- مكانیزم تشكیل اكسیدهای نیتروژن حرارتی و سریع

واكنش های شیمیایی كه در آن اكسیژن و نیتروژن موجود در هوای احتراق، تشكیل NOx حرارتی می دهند به عنوان مكانیزم زلدویچ[2] شناخته شده اند كه در درجه حرارت بالای مشعل توربین گاز، رخ می دهند. با افزایش درجه حرارت و زمان اقامت، تولید NOx به ترتیب به شكل توانی و خطی افزایش پیدا می كند. ماده NOx حرارتی در دمای بالای 1500 درجه سانتی گراد شكل می گیرد و در حدود 95 درصد محصولات واكنش NO و باقیمانده به صورت N₂O و NO₂ است. تشكیل NOx سریع (Prompt) در اثر اكسیداسیون محصولات جانبی احتراق از قبیل NH، HCN و N است، كه سهم نسبتا كمی در مشعل های استوكیومتری دارند اما با كاهش نسبت اكی والانی (اگر میزان سوخت كمتر از اكسیژن موجود باشد) سهم NOx های سریع، افزایش می یابد.

3-4- مكانیزم تشكیل NOx سوختی

در صورت حضور نیتروژن و یا باندهای نیتروژنی در سوخت مصرفی، مكانیزم تشكیل NOx سوخت شكل می گیرد. بالعكس تشكیل NOx حرارتی، در این مكانیزم، درجه حرارت، تاثیر زیادی بر پیشرفت واكنش نداشته و در دمای پایین، اكسیدهای نیتروژن تشكیل می شوند. طی این واكنش، نیتروژن موجود در سوخت سریعا به سیانید هیدروژن و آمونیاك تبدیل می شود و سپس در صورت حضور اكسیژن، این تركیبات اكسید می شود. ماده NOx حاصل از این مكانیزم به وضعیت استوكیومتری احتراق بسیار حساس بوده و در واقع نسبت میان سوخت و هوا عامل اصلی تاثیر گذار است. اگر مرحله ای كه طی آن تركیبات سیانید هیدروژن و آمونیاك تشكیل شده اند زیر حد استوكیومتری نگه داشته شود یعنی میزان هوای احتراق كاهش یابد، تركیبات مذكور اساسا به مولكول نیتروژن تبدیل می شوند. بنابراین با اتخاذ تدابیر صحیح در تزریق هوای احتراق به داخل مشعل و در واقع كاهش اكسیژن دریكی از مراحل احتراق، می توان از تشكیل این نوع اكسیدهای نیتروژن جلوگیری كرد.

3- بررسی فنی– اقتصادی سیستم های متعارف كاهش NO_X در نیروگاه های گازی و سیكل تركیبی

 اكسیدهای نیتروژن یكی از آلاینده های اصلی توربین های گازی هستند از این رو با رشد نیروگاه های گازی و سیكل تركیبی در كشور و با توجه به استانداردهای جدید جهانی، نگرانی های زیست محیطی درباره تولید و انتشار این آلاینده رو به افزایش است. از آنجاكه درجه حرارت گاز ورودی به توربین، فاكتور اصلی اثرگذار بر بازده سیستم است و بالا بودن آن باعث تولید NOx بیشتری می شود، تكنیك كاهش و كنترل انتشار باید بگونه ای اتخاذ شود كه بر عملكرد توربین تاثیر نامطلوب نداشته باشد.

 

شکل 1- بررسی فنی NOX– تولید و کاهش

 

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

4- استانداردهای جدید انتشار NOx

   اكسیدهای نیتروژن طی مكانیزم های پیچیده در حضور نور آفتاب با هیدروكربن های فعال واكنش داده و سبب تشكیل ازن در لایه های پایینی جو و بارش باران های اسیدی می شوند كه اثرات مخربی بر سلامت انسان و موجودات زنده دارد از این رو قوانین زیست محیطی مربوط به انتشار این آلاینده ها هر روز سخت تر شده و حد انتشار آن كاهش می یابد. از جمله می توان به استانداردهای اروپا و آمریكا اشاره كرد. بانك جهانی نیز استاندارد انتشار اكسیدهای نیتروژن برای نیروگاه های سیكل تركیبی با سوخت گازی (50 ppm درصد اكسیژن) و سوخت های غیرگازی را 15 برابر (76 ppm درصد اكسیژن) اعلام كرده است. طبق مراجع مختلف پس از بكارگیری سیستم كاهش انتشار NOx این حد استاندارد برای سوخت های گاز در نیروگاه های گازی به 9 ppm و سوخت های مایع به 42 ppm كاهش می یابد.

