evaluation of nox production mechanisms

دانشگاه صنعتي امیرکبیر

)پلي تکنیک تهران(

دانشکده مهندسي شیمي

نامه کارشناسي پایان

صنایع غذایيگرایش

عنوان

NOxبررسي مکانیزم های تولید

نگارش

علي سلیماني

راهنما استاد

فریبرز رشیدیدکتر

39 شهریور

Sali

Placed Image

اصالت اثرنامه تعهد : تاريخ

شوم كه مطالب مندرج در اين پايان نامه حاصل كار پژوهشی متعهد می علی سلیمانیاينجانب

اينجانب تحت نظارت و راهنمايی اساتید دانشگاه صنعتی امیركبیر بوده و به دستاوردهاي ديگران كه در

اين پژوهش از آنها استفاده شده است مطابق مقررات و روال متعارف ارجاع و در فهرست منابع و مآخذ

سطح يا باالتر ارائه نگرديده است. ه است. اين پايان نامه قبالً براي احراز هیچ مدرك همذكر گرديد

، مدرك تحصیلی صادر شده توسط دانشگاه از درجه اعتبار ساقط در صورت اثبات تخلف در هر زمان

بوده و دانشگاه حق پیگیري قانونی خواهد داشت.

هرگونه باشد.متعلق به دانشگاه صنعتی امیركبیر میكلیه نتايج و حقوق حاصل از اين پايان نامه

و ، ترجمه برداري، نسخه ، واگذاري اطالعات به ديگران يا چاپ و تكثیر استفاده از نتايج علمی و عملی

اقتباس از اين پايان نامه بدون موافقت كتبی دانشگاه صنعتی امیركبیر ممنوع است.

بالمانع است. خذمآنقل مطالب با ذكر

چكیده

أ

چکیده

اشاره می كند. برخالف خود نیتروژن 2NOو NO كسید مهم نیتروژن كه عبارتند ازبه دو ا NOxعبارت

كه تركیبی بی ضرر است اكسیدهاي آن خصوصاً دو مورد ذكر شده بسیار خطرناك اند و براي سالمتی

انسان و محیط زيست مضر می باشند. اين اكسیدها در محفظه هاي احتراق تشكیل می شوند و همراه با

هاي تركیب با مواد ديگر هم چون هیدروكربنگازهاي حاصل از احتراق وارد محیط زيست شده و طی

نسوخته و بخار آب منجر به تشكیل باران هاي اسیدي ، مه دود و ازن می شوند. همچنین تنفس اين گازها

موجب ايجاد مشكالت ريوي و تنفسی در افراد می شود. در اين تحقیق به بررسی مكانیسم هاي مختلف

اكسیژنن آالينده ها از تركیب نیتروژن موجود در هوا يا سوخت با تولید اين آالينده ها می پردازيم. اي

تشكیل می شوند. سه مكانیسم شناخته موجود در هواي احتراق طی مكانیسم هاي گوناگونی می توانند

ر هاي حرارتی و سريع بیانگ مكانیسم عبارتند از : مكانیسم حرارتی ، سريع و سوختی. NOxشده ي تولید

و نیتروژن موجود در هواي احتراق اند و مكانیسم سوختی هم به اكسیژناز طريق تركیب NOxتشكیل

از طريق نیتروژن موجود در سوخت می پردازد. مكانیسم هاي ديگري هم وجود دارند كه NOxتشكیل

هنسبت به اين سه مكانیسم كمتر شناخته شده اند و در متن اصلی تحقیق مشروحاً به توضیح آنها پرداخت

شده است.

: های کلیدیواژه

NO ،2NO، سريع NOxسوختی ، NOxحرارتی ، NOxاحتراق ،

فهرست مطالب

ب


1 ........................................................................................................................... مقدمه

NOx ............................................................................................... 2آشنایي با ترکیبات 1

3 ................................................................................................... اكسیدهاي نیتروژن 1-1

1-2 NOx 3 ...................................................................................................... چیست ؟

4 ................................................................................................. اثرات زيست محیطی 1-3

7 ........................................................................................................... مه دود 1-3-1

7 ........................................................................ تشكیل نیتريک اسید و باران اسیدي 1-3-2

8 ........................................................................................................ اثرات بهداشتی 1-4

NOx .................................................................................................... 9منابع تولید 1-5

NOx .................................................................................... 9منابع طبیعی ايجاد 1-5-1

NOx ................................................................................... 9ايجاد منابع صنعتی 1-5-2

11 ........................................................................................ در شعله ها NOxتشكیل 1-6

NOx ................................................................................... 11معادالت حاكم بر انتقال 1-7

2 NOx 11 ............................................................................................................ حرارتي

12 ............................................................................................. حرارتی NOxتشكیل 2-1

N .......................................................................... 14شبه ثابت فرض نمودن غلظت 2-1-1

14 ........................................................................... حرارتی به دما NOxحساسیت 2-1-2

16........................................................................... و شعله NOxتفكیک محاسبات 2-1-3

16........................................................................... تعیین غلظت راديكالهاي اكسیژن 2-1-4

OH ............................................................................. 17تعیین غلظت راديكالهاي 2-1-5

18 .................................................................................................... جمع بندي 2-1-6

19 .................................................................................. محفظه ي احتراق توربین گازي 2-2

19 .................................................................................. ساختار محفظه ي احتراق 2-2-1

19 ............................................................................. شبیه سازي محفظه ي احتراق 2-2-2

21 .................................................................................................. نتیجه گیري 2-2-3

9 NOx 22 ............................................................................................................. سریع


ت

23 ............................................................................................... سريع NOxتشكیل 3-1

23 ...................................................................................... سريع NOxمكانیسم ايجاد 3-2

24 ........................................................................... سريع NOxفاكتورهاي موثر بر ايجاد 3-3

25 ............................................................................................ تعیین معادله ي سرعت 3-4

26............................................................... سرعت كلی براي اغلب سوخت هاي هیدروكربنی 3-5

27 ............................................................................... مرتبه ي واكنش نسبت به اكسیژن 3-6

4 NOx 28 .......................................................................................................... سوختي

29 .................................................................................. سوختهاي حاوي پیوند نیتروژنی 4-1

31 ................................................................................................... مسیرهاي واكنش 4-2

32 .......................................................... سوختی از سوخت هاي گازي و مايع NOxتشكیل 4-3

32 ........................................... (HCN)سوختی از حد واسط هیدروژن سیانید NOxتشكیل 4-4

32 ........................................................................ در يک سوخت گازي HCNتولید 4-4-1

33 ........................................................................ در سوخت هاي مايع HCNتولید 4-4-2

HCN ................................................................................................ 33مصرف 4-4-3

34 ......................................................................... در معادله ي انتقالی HCNمنبع 4-4-4

35 ........................................................................... در رابطه ي انتقالی NOxمنبع 4-4-5

NH ................................................. 35)3(سوختی از طريق حد واسط آمونیاك NOxتولید 4-5

35 ......................................................................... در يک سوخت گازي 3NHتولید 4-5-1

36........................................................................... در يک سوخت مايع 3NHتولید 4-5-2

3NH ..................................................................................................36مصرف 4-5-3

37 ........................................................................... در معادله ي انتقالی 3NHمنبع 4-5-4

38 ........................................................................... در رابطه ي انتقالی NOxمنبع 4-5-5

38 .............................................................................. سوختی از زغال سنگ NOxتولید 4-6

38 ....................................................... سوختی از زغال سنگ NOxشماتیک اول تولید 4-6-1

39 ...................................................... سوختی از زغال سنگ NOxشماتیک دوم تولید 4-6-2

41 ..................................................................... روي سطح زغال NOxكاهش 4-6-2-1

BET ................................................................................. 41مساحت سطح 4-6-2-2

41 ................................................................... از طريق ذرات فرار HCNتولید 4-6-2-3


ث

42 ...................................................... سوختی از زغال سنگ NOxشماتیک سوم تولید 4-6-3

42 ................................................... سوختی از زغال سنگ NOxشماتیک چهارم تولید 4-6-4

43 ......................................................................... از تركیبات فرار 3NHتولید 4-6-4-1

44 ...................................... و هوا CO2O/2توسط متان در احتراق NOxمقايسه ي تشكیل 4-7

NOx ................................................................................ 45مکانیسم های دیگر تشکیل 5

46................................................................................. طی احتراق مجدد NOxتشكیل 5-1

O2N ........................................................................46از طريق حد واسط NOxتشكیل 5-2

O2N ..................................................... 47از طريق حد واسط NOxمكانیسم تشكیل 5-2-1

NNH ....................................................................... 49از طريق مكانیسم NOxتشكیل 5-3

NNH ..................................................................................... 51گرماي تشكیل 3-1- 5

NNH ............................................................................................ 51طول عمر 5-3-2

2NNH + O ............................................................................................. 51واكنش 5-4

NNH + O ............................................................................................... 52واكنش 5-5

55 ............................................................... در شعله هاي گاز طبیعی NOxمكانیسم تولید 5-6

58 ............................................................................... در شعله هاي ناآرام NOxتشكیل 5-7

59 ................................................................................................ گیریجمع بندی و نتیجه

61......................................................................................... پیشنهادات برای تحقیقات آتي

61................................................................................................................ منابع و مراجع

مقدمه

1

مقدمه

هاي گازي هستند از اين رو با رشد نیروگاههاي هاي اصلی توربیناكسیدهاي نیتروژن يكی از آالينده

ی درباره محیط هاي زيستاستانداردهاي جديد جهانی، نگرانیگازي و سیكل تركیبی در كشور و با توجه به

رو به افزايش است. از آنجا كه درجه حرارت گاز ورودي به توربین ، فاكتور اصلی تولید و انتشار اين آالينده

، تكنیک كاهش و كنترل شودبیشتري می NOx اثرگذار بر بازده سیستم است و باال بودن آن باعث تولید

.اي اتخاذ شود كه بر عملكرد توربین تـأثیر نامطلوب نداشته باشدبايد بگونهانتشار

هاي هدر الي اوزون، سبب تشكیل اوزونعالوه بر تشكیل بارانهاي اسیدي و تخريب اليه NOx انتشار

پايینی جو شده كه خود عامل اولیه و اصلی آلودگی هواي شهرها است. با توجه به اثرات مخرب انتشار

NOx هاي گاز، بر سالمت انسان و ساير موجودات و همچنین كاركرد مناسب و با راندمان باالي توربین

براي اينكه بتوان روش مورد توجه متخصصان قرار گرفته است. NOx هاي مختلف كاهشبررسی روش

از . زم هاي تشكیل آن را بشناسیم نمود بايد ابتدا مكانی اتخاذ NOxمناسبی براي جلوگیري از انتشار

پايین ، NOx هاي احتراق باتوان به استفاده از مشعلمی NOxكاهش تولید هاي مرسوم جمله روش

، احتراق مجدد (SCR) كاهش با كاتالیست انتخابی ،(FGR) پاشش آب يا بخار، بازگشت گاز دودكش

كرد. سازي احتراق و احتراق كاتالیستی اشارهبهینه سوخت ،

و 2N هايتوربین گاز، در نتیجه تجزيه مولكولدر احتراق فرآيندتشكیل اكسیدهاي نیتروژن در

2O آمدن اكسیدهاي به اتم هاي نیتروژن و اكسیژن است كه واكنش بعد از اين تجزيه ، سبب بوجود

نیتروژن و خواهد شد كه اكسید NO) 2, NO 3, NO O2N , 3O2, N 4O2, N 5O2(N ,نیتروژن

.اي در انتشار آلودگی دارندعمده ، سهم نیتروژن با باالترين درصد تشكیل اكسیددي

همواره در موتورهاي احتراق كه از هواي حاوي نیتروژن استفاده می كنند تشكیل NOxتركیبات

طی NOxمی گردد. همچنین به طور طبیعی در اثر ايجاد رعد و برق می توانند تشكیل گردند. تركیبات

ن تروپوسفري می شوند.وزو، باران اسیدي و ادود واكنش هايی منجر به تشكیل مه

هاي گازي عبارتند از :مشعل توربین در NOx مكانیزم اساسی تشكیل ود

اكسیداسیون نیتروژن موجود در هواي احتراق ( NOx حرارتی و سريع)

دهاي نیتروژنی سوختپیونتبديالت شیمیايی ( NOx سوختی)

NOxفصل اول : آشنايی با تركیبات

2

1

فصل اول

NOxآشنایي با ترکیبات


3

اکسیدهای نیتروژن 1-1

نیتروژن عبارتند از : ي شناخته شده هاي اكسید

1) O2N .موسوم به نیتروس اكسید كه گازي بی رنگ است و در آب حل می شود

2) NO .موسوم به نیتريک اكسید كه گازي بی رنگ است و به مقدار اندكی در آب حل می شود

3) 2NO موسوم به نیتروژن دي اكسید كه گازي قهوه اي و مايل به قرمز بوده و به مقدار زيادي در

آب حل می شود.

4) 2O2N .دي نیتروژن دي اكسید كه گازي بی رنگ است و به مقدار كمی در آب حل می شود

5) 3O2N .دي نیتروژن تري اكسید كه يک جامد قابل حل در آب است

6) 3O2N دي نیتروژن تترا اكسید كه گازي قهوه اي و مايل به قرمز بوده و به مقدار زيادي در آب

حل می شود.

7) 5O2N كه يک جامد سفید رنگ است و به مقدار زيادي در آب حل می دي نیتروژن پنتا اكسید

شود.

بعضی از اين اكسیدهاي نیتروژن طی واكنش با آب تولید اسید می نمايند.

