بررسی فنی – اقتصادی سیستم های متعارف كاهش NOX 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.

   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 روش های 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.

تشكیل اكسیدهای نیتروژن در توربین های گازی

   تشكیل اكسیدهای نیتروژن در پروسه احتراق توربین گاز، در نتیجه تجزیه مولكول های N2 و O2به اتم های نیتروژن و اكسیژن است كه واكنش بعد از این تجزیه، سبب به وجود آمدن اكسیدهای نیتروژن( N2O5, N2O4, N2O3, N2O, NO3, NO2, NO) خواهد شد كه اكسید نیتروژن و دی اكسید نیتروژن با بالاترین درصد تشكیل، سهم عمده ای در انتشار آلودگی دارند. دو مكانیزم اساسی تشكیل NOX در مشعل توربین های گازی رخ می دهد که عبارتند از:

1-     اكسیداسیون نیتروژن موجود در هوای احتراق(NOx حرارتی و سریع)

2-     تبدیلات شیمیایی باندهای نیتروژنی سوخت (NOx سوختی)

 1.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 Zeldovich 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. 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.

2.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. 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

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 را برابر ppm50)15 درصد اكسیژن) و سوخت های غیرگازی ppm76)15 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 ppm9 و سوخت های مایع به ppm42 كاهش می یابد.

معرفی اصول اولیه روش های كاهش و كنترل NOx

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

1-     جلوگیری از تولید NOx

2-     جلوگیری از انتشار NOx

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

سیستم كاهش تولید NOx 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 مكانیزمشان عبارتند از LNB)Low Nox Burner:) و DLN)Dry-Low Nox)

الف- 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.

ب- 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 سب 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.

پاشش آب یا بخار

   همانگونه كه گفته شد، در مرحله احتراق، با پایین آوردن دمای احتراق می توان تا حد زیادی از تولید تركیبات NOx جلوگیری كرد. از دیگر روش های كاربردی به پاشش آب یا بخار در محفظه احتراق به عنوان عامل كاهش درجه حرارت احتراق می توان اشاره كرد. نسبت تزریق آب به دبی جرمی سوخت گاز 33/0 تا 5/2 برای رسیدن به ppm25 تا 75 تركیبات NOx منتشره از دودكش و همچنین 46/0 تا 3/2 در مورد سوخت مایع به منظور انتشار تركیبات اكسیدهای نتیروژن در محدوده ppm42 تا 110 لحاظ می شود.

   آب مصرفی در این سیستم باید در حد استانداردهای آب خوراك بویلر باشد تا از خوردگی توربین و یا رسوب نازل های خنك كن هوا جلوگیری بعمل آید. از طرف دیگر به سوخت اضافی جهت گرم كردن آب تا محدوده مورد نظر مخلوط هوا و سوخت مورد نیاز است كه در این صورت از بازده كل كاسته می شود، درصورت استفاده از بخار نیز همین مقدار سوخت جهت تبخیر آب مورد نیاز است. بطور كلی در این سیستم آب و سوخت اضافی مصرف می شود كه در بازده كل سیستم تاثیرگذار است. علاوه بر نسبت آب یا بخار پاششی به سوخت، فاكتورهای دیگری از جمله، طراحی نازل های پاشش و میزان باندهای نیتروژنی موجود در سوخت، بر عملكرد سیستم تاثرگذار هستند. همچنین به دلیل افزایش نوسانات فشار دینامیكی در مشعل بهره برداری و نگهداری از واحد مشكل است.

   بطور معمول، آمونیاك بصورت بی آب بوده و از بخار به همراه یك گاز حامل برای ایجاد نیروی حركت لازم از نازل های پاشش و اختلاط مناسب با آمونیاك استفاده می شود. این سیستم در توربین های گازی مربوط به نیروگاه های سیكل تركیبی نصب و مورد استفاده قرار گرفته است.

