استفاده از تکنولوژی پلاسمای غیرحرارتی جهت کاهش آلودگی دودکش نیروگاه

دراین مقاله ایده اصلی جهت حذف آلاینده‌ها، استفاده از پلاسمای غیرحرارتی است. پلاسما که در بعضی متون حالت چهارم ماده بدان اطلاق می‌شود توده‌ای است که شامل ملکولها، یونها و الکترونها در فاز گازی است. لازم به ذکر است که بالا بودن درجه حرارت از ویژگیهای پلاسما نیست و اتفاقاً در این بحث از پلاسمایی صحبت شده است که دمای پایینی دارند. باید توجه داشت که خاصیت «تخریب‌کنندگی» از ویژگی‌های توده پلاسما بشمار می‌رود که با به کنترل درآوردن این خاصیت، می‌توان از آن در راستای اهداف مورد نظر استفاده مفید کرد. امروزه برای دو هدف می‌توان خاصیت تخریب‌کنندگی پلاسما را مهار کرده و از آن استفاده کرد، یکی از این اهداف استفاده از این ویژگی‌ پلاسما برای انجام عملیات بر سطوح مجاور پلاسما است که به آن تاثیرات سطحی پلاسما گویند و دیگری استفاده از خواص پلاسما در کل حجم پلاسما است که به آن تاثیرات حجمی پلاسما گویند. از نمونه‌های تاثیرات سطحی پلاسما، etch کردن سطح بردها برای ساخت تراشه‌های کامپیوتری و از نمونه‌های تاثیرات حجمی پلاسما نیز می‌توان به شکستن پیوند‌های ملکولی اشاره کرد.

در اینجا باید متذکر شد که نیروگاهها با این فناوری می‌توانند به رویکرد جدیدی که 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 که در ازاء دارا بودن مزیت انرژی برق سهل‌الوصول، از تکنولوژی‌هایی برای حذف آلاینده‌ها استفاده کنند که سرمایه اولیه و هزینه جاری کمی داشته باشند.

● تعریف پلاسمای غیرحرارتی

پلاسما اساساً مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت و منفی در یک گاز خنثی است. این ذرات باردار الکترونها و یونهایی هستند که اتمها یا ملکولها را باردار می‌سازند. در این قسمت ما با پلاسماهایی با میزان یونیزاسیون پایین سروکار داریم. این بدان معنی است که دانسیته کلی تعداد ذرات باردار بسیار کمتر از دانسیته کلی تعداد ذرات خنثی است. به این پلاسماها شبه خنثی نیز گفته می‌شود. بدین معنی که دانسیته کلی حاملهای بار مثبت عملاً دانسیته کلی حاملهای بار منفی است. اگر ما به یک چنین پلاسمایی از طریق اختلاف پتانسیل انرژی اعمال کنیم، این میدان الکتریکی بر ذرات باردار وارد شده و انرژی را به آنان منتقل می‌کند. البته ذرات خنثی (توده گاز) تحت تاثیر این میدان قرار نمی‌گیرند. الکترونها به دلیل سبکی وزن در زمان بین برخوردها فوراً تا سرعتهای بالا شتاب می‌گیرند. 

انرژی‌ای که آنها طی برخورد از دست می‌دهند توسط رقیب آنها جذب می‌شود. اگر فشار کم بوده و یا میدان الکتریکی قوی باشد، متوسط انرژی جنبشی الکترونها و قسمتی از یونها، بیش از انرژی مربوط به حرکت تصادفی مولکولها خواهد بود. در اینجاست که از یک پلاسمای غیرحرارتی یا غیرتعادلی صحبت به میان می‌آید. از سوی دیگر اگر فشار زیاد باشد و یا میدان الکتریکی ضعیف باشد به نحوی که این ذرات باردار پیش از برخورد بعدی زیاد دور نشوند، ممکن است انرژی جنبشی ذرات باردار به سمت انرژی جنبشی ذرات خنثی میل کند یعنی حالت تقسیم مساوی انرژی (Equipartition) اتفاق می‌افتد. به این حالت پلاسمای حرارتی یا پلاسمای تعادلی گویند. یکی از مرسوم‌ترین پلاسماهای تعادلی، پلاسمای در دمای بالا است. در دماهای بالا تعداد برخوردهای بین ذرات بحدی زیاد می‌شود که 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 کرد.