5- معرفی اصول اولیه روش های كاهش و كنترل NOx

بطور كلی فرآیندهای كاهش NOx به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

5-1-  جلوگیری از تولید NOx و جلوگیری از انتشار NOx

در میان روش های کاهش و کنترل NOx، به كارگیری مشعل های با NOx پایین، پاشش آب یا بخار و استفاده از كاتالیزور (SCR) در نیروگاه های گازی و سیكل تركیبی، عمومیت دارند.

5-2- سیستم كاهش تولیدNOx  پیش از احتراق مشعل های احتراق با NOx پایین

در مشعل های معمول كه بر اساس سیستم نفوذی (Diffiusion) كنترل می شوند، سوخت و هوا جداگانه به محفظه احتراق تزریق شده و در آنجا همزمان اختلاط و احتراق صورت می گیرد. در این صورت علاوه بر بالا بودن پیك دمایی شعله، زمان اقامت نیز بالا است كه هر دو عوامل اصلی افزایش تولید NOx هستند. با استفاده از مشعل های احتراق با NOx پایین اثر این دو عامل را می توان تا حد زیادی كاهش داد. این مشعل ها بر اساس نوع مكانیزم شان عبارتند از:

• LNB (Low NOx Burner)
• DLNDry Low NOx))

5-2-1- مشعل های LNB

از آنجا كه تولید NOx تابعی از میزان اختلاط هوا و سوخت درشعله است و درصورت بروز Hot Spots، میزان اكسیدهای نیتروژن بیشتری تولید می شود، سعی می شود كه این امر به گونه ای جلوگیری شود تا در كنار اختلاط صحیح هوا و سوخت از تولید اكسیدهای نیتروژن ممانعت به عمل آید. با استفاده از این نوع مشعل ها با چند منطقه ای كردن اختلاط و در نتیجه خارج كردن احتراق از حالت استوكیومتری و تبدیل آن به احتراق چند مرحله ای، میزان تولید NOx كاهش می یابد. با به كارگیری این مكانیزم شعله احتراقی پایدار با مناطق مختلف به وجود می آید. احتراق اولیه با حضور 40-30 درصد هوای استوكیومتری انجام می شود. سپس باز سوزش سوخت به همراه سوخت اضافه صورت گرفته و در نهایت احتراق با تزریق هوای تكمیلی كه همزمان درجه حرارت احتراق را در محدوده مناسب نگه می دارد تكمیل می شود.

5-2-2- مشعل های DLN

در این مشعل ها مخلوط غیر استوكیومتری ازهوا و سوخت تشكیل می شود تا دمای شعله پایین باشد همچنین به دلیل اختلاط هوا و سوخت پیش از ورود به محفظه احتراق زمان اقامت نیز كاهش می یابد. اختلاط هموژن نیز مناطق غنی از سوخت را كم می كند. به منظور تثبیت شعله و اطمینان از احتراق كامل با حداقل انتشار منوكسید كربن، یك سیستم پایلوت به این گونه مشعلها اضافه می شود.

 در صورت استفاده از سوختی با میزان نیتروژن بالا استفاده از یك سیستم مكمل ضروری است. از دیگر عوامل تاثیرگذار بر عملكرد این سیستمها نسبت اختلاط هوا و سوخت است كه باید در حد اشتعال نگه داشته شود تا حد انتشار NOx حداقل باشد. انحراف از این حد سبب ناپایداری شعله شده و امنیت كار را به خطر می اندازد. از این رو سیستم های چند مرحله ای در اولویت هستند. سیستم های DLN به گونه ای طراحی می شوند كه در بار نامی واحد قابلیت كاربری دارند و در صورت تغییر در بار سیستم احتراق به وضعیت احتراق نفوذی شیفت داده می شوند. در كل مشعل های احتراق با NOx پایین راندمانی در حدود 70-50 درصد دارند.

توجه:

برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.

لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.

سفارش تحقیق

به منظور سفارش تحقیق مرتبط با رشته تخصصی خود بر روی کلید زیر کلیک نمایید.

سفارش تحقیق