   در نیروگاه های سیكل تركیبی، راكتور كاتالیستی SCR بعد از Superheater و یا قبل از Economizer قرار می گیرد. در صورتی كه طراحی سیستم به طریقی انجام شود كه راكتور SCR درجریان پایین دست HRSG و پیش از اكونومایزر قرار گیرد، محدوده درجه حرارت 350 تا OF400 خواهد شد. درتوربین های گازی ساده (Simple cycle) راكتور SCR مستقیما بعد از خروجی توربین جایی كه درجه حرارت دود بین 850 تا 1000 درجه فارنهایت است، نصب و مورد بهره برداری قرار می گیرد.

   چگونگی عملكرد سیستم SCR و در حقیقت میزان NOx حذف شده از این سیستم، تابع فاكتورهای مختلفی از جمله محدوده دمایی واكنش (تاثیر گذار بر حجم كاتالیست)، زمان اقامت موردنیاز در محدوده دمایی بهینه، میزان گوگرد موجود در سوخت (تاثیرگذار بر دمای عملیاتی دود و طول عمر كاتالیست)، درجه اختلاط آمونیاك با دود، نسبت مولی آمونیاك به NOx كنترل نشده، فعالیت، انتخاب پذیری، دی اكتیواسیون و افت فشار در كاتالیزور و مدیریت كاتالیستی كه با توجه به ارتباط پارامترهای فوق و نحوه تعویض و جایگزینی لایه ها، شرایط بهینه بهره برداری را ایجاد می كند.

   با در نظر گرفتن پارامترهای فوق، تا حد 95 درصد كاهش انتشار تركیبات NOx حاصل می شود، این سیستم قادر است خروجی NOx در حد ppm9-2 را ایجاد كند. به كارگیری تكنیك SCR، هزینه بیشتری نسبت به سیستم های دیگر طلب می كند اما از آنجا كه براساس استانداردهای جهانی پس از بكارگیری سیستم كاهش NOx بعنوان مثال LNB ، حد استاندارد برای سوخت گازی ppm9 و سوخت مایع ppm42 است، نیاز به سیستم تكمیلی مانند SCR مشخص می شود. در خصوص یك نیروگاه 160 مگاواتی دو سوخته (گاز و گازوئیل) كه میزان انتشار NOx در حالت مصرف گازوئیل در حدود ppm400 است، مطالعات فنی- اقتصادی انجام شده است.

مقایسه روش های مختلف كاهش NOx

   در میان سیستم های پیش از احتراق، مشعل های LNB,DLN راندمانی در حدود 70-50 درصد دارند كه البته متاثر از عوامل مختلف از جمله نوع سوخت مصرفی است. در مشعل های DLN نسبت هوا و سوخت در یك محدوده باریكی در حد اشتعال نگه داشته می شود و محفظه احتراق برای نسبت هوا و سوخت در بار نامی واحد طراحی می شود، از این رو در صورت تغییر شرایط بار (كاهش)، مقدار سوخت كاهش می یابد كه به منظور جلوگیری از ناپایداری احتراق و انتشار منوكسیدهای كربن، سازندگان این مشعلها سوئیچ كردن وضعیت احتراق به حالت نفوذی را پیشنهاد می كنند. این تغییر وضعیت موجب تولید NOx می شود كه باید از سیستم دیگری جهت كاهش انتشار NOx استفاده كرد. این تغییر وضعیت خصوصا در حالت 60-40 درصدی بار نامی اتفاق می افتد

   برخی از این مشعل ها تنها با سوخت گاز كار می كنند و درصورت دو سوخته بودن نیروگاه و یا استفاده از سوخت مایع، سیستم مكمل كاهش انتشار NOx مورد نیاز خواهد بود. در مقایسه با سیستم های كاهش انتشار (پس از احتراق) سیستم های كنترلی دقیقی جهت پایدار نگه داشتن شعله و وضعیت احتراق مورد نیاز است تا كل نیروگاه دچار اختلال نشود در حالی كه در سیستم های كاربردی پس از احتراق درصورت بروز مشكل در عملكرد سیستم می توان موقتا از جریان خروجی كنارگذار كه در هنگام تجهیز نیروگاه به سیستم كاهش NOx تعبیه می شود استفاده كرد. از نقطه نظر هزینه، مشعل های مذكور هزینه سرمایه گذاری در حد $/kw 60-20 و برای حذف هر تن NOx در حدود 4300-240 دلار هزینه دارند