● تخریب مولکولی

شکستن پیوندهای ملکولی اصولاً یا با هدف سنتز (ساخت) محصولات مناسب انجام می‌گیرد و یا هدف از آن حذف ملکولهای مزاحم است. از قدیمیترین روشهای سنتز به وسیله پلاسمای غیرحرارتی می‌توان به تولید ازن (مثلاً جهت ضدعفونی کردن در فرایند‌های تصفیه آب) اشاره داشت.

البته این مقاله به جنبه دیگر یعنی حذف آلودگی توسط پلاسما می‌پردازد. وضعیت از این قرار است که پلاسماهای غیرحرارتی تولید رادیکالهای آزاد و دیگر ذرات فعالی خواهند کرد که برای تخریب آلاینده‌ها مفید است. در حال حاضر در جهان تحقیقات وسیعی در زمینه تکنولوژیهای کاهش آلودگی هوا به کمک پلاسما در صنایع و حتی خودروها در دست انجام است تا ترکیباتی از قبیل SOX و NOX که در فاز گاز قرار دارند را حذف کنند.

در این فن‌آوری از انرژی الکتریکی جهت ایجاد مقدار زیادی رادیکالهای آزاد بسیار فعال در یک محیط گازی استفاده می‌شود و نکته اصلی آن است که اینکار در دمای محیط انجام می‌پذیرد و اساساً این موضوع مزیت تکنولوژی پلاسماهای غیرحرارتی است.

● تولید پلاسماهای غیرتعادلی

پلاسماهای غیرتعادلی بر اساس مکانیزم بکار گرفته شده جهت تولید پلاسما، محدوده فشار و یا شکل هندسی الکترودها به گروههای مجزایی دسته‌بندی می‌شوند.

در ادامه بطور مختصر قابل ذکرترین مشخصات پنج تخلیه غیرتعادلی زیر را مورد بررسی قرار می‌دهیم:

۱) تخلیه تابشی

۲) تخلیه کرونا

۳) تخلیه بدون صدا

۴) تخلیه فرکانس رادیویی (RF)

۵) تخلیه مایکروویو

● شیمی مربوط به تخلیه‌های غیرتعادلی

همانطوری که بیان شد اساساً باید الکترونهای سریعی که در نتیجه پلاسما بوجود آمده‌اند، واکنشهای شیمیایی پلاسما را آغاز کنند. الکترونها (e) با مولکولهای گاز M) و B) برخورد کرده و آنان را به سطح انرژی بالاتر برانگیخته کرده و انرژی خود را به همان میزان از دست می‌دهند. به دلیل وجود انرژی داخلی زیاد در این مولکولهای برانگیخته، بعضی از واکنشها آغاز می‌شود. بعنوان مثال واکنشها می‌تواند بصورت زیر باشد: 

با توجه به اینکه واکنشD + e+M فقط در دماهای بالا به وقوع می‌پیوندد عملاً واکنش (۲) باعث آغاز تولید ذرات C و D خواهد شد.

هر واکنش توسط تعدادی مشخصه اصلی مثل واکنشگرها A)و M*)، محصولات C) و D)، فشار، دما، گرمای واکنش H) در فشار ثابت و U در حجم ثابت) و ضریب سرعت P، مشخص می‌شود. در واکنشهای الکترونی مثل (محصول e+B) زمانی می‌توان ضریب سرعت را مشخص کرد که دو رابطه زیر معلوم باشند.

۱) توزیع انرژیهای الکترونی

۲) سطح مقطع ……… فرآیند

زمانی‌که سطح مقطع به عنوان تابعی از انرژی یا سرعت بوده و به کمک حل معادله بولتزمن، تابع توزیع الکترون محاسبه شده باشد، ضریب سرعت را می‌توان از انتگرال زیر محاسبه کرد:

که تابع توزیع انرژی الکترون بصورت زیر نرمالیزه می‌شود:

