Document Type : Original Article
Subjects
اثرات ناشی از افزایش روزافزون مصرف سوختهای فسیلی بر آلایندگی محیطزیست باعث گستردگی مطالعاتی در زمینه جایگزینی سوختهای با ارزش حرارتی پایین و کنترل گازهای آلاینده حاصل از احتراق سوختهای فسیلی در دنیا شده است. اهداف اصلی در هر سیستم احتراق شامل بهبود کارایی، کاهش انتشار آلایندههای مضر، کاهش مصرف سوخت و بهرهگیری از سوختهای پاک، پایدار، تجدیدپذیر و کمهزینه است [1]. در واقع، چنین اهدافی تنها با استفاده از اشکال انرژی تجدیدپذیر قابل دستیابی هستند. برخی محققین در این خصوص تمرکز خود را به اشکال انرژی تجدیدپذیر موجود تولید شده از زیستتوده معطوف نمودهاند. بیوگاز یک سوخت زیستی جذاب بوده که به بازیابی انرژیهای تجدیدپذیر و کاهش انتشار آلایندهها کمک میکند. به عنوان نمونه سافر و همکاران [2] به صورت عددی شعله جریان متقابل با سوخت بیوگاز در شرایط اکسیژن غنی را مورد مطالعه قرار دادهاند. نتایج نشان میدهد که دمای شعله با غنیسازی اکسیژن افزایش یافته و محدودیتهای پایداری بهبود مییابد. انتشار آلاینده NO برای سطوح پایین و متوسط اکسیژن افزایش داشته، اما با غنیسازی در سطح اکسیژن بالا کاهش یافته است. همچنین، احتراق گاز سنتز نیز به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر در کاربردهای صنعتی معرفی شده و مطالعه فرآیند احتراق این سوخت در صنایع تولید انرژی در حال گسترش است. در موضوع احتراق گاز سنتز مطالعات متعددی صورت گرفته است [3، 4]. وو و همکاران [5] تمرکز خود را بر شبیهسازی احتراق جهت امکانسنجی علمی استفاده از گاز سنتزهای مبتنی بر زیستتوده به عنوان سوخت مکمل در بویلر زغالسنگ و بخار معطوف نمودهاند. ایشان اعلام کردهاند که استفاده از گاز سنتز، روش مؤثری برای کاهش آلاینده NOاست. اثر مخلوطهای رقیقکننده غیرقابل احتراق و ترکیبات هیدروژن در نشر NO روی یک مشعل غیرپیشآمیخته با سوخت گاز سنتز و در حضور جسم مانع توسط چن و همکاران [6] به صورت عددی بررسی شده است. آنها نشان دادند، افزایش مقدار هیدروژن باعث کاهش نرخ کرنش و سرعت شعاعی شده که این موضوع به منظور کاهش تولید NO دارای اهمیت بالایی است. تحقیقات ایشان نشان میدهد که CO2 مؤثرترین رقیقکننده برای کاهش انتشار NO بوده و پس از آن H2O و N2 در اولویتهای بعدی قرار دارند. در واقع، CO2 مقدار کمی رادیکال هیدروکسیل (OH) تولید میکند که سبب تشکیل بیشتر NO میشود، ولی اثر آن در کاهش NO بیشتر است. H2O هم مقدار رادیکال هیدوکسیل را افزایش میدهد، اما به دلیل گرمای ویژه بالا، ممانعت از تولید NO حرارتی را به عمل میآورد. لی و همکاران [7] به صورت تجربی اثر سوخت گاز سنتز حاوی رقیقکنندههای خنثی مثل N2 و CO2 را روی پدیده فوران بررسی کردند. آنها نشان دادند که استفاده از رقیقکننده، تأثیر منفی روی پایداری شعله گاز سنتز دارد. آنها نسبتهای همارزی که در آن فوران شعله رخ میدهد، در نسبت رقیقسازیهای مختلف اندازهگیری کردند. نتایج نشان میدهد که با افزایش نسبت رقیقسازی محدوده فوران افزایش یافته و بهطور ویژه، این رفتار در سوختهایی که حاوی مقدار H2 کمتر هستند، غالب است. استایلیاندیس و آزیموف [8] یک مدل سینتیک شیمیایی جدید برای شبیهسازی