   در مورد سیستم های پاشش آب یا بخار، همانگونه كه قبلا اشاره شد، آب مصرفی باید در حد خلوص آب تغذیه بویلر باشد تا مسایل خوردگی و رسوب دهی پیش نیاید. همچنین مقدار سوخت نیز علاوه بر مصرف عادی مشعل ها مورد نیاز است تا آب را به درجه حرارت مطلوب برساند یا بخار مورد نیاز را تامین كند كه این موارد در بالا بردن هزینه های عملیاتی سیستم نقش موثری دارند. با به كارگیری این سیستم، نوسانات فشاری در سیستم احتراق پیش می آید كه سبب كاهش طول عمر مشعل می شود. میزان تزریق آب یا بخار از عوامل بحرانی است كه در پایداری شعله، چگونگی احتراق نقش مهمی ایفا می كند. هزینه سرمایه گذاری این سیستم در حدود $/kw 50-10 است .

   سیستم كاتالیستی در میان كلیه سیستمها بالاترین راندمان در حدود 95 درصد را دارا است. البته با توجه به نوع سوخت و میزان گوگرد موجود در آن این مقدار تغییر می كند. هزینه سرمایه گذاری سیستم در حدود $kw80-50 بوده و هزینه حذف یك تن NOx 900-500 دلار است. هزینه سرمایه گذاری با بزرگتر شدن واحد كمتر می شود با مراجعه به مراجع مشاهده می شود كه برای یك واحد 570 مگاواتی هزینه $/kw 55 است در حالی كه برای یك واحد 190 مگاواتی $/kw 77 گزارش شده است. باتوجه به راندمان بالای سیستم و محدود نبودن به نوع سوخت در نیروگاه های سیكل تركیبی و بخاری این سیستم پیشنهاد می شود

نتیجه گیری

    قبل و بعد از احتراق جهت توربین های گازی و سیكل تركیبی نتایج زیر حاصل می شود:

• اكثر روش های قبل از احتراق به تنهایی جوابگوی كاهش NOx در حدود مجاز كنونی (ppm30-9) نیست و اكثرا سیستم ها تركیبی اند كه هزینه سرمایه ای را بالا می برد. این بدان علت است كه مشعل های DLN و اكثرا LNB نسبت به تغییرات بار، نسبت سوخت برگشتی (turn down ratio) پایداری احتراق، سیستم های كنترلی هوا و تغییر نوع سوخت بسیار حساس بوده و بعضا درصورت وقوع تغییرات به وضعیت احتراق نفوذی (diffusion) كه توأم با تولید NOx بالاست، شیفت می كنند. به این علت بكارگیری سیستم كاتالیستی SCR و یا تزریق آب یا بخار كه جوابگوی تغییرات است ضروری است.
• راندمان سیستم كاهش كاتالیستی بالاترین راندمان كاهش (95%) را داراست.
• میزان مصرف آب خالص (دمین) و همچنین سوخت مورد نیاز جهت سیستم های پاشش بخار آب بسیار بالا و برای مناطق كم آب جوابگو نیست. ضمن این كه در این سیستم ها طول عمر مشعل كوتاه است و هزینه های عملیاتی دو برابر سیستم SCR را داراست.هزینه سرمایه ای سیستم SCR )$/kw 80-50) و هزینه سرمایه ای سیستم LNB و premix )$/kw60-20) است ولی با توجه به پیشرفت تكنولوژی و رقابت بین سازندگان هزینه های ساخت كاتالیست روزبروز رو به كاهش است.
• با توجه به موارد فوق مستندات متعددی از مراجع مختلف استخراج شده كه تركیبی از دو سیستم جهت كاهش NOx در نظر گرفته شده است.
• به دلیل دمای پایینتر دود خروجی سیكل های تركیبی نسبت به توربین های گازی، خیزش دود آن پایینتر و نتیجتا سیستم كاهش NOx كاربردی حد مجاز پایینتری نسبت به توربین های گازی دارد.