در مورد واکنش بین دو اتم یا دو مولکول، روند حل اساساً بهمین صورت است فقط در اینجا باید حرکت 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 مولکولها و e برای الکترون است. M یک شرکت موقت در برخوردها است وذراتی که 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 امکان‌پذیری تکنیک و فهم جنبه‌های فرآیندی تکنیک 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 کم یا زیاد را تصفیه کنند که این مزیت باعث خواهد شد که این تکنولوژی برای محدوده وسیعی از فرآیندها قابل استفاده باشند. در روش پلاسمای تخلیه بدون صدا از انرژی الکتریکی جهت ایجاد مقدار زیادی رادیکالهای آزاد بسیار فعال در یک محیط گازی استفاده می‌شود و نکته اصلی آنکه در دمای محیط انجام می‌پذیرد. در ادامه این رادیکالها با آلاینده‌های موجود در جریان گاز واکنش کرده و باعث اکسیداسیون تقریباً کامل ترکیبات الی به CO۲ و H۲O می‌شود و ترکیباتی از قبیل کلر، گوگرد و نیتروژن نیز به HCL، H۲SO۴ و HNO۳ تبدیل خواهند شد. جالب آنکه تکنولوژی NTP قادر است بطور همزمان تعداد زیادی از آلاینده‌ها از قبیل VOC، SOx و NOx و ترکیبات آلی کلرینه و سولفونه شده را که در اغلب گازهای صنعتی وجود دارند را حذف کنند که این یکی دیگر از مزایای این تکنولوژی است. بعلاوه این تکنولوژی قادر است که در غلظتهای زاید (بیش از ppmv۱۰۰۰) و غلظتهای کم (کمتر از ppmv۱۰۰۰) براحتی کار کند.

همانطور که گفته شد در پلاسمای غیرحرارتی، ذرات پلاسما در تعادل حرارتی قرار ندارند بدین معنی که الکترونها، یونها و ذرات خنثی دارای دما و انرژی جنبشی متفاوتی هستند که در این بین الکترونها به دلیل جرم کمتر دارای بیشترین دما هستند. الکترونهایی که در پلاسمای غیرحرارتی وجود دارند، دارای انرژی زیادی هستند.eV) ۱۰-۱) که به آنها اجازه می‌دهد رادیکالهای آزاد را از دیگر مواد موجود در فاز گاز، عمدتاً گاز زمینه و نه آلاینده، تولید کنند. درادامه از این رادیکالهای آزاد برای از بین بردن آلاینده‌ها استفاده می‌شود.

تخلیه کلی در این سیستم در برگیرنده تعداد زیادی تخلیه‌های بسیار کوچک است که هر چند دارای عمر کوتاهی هستند ولی جریان لحظه‌ای زیادی دارند.

این آرایش با مانع دی‌الکتریکی، باعث بوجود آمدن یک تخلیه الکتریکی با قابلیت خود تمام‌کنندگی می‌شود که نسبتاً مستقل از شکل موج ولتاژ ورودی است.

عملاً هر یک از این تخلیه‌های بسیار کوچک منبعی برای پلاسماهای غیرحرارتی است که مشخصه آنها نیز الکترونهای انرژی ‌داری است که قادر است رادیکالهای آزاد بسیار فعال تولید کند.

مکانیسم‌ پلاسما هنگام تخریب آلاینده‌ها بسیار پیچیده است و برای شناخت این مکانیزم تحقیقات وسیعی در دست انجام است. خوشبختانه برای استفاده مناسب از این تکنولوژی نیازی به دانستن مکانیزم کامل آن نیست.

▪ حذف NOx :

با استفاده از روش تخلیه با سد عایق آلاینده NOx اکسید می‌شود. گستره این اکسیداسیون از اکسیداسیون جزیی تا اکسیداسیون کامل قرار دارد و هر کدام منجر به تولید محصولاتی خاص می‌شوند. در اکسیداسیون کامل NOx به N۲ و O۲ تبدیل می‌شود که هر دو بی‌ضرر بوده و خارج می‌شوند. چنین روشی معمولاً در حذف NOx از دود اگزوز خودروها بکار می‌رود که محصولی برجای نماند. در اکسیداسیون جزیی در یک روش NOx به HNO۳ تبدیل می‌شود و نهایتاً با حل آن در اب (در اثر تزریق آب به داخل جریان) اسید نیتریک تولید می‌شود که توسط سیستم چگالنده که پس از سیستم پلاسمای غیرحرارتی نصب می‌شود، اسیدنیتریک از جریان جدا می‌شود. نهایتاً اسید نیتریک جدا شده توسط قلیایی مثل آهک خنثی شده و دفع می‌شود.