1-2 NOx چیست ؟

NOx اشاره به اكسید هاي نیتروژن دارد كه شامل نیتروژن مونواكسید(NO) كه بعنوان نیتريک

است. هم چنین می تواند شامل ديگر تركیبات NO)2(اكسید نیز شناخته می شود و نیتروژن دي اكسید

5O2(N(و نیتروژن پنتااكسید N)4O2(كه كمتر متداولند مثل نیتروژن تترا اكسید اكسیژننیتروژن و

( كه گازي بی ضرر است از اتمسفر 78و تشكیل دهنده ي %بو گازي بی طعم و بیبرخالف ازت ) .نیز باشد

هستند. تعداد اكسیدهاي ازت زياد است ولی در میان آنها دو آلوده انسان خطرناك ، اكسیدهاي ازت براي

، (NO)می باشند. اكسید نیتريک NO)2( و دي اكسید نیتروژن (NO) كننده ي مهم اكسید نیتريک

حرارت .كه به هنگام احتراق و در حرارت نسبتاً باال تولید می شوداست گازي بی رنگ و تا حدي سمی

فقط در كوره احتراق به حدي باال است كه مناسب تركیب اكسیژن و ازت هوا می باشد. چنین حرارتی

مقدار زياد در سیلندرهاي به NO هاي قوي و يا احتراق در فشار باال تولید می شود. بدين جهت گاز

كه نسبتاً بی NO ري از گازتولید می گردد. مقدا اتومبیل، نیروگاههاي حرارتی و ساير اعمال تبديل انرژي

می شود كه گازي بسیار خطرناك است. NO)2( خطر است در اتمسفر تبديل به گاز دي اكسید نیتروژن


4

بجز در ، سريع و در غلظت هاي پايین ، آهسته است در غلظت هاي باال ، 2NO به NO اكسیداسیون

.داشته باشد مواردي كه هیدروكربن و نور خورشید وجود

2NO يكی از محصوالت واكنش فتوشیمیايی براحتی تشكیل می شود و بدين ترتیب آن رادر

فتوشیمیايی می نامند ، در صورتی كه منبع اصلی آن احتراق در حرارت زياد است. از دودكش كارخانجات

ه وارد می شود. دي اكسید ازت يكی از آلوده كنند به اتمسفر 2NO كود شیمیايی و تولید مواد منفجره نیز

همین علت اين گاز بطور موثري ديد ه است ، بمايل به قرمز هاي مهم می باشد. اين گاز به رنگ قهوه اي

قابل تشخیص است. خودروها ppm2-1 تند و زننده آن در غلظت را در شهرها كم می كند. بعالوه بوي

ر اكسید منتشدي در مناطق پرترافیک مثل شهرهاي بزرگ نیتروژن د.هستن 2NO منبع مهمی براي انتشار

آالينده ي زيست محیطی مهم است و بايد مورد توجه قرار گیرد. کشده در هوا بعنوان ي

O2N )كه يک گاز گلخانه اي است جزو تركیبات موسوم به )اكسید نیتروسxON نمی باشد. اين

كه آالينده به شمار می آيند در موارد زيادي كاربرد دارد. از اين تركیب می NOxگاز برخالف تركیبات

توان بعنوان افزودنی براي مواد غذايی ، داروي بیهوشی و يک تركیب اكسید كننده استفاده كرد.

EPA تركیباتNOx : را بصورت زير تعريف كرده است

"تمام اكسیدهاي نیتروژن به جز اكسید نیتروس "

موجود در دودكش خروجی به NOxر فرآيندهاي گرمايش در دماهاي باال مقدار زيادي از در اكث

است. (NO)شكل نیتريک اكسید

اثرات زیست محیطي 1-9

می شود كه اين اوزونبا تركیبات فرار آلی در حضور نور خورشید منجر به تشكیل NOxواكنش

ن عوارض سوئی همچون آسیب به بافت هاي ريوي و كاهش عملكرد آنها خواهد داشت و اين امر در وزوا

مورد افراد حساس همچون افراد خردسال ، افراد مسن و همچنین افراد مبتال به آسم تأثیر شديدتري

خواهد داشت.

رانرژي خورشید كه در اتمسفر بااليی است از زمین در مقابل اشعه هاي فرابنفش پ O)3(اوزون

با اكسیژن واكنش داده NOمحافظت می كند اما وجود آن در اتمسفر پايینی نامطلوب است. در اينجا

ی شود :م 2NOمنجر به تولید اوزون و

2 2 3NO + HC + O + sunlight NO + O


5

اوزون يک تركیب مضر براي سالمتی است كه می تواند موجب ايجاد مشكالت تنفسی در انسان

ماده باعث سوزش چشم ، بینی و گلو می شود. اوزون باعث آسیب ديدن محصوالت زراعی و از شود. اين

بین رفتن منسوجات و مواد ديگر می شود.

NOx استراتوسفري تشعشعات فرابنفش اوزوناستراتوسفري می شود. اوزونموجب تخريب

تولید شده از طريق NOxخورشیدي را كه براي حیات در روي كره زمین زيان آور است ، جذب می كند.

گاز خنده آور( - O2Nاحتراق به استراتوسفر نمی رسد اما در نتیجه ي تجزيه شیمیايی نیتروس اكسید )

بر اثر نیروي تابشی ايجاد می شود.

NOx رايج به راحتی واكنش می دهد و انواع زيادي از تركیبات مواد شیمیايی آلی همچنین با

سمی را تولید می كند. از جمله ي اين تركیبات می توان به نیتروسامین و راديكالهاي نیترات اشاره كرد

NOxاز طريق اوزونكه بعضی ممكن است موجب جهش هاي بیولوژيكی شوند. اخیراً يک راه تشكیل

( از Cl2NOشده است كه عمدتاً در مناطق ساحلی رخ می دهد و هنگام ايجاد نیتريل كلريد )شناخته

با مه نمک ايجاد می شود. NOxطريق تماس

، همچنین با بخار آب تركیب آنها كم می كند روي گیاهان اثر گذاشته و از میزان رشد 2NO گاز

.است كه خورنده فلزاتد شومی تولید اسید نیتريک و باعث شده

5O2→ N3 + O 2NO

5O2→ N3 + NO 2NO

3O → HNO2+ H 5O2N

آئروسل به دارد. دي اكسید نیتروژن در تشكیل باران ها و آئروسل هاي اسیدي نیز نقش به سزائی

عبارت ديگر ، در هوا معلق می مانند . به یاطالق می شود كه حاوي ذراتی است كه مدت زمان يجو

. از يک آئروسل است اي . مه نمونهكه فاز پیوسته آن گاز باشدي است دیآئروسل سیستم كلوئ

آن با اسید نیتريک حاصل توسط باران به شكل باران اسیدي به زمین برمی گردد و بخشی از

می نمايد. 3NO4NHآمونیاك يا ديگر تركیبات قلیايی تولید نمک هايی نظیر

3NO4→ NH 3+ HNO 3NH

پتانسیل در رقابت گسترده اي در محیط زيست شامل تغییراتاكسیدهاي نیتروژن باعث تغییرات

، اسیدي كردن قدرت ديد بین گونه هاي گیاهی در سرزمین هاي مرطوب و سیستم هاي خشكی، كاهش

در 2NO وجود ديگر آبزيان می باشد. منابع آبی و نیز افزايش سطح مواد سمی خطرناك براي ماهی ها و


6

كاهش اكسیژن در بستر رودخانه ها و مرگ ، رشد ناگهانی جلبلک ها ومحیط باعث اسیدي شدن آب تازه

.آبزيان می گردد

اكسیژن و نیتروژن در دماي محیط با هم واكنش نمی دهند ، اما در دماهاي زياد طی واكنشی

گرماگیر منجر به تشكیل اكسیدهاي گوناگونی از نیتروژن می گردند. اين دما در موتورهاي احتراق داخلی

بويلرهاي موجود در نیروگاه ها وقتی يک سوخت با هوا منجر به احتراق می شود ، همچنین در اثر ايجاد و

رعد و برق حاصل می شود.

در طی روز غلظت اين می باشد. 2NOو NOمجموع غلظت هاي NOxمنظور از 1در شیمی جو

شید ) كه منجر به تبديل به شدت تابش نور خور NO NO /2دو با هم در تعادل خواهد بود و نسبت

2NO بهNO كه با اوزونمی شود( و غلظت (NO 2واكنش داده و منجر به تشكیل دوباره يNO می

شود( بستگی دارد.

با آن واكنش داده و به دي اكسید (NO)اكسید نیتريک ، در صورت حضور مقدار اضافی اكسیژن

موجود در هوا بستگی NOتبديل خواهد شد. زمان الزم براي اين تبديل به غلظت ) 2NO (نیتروژن

دارد كه مطابق جدول زير متغییر خواهد بود.

1 atmospheric chemistry

NO concentration in air (ppm)

Time required for half NO to be

oxidized to NO2 (min)

20000 0.175

10000 0.35

1000 3.5

100 35

10 350

1 3500


7

مه دود 1-9-1

در حضور نور خورشید واكنش دهند ، مه دود فوتوشیمیايی NOxقتی كه تركیبات آلی فرار با و

تشكیل می شود كه آلودگی مهمی مخصوصاً در فصل تابستان به شمار می آيد. در اين شرايط بچه ها ،

افراد مبتال به بیماري هاي ريوي مثل آسم و افرادي كه در محیط هاي باز كار می كنند ممكن است كه

مه دود تركیبی از دود و مه است كه ريوي و اختالل در عملكرد ريه شوند. دچار آسیب ديدگی بافت هاي

ينده ها زياد باشد تشكیل می شود.در مواقعی كه غلظت آال

مه دود باعث كاهش میدان ديد در اتمسفر می شود. وقتی كه نور خورشید در تماس با مخلوط

2NO .و هیدروكربنهاي نسوخته ي موجود در اتمسفر قرار گیرد ، مه دود فوتوشیمیايی تولید می شود

شکیل نیتریک اسید و باران اسیدیت 1-9-2

در تماس با آب موجب تشكیل اسید 2NOاز اتمسفر موثر است. با اين حال 2NOباران در حذف

NOxگونه ي غالب NO می شود كه شديداً خورنده اند. HNO)3(و اسید نیتريک HNO)2(نیتروس

در NO تولیدي در فرآيندهاي احتراق صنعتی است.

می شود. 2NOواكنش داده و موجب تولید 2Oاتمسفر با

نیتريک در اتمسفر و تماس با آب باران 2NOبا تشكیل

اسید تشكیل می شود. باران اسیدي با هر چیز كه تماس

: گیاهان ، درختان تخريب می كند ، مانندپیدا كند آن را

و بناهاي ساخته شده توسط انسان مثل ساختمانها ،

برجها و ... .


8

واكنش دي اكسید نیتروژن با آب به صورت زير رخ می دهد :

3+ HNO 2O → HNO2+ H 22 NO

سپس اسید نیتروس به صورت زير تجزيه می شود :

O2+ 2 NO + H 3→ HNO 23 HNO

نیتريک اكسید نیز اكسید شده و نیتروژن دي اكسید را تشكیل می دهد ، كه اين تركیب با آب نهايتاً منجر

به تشكیل باران اسیدي می شود :

3O → 4 HNO2+ 2 H 24 NO + 3 O

اسید نیتريک تشكیل شده سرانجام وارد خاك می شود ، كه در آنجا تولید نیترات می كند كه براي رشد

ید است.گیاهان مف

اثرات بهداشتي 1-4

NOx در تركیب با آمونیاك ، رطوبت و تركیبات ديگر منجر به تشكیل بخار اسید نیتريک و ذرات

ديگر می گردد. ذرات ريز می توانند با نفوذ به اعماق بافت هاي حساس ريوي موجب آسیب ديدگی آنها

بیماري شوند كه در موارد حاد منجر به مرگ نارس خواهد شد. استنشاق اين ذرات موجب ايجاد يا تشديد

ها( در ريه)حبابچه هوايی هايكیسه آن طی كه ريوي مزمن بیماري هاي تنفسی همچون آمفیزم )يک

گامهن را به هوايی هايكیسه كه هايیرشته ارتجاعی ، خاصیت شوند و در نتیجهگشاد می از اندازه بیش

ه ، مجراهاي هوا ك هاي برونشونشیت )التهاب پوشش لوله( و بررودمی كنند از بینمی و بسته باز تنفس

( می شود و امكان تشديد بیماري هاي قلبی نیز وجود دارد.كنندها متصل میناي را به ريه

NO براي انسان يک ماده ي سمی است و می تواند باعث سوزش چشم و گلو ، تنگی سینه ، حالت

می تواند باعث ايجاد NOشود. تماس طوالنی مدت با دنیقواي بتهوع ، سردرد و از دست دادن تدريجی

ییر نجر به تغكه م در گردش مقدار هموگلوبین خونِ كم شدن) سرفه هاي شديد ، سختی تنفس ، سیانوز

و مرگ فرد شود. (گرددمىبه رنگ آبی هاى مخاطى غشاپوست و رنگ

2NO يک گاز قهوه اي مايل به قرمز و شديداً واكنش پذير است كه بوي خفه كننده اي دارد و يک

عامل اكسید كننده ي قوي است. اين ماده به دلیل توانايی ايجاد التهاب هاي شیمیايی و ورم ريه خیلی

تغییر در باعث با غلظت متعارف 2NO ساعت ( با 3كوتاه مدت ) كمتر از تماسسمی و خطرناك است.