احتراق گاز سنتز خالص و همچنین گاز سنتز/n-هپتان و تولید NO در یک موتور دوگانهسوز ارائه کردند. دقت مدل مذکور با مقایسه نتایج عددی و دادههای تجربی شامل پارامترهای نظیر سرعت شعله آرام، تأخیر اشتعال و پروفیل غلظت NO ارزیابی شده است. نتایج نشان میدهد که واکنشهای HO2+H2⇌H2O2+H، H2O2+M⇌OH+OH و OH+HO2⇌H2O+O2 نقش اصلی را در تحلیل تأخیر اشتعال برعهده دارند. همچنین اعلام کردهاند که اکسیداسیون n-هپتان و احتراق گاز سنتز تحت تأثیر واکنشهای بنیادی CH4 قرار گرفتند. ژو و همکاران [9] تشکیل و کاهش NO در طی احتراق مایلد[1] برای مخلوط سوختهای متان و هیدروژن در سطح وسیعی از محدوده نسبتهای ترکیب هیدروژن از عدم هیدروژن تا هیدروژن خالص ارزیابی نمودهاند. در احتراق مذکور زمانی که نسبت همارزی زیر 8/0 است، مسیر غالب برای تبدیل N2 به NO از طریق N2O-میانی است و در نهایت با افزایش نسبت همارزی، مسیر NNH بر مسیر N2O-میانی غالب میشود تا تحت شرایط کاهشی به مسیر غالب تبدیل شود. مکانیزم NNH در مخلوط با دمای پایینتر و زمان اقامت کوتاه بیشتر به تولید NO کمک میکند. از سوی دیگر، کاهش NO در نسبتهای بالای هیدروژن سوخت، توسط رادیکالهای غیرهیدروکربنی که عمدتاً از طریق مسیر H+NO→HNO→NH→N2 پیش میروند، مؤثر است، در حالی که توسط رادیکالهای هیدروکربنی با تزریق هیدروژن تضعیف میشود.
یکی از روشهای جدیدی که در طی دو دهه اخیر جهت کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از احتراق مایلد است. از آنجا که با استفاده از این رژیم احتراقی ضمن کاهش قابل توجه اکسیدهای نیتروژن میتوان بازدهی سیستم احتراقی را بهطور قابل توجهی افزایش داد [10، 11]، مطالعات گستردهای روی توسعه آن در کاربردهای مختلف و استفاده عملی از آن در صنایع انجام شده است. مطالعات مختلف نشاندهنده آن است که استفاده از احتراق مایلد قابلیت افزایش بازدهی تا حدود 30 درصد و کاهش میزان اکسیدهای نیتروژن از 50 تا 90 درصد را دارا است [12]. در حال حاضر رژیم احتراقی مایلد روی اصول بازچرخش گازها و گرمای محصولات احتراق عمل میکند. در واقع شرایط ایجاد احتراق مایلد بدین صورت است که مخلوط ورودی دمایی بیش از دمای خوداشتعالی آن داشته و اختلاف بیشینه دمای حاصل از احتراق با مخلوط ورودی کمتر از دمای خوداشتعالی مخلوط باشد [10، 13]. این رژیم احتراقی در نرخهای رقیقسازی اکسیژن بسیار بزرگتری نسبت به نرخهای متداول که برای پایدارسازی شعلههای معمولی استفاده میشود، ایجاد میشود [11]. مطالعات گستردهای پیرامون دمای مخلوط ورودی و تأثیر آن بر احتراق مایلد انجام شده است [11، 14-16]. نتایج حاصل از این بررسیها نشاندهنده آن است که با کاهش پیشگرمایش مخلوط ورودی و یا حتی در صورت عدم پیشگرمایش مخلوط نیز میتوان به احتراق مایلد دست یافت. هاشمی و همکاران [17] با بررسی ترکیبات مختلف سوخت گاز سنتز در شرایط احتراق بدون شعله گزارش دادهاند که استفاده از این نوع سوخت با درصد پایین هیدروژن، دستیابی به شرایط احتراق مایلد را تسهیل مینماید. در واقع افزایش میزان غلظت دیاکسید کربن در زنجیره واکنشهای شیمیایی، موجب افزایش تأخیر در اشتعال شده که این موضوع کمک شایانی جهت نیل به شرایط احتراق مایلد مینماید.