در روش دیگر پس از تشکیل HNO۳، محلول آب آهک به جریان تزریق می‌شود در نتیجه محلول Ca (NO۳)۲ تولید می‌شود که با سیستمهای خشک‌کن، پاششی، نتیرات‌کلسیم به طور جامد جدا شده و در آخر توسط فیلتر کیسه‌ای حذف می‌شود. گاهی مستقیماً پودر آهک (CaO) را تزریق کرده و نیترات کلسیم جامد را با فیلتر کیسه‌ای جدا می‌کنند. در روش دیگر پس از اکسیداسیون جزئی NOx و تبدیل آن به HNO۳، گاز آمونیاک به سیستم تزریق می‌شود و سپس محصول NH۴NO۳ خشک در فیلتر الکتروستاتیکی (EPS) از جریان گاز جدا می‌شود.

▪ حذف SOx:

در کشورهای پیشرفته تحقیق کمتری روی این موضوع صورت گرفته است، گرچه عملاً امکان حذف Sox به این روش وجود دارد ولی چون عمدتاً در کشورهای پیشرفته با استفاده از سوختهای کم‌گوگرد به استاندارد لازم در مورد Sox در خروجی دودکش دست یافته‌اند، روی این جنبه لااقل بطور مستقل کمتر کار شده است.

روشهایی بنام deNOx/deSOx وجود دارد که در آن پارامترهای سیستم پلاسمای غیرتعادلی برای حذف همزمان هر دو آلاینده NOx و Sox تنظیم شده‌اند.

در حذف Sox،‌ ابتدا در راکتور پلاسما ملکولهای 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 سولفوریک تبدیل شده و توسط سیستم چگالنده (هواخنک یا آب خنک) از جریان گاز دودکش جدا می‌شود. نهایتاً اسید سولفوریک جدا شده، توسط قلیایی مثل اب آهک خنثی شده و دفع می‌شود.

در روش دیگر پس از تشکیل H۲SO۴،‌محلول آب آهک به جریان تزریق می‌شود، درنتیجه محلول CaSO۴ تولید می‌شود که توسط سیستمهای خشک‌کن پاششی، سولفات کلسیم بطور جامد جدا شده و نهایتاً توسط فیلتر کیسه‌ای حذف می‌شود. گاهی مستقیماً پودر آهک (CaO) را تزریق کرده و سولفات کلسیم حاصل را با فیلتر کیسه‌ای جدا می‌کنند.

در روش دیگر پس از تبدیل SOx به H۲SO۴ در راکتور پلاسما، گاز آمونیاک به سیستم تزریق شده و سپس محصول (NH۴)۲SO۴ خشک، مستقیماً در فیلتر الکترواستاتیکی (EPS) از جریان گاز جدا می‌شود.

● دستگاههای آزمایش

جهت بررسی تجزیه آلاینده‌های مختلف تحت شرایط فرآیندی متفاوت، معمولاً از راکتورهای پلاسمایی با تخلیه بین موانع دی‌الکتریک استفاده می‌شود (Dielectric Barrier Discharge) که اختصاراً DBD نیز نامیده می‌شود. 

در این آرایش جهت انجام آزمایشات از الکترودهای مسطح استفاده شده است که فاصله عبور گاز بین آنها بین ۳ تا ۵ میلیمتر است. این راکتور از دو صفحه آلومینیومی تشکیل شده است که هر کدام با یک صفحه پیرکس پوشانده می‌شود. حالت پلاسما در فضای بین دو صفحه دی‌الکتریک و پس از اتصال الکترودها به ولتاژ بالا ایجاد می‌شود.

در بخش تولید گاز، یک مخزن جهت هوای بسیار خالص و یک پمپ تزریق سرنگی وجود دارد که با تنظیم میزان هوا و دبی پمپ می‌توان غلظتهای مختلف از آلاینده را تهیه کرد. حین انجام آزمایشات می‌توان زمان ماند و غلظت را تغییر داده و نتایج خروجی را نیز ثبت کرد که برای اینکار باید سیستم آنالیز مربوط به هر آلاینده را بکار 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 کرده است. در سال ۱۹۸۷ حذف آلاینده‌های گاز دودکش در مقیاس واقعی در یک واحد نمایشی توسط سیستم کرونا انجام گرفت. نتایج حاکی از این بود که مدل شیمیایی بکار گرفته شده تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشات دارد.