عملكرد شش ها در شهروندان داراي سابقه بیماري هاي تنفسی می گردد و بیماري و مجاري تنفسی


9

قرار 2NO سال را افزايش می دهد. اگر انسان به مدت طوالنی در معرض گاز 12تا 5تنفسی كودكان هاي

شده نشان داده است كه ، روي ريه اثر سوء خواهد گذاشت. مطالعات انجام گیرد، حتی در غلظت هاي كم

.شود مواجهه با اين گاز باعث كم شدن قدرت تنفس در انسان می

NOxمنابع تولید 1-5

NOxمنابع طبیعي ایجاد 1-5-1

ن ايجاد شده و در اثر شكست ايجاد رعد و برق بدلیل گرماي بسیار زياد برقِنیتريک اكسید در اثر

مولكول هاي نیتروژن تشكیل می شود. در صورتی كه نیتروس اكسید با آب باران تركیب شود می تواند

منجر به ايجاد باران هاي اسیدي شود.

NOxایجاد منابع صنعتي 1-5-2

طی فرآيندهاي احتراق عبارتند از : NOxسه منبع اصلی ايجاد

NOx حرارتی

NOx سوختی

NOx سريع

تولیدي در كانادا كه سهم منابع مختلف را نشان می دهد مشاهده می NOxدر شكل زير گزارشی از

كنید.

كیلوتن در سال 2464= 1995سال در كانادا NOxتولید كلی 1-3شكل


10

در شعله ها NOxتشکیل 1-6

به چهار فرآيند شیمیايی NOxدر شعله هاي آرام و در سطح مولكولی شعله هاي ناآرام تشكیل

سوختی و NOxسريع ، تشكیل NOxحرارتی ، تشكیل NOxمجزا نسبت داده می شود : تشكیل

اتمسفري موجود در هواي احتراق تشكیل می شود.حرارتی با اكسیداسیون نیتروژن NOxاحتراق مجدد.

NOx و شهاي سرعت باال ، در جبهه ي شعلهريع توسط واكنسNOx سوختی از اكسید شدن نیتروژن

كلی تشكیل شده را محدود به واكنش NOx ، موجود در سوخت بوجود می آيد. مكانیسم احتراق مجدد

NO .با هیدروكربن ها می نمايد

NOxمعادالت حاکم بر انتقال 1-7

معادله ي زير را استفاده می كنیم : NOxبراي مكانیسم هاي حرارتی و سريع تشكیل

( ) .( ) .( )NO NO NO NOY VY D Y St

وژن تولید می شوند بايد چون ذرات حد واسط حاوي نیتر NOxدر مورد مكانیسم سوختی تشكیل

معادله ي باال معادالت زير را نیز حل نمود : عالوه بر

( ) .( ) .( )HCN HCN HCN HCNY VY D Y St

3 3 3 3( ) .( ) .( )NH NH NH NHY VY D Y S

t

هر (S)ها بیانگر جزء جرمی اجزاء مربوطه در فاز گازي هستند و ترم هاي منبع Yدر عبارات باال ،

ه به نوع مكانیسم تعیین می گردندجزء بعداً با توج

حرارتی NOxفصل دوم :

11

2

دومفصل

NOx حرارتي


12

حرارتي NOxتشکیل 2-1

و به حرارتی به وسیله ي مجموعه اي از واكنش ها كه شديداً وابسته به دما هستند NOxتشكیل

كسی بود كه به اولین Zeldovich شناخته می شوند تعیین می گردد. Zeldovich عنوان مكانیسم

حرارتی از مولكولهاي نیتروژن به شرح NOxواكنش هاي اصلی تشكیل .پی برد هاواكنش ايناهمیت

زير است:

(1) 75.1 /H kcal mol 1

12N O NO N

k

k

شود.نیتروژن تولیدي در طی اين واكنش می تواند در واكنشهاي بعدي مصرف

(2) 32.1 /H kcal mol 2

22N O NO O

k

k

تولیدي نیست : NOدر موارد زير قادر به پیش بینی صحیح مقدار Zeldovichمكانیسم

هواي مرطوب

احتراق در دماي پايین و زمان ماند زياد

هوا –شعله هاي استوكیومتري و غنی از سوخت هیدروژن

هیدروكربنی با زمان ماند كم يا غنی از سوختشعله هاي

نشان داده شده است كه واكنش به مكانیسم پیشرفته تري نیاز داريم. NOلذا براي پیش بینی تولید

سومی هم درگیر است و اين واكنش در شرايطی كه نسبت ها نزديک به استوكیومتري باشند و در مخلوط

هاي غنی از سوخت حائز اهمیت است :

(3) 1 48.7 /H kcal mol 3

3

N OH NO Hk

k

معادله ي سوم كه می باشند ، رخ می دهد. Hاين واكنش در سیستم هاي مرطوب كه حاوي ذرات

).بیانگر واكنش اتم نیتروژن با راديكال هیدروكسیل )OH است توسطLavoie ،Heywood و Keck

مجموع تبديل كرد. ، دارد NOxبه مكانیسم افزوده شد و آنرا به مكانیسمی كه سهم قابل توجهی در ايجاد

.معروف است Zeldovichمكانیسم توسعه يافته ي به اين سه واكنش

شرایط واکنش ها :

.واكنش اول محدودكننده است


13

در دماهاي باال( 1800 )T K رخ می دهند. یاز لحاظ سوخت رقیقو شرايط

.عمدتاً زمان ماند زيادي نیاز است

اگر غلظتO و OH بیشتر از مقدار تعادلی باشد ، سرعت تولیدNO .افزايش می يابد

با افزايش درجه حرارت و زمان اقامت ، تولید NOx به ترتیب به شكل توانی و خطی افزايش پیدا

.كندمی

.Baulch et alثابت سرعت اين واكنش ها در مطالعات تجربی متعدد اندازه گیري شده و توسط

Hanson & Salimianمورد ارزيابی قرار گرفته است. بر اساس ارزيابی Salimian و Hanson و

ثوابت سرعت به صورت زير می باشند :

1k ، 2k 3وk 1به ترتیب ثابت سرعت براي واكنش هاي رفت و-k 2و-k 3و-k به ترتیب ثابت هاي سرعت

تغییر ثوابت سرعت با دما است. نشان دهنده ي نحوه يشكل زير براي واكنش هاي برگشت می باشند.

3( / . )Value m gmol s nk 8 38370/1.8 10 Te 1k

7 425/3.8 10 Te 1k 4 4680/1.8 10 TTe 2k 3 20820/3.8 10 TTe 2k

7 450/7.1 10 Te 3k 8 24560/1.7 10 Te 3k


14

كمتر از بقیه است و لذا واكنش اول محدود كننده ي سرعت است. 1kبا توجه به نمودار در كلیه ي دماها

خیلی بیشتر از بقیه تابع دماست و تغییرات آن با دما شديدتر 1kهمچنین از نمودار نتیجه می گیريم كه

از بقیه است.

( توسط رابطه ي زير محاسبه می شود :3) ( و2) ( و1از طريق واكنش هاي ) NOنرخ خالص تشكیل

1 2 2 2 3 1 2 3

[ ][ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ]

d NOk O N K N O K N OH K NO N K NO O K NO H

dt

3gmolتها ظدر رابطه ي باال واحد تمام غل / m .است

نیاز داريم. OHو O ،Hبه غلظت Nو NOبراي محاسبه ي سرعت تشكیل

Nغلظت ودنفرض نم شبه ثابت 2-1-1

( قابل مالحظه است چون K 1800فقط در دماهاي باال )بیشتر از حرارتی NOxسرعت تشكیل

( نیاز داريم. KJ/gmol 941براي شكستن پیوند سه گانه موجود در مولكول نیتروژن به انرژي زيادي )

توسعه ( كه مرحله ي كنترل كننده ي سرعت در مكانیسم 1اين مطلب در انرژي فعالسازي زياد واكنش )

است قابل مشاهده است. با اين حال انرژي اكسیداسیون اتم هاي نیتروژن كم است. Zeldovichيافته ي

در صورت وجود اكسیژن به مقدار كافی مثل يک شعله ي غنی از هوا ، سرعت مصرف نیتروژن آزاد با

وارد اين فرض در تمام مسرعت تشكیل آن برابر خواهد بود و لذا يک حالت شبه پايدار قابل دسترسی است.

بصورت زير NOمگر مواردي كه شديداً غنی از سوخت باشند فرض صحیحی است ، لذا سرعت تشكیل

در می آيد :

2

1 2

1 2 2 21 2

1

2 2 3

[ ](1 )

[ ] [ ] [ ]2 [ ][ ]

[ ](1 )

[ ] [ ]

K K NO

d NO K N K Ok O N

K NOdt

K O K OH

3/gmol m s )5(

حرارتي به دما NOxحساسیت 2-1-2

افزايش می NO( واضح است كه با افزايش غلظت اكسیژن سرعت تشكیل 5با توجه به معادله ي )

حرارتی بايد تابعی شديد از دما ، اما مستقل از نوع NOيابد. همچنین مشخص می شود كه تشكیل

واكنش محدودكننده است و ( كه1سرعت واكنش شماره ي ) خت باشد. در حقیقت با توجه به ثابتسو


15

حرارتی به ازاي هر NOxسرعت تشكیل K 2200در دماهاي باالي بیانگر آن است ، 1kثابت سرعت

دو برابر می شود. K 90افزايش دما به مقدار

NOx در دماهاي زير مت در محفظه ي احتراق وابسته است و حرارتی هم به دما و هم به زمان اقا

C 751(1400F) در دماهاي باالي آن ناچیز است ولی قدار مC 1411 (2600F) مقدارNOx

حاصل از احتراق تولیدي NOxبخش عمده ي اين مكانیسم حرارتی تولیدي بسیار قابل مالحظه است.

گازها و نفت هاي سبک را تشكیل می دهد.

حرارتی تولیدي با دماي واكنش و دماي محفظه ي NOxنمودارهاي زير بیانگر تغییرات سرعت

ی باشند.احتراق م

با تغییر دماي واكنش NOتغییرات سرعت تولید 2-2شكل


16

و شعله NOxمحاسبات تفکیک 2-1-9

نیاز است ، عالوه بر اين بايد غلظت گونه OHو راديكالهاي آزاد O( غلظت اتمهاي 5براي حل معادله ي )

حرارتی NOxمكانیسم تشكیل Zeldovichرا نیز داشته باشیم. به پیشنهاد 2Nو 2Oهاي پايدار يعنی

از جدا می تواند OHهاي هاي اكسیژن و راديكال با فرض مقادير تعادلی از دما ، گونه هاي پايدار ، اتم

مخصوصاً اتمهاي هاراديكال بق مشاهدات صورت گرفته ، غلظتشود ، اما طبررسی فرآيند اصلی احتراق

NOx. تأثیر تعادل جزئی اتمهاي اكسیژن بر سرعت تشكیل استبسیار بیشتر از سطح تعادلی سیژناك

طی احتراق آرام متان و هوا بررسی گرديده است و نتايج حاصل نشان می دهد كه با فرض تعادل اتمهاي

ینی شده نتايج حاصل با نتايج پیش ب NOxاكسیژن در محدوده ي شعله در تعیین مقدار سطح انتشار

درصد اختالف خواهد داشت. 28

تعیین غلظت رادیکالهای اکسیژن 2-1-4

،است مطالعات دقیق خیلی كم انجام شده صنعتی درمورد غلظت راديكالها در در شعله هاي ناآرام

کدر حال حاضر ي اما كارهاي انجام شده نشان دهنده ي وجود اين پديده در شعله هاي ناآرام می باشد.

آرام وجود در شعله هاي نا NOxنتیجه گیري مشخص در مورد تأثیر تعادل جزئی بر سرعت تشكیل

.ردندا

Peters و Donnerhackدرصد 25ي تعادل جزئی كمتر از ها بر اين باورند كه تأثیر راديكال

دينامیک جريان NOxحرارتی است و عامل اصلی تأثیر گذرا بر سرعت تشكیل NOxافزايش در ايجاد

می گويد در شعله هاي ناآرام تأثیر افزايش بیش از حد اتمهاي اكسیژن بر سرعت .Bilger et al است.

بسیار قابل مالحظه است. NOxتشكیل

با يک مكانیسم دقیق Zeldovichيک روش براي حل اين مسئله تركیب مكانیسم توسعه يافته ي

احتراق است كه شامل تعداد زيادي واكنش ، گونه هاي مختلف و مراحل متعدد است. اين روش قبالً به

منظور اهداف مطالعاتی بررسی شده است ، اگرچه به دلیل زمان زياد الزم براي محاسبات كامپیوتري اين

اي ناآرام با مشكل مواجه گرديد.روش از لحاظ اقتصادي پذيرفته نشد و تعمیم آن به جريان ه

براي تعیین غلظت راديكالهاي اكسیژن از سه روش می توان استفاده كرد : روش تعادلی ، روش

غلظت كه به شرح هريک می پردازيم. تخمینتعادل جزئی و روش


17

روش تعادلي (1

حرارتی بسیار كمتر از سرعت اكسیداسیون هیدروكربنهاست و لذا بخش NOxسرعت تشكیل

حرارتی پس از تكمیل فرآيند احتراق تشكیل می شود. بنابراين اغلب موارد می توان فرآيند NOxعمده ي

نیسم واكنش هاي احتراق در نظر گرفت و با فرض تعادل واكنش هاي كاحرارتی را جدا از م NOxتشكیل

حرارتی NOxرا محاسبه نمود. توسط اين روش محاسبه ي سرعت تشكیل NOxتشكیل احتراق سرعت

غلظت تعادلی اتم اكسیژن از عبارت زير محاسبه می شود : آن گاهتا حد زيادي ساده خواهد شد.