تأثیر نوع سوخت گاز سنتز بر احتراق بدون شعله توسط هوآنگ و همکاران [18] مورد بررسی قرار گرفته است. سوخت گاز سنتز با محتوای بیشتر گاز بیاثر (نیتروژن و دیاکسید کربن) و غلظت کمتر اجزای فعال (هیدروژن و مونواکسید کربن) دمای احتراق بالاتری را در شرایط احتراق مایلد نشان داده است. در نتیجه بازچرخش بیشتری جهت ایجاد شرایط ترمودینامیکی طرح مایلد مورد نیاز خواهد بود. همچنین، سوخت گاز سنتز غنیشده با هیدروژن و گاز سنتز غنیشده با مونواکسید کربن، سینتیکهای شیمیایی متفاوتی را در فرآیند احتراق مخلوط مایلد نشان دادهاند. این مطلب نیز بیان شده است که سوختهای گاز سنتز حاوی هیدروژن انتشار آلاینده NO را عمدتاً از طریق مکانیزمهای N2O-میانی و NO-باز سوزاندن تولید میکنند. در حالی که برای احتراق خالص هیدروژن مکانیزم NNH نقش مهمتری را ایفا میکند. همچنین گونه N2 در سوخت گاز سنتز، دارای تأثیر فیزیکی در به تأخیر انداختن برهمکنش بین هوا و جریان سوخت بوده و اثرات قابل مشاهدهای بر روی اختلاط آشفته و همچنین بازچرخش گازها داشته است. از سوی دیگر، گونه CO2 در سوخت گاز سنتز نیز اثر شیمیایی در کاهش سرعت واکنش به همراه داشته است. در نهایت، نسبت همارزی بحرانی که بالاتر از آن احتراق مایلد رخ میدهد، برای چهار سوخت گاز سنتز شناسایی شده است. شاکر و همکاران [19] با استفاده از سوخت گاز سنتز در شرایط شعله جریان متقابل نشان دادهاند در مطالعه تأخیر در اشتعال، حضور هیدروژن در ساختار سوخت دارای اهمیت بیشتری نسبت به حضور اکسیژن در ساختار اکسیدکننده است، همچنین افزایش نسبت هیدروژن به مونوکسید کربن منجر به کاهش فاصله محوری اشتعال به میزان حدود 6 درصد شده است. مطالعه عددی صورت گرفته توسط موسوی و همکاران [20]، ساختار ناحیه واکنش مخلوط متان، آمونیاک و سوخت گاز سنتز را تحت رژیم احتراقی بدون شعله برای کسرهای مولی مختلف گاز سنتز و آمونیاک مورد بررسی قرار داده است. آنها گزارش دادند که غلظت گونه OH با کاهش کسر مولی آمونیاک، افزایش مییابد که این مسئله منجر به کاهش تأخیر در اشتعال شده است. همچنین، افزایش کسر مولی گاز سنتز با محتوای ثابت آمونیاک به افزایش دمای بیشینه در مجاور ناحیه ورودی منجر شده و انتشار گرما و سرعت شعله نیز در این شرایط افزایش یافته است. آنها اعلام کردهاند که افزودن گاز سنتز در ترکیب سوخت، تولید NO را کاهش داده است. در مطالعه دیگری، شی و همکاران [21] مکانیزم NO برای سوخت گاز سنتز تحت احتراق مایلد را در شرایط رقیقسازی با گونههای CO2، H2O و N2 از طریق شعله جریان متقابل بررسی نمودهاند. مطابق بررسیهای صورت گرفته، افزایش نسبت H2/CO سبب تقلیل در تشکیل NO شده و آنها استفاده از H2O را به عنوان یک رقیقکننده به جای CO2 و N2 برای به حداقل رساندن تشکیل NO توصیه کردهاند. برای کلیه شرایط احتراقی مایلد، سهم مکانیزمهای سریع و سوزاندن مجدد NO در انتشار کلی آلاینده NO کمتر از 1/0 درصد است و این مطلب به دلیل کمبود گونه متان در ساختار سوخت است. آنالیزهای انجامشده حاکی از آن است که مکانیزم حرارتی کمتر از 20 درصد از کل انتشار آلاینده NO را به دلیل دمای پایین واکنش به خود اختصاص میدهد. در حالی که سهم مسیر NNH در تشکیل آلاینده NO همیشه بیشتر از 55 درصد گزارش شده است. مسیر N2O-میانی در شرایط رقیقسازی با CO2 و H2O به دلیل افزایش اثرات جزء سوم CO2 و H2O از طریق واکنش N2+O(+M)→N2O(+M) افزایش مییابد، به خصوص در حالت رقیقسازی با H2O، مسیر N2O-میانی حداکثر 60 درصد از سهم تولید آلاینده NO را شامل میشود.