استفاده از تکنولوژی پلاسمای غیرحرارتی جهت کاهش آلودگی دودکش نیروگاه

دراین مقاله ایده اصلی جهت حذف آلاینده‌ها، استفاده از پلاسمای غیرحرارتی است. پلاسما كه در بعضی متون حالت چهارم ماده بدان اطلاق می‌شود توده‌ای است كه شامل ملكولها، یونها و الكترونها در فاز گازی است. لازم به ذكر است كه بالا بودن درجه حرارت از ویژگیهای پلاسما نیست و اتفاقاً در این بحث از پلاسمایی صحبت شده است كه دمای پایینی دارند. باید توجه داشت كه خاصیت «تخریب‌كنندگی» از ویژگی‌های توده پلاسما بشمار می‌رود كه با به كنترل درآوردن این خاصیت، می‌توان از آن در راستای اهداف مورد نظر استفاده مفید كرد. امروزه برای دو هدف می‌توان خاصیت تخریب‌كنندگی پلاسما را مهار كرده و از آن استفاده كرد، یكی از این اهداف استفاده از این ویژگی‌ پلاسما برای انجام عملیات بر سطوح مجاور پلاسما است كه به آن تاثیرات سطحی پلاسما گویند و دیگری استفاده از خواص پلاسما در كل حجم پلاسما است كه به آن تاثیرات حجمی پلاسما گویند. از نمونه‌های تاثیرات سطحی پلاسما، etch كردن سطح بردها برای ساخت تراشه‌های كامپیوتری و از نمونه‌های تاثیرات حجمی پلاسما نیز می‌توان به شكستن پیوند‌های ملكولی اشاره كرد.
در اینجا باید متذكر شد كه نیروگاهها با این فناوری می‌توانند به رویكرد جدیدی كه همانا استفاده از انرژی برق برای حذف آلاینده‌ها است، روی آورند. علت این امر سهل‌الوصول بودن انرژی برق برای نیروگاهها است. بر این اساس نیروگاهها قادر خواهند بود كه در ازاء دارا بودن مزیت انرژی برق سهل‌الوصول، از تكنولوژی‌هایی برای حذف آلاینده‌ها استفاده كنند كه سرمایه اولیه و هزینه جاری كمی داشته باشند.
● تعریف پلاسمای غیرحرارتی
پلاسما اساساً مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت و منفی در یك گاز خنثی است. این ذرات باردار الكترونها و یونهایی هستند كه اتمها یا ملكولها را باردار می‌سازند. در این قسمت ما با پلاسماهایی با میزان یونیزاسیون پایین سروكار داریم. این بدان معنی است كه دانسیته كلی تعداد ذرات باردار بسیار كمتر از دانسیته كلی تعداد ذرات خنثی است. به این پلاسماها شبه خنثی نیز گفته می‌شود. بدین معنی كه دانسیته كلی حاملهای بار مثبت عملاً دانسیته كلی حاملهای بار منفی است. اگر ما به یك چنین پلاسمایی از طریق اختلاف پتانسیل انرژی اعمال كنیم، این میدان الكتریكی بر ذرات باردار وارد شده و انرژی را به آنان منتقل می‌كند. البته ذرات خنثی (توده گاز) تحت تاثیر این میدان قرار نمی‌گیرند. الكترونها به دلیل سبكی وزن در زمان بین برخوردها فوراً تا سرعتهای بالا شتاب می‌گیرند.