(6 ) 1

22[ ] [ ]PO K O

خواهیم داشت : PKبا جايگذاري

1 1 31090

5 2 22[ ] 3.97 10 [ ] TO T O e

3/gmol m )7(

برحسب كلوين است. Tكه

روش تعادل جزئي (2

می باشد روش اول را می توان بهبود بخشید. 2Oبا فرض واكنش زير كه بیانگر تفكیک و بازتركیب

(8) 2O M O O M

آنگاه معادله ي غلظت اكسیژن به صورت زير در می آيد :

(9 ) 3/gmol m 1 1 27123

2 22[ ] 36.64 [ ] TO T O e

كه در اين روش غلظت جزئی اتمهاي اكسیژن افزايش می يابد.

غلظت تخمینروش (9

غلظت اكسیژن توسط يک مدل پیشرفته شیمی. تخمیناين روش عبارت است از

OHتعیین غلظت رادیکالهای 2-1-5

از OHاز سه روش می توان بهره گرفت : حذف غلظت OHبراي محاسبه ي غلظت راديكالهاي

OHحرارتی ، روش تعادل جزئی و روش استفاده از پیش بینی غلظت NOxروش محاسبه ي


18

OHروش حذف (1

قابل صرف Zeldovichدر اين روش فرض می شود كه معادله ي سوم مكانیسم توسعه يافته ي

اين مطلب با در نظر گرفتن اينكه : نظر كردن باشد.

2 2 3[ ] [ ]eq eqK O K OH

و در اغلب موارد می شوددر نظر گرفته با سوخت رقیقباشد انجام می شود و براي موارد احتراق

فرض معقولی است.

روش تعادل جزئي (2

توسط رابطه ي Zeldovichدر معادله ي سوم مكانیسم توسعه يافته ي OHدر اين روش غلظت

زير بیان می شود :

(11) 3/gmol m 2 0.57 4595/ 1/2 1/2

2[ ] 2.129 10 [ ] [ ]TOH T e O H O

غلظتتخمین روش (9

توسط يک مدل پیشرفته شیمی. OHغلظت تخمیناين روش عبارت است از

جمع بندی 2-1-6

( تعیین می شود. براي محاسبه ي غلظت اتمهاي 5حرارتی توسط معادله ي ) NOxسرعت تشكیل

( ، براي حالت 7( براي حالتی كه فرض تعادلی برقرار باشد از معادله ي )5اكسیژن مورد نیاز در معادله ي )

از جزء جرمی محلی اتمهاي اكسیژن استفاده می كنیم. هنگام حل ( و يا 9تعادل جزئی از معادله ي )

بر NOSبراي محاسبه ي 7-1انتقالی بخش مسئله می توان روش مناسب را انتخاب نمود. در معادله ي

حرارتی از عبارت زير استفاده می كنیم : NOxاساس مكانیسم تشكیل

, ,

[ ]thermal NO w NO

d NOS M

dt

كه ,w NOM بیانگر وزن مولكولیNO 30.01و برابر است g/mole و مقدار می باشد[ ]d NO

dt

( محاسبه می شود.5از معادله ي )


19

محفظه ی احتراق توربین گازی 2-2

عمل احتراق سوخت درون محفظه ي احتراق انجام می شود. حجم زيادي از در توربین هاي گازي

د ، اين سوخت با مقدار اضافی هوا كه از طريق نازلهاي پخش كننده وارد آن می شوسوخت از طريق

كمپرسورها تامین می شود تركیب شده و می سوزد. عمل احتراق و آزاد سازي انرژي بايد به صورتی باشد

ده و سرعت آن افزايش يابد به طوري كه يک جريان گازي گرم و يكنواخت مناسب كه هوا منبسط ش

سازي انرژي حرارتی صورت گیرد. توريبن تولید شود. اين فرآيند بايد با حداقل افت فشار و حداكثر آزاد

است كه براي ورود به توربین C2111تا C1811دماي گازهاي آزاد شده از فرآيند احتراق حدود

درصد از 61دمايش خیلی بیشتر از حد مجاز است. مقداري از هوا كه براي احتراق مصرف نشده ) حدود

می شود. حدود يک سوم اين جريان صرف كاهش دماي محفظه ي احتراقكل جريان هوا ( به تدريج وارد

می محفظه ي احتراقخنک كردن ديواره هاي گازهاي ورودي به توربین می شود و بقیه ي آن صرف

شود.

ساختار محفظه ی احتراق 2-2-1

ANSYSمدل سه بعدي شبیه سازي شده در و مدل دو بعدي همراه با جريانهاي ورودي و خروجی

ل زير مشاهده می شود.اشكادر

شبیه سازی محفظه ی احتراق 2-2-2

تخصصی بدون نیاز به ساخت مدلهاي واقعی می توانیم فرآيندهاي امروزه با استفاده از نرم افزارهاي

پیچیده ي مكانیكی ، شیمیايی ، هیدرودينامیكی و گرمايی را شبیه سازي كنیم. مزيتی كه اين نرم افزارها

دارند اين است كه در هر نقطه از مدل كامپیوتري می توانیم پارامترهاي مورد نظر را اندازه گیري كنیم.


20

را NOxبا شبیه سازي فرآيند احتراق درون محفظه ي يک توربین گازي می توان مناطق تشكیل

نشان داد. اشكال زير نتايج اين شبیه سازي را نشان می دهند.

اكسیژنغلظت 7-2شكل تغییرات دما 6-2شكل

––––––

NOغلظت 9-2شكل 2Nغلظت 8-2شكل


21

نتیجه گیری 2-2-9

با بررسی نتايج گرافیكی بدست آمده از برنامه ، مشاهده می كنیم كه مناطقی كه دماي آنها بیشتر

NOxمی باشند كه در نتیجه ي مكانیسم حرارتی تشكیل NOاست ، داراي بیشترين غلظت K2111از

سال اخیر چندين تكنولوژي براي كاهش 21می باشد بوجود آمده اند. در NOxكه منبع اصلی انتشار

ايجاد شده و توسعه يافته است. بعضی از اين تكنولوژي ها حرارتی NOxدما و در نتیجه كاهش انتشار

عبارتند از :

پاشش آب

پاشش بخار

... و

سريع NOxفصل سوم :

22

9

فصل سوم

NOx سریع


23

سریع NOxتشکیل 9-1

شناخته Fenimoreبشود براي اولین بار توسط NOxوجود مكانیسم دومی كه منجر به ايجاد

سريع نام گذاري شد. شواهد خوبی وجود دارد كه نشان دهنده ي تشكیل قابل NOxشد و به عنوان

سريع در بعضی شرايط است ، شرايطی همچون دماهاي پايین ، موارد غنی از سوخت و NOxمالحظه ي

و ، سیستم هاي احتراق نوبتی اين شرايط در مشعل هاي سطحی مواردي كه زمان اقامت كوتاه باشد .

حاصل از NOxسريع نسبت به كل NOxتوربین هاي گازي می توانند ايجاد شوند. در حال حاضر سهم

تشكیل كاهشاعمال شده جهت روش هاي حال به دلیلي احتراق ثابت اندك است. با اين محفظه ها

NOx انتظار داريم كه شاهد مثل اصالح هندسه ي كوره ها يا نوع طراحی محفظه هاي احتراق( )حرارتی

سريع باشیم. NOxافزايش میزان تولید

Fenimoreشوند. NOدر اثر احتراق هیدروكربن ها ذرات كربن نیز می توانند موجب تشكیل

سريعاً در NOحرارتی فراهم شود ، مقداري NOxمشاهده كرد كه قبل از اينكه زمان الزم براي تشكیل

ي مولكولهابا 3CHو CH ،2CHمثل XCHناحیه ي شعله تشكیل می شود. در حالت كلی راديكالهاي

از طريق NO) هیدروژن سیانید( می شوند. در اين مكانیسم HCNنیتروژن واكنش داده و منجر به تولید

شود.می می تواند تولید HCNاز جمله گوناگونی حد واسط ذرات

NOx سريع در اثر واكنش نیتروژن موجود در هواي احتراق با راديكالهاي هیدروكربن سوخت

می دهند تشكیل می شود. HCNاحتراق و يا در مواقعی كه برخی نیتروژن هاي پیوندي سوخت تشكیل

اين فرآيند به جز مواقعی كه احتراق در شرايط غنی از سوخت انجام می شود وابستگی چندانی به دما

رد.ندا

NOx 100سريع از صفر تا حدود ppm در محصوالت حاصل از احتراق می تواند وجود داشته

باشد.

سریع NOxمکانیسم ایجاد 9-2

NOx سريع بیشتر در شعله هاي غنی مشاهده می شود. فرآيند واقعی ايجاد آن شامل مجموعه اي

مسیر پذيرفته شده براي آن در از واكنش هاي پیچیده و گونه هاي متعددي از ذرات حد واسط می باشد.

حال حاضر به صورت زير است :

(1) 2 CH + N HCN + N


24

(2 ) 2N + O NO + O

(3) 2HCN + OH CN + H O

(4 ) 2CN + O NO + CO

، C ،CHمثل : سريع در شعله هاي هیدروكربنی NOxگونه هاي متعددي به عنوان عامل ايجاد

2CH وH2C ، اما مقدار عمده ي آن توسط پیشنهاد شده اندCH ( و 1واكنش )2CH (5 واكنش )

ايجاد می شود.

(5 ) 2 2 CH N HCN NH

محصول اين واكنش ها می تواند منجر به ايجاد آمینها و تركیبات سیانو شود كه متعاقباً طی

خواهند شد. NOواكنشهايی ديگر مشابه واكنش زير منجر به تشكیل

(6 )2 ...HCN N N

درگیر باشند ، حالت NOدر سوخت ها و مخلوط هاي غنی واكنشهاي زيادي می توانند در تولید

كلی مكانیسم سريع را در شكل زير مشاهده می كنید :

سریع NOxفاکتورهای موثر بر ایجاد 9-9

سريع متناسب است با تعداد اتمهاي كربن موجود در واحد حجم و مستقل از ماهیت NOxتشكیل

تشكیل شده با افزايش غلظت راديكالهاي هیدروكربن كه متأثر از افزايش HCNمنبع كربن است. مقدار


25

سريع ابتدا افزايش NOx، افزايش می يابد. با افزايش نسبت اكی واالن تولید نسبت اكی واالن می باشد

كاهش می يابد.رسد و سپس به دلیل كمبود اكسیژن می يابد تا به يک مقدار ماكزيمم می

تعیین معادله ی سرعت 9-4

كه میزان تولید ه استاصلی ترين واكنش است. در بررسی هاي اخیر مشاهده گرديد (1) واكنش

NOx با میزان غلظتCH رابطه ي نزديكی دارد و مقدار اعظمNOx سريع ايجاد شده در شعله توسط

سريع NOxكنترل كننده ي تولید (1ي )اشد. با فرض اينكه واكنش شماره می ب CHواكنش مربوط به

باشد :

(7 )2

[ ][ ][ ]o

d NOk CH N

dt

براي پیش بینی تشكیل 5تا 1اما براي واكنش فوق اطالعات الزم را نداريم. با توجه به واكنشهاي

NOx .سريع بايد واكنشهاي مربوطه را همراه با يک مكانیسم واقعی احتراق هیدروكربن بررسی كنیم

مكانیسم سوختن هیدروكربنها شامل مراحل متعددي است و بسیار پیچیده و محاسبه ي آن بسیار هزينه

بر است.

تعیین گرديد. او مقادير De Soeteسط آقاي براي حل اين موضوع يک پارامتر سینتیكی جهانی تو

با انتگرال گیري عددي از سرعت كلی كلی كه به طريق تجربی تعیین شده بود را NOxسرعت تشكیل

سريع را با رابطه ي زير NOxمقايسه كرد. اون نشان داد كه سرعت كلی تشكیل NOxو 2N تشكیل

می توان پیش بینی كرد :

[ ]d NO

dt (Overall prompt NOx formation rate)-(Overall prompt N2 formation rate)

سريع در شرايط غنی از سوخت ايجاد می شود ، غلظت NOxدر مراحل اولیه ي ايجاد شعله ، كه

O زياد است و راديكالهاي نیتروژن عمدتاً منجر به تشكیلNOx شده و سهم نیتروژن تولیدي خیلی كم

سريع برابر خواهد NOxتقريباً با سرعت كلی تشكیل سريع NOxخواهد بود. بنابراين سرعت تشكیل

بود.