بنابراین مشاهدات اخیر قدمی جهت انجام تحقیقات لازم روی روش تصفیه گاز دودکش به روش پلاسمای غیرحرارتی است که در یک نیروگاه حرارتی هزار مگاواتی ساخته شده توسط شرکت ENEL ایتالیا در سال (۱۹۹۲-۱۹۸۶) انجام شده است.

● کاربردهای جدید

الحاقیه‌های قانون هوای پاک لیستی از آلاینده‌های خطرناک هوا را ارایه می‌کنند که موسسات دولتی، تجاری و صنعتی آمریکا موظف هستند با بهره‌گیری از سیستمهای جدید کاهش آلودگی، مقادیر مورد نظر این قانون را تامین کنند. پس از استفاده از کاتالیستهای اگزوز در خودروها بنظر می‌رسید که مشکل آلودگی خودروها بکلی رفع شده است ولی با تصویب قوانین سختگیرانه‌تر، صنایع خودروسازی به دنبال یافتن راه حلی برای این مشکل افتادند. یکی از این فناوریها که اخیراً توانسته نظر این صنایع را به خود جلب کند، فناوری پلاسمای غیرحرارتی است چون قادر است اکسیدهای نیتروژن و دیگر آلاینده‌های خروجی از اگزوز را به استاندارد مورد نیاز برساند.

قابل ذکر است که شرکتهای بزرگ خودروسازی مانند فورد، جنرال موتورز و پژو- سیتروئن به فکر استفاده از این سیستم در خودروهای خود به محض اجرایی شدن قوانین جدید هستند.

● بحث و نتیجه‌گیری:

عمده‌ترین مزیت این تکنولوژی حذف همزمان SOx و NOx است. بر اساس تحقیقات انجام شده برای حذف SOx به روش wet و استفاده از سنگ‌آهک به ازای هر کیلووات ظرفیت نیروگاه باید بین ۱۴۰-۱۰۰ دلار سرمایه‌گذاری کرد. یعنی برای یک نیروگاه هزار مگاواتی باید برای این سیستم بین ۱۴۰-۱۰۰ میلیون دلار سرمایه‌گذاری انجام شود که به این رقم باید عدد ۵۰-۴۰ میلیون دلار هزینه راهبری سالانه را نیز اضافه کرد که رقم بالایی خواهد شد. باید توجه داشت که هزینه حذف NOx (در حد قابل قبول) کمتر از مقدار فوق نبوده و احتمالاً از این ارقام نیز فراتر خواهد رفت چون کنترل NOx اساساً کار پیچیده‌ای است و علت عمده ورود نیتروژن نیز از هوای ورودی برای احتراق است که امکان حذف آن از فرآیند احتراق وجود ندارد. باید توجه داشت که امروزه نیروگاههای کشور با وضعیت ویژه‌ای مواجه هستند یعنی اکثر این نیروگاهها گازسوز شده‌اند بعبارت دیگر تولید SOx در آنها بسیار کم شده است و نصب سیستم‌های مجزایی برای حذف ترکیبات گوگردی توجیه ندارد ولی همین نیروگاهها در فصول سرد سال به دلیل افت فشار خط لوله گاز مجبور می‌شوند که مازوت با گوگرد بین ۳-۲ درصد را بسوزانند که SOx بالایی تولید خواهند کرد.

با این توضیحات اگر یک سیستم انعطاف‌پذیر و چند منظوره وجود داشته باشد که بتوانند در فصول گرم وظیفه حذف NOx و در فصول سرد وظیفه حذف همزمان SOx و NOx را انجام دهند، می‌توان ادعا کرد که هدف نهایی از تصفیه آلاینده‌ها حاصل شده است که بسیار مناسب نیز خواهد بود. موضوع دیگر پایین بودن هزینه راهبری سیستم‌های پلاسمای غیرحرارتی است.