انرژی‌ای كه آنها طی برخورد از دست می‌دهند توسط رقیب آنها جذب می‌شود. اگر فشار كم بوده و یا میدان الكتریكی قوی باشد، متوسط انرژی جنبشی الكترونها و قسمتی از یونها، بیش از انرژی مربوط به حركت تصادفی مولكولها خواهد بود. در اینجاست كه از یك پلاسمای غیرحرارتی یا غیرتعادلی صحبت به میان می‌آید. از سوی دیگر اگر فشار زیاد باشد و یا میدان الكتریكی ضعیف باشد به نحوی كه این ذرات باردار پیش از برخورد بعدی زیاد دور نشوند، ممكن است انرژی جنبشی ذرات باردار به سمت انرژی جنبشی ذرات خنثی میل كند یعنی حالت تقسیم مساوی انرژی (Equipartition) اتفاق می‌افتد. به این حالت پلاسمای حرارتی یا پلاسمای تعادلی گویند. یكی از مرسوم‌ترین پلاسماهای تعادلی، پلاسمای در دمای بالا است. در دماهای بالا تعداد برخوردهای بین ذرات بحدی زیاد می‌شود كه انرژی به طور مساوی بین تمام ذرات تقسیم می‌شود. از این رو پلاسماهای تعادلی را می‌توان پلاسمای داغ و پلاسماهای غیرتعادلی را پلاسمای سرد نامگذاری كرد.
● تخریب مولكولی
شكستن پیوندهای ملكولی اصولاً یا با هدف سنتز (ساخت) محصولات مناسب انجام می‌گیرد و یا هدف از آن حذف ملكولهای مزاحم است. از قدیمیترین روشهای سنتز به وسیله پلاسمای غیرحرارتی می‌توان به تولید ازن (مثلاً جهت ضدعفونی كردن در فرایند‌های تصفیه آب) اشاره داشت.
البته این مقاله به جنبه دیگر یعنی حذف آلودگی توسط پلاسما می‌پردازد. وضعیت از این قرار است كه پلاسماهای غیرحرارتی تولید رادیكالهای آزاد و دیگر ذرات فعالی خواهند كرد كه برای تخریب آلاینده‌ها مفید است. در حال حاضر در جهان تحقیقات وسیعی در زمینه تكنولوژیهای كاهش آلودگی هوا به كمك پلاسما در صنایع و حتی خودروها در دست انجام است تا تركیباتی از قبیل SOX و NOX كه در فاز گاز قرار دارند را حذف كنند.
در این فن‌آوری از انرژی الكتریكی جهت ایجاد مقدار زیادی رادیكالهای آزاد بسیار فعال در یك محیط گازی استفاده می‌شود و نكته اصلی آن است كه اینكار در دمای محیط انجام می‌پذیرد و اساساً این موضوع مزیت تكنولوژی پلاسماهای غیرحرارتی است.
● تولید پلاسماهای غیرتعادلی
پلاسماهای غیرتعادلی بر اساس مكانیزم بكار گرفته شده جهت تولید پلاسما، محدوده فشار و یا شكل هندسی الكترودها به گروههای مجزایی دسته‌بندی می‌شوند.
در ادامه بطور مختصر قابل ذكرترین مشخصات پنج تخلیه غیرتعادلی زیر را مورد بررسی قرار می‌دهیم:
۱) تخلیه تابشی
۲) تخلیه كرونا
۳) تخلیه بدون صدا
۴) تخلیه فركانس رادیویی (RF)
۵) تخلیه مایكروویو
● شیمی مربوط به تخلیه‌های غیرتعادلی
همانطوری كه بیان شد اساساً باید الكترونهای سریعی كه در نتیجه پلاسما بوجود آمده‌اند، واكنشهای شیمیایی پلاسما را آغاز كنند. الكترونها (e) با مولكولهای گاز M) و B) برخورد كرده و آنان را به سطح انرژی بالاتر برانگیخته كرده و انرژی خود را به همان میزان از دست می‌دهند. به دلیل وجود انرژی داخلی زیاد در این مولكولهای برانگیخته، بعضی از واكنشها آغاز می‌شود. بعنوان مثال واكنشها می‌تواند بصورت زیر باشد:
با توجه به اینكه واكنشD + e+M فقط در دماهای بالا به وقوع می‌پیوندد عملاً واكنش (۲) باعث آغاز تولید ذرات C و D خواهد شد.