(8 )/RT

2 2

[ ][ ] [ ][ ]e aEa

pr

d NOk O N FUEL

dt

هوا :-(4H2Cبراي شعله هاي اتیلن)


26

60 /aE kcal gmol ،7 11.2 10 ( / )a

prk RT p

فشار است Pثابت جهانی گازهاست و Rمرتبه ي واكنش نسبت به اكسیژن است ، aدر اين رابطه

است. مرتبه ي واكنش نسبت به نیتروژن و سوخت از مرتبه ي اول است ولی SIو همه ي يكاها واحدشان

می باشد به شرايط بستگی دارد و متغیر است. aمرتبه ي اكسیژن كه

سرعت کلي برای اغلب سوخت های هیدروکربني 9-5

Backmierبا مقادير تجربی بدست آمده از سوخت هاي با قدرت و انواع گوناگون توسط 8رابطه ي

et al. مقايسه گرديد. نتايج پیش بینی شده در مقايسه با نتايج تجربی نشان داد كه اين مدل در شرايط

غنی از سوخت و براي هیدروكربن هاي سنگین نتايج قابل قبولی ارائه نمی دهد. براي كاهش خطاها و

صالح با نتايج تجربی بدست آمده ا De Soeteسريع در كلیه ي شرايط مدل NOxپیش بینی تشكیل

براي هاي كربن ، و نسبت هوا به سوخت مثل تعداد اتمراي در نظر گرفتن اثر نوع سوخت )شد. ب

افزوده شد و معادله به شكل زير ( به معادله Fيک فاكتور تصحیح كننده ) هیدروكربنهاي آلیفاتیک گازي(

تصحیح گرديد :

(9 )/RT

2 2

[ ][ ] [ ][ ]e aEa

pr

d NOFk O N FUEL

dt

سريع داريم : NOxبراي عبارت منبع مكانیسم بنابراين

prompt , NO W , NO

d[NO]S = M

dt

در فرمول باال :

(11 )2 34.75 0.0819 23.2 32 12.2F n

n تعداد اتمهاي كربن موجود در هر مولكول سوخت است و نسبت اكی واالن است. فاكتور

بر روي يک نمودار بدست می آيد ، و براي سوخت هاي تصحیح از انطباق داده هاي تجربی به دست آمده

معتبر است. براي موارد خارج 6/1تا 6/1و براي نسبت اكی واالن بین (2n+2HnCهیدروكربنی آلیفاتیک )

اعمال نمود. ذكر شده محدوديتهاي الزم را بايد محدوده ياز

aE به نوع بستگی دارد ، اگر به جاي مقادير غلظت اجزاء جزء مولی هريک را قرار دهیم ، براي احتراق

متان داريم :


27

71.2 10prk ،30303 /aE kcal gmole

مفهوم نسبت اكی واالن به نسبت اكی واالن كلی در شعله اشاره می كند. در هندسه هاي پیچیده با شعله

سريع NOxاندكی خطا داشته باشیم. اما از آنجايی مقدار تولید هاي متعدد ممكن است در محاسبه

حاصل تغییر چندانی نخواهند كرد.كلی خیلی كوچک است ، نتايج NOxدر مقايسه با تولید

مرتبه ی واکنش نسبت به اکسیژن 9-6

De Soeteبراساس گزارشات آقاي مرتبه ي واكنش نسبت به اكسیژن به شرايط شعله بستگی دارد.

مرتبه ي واكنش نسبت به اكسیژن منحصراً به جزء مولی اكسیژن در شعله وابسته است و :

2

2

1

3.95 0.9ln

0.35 0.1ln

0

O

O

Xa

X

2

2

2

2

3

3 2

2

4.1 10

4.1 10 1.11 10

1.11 10 0.03

0.03

O

O

O

O

X

X

X

X

سوختی NOxفصل چهارم :

28

4

فصل چهارم

NOx سوختي


29

سوختهای حاوی پیوند نیتروژني 4-1

نقش سوختهاي فسیلی جامد و مايع كه حاوي تركیبات آلی شامل نیتروژن می باشند در ايجاد و

درصد وزنی 2تا 3/1ضمن فرآيند احتراق كامالً شناخته شده است. سوخت هاي حاوي NOxتولید

با افزايش درصد وزنی نیتروژن موجود نیتروژن منبع مهمی در تولید اكسید نیتروژن به حساب می آيند.

سوختی افزايش می يابد. NOxدر سوخت ، میزان تولید

سوختی با درصد وزنی نیتروژن موجود در سوخت NOxرابطه ي 1-4شكل

مطالعات نشان داده است كه بخش زيادي از نیتروژن موجود در مازوت و زغال سنگ به صورت ناجور حلقه

سوختی NOxدر تولید بیشتري آمین ، كینولین و پیريدين از اهمیت مثلساختارهاي ناجور حلقه است.

مواد حاوي نیتروژن موجود در زغال را مشاهده می كنید.در شكل زير برخی از برخوردارند.


30

سوختی می تواند تولید شود : NOxطی واكنشهاي زير

(1) 2CN ' + O NO + CO

(2 )3 2 2 2NH + O NO , N O , N or HCN

سوختی بايد نیتروژن بصورت پیوند شیمیايی در سوخت وجود داشته باشد و اين NOxبراي تشكیل

خیلی ضعیفتر از پیوند C-Nچون پیوند نیتروژن پیوندي با اكسیژن موجود در هواي احتراق واكنش دهد.

N-N است لذا احتمال تشكیلNOx .بهاين فرآيند چندان وابسته به دما نیست ولی را افزايش می دهد

نسبت هوا به سوخت بستگی دارد.

كلی تولید NOxاز 51% از سنگین مهم است و می تواند بیش سم در احتراق زغال سنگ و نفتاين مكانی

شده را به خود اختصاص دهد.

اگرچه گاز طبیعی حاوي نیتروژن است اما به دلیل اينكه نیتروژن آن در حالت پیوند شیمیايی با

سوختی نقش داشته باشد. NOxهیدروكربنها نیست ، نمی تواند در تولید

نمونه اي از مسیر سوختی شامل واكنشهاي متعددي می تواند باشد ، شكل زير NOxمكانیسم تشكیل

را نشان می دهد. براي شعله هاي هیدروكربنی غنی از سوختواكنش پیشنهاد شده

شعله هاي هیدروكربنی غنی از سوخت در سوختی NOxتولید مسیر واكنش 2-4شكل


31

مسیرهای واکنش 4-2

، به شرايط احتراق و غلظت اولیه ي تركیبات حاوي پیوند NOxمقدار تبديل نیتروژن سوخت به

نیتروژنی بستگی دارد.

از سوخت به فذرات و تركیبات حاوي پیوند نیتروژنی موجود در سوخت به هنگام گرم شدن قطرات

گازي می روند. از تجزيه گرمايی اين تركیبات ) آنیلین ، پیريدين ، پیرول و ... ( ، در منطقه ي واكنش ،

تبديل شوند. NOxمی توانند تشكیل شده و به NHو N , CN 3HCN , NH ,راديكالهايی هم چون

ه ک واكنش موازي دو مسیرتركیبات نیتروژن اند منجر به ايجاد ي حد واسطراديكالهاي آزاد فوق كه دومین

هنوز به طور كامل شناخته نشده است ، اما آن سوختی و تخريب NOxاگرچه روش تشكیل می شوند.

به نظر می رسد كه همه ي محققان با مدل ساده ي زير موافق هستند :

تحقیقات اخیر نشان داده اند كه هیدروژن سیانید مهمترين محصول در سوختهاي حاوي نیتروژن

به شكل آروماتیک يا حلقوي است ، در حالی كه اگر نیتروژن موجود در سوخت به صورت تركیبات آمین

آلیفاتیک باشد ، آمونیاك محصول اصلی تبديل نیتروژن سوخت خواهد بود.

نشان دهیم ، مكانیسم XNو تركیبات حد واسط نیتروژنی را با AZتركیب نیتروژنی اولیه را با اگر

كلی به صورت زير خواهد بود :

دو نوع ذرات حد واسط می توانیم داشته باشیم كه به صورت سري و موازي می توانند عمل كنند.

نشان داده ايم و در طی تبديل تركیب نیتروژنی سوخت تشكیل می XNنوع سري تركیباتی اند كه با

و در اين تبديل شود 2Nو NOشوند. بخشی از تركیب نیتروژنی اولیه ممكن است به صورت مستقیم به

موازي بايد در نظر گرفته شود. حد واسطصورت به صورت يک


32

سوختي از سوخت های گازی و مایع NOxتشکیل 4-9

سوختی در سوخت هاي گازي و مايع بر اساس فیزيک مختلف اما NOxمكانیسم هاي تشكیل

مسیرهاي واكنش شیمیايی يكسان می باشد.

(HCN)هیدروژن سیانید حد واسط سوختي از NOxتشکیل 4-4

باشد : حد واسط ذره ي HCNوقتی كه

نوشته شود :جمله ي مربوط به عبارت منبع به صورت زير می تواند

(3)

(4)

در یک سوخت گازی HCNتولید 4-4-1

برابر سرعت احتراق سوخت است : HCNسرعت تولید

كه :

,pl HCNS ترم منبعHCN .s)3(kg/m

cfR میانگین سرعت واكنش محدودكننده سوخت.s)3(kg/m

,N fuelY جزء وزنی نیتروژن موجود در سوخت

, 27.0253 /W HCN g eM mol

, 14.00 67 /W N g eM mol


33

در سوخت های مایع HCNتولید 4-4-2

برابر است با سرعت تشكیل فاز گاز از طريق تبخیر قطرات سوخت : HCNسرعت تولید

كه در آن :

,pl HCNS ترم منبعHCN .s)3(kg/m

fuelS سرعت تبديل شدن سوخت از قطرات مايع به گاز(kg/s)


= V 3(حجم محفظه(m

HCNمصرف 4-4-9

بصورت زير De Soeteبراي سوخت هاي مايع و گازي مشابه است و توسط HCNسرعت مصرف

داده شده است :

: 2Oتوسط HCNسرعت اكسايش

: NOتوسط HCNسرعت كاهش

كه داريم :

2, R 1R سرعت تبديل =HCN )1-(s

T دماي لحظه اي =(k)

X جزء مولی =

A1 = 3.5*1010 s-1


34

A2 = 3.5*1012 s-1

E1 = 67 kcal/gmol

E2 = 60 kccal/gmol

، از رابطه ي زير محاسبه می شود : aمرتبه ي واكنش نسبت به اكسیژن ،

2

2

1

3.95 0.9ln

0.35 0.1ln

0

O

O

Xa

X

2

2

2

2

3

3 2

2

4.1 10

4.1 10 1.11 10

1.11 10 0.03

0.03

O

O

O

O

X

X

X

X

به هم w,m(M(و مخلوط M)w,i(از آنجايی كه جزء مولی و جزء وزنی از طريق وزن مولكولی ذرات

مرتبط هستند ، لذا :

در معادله ی انتقالي HCNمنبع 4-4-4

آمده بصورت زير محاسبه می شود : 3كه در معادله ي HCNسرعت وزنی مصرف

كه در آن :

1-HCN, S2 -HCNS سرعت مصرف =HCN می باشد و ي اكسايش و كاهشها طريق واكنش از

است. s)3(Kg/mبرحسب

P فشار =(kPa)

T = دماي میانگین(K)

R ثابت جهانی گازها =


35

در رابطه ی انتقالي NOxمنبع 4-4-5

NOx براي 2د می شود. ترم منبع در معادله ي نابو كاهشتولید و در واكنش اكسايشدر واكنش

سوخت هاي گازي و مايع يكی است و بصورت زير محاسبه می شود :

NH)3(آمونیاک حد واسطسوختي از طریق NOxتولید 4-5

وقتی كه آمونیاك به عنوان ذره ي حد واسط باشد :

ترمهاي منبع در رابطه ي انتقالی را می توان به صورت زير نوشت :

(5)

(6)

در یک سوخت گازی 3NHتولید 4-5-1

برابر است با سرعت مصرف سوخت : 3NHسرعت تولید

كه :

3,NHplS 3ترم منبعNH .s)3(kg/m

N , fuel= Y جزء وزنی نیتروژن موجود در سوخت

cfR میانگین سرعت واكنش محدودكننده سوخت.s)3(kg/m


36

3, NH 17.031 /W g eM mol

در یک سوخت مایع 3NHتولید 4-5-2

برابر است با سرعت تشكیل فاز گاز از طريق تبخیر قطرات سوخت : 3NHسرعت تولید

كه در آن :

3,NHplS 3ترم منبعNH .s)3(kg/m

fuelS سرعت تبديل شدن سوخت از قطرات مايع به گاز(kg/s)


= V 3(حجم محفظه(m

3NHمصرف 4-5-9

ذكر شده براي سوخت هاي مايع و اكسايش و كاهش از طريق واكنشهاي HCNسرعت مصرف

بصورت زير داده شده است : De Soeteگازي مشابه است و توسط

كه داريم :

2, R 1R 3= سرعت تبديلNH )1-(s

T دماي لحظه اي =(k)

X جزء مولی =

A1 = 4*106 s-1


37

A2 = 1.8*106 s-1

E1 = 133.9 Kj/gmol

E2 = 113 Kj/gmol

، از رابطه ي زير محاسبه می شود : aمرتبه ي واكنش نسبت به اكسیژن ،

2

2

1

3.95 0.9ln

0.35 0.1ln

0

O

O

Xa

X

2

2

2

2

3

3 2

2

4.1 10

4.1 10 1.11 10

1.11 10 0.03

0.03

O

O

O

O

X

X

X

X

به هم w,m(M(و مخلوط M)w,i(از آنجايی كه جزء مولی و جزء وزنی از طريق وزن مولكولی ذرات

مرتبط هستند ، لذا :

در معادله ی انتقالي 3NHمنبع 4-5-4

آمده بصورت زير محاسبه می شود : 5كه در معادله ي 3NHسرعت وزنی مصرف

كه در آن :

3 3NH -2 NH -1 = S , S 3سرعت مصرفNH می باشد و اكسايش و كاهش از طريق واكنشهاي

است. s)3(Kg/mبرحسب

P فشار =(Kpa)

= T دماي میانگین(K)


38

R ثابت جهانی گازها =

در رابطه ی انتقالي NOxمنبع 4-5-5

NOx راي ب 6 شود. ترم منبع در معادله ي نابود می كاهشتولید و در واكنش اكسايشدر واكنش

سوخت هاي گازي و مايع يكی است و بصورت زير محاسبه می شود :

سوختي از زغال سنگ NOxتولید 4-6

دلیلی چون ل و تركیبات فرار توزيع شده است.در زغال سنگ فرض می شود كه نیتروژن بین زغا

، جزء نیتروژن موجود در زغال وبراي توزيع يكنواخت نیتروژن بین زغال و تركیبات فرار وجود ندارد

تركیبات فرار را جداگانه تعیین می كنیم.

به عنوان HCNوقتی كه فرض می كنیم كه نیتروژن بین زغال و تركیبات فرار توزيع شده است.

سوختی از زغال سنگ خواهیم داشت. NOxذره ي حد واسط باشد ، دو مكانیسم مختلف براي تولید

سوختی از زغال NOxبراي تولید ديگر ذره ي حد واسط باشد ، دو مكانیسم مختلف 3NHوقتی كه

.است HCNمكانیسم مربوط به ذره ي حد واسط به سنگ داريم كه بسیار شبیه

سوختي از زغال سنگ NOxشماتیک اول تولید 4-6-1

HCNفرض بر اين است كه تمام اتمهاي نیتروژن موجود در زغال به HCNدر مكانیسم اول

می كند ، مسیر واكنش به صورت زير خواهد بود : NOد كه بعداً بصورت جزئی تولید نتبديل می شو


39

تبديل می شود ، بنابراين : HCNدر شماتیک اول ، تمام نیتروژن پیوندي موجود در زغال به

كه در آن :

CS سرعت سوختن موضعی زغال =(Kg/s)

N,charY جزء جرمی نیتروژن موجود در زغال =

V 3(= حجم محفظه(m

سوختي از زغال سنگ NOxشماتیک دوم تولید 4-6-2

ديل می شودتب NOفرض بر اين است كه تمام نیتروژن زغال مستقیماً به HCNدر مكانیسم دوم

مسیر واكنش بصورت زير خواهد بود : و

گازي در می آيد ، كه اساساً يک محصول دفع شده از NOمستقیماً به صورت نیتروژن زغال

با در نظر گرفتن اين فرضیه : ، تمهاي نیتروژن موجود در زغال استاكسیداسیون ا


40

نسبت به اولی تولید می كند. در حالت كلی تعیین NOxمقدار بیشتري HCNمكانیسم دوم

اينكه كدامیک در عمل كارآيی بهتري دارد سخت و دشوار است.

منبع براي معادله ي انتقالی به صورت زير هستند :هاي ترم

نش واكند. بنابراين فقط منبع ه اقبالً تعیین گرديد NO, S 1-NO, S2 -HCN, S 1-HCNS-2 سهم منابع

، HCN ،pvc , HCNSو منبع تولید Char , NOSكه عبارت است از NOxمنبع زغالی ، NOS-3 ناهمگن ،

نیاز به تعريف دارند.

روی سطح زغال NOxکاهش 4-6-2-1

و نتیجه ي حاصل به شرح زير است : هانجام گرديد روي سطح زغال NOواكنش ناهمگن كاهش

كه در آن :

3R نرخ كاهشNO s) BET2(gmol/m

NO= P میانگین فشار جزئیNO (atm)

T دماي میانگین(K)

= 34 kcal/mol 3E

s.atm.BET 2= 230 gmol/m 3A

NOفشار جزئی P : با استفاده از قانون دالتون محاسبه می شود

NO NOP X P

برابر خواهد بود با : 3مطابق واكنش NOآنگاه سرعت مصرف

كه داريم :


41

BETA مساحت سطحBET /kg)2(m

SC 3(غلظت ذرات(kg/m

3NOS مصرف سرعتNO .s)3(kg/m

BETمساحت سطح 4-6-2-2

واكنش ناهمگن شامل زغال عمدتاً يک فرآيند جذب سطحی است كه سرعت آن متناسب است با

كه سهم مهمی در پايه گذاري Tellerو Brunaur ، Emmett ح منافذ. بخاطر كارهاي مهممساحت سط

شناخته می شود. براي موارد تجاري BETتئوري جذب سطحی داشتند ، مساحت سطح منافذ با عنوان

است كه به ساختار kg 2m 111’111’2/تا kg2m 111’111/ در محدوده ي BETمساحت سطح

ترم گرفته می شود. kg 2m 25111/معموالً BETمیكروسكوپی بستگی دارد. براي زغال مساحت سطح

سهم تركیبات فرار است : وع سهم زغال وم، مج HCN ،PVC,HCNSكلی بیانگر منبع

از طریق ذرات فرار HCNتولید 4-6-2-9

ترم منبع مربوط به ذرات فرار به سرعت آزادسازي ذرات فرار بستگی دارد :

كه :

volS .ذرات فرار كه از زغال به فاز گازي می روند(kg/s)

N , Vol=Y جزء جرمی نیتروژن موجود در ذرات فرار

V = 3(حجم محفظه(m

سوختی NOxنحوه ي محاسبه ي ترم منبع مربوط به نیتروژن پیوندي به اينكه كدام شماتیک

انتخاب شود بستگی دارد.


42

سوختي از زغال سنگ NOxتولید سومشماتیک 4-6-9

تبديل می شود كه بعداً 3NHفرض می كند كه كل نیتروژن موجود در زغال به 3NHشماتیک اول

: استمسیر اين واكنش به صورت زير تبديل می شود و NOمقداري از آن به صورت جزئی به

بنابراين :تبديل می شود ، 3NHدر اين شماتیک كل نیتروژن پیوندي به

كه :

CS نرخ سوختن زغال(kg/s)

N , charY جزء وزنی نیتروژن موجود در زغال V 3(= حجم محفظه(m

سوختي از زغال سنگ NOxتولید چهارمشماتیک 4-6-4

تبديل می شود. مسیر NOفرض بر اين است كه كل نیتروژن زغال مستقیماً به 3NHدر مكانیسم دوم

واكنشی اين مكانیسم به صورت زير است :


43

تبديل می شود و محصول اصلی اكسیداسیون اتمهاي NOدر اين مكانیسم نیتروژن زغال مستقیماً به

نیتروژن زغال است ، در اين مكانیسم :

نسبت به اولی تولید می كند. در حالت كلی تعیین اينكه NOxمقدار بیشتري 3NHمكانیسم دوم

كدامیک در عمل كارآيی بهتري دارد سخت و دشوار است.

ترمهاي منبع مربوط به معادله ي انتقالی عبارتند از :

قبالً تعیین گرديدند. بنابراين char,NO, S 3-NO, S 2-NO, S 1-NO, S2 -NH3, S 1-NH3Sسهم منابع

، نیاز به بررسی دارد. 3NH ،PVC,NH3Sفقط منبع تولید

سهم و vol,NH3(S(سهم مربوط به تركیبات فرار مجموع 3NHعبارت مربوط به منبع تولید كلی

است. char,NH3(S(زغال

از ترکیبات فرار 3NHتولید 4-6-4-1

فرار با سرعت آزاد شدن تركیبات فرار مرتبط است :از تركیبات تولیدي 3NHمنبع ترم

كه در آن :

volS = .منبع مربوط به تركیبات فرار كه از ذرات زغال سنگ به فازي گازي رفته اند(kg/s)

N,volY جزء جرمی نیتروژن موجود در تركیبات فرار =

V 3(= حجم محفظه(m


44

و هوا CO2O/2توسط متان در احتراق NOxمقایسه ی تشکیل 4-7

NOx، مكانیسم تشكیل و حذف و هوا كه انجام گرفت CO2O/2در يک احتراق مرحله اي متان با

ي به تولید كمترين تركیب تثبیت شده كه منجر CH2O/4مورد بررسی قرار گرفت. نسبت اولیه ي

گرديد ، كمتر از مقدار اين نسبت در احتراق توسط هوا بود. مقدار مینیمم CO2O/2نیتروژن در احتراق

NOx 2تولیدي در احتراق/CO2O ،41% كمتر از اين مقدار در احتراق توسط هوا بود. عامل اين پديده

می باشد. CO2O/2در سیستم مربوطه است كه يكی از ويژگی هاي مهم احتراق 2COوجود مقدار زيادي

در احتراق CO + OH + H 2COاز طريق واكنش OHمشاهده گرديد كه مقدار زيادي راديكال

2/CO2O تولید گرديد. به دلیل وجود مقدار زيادي هیدروژن در شعله ي متان راديكال هايOH از طريق

می شوند. Oو Hواكنشهاي زير منجر به تولید

2O + H OH + O

2 2H + OH H + H O

كه در ناحیه ي غنی از سوخت تشكیل می شوند موجب افزايش اكسیداسیون Oو OHراديكالهاي

3NH وHCN .می شوند

CO2O/2در احتراق 2Nو NOبه 3NHو HCNمسیر واكنش در مكانیسم تبديل 3-4شكل

NOxفصل پنجم : مكانیسم هاي ديگر تشكیل

45

5

پنجمفصل

NOxشکیل تدیگر مکانیسم های


46

طي احتراق مجدد NOxتشکیل 5-1

می HCNبا هیدروكربنها واكنش داده و منجر به تولید NO ،NOدر مكانیسم سوزاندن مجدد

شود. در حالت كلی :

كلوين سه واكنش داريم : درجه 2111تا 1611براي دماهاي بین

ثابت هاي مربوطه عبارتند از :

در فرآيند احتراق مجدد عبارت است از : NOسرعت حذف

:از رابطه ي زير محاسبه می شود NOو ترم منبع براي مكانیسم احتراق مجدد در معادله ي انتقالی

O2Nواسط از طریق حد NOxتشکیل 5-2

Melte و Pratt اولین مكانیسم تشكیلNOx حد واسطاز طريق O2N 2كه بوسیله يN تولید

می شود را پیشنهاد دادند. نیتروژن از طريق هوا وارد محفظه ي احتراق می شود. تحت شرايط مناسب كه

تولیدي NOxاز %91اين مكانیسم می تواند اكسیژنعبارت است از فشارهاي مشخص و شرايط غنی از

د احتراق را به خود اختصاص دهد. به همین دلیل اين مكانیسم در تجهیزاتی مثل توربینهاي در طی فرآين


47

گازي و موتورهاي احتراق تراكمی مهم است. چون اين تجهیزات در شرايط دمايی پايین براي جلوگیري از

افزايش می يابد. O2N حد واسطاز طريق NOxحرارتی كار می كنند ، اهمیت تولید NOxتشكیل

O2Nحد واسط تولیدي در اين سیستمها ناشی از مكانیسم NOxاز %31مشاهده شده است كه حدود

بوده است.

د حدر سیستم هاي بدون شعله ) مثل احتراق بدون شعله و اكسیداسیون بدون شعله ( نیز مكانیسم

در گازهاي بی اثر تا حد زيادي اكسیژنداراي اهمیت است. در حالت بدون شعله ، سوخت و O2Nواسط

رقیق می شوند ، بنابراين واكنشهاي احتراق و آزاد سازي انرژي در نتیجه ي اين واكنشها در ناحیه ي

NOxپخش انجام می شود. يک نتیجه ي اين نوع احتراق عدم تشكیل نقاط با دماي باالست كه از تشكیل

NOxاز %91بدون شعله حدود حرارتی جلوگیري می كند. تحقیقات حاكی از آن است كه در حالت

سريع نسبت داده می شود. NOxاست و مابقی آن به مكانیسم O2N حد واسطتولیدي توسط مكانیسم

O2Nواسط از طریق حد NOxتشکیل مکانیسم 5-2-1

به 2Nدر ساده ترين حالت اين مكانیسم شامل دو واكنش ابتدايی برگشت پذير است كه در آن

O2N تبديل شده و سپس منجر به تولیدNO : می شود

(1) 40 /R kcal mol 56 /aE kcal mol 2 2N O M N O M

(2 ) 36 /R kcal mol 23 /aE kcal mol 2 2N O O NO

چون در واكنش اول جزء سومی هم درگیر است. اين يک جزء سوم در حالت كلی است ، Mدر اينجا

در هر دو واكنش شركت دارند كه (O) اكسیژنمكانیسم در فشارهاي باال بهتر انجام می شود. راديكالهاي

براي اين مكانیسم است. اكسیژنبیانگر مناسب بودن شرايط در حالت غنی از

د می تولی اكسیژنتنها از طريق تجزيه ي مولكولهاي اكسیژناغلب فرض می كنیم كه راديكالهاي اتم

شوند :

(3) 2 2O O

از طريق مكانیسم حد واسط NOxبر اساس قوانین سینتیكی مربوط به سرعت ، سرعت تشكیل

O2N : به صورت زير خواهد بود

(4)


48

را O2N غلظت را محاسبه كنیم. اغلب O]2[Nو [O]براي حل معادله ي باال بايد ابتدا مقادير

شبه پايدار می گیريم ، لذا :

و :

(5)

3و ثابت تعادل معادله ي 2و 1 ، ثابت هاي سینتیكی معادالت Mو 2Oو 2Nبا داشتن غلظت

را تعیین كرد. NOxرا حل نمود و سرعت تشكیل 5و 4می توان سیستم متشكل از معادالت

به ترتیب ثابت r,2kو r,1kاند و 2و 1ثابت هاي واكنش رفت در معادالت f,2kو f,1kدر روابط باال

در حالی كه mol.s3m/عبارت است از r,2kو r,1kو f,2kهاي واكنش هاي برگشت اند. واحد ثابت هاي

است. f,1k ، s.2mol/6mواحد

مقادير ثابت هاي سرعت به شرح زير است :

هم می تواند درگیر باشد ، كه عبارت است از :در اين مكانیسم واكنش سومی

(6)35 /kcal mol 24 /aE kcal mol 2H N O NO NH

NH موجب تولید مجدداً واكنش باال خود می تواند با شركت در دو واكنش زير تولید شده درNOx

شود :

2

NH O NO H

NH O NO OH

0.8(از لحاظ سوختی رقیقاين مكانیسم در دماي پايین و حالت ( بعالوه ي فشارهاي باال

داراي اهمیت است.