هر واكنش توسط تعدادی مشخصه اصلی مثل واكنشگرها A)و M*)، محصولات C) و D)، فشار، دما، گرمای واكنش H) در فشار ثابت و U در حجم ثابت) و ضریب سرعت P، مشخص می‌شود. در واكنشهای الكترونی مثل (محصول e+B) زمانی می‌توان ضریب سرعت را مشخص كرد كه دو رابطه زیر معلوم باشند.
۱) توزیع انرژیهای الكترونی
۲) سطح مقطع ……… فرآیند
زمانی‌كه سطح مقطع به عنوان تابعی از انرژی یا سرعت بوده و به كمك حل معادله بولتزمن، تابع توزیع الكترون محاسبه شده باشد، ضریب سرعت را می‌توان از انتگرال زیر محاسبه كرد:
كه تابع توزیع انرژی الكترون بصورت زیر نرمالیزه می‌شود:
در مورد واكنش بین دو اتم یا دو مولكول، روند حل اساساً بهمین صورت است فقط در اینجا باید حركت هر دو عضو A و B مورد توجه قرار گیرد بعبارت دیگر باید متوسط توابع توزیع fA و fB بحساب آید.سمبلهایA و B برای اتمها و A۲ و B۲ برای مولكولها و e برای الكترون است. M یك شركت موقت در برخوردها است وذراتی كه با + یا – مشخص هستند بیانگر یونها هستند و ذرات برانگیخته دارای * هستند.
● قابلیت روش پلاسمای غیرحرارتی در حذف آلاینده‌ها:
در سالهای اخیر از سیستمهای مختلف پلاسمای غیرحرارتی برای حذف انواع آلاینده بهره‌ گرفته شده است. بعضی از این سیستمها در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه صنعتی و برخی دیگر در مقیاس صنعتی ساخته و راه‌اندازی شده‌اند.
اساساً انجام تستهای آزمایشگاهی و نیمه صنعتی برای فهمیدن امكان‌پذیری تكنیك و فهم جنبه‌های فرآیندی تكنیك انجام می‌شود و سیستمهای صنعتی برای حصول به پارامترهای اقتصادی مثل هزینه سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه جاری ایجاد می‌شوند. واحدهای صنعتی همچنین از دیدگاه مقیاس‌پذیری اصول فرآیند نیز مورد بررسی قرار می‌گیرند.
پلاسماهای غیرحرارتی قادرند گازهایی با حجم كم یا زیاد را تصفیه كنند كه این مزیت باعث خواهد شد كه این تكنولوژی برای محدوده وسیعی از فرآیندها قابل استفاده باشند. در روش پلاسمای تخلیه بدون صدا از انرژی الكتریكی جهت ایجاد مقدار زیادی رادیكالهای آزاد بسیار فعال در یك محیط گازی استفاده می‌شود و نكته اصلی آنكه در دمای محیط انجام می‌پذیرد. در ادامه این رادیكالها با آلاینده‌های موجود در جریان گاز واكنش كرده و باعث اكسیداسیون تقریباً كامل تركیبات الی به CO۲ و H۲O می‌شود و تركیباتی از قبیل كلر، گوگرد و نیتروژن نیز به HCL، H۲SO۴ و HNO۳ تبدیل خواهند شد. جالب آنكه تكنولوژی NTP قادر است بطور همزمان تعداد زیادی از آلاینده‌ها از قبیل VOC، SOx و NOx و تركیبات آلی كلرینه و سولفونه شده را كه در اغلب گازهای صنعتی وجود دارند را حذف كنند كه این یكی دیگر از مزایای این تكنولوژی است. بعلاوه این تكنولوژی قادر است كه در غلظتهای زاید (بیش از ppmv۱۰۰۰) و غلظتهای كم (كمتر از ppmv۱۰۰۰) براحتی كار كند.