2[ ]0

d N O

dt


49

NNHمکانیسم از طریق NOxتشکیل 5-9

از نیتروژن اتمسفري شود عبارت است از NOمسیر واكنش بعدي كه می تواند منجر به تشكیل

می NOيا هیدروژن كه سپس منجر به اكسیداسیون حد واسط نیتروژن به اكسیژنبا اتم 2Nتركیب

چندين مكانیسم مجزا كه از طريق تثبیت مولكولهاي نیتروژن موجود در هواي احتراق می توانند شود.

اي نیتروژن شوند شناخته شده اند.منجر به تشكیل اكسیده

می شود ، شامل واكنشهاي زير است : NOكه منجر به تشكیل NNHمكانیسم

(7)

2N H NNH

(8) NNH O NH NO

و ثابت سرعت NNH، گرماي تشكیل NNHپارامترهاي اصلی مكانیسم عبارتند از : طول عمر

از طريق NNHمتناسب است با عكس ثابت سرعت تشكیل NNHطول عمر . NNH + Oواكنش

بايد اين مرحله به حد كافی سريع باشد. با طول NNH. براي دستیابی به يک مقدار پايدار براي 7واكنش

خیلی سريع است ، NNHاست ، تشكیل و مصرف s 9-11كه حدود NNHعمر بدست آمده براي

NNHبه دلیل سرعت باالي تشكیل خیلی سريع قالب حصول است. NNHبنابراين يک حالت پايدار براي

7Kمقدار NNHاز طريق NOبه راحتی به حالت تعادل می رسیم و لذا در تخمین مدلی براي تشكیل

در 7براي واكنش NNH. غلظت پايدار K 7.pK*8 متناسب است با NOمقدار تولید تاثیر است. بی

بستگی دارد. اگر گرماي تشكیل NNHتعیین می شود كه به گرماي تشكیل pK.7حالت تعادل توسط

NNH حد باالي مقادير گزارش شده باشد ، مقدار پايدار محدوده ي درNNH و مقدارNO تولیدي از

شاهد تغییر kcal/mole 1.5به مقدار NNHگرماي تشكیل با تغییر طريق مكانیسم كمتر خواهد بود.

NNHتولیدي از طريق مكانیسم NOخواهیم بود. سرانجام مقدار NOتشكیل دو برابري در سرعت

. در اكثر مطالعات مدلسازي اين NH + NO NNH + Oبا ثابت سرعت واكنش است متناسب

عبارت است از : ثابت سرعت اين واكنش واكنش سريع در نظر گرفته شده است.

11 0.388 3 1 15.2 10 813/ T exp T cm mol s =8K

اين در آن ، بايد شرايط تجربی كه NNHتولیدي از طريق مكانیسم NOبراي تعیین مقدار

در فشار باال و دماهاي متوسط O2Nاست تشخیص داده شود. مكانیسم NOمكانیسم منبع اصلی تولید

در شرايط دمايی پايین تر و زمان ماند كم و شرايط كاهشی در NNHمهم است در حالی كه مكانیسم


50

در شعله هاي پخشی NNHدماهاي باال مهم خواهد بود. شواهدي وجود دارد كه نشان می دهد مكانیسم

اكسیژندر سمت غنی از سوخت شعله تشكیل می شود و سپس با اتم هاي NNHخیلی مهم است كه

سريع می توان به مطالعه ي سیستمهاي NOداخل شعله واكنش می دهد. براي حذف اثر تشكیل

به عنوان سوخت استفاده می CO/2H مخلوط يا 2Hغیرهیدروكربنی پرداخت ، مثل سیستمهايی كه از

تولیدي از طريق اين مكانیسم NOبه منظور تخمین مقدار ي اخیر انجام شده كنند. گزارشات كارهاي

شامل استفاده از شعله هاي با سوختی غنی و با فشار پايین يا فشار اتمسفر بوده است.

را بیان كرد كه احتمال می داد اين راديكال NNHاهمیت راديكال .Miller et alبراي اولین بار

( طی H 2N +) يا NNHتولید شود. كارهاي بعدي نشان داد كه تولید OH2 NH +از طريق واكنش

حتمی است و مدل سازي هاي انجام شده تايید كرد كه اين راديكال يک حد واسط OH2 NH +واكنش

حرارتی NOxجهت كاهش تولید است روشی حرارتی DeNOx می باشد. حرارتی DeNOxكلیدي در

NOبه عنوان يک عامل كاهنده در يک فرآيند كاهش غیركاتالیستی انتخاب پذير 3NHاز در آن كه

.استفاده می شود

بايد ابتدا به بررسی ترموشیمی و NOبراي تشكیل NNHبه منظور صحبت در مورد مكانیسم

تبديل H 2N +يک راديكال آزاد است كه با آزاد سازي انرژي به NNHبپردازيم. NNHواكنش هاي

تايج تجربی از ن NNHاست. طول عمر kcal/mole 8می شود. انرژي فعالسازي اين فرآيند كمتر از

11-11تا 11-8تخمین زده شده است اما كارهاي تئوري انجام شده مقاديري بین sec 5/1بیشتر از

در NNHبا H 2N +. اين زمان ماند كوتاه بیانگر تعادل جزئی واكنش بازتركیب ارائه می دهندثانیه

است و يک مسیر با دماي باال NH + NO NNH + Oشرايط احتراق است. واكنش بعدي كه

نامیده می شود. شماري از مطالعات تجربی و مدلسازي بیانگر NNHاست ، مكانیسم NOبراي تشكیل

است و مدلسازي سینتیكی نشان می دهد كه اين مكانیسم در شعله هاي پیش NNHوجود مكانیسم

آمیخته و غیرپیش آمیخته ي هیدروژن و هیدروكربن ها داراي اهمیت است.

NNH تشکیل گرمای 5-9-1

دفعات مكرري مورد مطالعه قرار گرفته است. در میان اين بررسی ها به NNHساختار الكترونیكی

واكنش بهترين محاسبات را براي انرژي .Bozkaya et elبه نظر می رسد كه تحقیق اخیر

2NNH N H .دارد


51

kcal/mole 6.51 بدست آمده است. با در نظر گرفتن -kcal/mole 8.8طبق كارهاي او انرژي تفكیک

را براي kcal/mole 4.61، اين انرژي تفكیک مقدار K 0در دماي Hبراي گرماي تشكیل اتم هاي

(@ 0 K)f,NNHH می دهد. با كسرkcal/mole 7.1 براي تبديل بهK 298 مقدارkcal/mole 7.59

نمودار انرژي زير نشان دهنده ي نتايج كار اوست. را خواهیم داشت.

.Bozkaya et elبرا اساس كارهاي تئوري NNHنمودار انرژي پتانسیل براي واكنش تجزيه ي 1-5شكل

NNHطول عمر 5-9-2

3*11-11موضوع چندين مطالعه ي تئوري بوده است كه منجر به تخمین طول عمر از NNHطول عمر

) در حالت پايدار كه با ثانیهo شده است. ضمناً حالت هاي برانگیخته ثانیه 4*11-8نشان داده می شود( تا

منجر به ارائه ي .Bozkaya et alارتعاشی داراي طول عمري سه مرتبه كوچكترند. مطالعه ي اخیر

بیشترين مقدار پیش بینی شده برايo انرژي فعالسازي ثانیه است. مقدار 6.3*11-8كه برابر ه استشد

بدست آمده است. kcal/mole 2.1 ± 6.11هم

2NNH + O واکنش 5-4

NNHدر طی واكنش OONNHبیانگر تشكیل كمپلكس 2Oو گونه هاي NHHخصوصیات راديكال

ست. اما اين كمپلكس نسبت به واكنش دهنده ها گرماگیر است بنابراين احتمال تشكیل هیچ ا 2Oبا

ديداً گرمازا طی ل تشكیل محصوالتی ششام 2Oبا NNHكمپلكسی اينجا وجود ندارد. در عوض واكنش

-57سازي انرژي برابر با كه منجر به آزاد HO 2N +2كه عبارتند از : است يک فرآيند جدايش

kcal/mole .می شوند


52

احتمال دارد كه در يک مسیر ديگر كه 2Oبا NNHزياد باشد ، واكنش اكسیژندر شرايطی كه غلظت

شود. اما چون انرژي فعالسازي براي انجام اين NOاست منجر به تولید NOبا HNOشامل واكنش

نجام اين واكنش منتفی می است كه مقدار خیلی زيادي است لذا احتمال ا kcal/mole58 واكنش حدود

شود.

در شكل زير نشان داده شده است. HO 2N → 2NNH + O +2تخمین ثابت سرعت واكنش

با دما HO 2N → 2NNH + O +2نمودار تغییرات ثابت سرعت واكنش 2-5شكل

NNH + Oواکنش 5-5

همچنین احتمال اينكه واكنش منجر به . OH 2N +عبارتند از : NNH + O محصوالت اصلی واكنش

گرماگیر است حتی در NO + NHبه دلیل اينكه مسیر تولید نیز وجود دارد.، شود O + H2Nتولید

در محدوده ي دمايی احتمال وقوع آن نسبتاً كم است. مقادير ثابت سرعت اين واكنشها K 2111دماي

یوس به صورت زير محاسبه شده اند :توسط رابطه ي اصالح شده ي آرن K2511 تا K311 بین

2

13 0.145 3 1 1

N +OH k = 1.20 10 T exp(217/RT) cm mol s

14 0.274 3 1 1

NNO+Hk = 1.87 10 T exp(21.7/RT) cm mol s

11 0.388 3 1 1

NH+NOk = 5.18 10 T exp(409/RT) cm mol s عت در شكل زير نشان داده شده است.تخمین مقادير ثابت هاي سر


53

با دما NNHنحوه ي تغییر ثوابت سرعت مكانیسم 2-5شكل

در دو فشار متفاوت می بینید. تفاوت در مقادير را NOدر شكل زير پروفايل هاي اندازه گیري شده ي

NOحاصل از مدلسازي و نتايج تجربی نشان دهنده ي اين است كه واكنشهاي جانبی نیز در تشكیل

براي نقش دارند. خطوط غیرممتد نشان دهنده ي نتايج حاصل از مدلسازي با فرض ثابت سرعت باال

است. همان طور كه می بینیم در اين حالت نتايج به دست آمده به نتايج تجربی NNHواكنش تفكیک

نزديكتر است.

NOمقايسه ي نتايج حاصل از مطالعات تجربی و تئوري براي تولید 4-5شكل


54

به صورت تابعی از O2Nو NOشكل زير نشان دهنده ي نتايج حاصل از تخمین و اندازه گیري غلظت

دما است.

روش 4توسط O2Nو NOمقايسه تخمین غلظت 5-5شكل

اندكی بیشتر از نتايج NOبا توجه به پروفايلهاي غلظت مشاهده می كنیم كه مقدار تخمین زده شده ي

دو برابر كمتر تخمین زده شده است. اگر تأثیر O2Nتجربی به دست آمده است ، در حالی كه مقدار

كاهش %25تخمین زده شده حدود NOحذف كنیم ، مقدار 7K 0 =را با قرار دادن NNHمكانیسم

اهمیت O2Nنسبت به NNHمی يابد كه نشان دهنده ي اين است كه در شرايط اين آزمايش مكانیسم

كمتري دارد.

و اينكه NNH + Oبه دست آمده از نتايج حاصل از مدلسازي با فرض سريع بودن واكنش NOغلظت

8K = NNH+O , TOTALK .به مقدار قابل توجهی زياد است

در موارد زير مهم است : NNHمكانیسم

دماهاي بااليK2211 2 در شعله هايH - حالت استوكیومتري و غنی از سوخت ، با زمان ، هوا

ماند كم

دماهاي كمتر ازK1911 و در حالت نزديک به نسبت استوكیومتري


55

در شعله های گاز طبیعي NOxمکانیسم تولید 5-6

گاز طبیعی به دلیل اينكه يک سوخت تمیز است به طور گسترده اي در مراكز گرمايش صنعتی و خانگی

و CO ،2 SOاگرچه گاز طبیعی يک سوخت تمیز است و مقدار انتشار مورد استفاده قرار می گیرد.

هیدروكربنهاي نسوخته طی احتراق آن كم است با اين وجود مثل همه ي سیستمهاي احتراق متداول

در احتراق گاز طبیعی كم است اما با در NOxمی شود. اگرچه مقدار تولید NOxباعث تولید مقداري

خواهیم بود. طبق قوانین NOxي اين انتشار شاهد تولید مقدار قابل مالحظه اي نظر گرفتن مقدار ساالنه

در مشعلهايی كه از اين سوخت استفاده می كنند كاهش يابد. براي NOxزيست محیطی بايد مقدار تولید

د آن را در اين شعله هااتخاذ روش هاي مناسب جهت كاهش تولید اين آالينده بايد ابتدا مكانیسم تولی

ريح جريان سیال شناخت واكنشهاي شیمیايی درگیر و تش NOxبراي پیش بینی تشكیل بشناسیم.

ضروري است.