همانطور كه گفته شد در پلاسمای غیرحرارتی، ذرات پلاسما در تعادل حرارتی قرار ندارند بدین معنی كه الكترونها، یونها و ذرات خنثی دارای دما و انرژی جنبشی متفاوتی هستند كه در این بین الكترونها به دلیل جرم كمتر دارای بیشترین دما هستند. الكترونهایی كه در پلاسمای غیرحرارتی وجود دارند، دارای انرژی زیادی هستند.eV) ۱۰-۱) كه به آنها اجازه می‌دهد رادیكالهای آزاد را از دیگر مواد موجود در فاز گاز، عمدتاً گاز زمینه و نه آلاینده، تولید كنند. درادامه از این رادیكالهای آزاد برای از بین بردن آلاینده‌ها استفاده می‌شود.
تخلیه كلی در این سیستم در برگیرنده تعداد زیادی تخلیه‌های بسیار كوچك است كه هر چند دارای عمر كوتاهی هستند ولی جریان لحظه‌ای زیادی دارند.
این آرایش با مانع دی‌الكتریكی، باعث بوجود آمدن یك تخلیه الكتریكی با قابلیت خود تمام‌كنندگی می‌شود كه نسبتاً مستقل از شكل موج ولتاژ ورودی است.
عملاً هر یك از این تخلیه‌های بسیار كوچك منبعی برای پلاسماهای غیرحرارتی است كه مشخصه آنها نیز الكترونهای انرژی ‌داری است كه قادر است رادیكالهای آزاد بسیار فعال تولید كند.
مكانیسم‌ پلاسما هنگام تخریب آلاینده‌ها بسیار پیچیده است و برای شناخت این مكانیزم تحقیقات وسیعی در دست انجام است. خوشبختانه برای استفاده مناسب از این تكنولوژی نیازی به دانستن مكانیزم كامل آن نیست.
▪ حذف NOx :
با استفاده از روش تخلیه با سد عایق آلاینده NOx اكسید می‌شود. گستره این اكسیداسیون از اكسیداسیون جزیی تا اكسیداسیون كامل قرار دارد و هر كدام منجر به تولید محصولاتی خاص می‌شوند. در اكسیداسیون كامل NOx به N۲ و O۲ تبدیل می‌شود كه هر دو بی‌ضرر بوده و خارج می‌شوند. چنین روشی معمولاً در حذف NOx از دود اگزوز خودروها بكار می‌رود كه محصولی برجای نماند. در اكسیداسیون جزیی در یك روش NOx به HNO۳ تبدیل می‌شود و نهایتاً با حل آن در اب (در اثر تزریق آب به داخل جریان) اسید نیتریك تولید می‌شود كه توسط سیستم چگالنده كه پس از سیستم پلاسمای غیرحرارتی نصب می‌شود، اسیدنیتریك از جریان جدا می‌شود. نهایتاً اسید نیتریك جدا شده توسط قلیایی مثل آهك خنثی شده و دفع می‌شود.
در روش دیگر پس از تشكیل HNO۳، محلول آب آهك به جریان تزریق می‌شود در نتیجه محلول Ca (NO۳)۲ تولید می‌شود كه با سیستمهای خشك‌كن، پاششی، نتیرات‌كلسیم به طور جامد جدا شده و در آخر توسط فیلتر كیسه‌ای حذف می‌شود. گاهی مستقیماً پودر آهك (CaO) را تزریق كرده و نیترات كلسیم جامد را با فیلتر كیسه‌ای جدا می‌كنند. در روش دیگر پس از اكسیداسیون جزئی NOx و تبدیل آن به HNO۳، گاز آمونیاك به سیستم تزریق می‌شود و سپس محصول NH۴NO۳ خشك در فیلتر الكتروستاتیكی (EPS) از جریان گاز جدا می‌شود.
▪ حذف SOx:
در كشورهای پیشرفته تحقیق كمتری روی این موضوع صورت گرفته است، گرچه عملاً امكان حذف Sox به این روش وجود دارد ولی چون عمدتاً در كشورهای پیشرفته با استفاده از سوختهای كم‌گوگرد به استاندارد لازم در مورد Sox در خروجی دودكش دست یافته‌اند، روی این جنبه لااقل بطور مستقل كمتر كار شده است.