در طی سوختن گاز طبیعی واكنشهاي زير رخ می دهند :

و Dryerتوسط شماري از محققان مورد استفاده قرار گرفته است ، از جمله ي دو مرحله اياين واكنشها

Glassman : كه رابطه ي سرعت واكنش را به صورت زير ارائه كرده است

(9 )13.2 0.7 0.8 3 144 2

[ ]10 exp( 24334 / )[ ] [ ] mole.cm .

d CHT CH O s

dt

(11 )14.7 1 0.5 0.2 3 122 2

[ ]10 exp( 21619 / )[CO] [H O] [O ] mole.cm .

d COT s

dt

در شعله هاي ناآرام يک واكنش چهار مرحله اي در نظر می گیريم ، اگرچه در موارد مختلف ممكن است

و اتمهاي هیدروژن خواهیم CO ،2Hدر همه ي موارد شاهد تولید نحوه ي انجام واكنشها تغییر يابد اما

ارائه می دهد ، اين COدر حالی كه مكانیسم چهار مرحله اي مقادير دقیق تري براي دما و غلظت بود.

عیب را دارد كه نیاز به ذرات بیشتري دارد.

COو همكارانش منجر به ارائه ي روابط زير براي سرعت مصرف متان و تولید V. Dupontكارهاي

گرديده است :


56

(11 )12 1 1 3 144 2

[ ]0.5 10 exp( 16839 / )[ ] [ ] mole.cm .

d CHT CH O s

dt

(12 )12 1 1 3 122

[ ]0.5 10 exp( 1832 / )[CO] [O ] mole.cm .

d COT s

dt

است. اين روابط توسط آنالیز حساسیت بدست iبیانگر غلظت مولی جزء [ i ]در روابط ذكر شده عبارت

:با بررسی دو رابطه ي ارائه شده در می يابیم كه آمده اند.

، K2111بار سريعتر است ، در دماي K511 ،81در دماي 9نسبت به رابطه ي 11 رابطه ي .1

دو رابطه مقدار مساوي ارائه می دهند. K1841بار كندتر است و در دماي 21

K511 ، 611در دماي 11است كه نسبت به رابطه ي 2Oو COتنها تابعی از 12رابطه ي .2

برابر سريعتر است. K2111 ،25برابر سريعتر است و در دماي

و همكارانش با مقادير تجربی بدست آمده براي سرعت تشكیل و V. Dupontروابط ارائه شده توسط

از احتراق 11و 9از طرفی ديگر ثابت هاي سرعت مربوط به روابط زگار است.ساو گراديان دما COمصرف

ناقص متان حاصل شده اند.

می تواند NOبه خوبی شناخته شده است اما اعمال دقیق آن دشوار است. NOxاگرچه مكانیسم تشكیل

از سه راه تشكیل شود.

:اولین مورد مكانیسم حرارتی است كه شامل واكنشهاي زير خواهد بود .1

بنابراين در شعله هاي استوكیومتري و رقیق سوختی داريم :

(13 )2

2 23 2

3 4 2 5

[ ] 1 [NO] / [ ][ ]2 [ ][ ]

1 [ ] / [ ] ]

Td NO K O Nk O N

dt k NO k O k OH

كه در آن :3 3 4 4( / )( / )K k k k k

14 و : 3 1

3 1.8 10 exp( 38370 / ) cm . .k T mol s


57

به جاي استفاده از مقادير OHو راديكالهاي اكسیژنبنابراين با داشتن مقادير واقعی غلظت اتمهاي

لسازي كرد.مد± %35 حرارتی را می توان با دقت NOxتعادلی ، تولید

2. NO كه شامل واكنشهاي زير خواهد بود:همچنین می تواند توسط مكانیسم سريع تشكیل شود

(14) 2CH N HCN N

(15) 2N O NO O

(16 ) 2HCN H3N CH

(17) HCN O NCO H

(18) HCN O CO NH

(19) 2HCN OH CN H O

(21) NCO H NH CO

(21) 2NH H N H

محدود كننده سرعت باشد ، آنگاه : 14اگر واكنش

Pr14 2[ ][ ]

[NO]k CH

d

dN

t

توسط مراحل زير تولید شود : CHاگر

(21،22،23)

و اگر :

(24)

(25)

را در تعادل جزئی در نظر می گیريم ، لذا : 25تا 21كه واكنشهاي

(26 ) 3/4 3/4

14 21 22 23 25 22 43/2 3/2

24

P

2

r [ ][ ][ ]

[ ]

[NO] k K K K K ON CH

K H O

d

dt


58

اما بايد توجه داشت كه تعادل راديكالی تنها در دماهاي باال قابل حصول است ، هم چنین در مورد مقدار

121.2مقادير بین می تواند نیستیم و مقدار آن كامالً مطمئن 14k عددي 10 exp( 6844 / T) و11 3 1 13 10 exp( 6844 / T) cm . .mol s تغییر كند.

می توان نشان داد كه : De Soeteبر اساس كارهاي تجربی

(27)

يک فاكتور تصحیح براي هیدروكربنهاي سنگین است. fرابطه ي ذكر شده بر حسب جزء مولی است و

K1611تنها در شعله هاي با دماي باالي 27است. با اين حال رابطه ي 27مشابه با رابطه ي 26رابطه ي

در متغیر است و اكسیژنقابل اعمال است و براي دماهاي پايین تر نیاز به تصحیح دارد. در عمل مرتبه ي

دماهاي پايین به سمت صفر میل می كند.

از طريق اكسید نیتروس است : NOراه سوم تولید .3

(28) 2 2O N M N O M

(29) 2 2O N O NO

با كنترل شرايط از لحاظ دمايی و رقت سوختی می واكنش كنترل كننده ي سرعت است. 28كه واكنش

توان از اين مكانیسم صرف نظر نمود.

در شعله های ناآرام NOxتشکیل 5-7

و از بین رفتن آن كه تا اينجا بیان گرديد از طريق NOxي مكانیسمهاي سینتیكی تشكیل همه

آزمايشها بدست آمده اند. در اين آزمايش ها از شعله هاي تركیبی آرام يا لوله هاي ضربه اي استفاده

گرديده است تا توزيع مولكولی به خوبی صورت گیرد. در حالی كه در حالت عملی در هرگونه سیستمی

غییرات موقتی دما و غلظت اجزء موجود در خصوصیات شعله تاثیر گذار است جريان شديداً آشفته است. ت

و دما و غلظت اجزاء شديداً غیر NOxرابطه ي بین سرعت تشكیل و موجب آشفتگی جريان خواهد شد.

، نتايج استفاده شود NOxخطی است. لذا اگر میانگین دما و غلظت در مدلهاي پیش بینی سرعت تشكیل

یر تغییرات دما و غلظت بايد با در نظر گیري توابع دانسیته كه وابسته أثتلذا خطاي زيادي خواهند داشت

.مان اند ، در معادالت اعمال شودبه ز

نتیجه گیري و پیشنهادات

59

نتیجه گیریجمع بندی و

در فرآيند احتراق به عوامل زيادي بستگی دارد ، برخی از مهم ترين اين عوامل NOxتشكیل

عبارتند از :

دماي شعله

مقدار نیتروژن موجود در سوخت به صورت پیوند شیمیايی

مقدار هواي اضافی

مقدار پیش گرمايش هواي احتراق

مقدار زمان ماند محصوالت احتراق در دماي زياد

1511در دماي باالي حرارتی NOx مكانیسم شناخته شده است. چندين NOxبراي تشكیل

O 2Nو باقیمانده بصورت NOدرصد محصوالت واكنش 95و در حدود گیردگراد شكل میدرجه سانتی

به دماي باال و زمان اين مكانیسم هاي مربوطه به دما ، به دلیل وابستگی شديد واكنش .است 2NO و

راق دارد و در طی احتها مكانیسم همه يبیشترين سهم تولید را در بین اين مكانیسم نیاز دارد.ماند زياد

اتمی موجود حاصل از اكسیداسیون نیتروژن دوتولیدي در اين روش NOx گاز طبیعی ايجاد می گردد.

مكانیسم .ماند نیتروژن در دماي مربوطه است . نرخ تشكیل تابعی از دما و زماندر هواي احتراق است

در اثر اكسیداسیون محصوالت جانبی احتراق از و احتراق انجام می شود ددر مراحل اولیه ي ايجا سريع

د اما با هاي استوكیومتري داركمی در مشعلكه سهم نسبتاً تولید می شود N و NH ، HCN قبیل

ريع ، هاي س NOx كاهش نسبت اكی واالنی )اگر میزان سوخت كمتر از اكسیژن موجود باشد( سهم

سريع متناسب با میزان كربن موجود در سوخت و مستقل از نوع NOx. میزان تولید يابدافزايش می

پیوندهاي در صورت حضور .سريع در حالت عادي قابل صرف نظر كردن است NOxانتشار سوخت است.

NOx كس تشكیلرعگیرد. بشكل می یسوخت NOx ، مكانیزم تشكیل نیتروژنی در سوخت مصرفی

، ، درجه حرارت تاثیر زيادي بر پیشرفت واكنش نداشته و در دماي پايین ، در اين مكانیزم حرارتی

شوند. طی اين واكنش، نیتروژن موجود در سوخت سريعاً به سیانید اكسیدهاي نیتروژن تشكیل می

NOx و، اين تركیبات اكسید شده شود و سپس در صورت حضور اكسیژنهیدروژن و آمونیاك تبديل می

حاصل از اين مكانیزم به وضعیت استوكیومتري احتراق بسیار حساس NOx شود.سوختی تشكیل می

سوختی در احتراق سوخت NOx گذار است.و هوا عامل اصلی تأثیربوده و در واقع نسبت میان سوخت

هايی هم چون زغال سنگ كه حاوي مقدار قابل مالحظه اي نیتروژن هستند مخصوصاً در محفظه هاي

در مكانیسم .حرارتی طراحی شده اند پديده ي غالب خواهد بود NOxاحتراقی كه براي حداقل كردن

نتیجه گیري و پیشنهادات

60

به Hو N ،Oاز طريق حمله ي راديكالهايی شامل هسته هاي NOشاهد تولید NNHو O2Nهاي

2/ O 2N دهند. تراق هیدروژن و هواي مرطوب رخ میهستیم كه در اح

را به همراه واكنشهاي اصلی مربوطه NOxدر شكل زير خالصه اي از مكانیسم هاي مهم در تشكیل

مشاهده می كنید.

پیشنهادات برای تحقیقات آتي

تولید 2بررسی منابع زيست زادNOx توسط منجر به تولید اكسیدهاي نیتروژن كه

د.نمی شو مزارع كشاورزي طی عمل كود دادن بهمیكروارگانیسم ها

بررسی مكانیسمFeed NOx است. در كوره هاي سیمان مطرح كه

2 Biogenic

واكنش هاي اصلی NOxروش تشكیل

NO + H ↔N + OH NO + O ↔ 2N + O NO + N ↔+ O 2N حرارتیروش

روش سريع↔NO+O2N+O O 2↔HCN+N HCN+OH↔CN+H2CH+N

HCN↔CH+H ↔CN+H+M HCN+M↔NO+CO 2CN+O+O2NN+NO↔ NCO+O↔NO+CO ↔NCO+O2CH+O

O2Nحد واسط

+OH2O+H↔N2N O+O↔2NO 2N 2+O2↔N O+O2N O+H2NH+NO↔N +O+M 2O+M↔N2N 2+HO2O+OH↔N2N

NH+O↔NO+H

NNHحد واسط

O2N+H ↔NO+H NH+H↔CN+H NH+OH↔NH+O NH+OH↔HNO+H NH+O2↔HNO+O NH+O2↔NO+OH

+OH2NH+NO↔N 2 O↔HNO+H2+H NH+H2NH+N↔N +H 2O+H NNH↔N2↔NNH+NO

+H+M2NNH+M↔N NNH+O↔NH+NO 2 +N NNH+O↔OH+N2↔HO2NNH+O

2O+N2NNH+OH↔H 2+N2NNH+H↔H 2+N4↔CH3NNH+CH

+NO2HNO+H↔H H+NO+M↔HNO+M HNO+O↔NO+OH

+NO 2↔HO2O HNO+O2HNO+M↔NO+H

منابع و مراجع

61

منابع و مراجع

[1] Hirotatsu Watanabe, Jun-ichiro Yamamoto , Ken Okazaki ,“NOx formation

and reduction mechanisms in staged O2/Co2 combustion ”, Combustion and

Flame 158 (2011) 1255–1263

[2] G. G. De Soete , “ Overall reaction rates of NO and N2 formation from fuel

nitrogen ” , Institut Français du Pétrole , Rueil-Malmaison , France

[3] Charles Baukal , “ Everything You Need to Know About NOx ” , John Zinc

Co. LLC , Tulsa , Okla.

[4] Adrian TRIFAN , Anastase PRUIU , “ Resarch regarding NOx formation

in a gas turbines combustor ”, Military Technical Academy of Bucharest

[5] Stephen J. Klippenstein , Lawrence B. Harding , Peter Glarborg , and James

A. Miller , “ The Role of NNH in NO Formation and Control ” , California

94551-0969 , USA

[6] V. DuPont , M. Pourkashanian , A. Williams and R. Woolley , “ The

reduction of NOx formation in natural gas burner flames ” , Department

of Fuel and Energy , Leeds University , Leeds LS 9JT , UK

[7] Jerry Seitzman , “ NOx Mechanisms ” , School of Aerospace Engineering

, Georgia Tech

[8] ANSYS Inc. , ANSYS FLUENT 6.3 User’s Guide , 2006

[9] http://www.arc.vt.edu/ansys_help/flu_th/flu_th_nox_nitrous.html

در NOxاقتصادي سیستمهاي متعارف كاهش –ررسی فنی ب” ، روشنک رياضی ، سوسن داوري [10]

11، ص 139، ماهنامه صنعت برق ، شماره “نیروگاههاي گازي و سیكل تركیبی

http://www.arc.vt.edu/ansys_help/flu_th/flu_th_nox_nitrous.html

evaluation of nox production mechanisms

Documents