روشهایی بنام deNOx/deSOx وجود دارد كه در آن پارامترهای سیستم پلاسمای غیرتعادلی برای حذف همزمان هر دو آلاینده NOx و Sox تنظیم شده‌اند.
در حذف Sox،‌ ابتدا در راكتور پلاسما ملكولهای So۲ به So۳ و نهایتاً به H۲SO۴ تبدیل می‌شوند.
در اینجا نیز مانند حذف NOx، روشهای مختلفی وجود دارد: یا با تزریق آب به داخل جریان، قطره‌های H۲SO۴ به اسید سولفوریك تبدیل شده و توسط سیستم چگالنده (هواخنك یا آب خنك) از جریان گاز دودكش جدا می‌شود. نهایتاً اسید سولفوریك جدا شده، توسط قلیایی مثل اب آهك خنثی شده و دفع می‌شود.
در روش دیگر پس از تشكیل H۲SO۴،‌محلول آب آهك به جریان تزریق می‌شود، درنتیجه محلول CaSO۴ تولید می‌شود كه توسط سیستمهای خشك‌كن پاششی، سولفات كلسیم بطور جامد جدا شده و نهایتاً توسط فیلتر كیسه‌ای حذف می‌شود. گاهی مستقیماً پودر آهك (CaO) را تزریق كرده و سولفات كلسیم حاصل را با فیلتر كیسه‌ای جدا می‌كنند.
در روش دیگر پس از تبدیل SOx به H۲SO۴ در راكتور پلاسما، گاز آمونیاك به سیستم تزریق شده و سپس محصول (NH۴)۲SO۴ خشك، مستقیماً در فیلتر الكترواستاتیكی (EPS) از جریان گاز جدا می‌شود.
● دستگاههای آزمایش
جهت بررسی تجزیه آلاینده‌های مختلف تحت شرایط فرآیندی متفاوت، معمولاً از راكتورهای پلاسمایی با تخلیه بین موانع دی‌الكتریك استفاده می‌شود (Dielectric Barrier Discharge) كه اختصاراً DBD نیز نامیده می‌شود.
در این آرایش جهت انجام آزمایشات از الكترودهای مسطح استفاده شده است كه فاصله عبور گاز بین آنها بین ۳ تا ۵ میلیمتر است. این راكتور از دو صفحه آلومینیومی تشكیل شده است كه هر كدام با یك صفحه پیركس پوشانده می‌شود. حالت پلاسما در فضای بین دو صفحه دی‌الكتریك و پس از اتصال الكترودها به ولتاژ بالا ایجاد می‌شود.
در بخش تولید گاز، یك مخزن جهت هوای بسیار خالص و یك پمپ تزریق سرنگی وجود دارد كه با تنظیم میزان هوا و دبی پمپ می‌توان غلظتهای مختلف از آلاینده را تهیه كرد. حین انجام آزمایشات می‌توان زمان ماند و غلظت را تغییر داده و نتایج خروجی را نیز ثبت كرد كه برای اینكار باید سیستم آنالیز مربوط به هر آلاینده را بكار گرفت.
● استفاده در مقیاس واقعی
با توجه به مطالب فوق و نیز مطالب ارایه شده در این مقاله، به دلیل بسیار نو و جدید بودن موضوع در سراسر دنیا تحقیقات در مقیاس Bench و پایلوت انجام شده است و هر محقق شرایط خاص آزمایشات خود را منتشر كرده است. در سال ۱۹۸۷ حذف آلاینده‌های گاز دودكش در مقیاس واقعی در یك واحد نمایشی توسط سیستم كرونا انجام گرفت. نتایج حاكی از این بود كه مدل شیمیایی بكار گرفته شده تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشات دارد.
بنابراین مشاهدات اخیر قدمی جهت انجام تحقیقات لازم روی روش تصفیه گاز دودكش به روش پلاسمای غیرحرارتی است كه در یك نیروگاه حرارتی هزار مگاواتی ساخته شده توسط شركت ENEL ایتالیا در سال (۱۹۹۲-۱۹۸۶) انجام شده است.
● كاربردهای جدید
الحاقیه‌های قانون هوای پاك لیستی از آلاینده‌های خطرناك هوا را ارایه می‌كنند كه موسسات دولتی، تجاری و صنعتی آمریكا موظف هستند با بهره‌گیری از سیستمهای جدید كاهش آلودگی، مقادیر مورد نظر این قانون را تامین كنند. پس از استفاده از كاتالیستهای اگزوز در خودروها بنظر می‌رسید كه مشكل آلودگی خودروها بكلی رفع شده است ولی با تصویب قوانین سختگیرانه‌تر، صنایع خودروسازی به دنبال یافتن راه حلی برای این مشكل افتادند. یكی از این فناوریها كه اخیراً توانسته نظر این صنایع را به خود جلب كند، فناوری پلاسمای غیرحرارتی است چون قادر است اكسیدهای نیتروژن و دیگر آلاینده‌های خروجی از اگزوز را به استاندارد مورد نیاز برساند.
قابل ذكر است كه شركتهای بزرگ خودروسازی مانند فورد، جنرال موتورز و پژو- سیتروئن به فكر استفاده از این سیستم در خودروهای خود به محض اجرایی شدن قوانین جدید هستند.
● بحث و نتیجه‌گیری:
عمده‌ترین مزیت این تكنولوژی حذف همزمان SOx و NOx است. بر اساس تحقیقات انجام شده برای حذف SOx به روش wet و استفاده از سنگ‌آهك به ازای هر كیلووات ظرفیت نیروگاه باید بین ۱۴۰-۱۰۰ دلار سرمایه‌گذاری كرد. یعنی برای یك نیروگاه هزار مگاواتی باید برای این سیستم بین ۱۴۰-۱۰۰ میلیون دلار سرمایه‌گذاری انجام شود كه به این رقم باید عدد ۵۰-۴۰ میلیون دلار هزینه راهبری سالانه را نیز اضافه كرد كه رقم بالایی خواهد شد. باید توجه داشت كه هزینه حذف NOx (در حد قابل قبول) كمتر از مقدار فوق نبوده و احتمالاً از این ارقام نیز فراتر خواهد رفت چون كنترل NOx اساساً كار پیچیده‌ای است و علت عمده ورود نیتروژن نیز از هوای ورودی برای احتراق است كه امكان حذف آن از فرآیند احتراق وجود ندارد. باید توجه داشت كه امروزه نیروگاههای كشور با وضعیت ویژه‌ای مواجه هستند یعنی اكثر این نیروگاهها گازسوز شده‌اند بعبارت دیگر تولید SOx در آنها بسیار كم شده است و نصب سیستم‌های مجزایی برای حذف تركیبات گوگردی توجیه ندارد ولی همین نیروگاهها در فصول سرد سال به دلیل افت فشار خط لوله گاز مجبور می‌شوند كه مازوت با گوگرد بین ۳-۲ درصد را بسوزانند كه SOx بالایی تولید خواهند كرد.
با این توضیحات اگر یك سیستم انعطاف‌پذیر و چند منظوره وجود داشته باشد كه بتوانند در فصول گرم وظیفه حذف NOx و در فصول سرد وظیفه حذف همزمان SOx و NOx را انجام دهند، می‌توان ادعا كرد كه هدف نهایی از تصفیه آلاینده‌ها حاصل شده است كه بسیار مناسب نیز خواهد بود. موضوع دیگر پایین بودن هزینه راهبری سیستم‌های پلاسمای غیرحرارتی است.

مهندس عبداله مصطفایی- پژوهشگاه نیرو- گروه محیط‌زیست

منبع : ماهنامه صنعت برق